автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование алгоритмов управления системой "Импульсный усилитель мощности - асинхронный двухфазный двигатель"

На правах рукописи

ФАМ ТУ АН ТХАНЬ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ "ИМПУЛЬСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ - АСИНХРОННЫЙ ДВУХФАЗНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Специальность 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 2005 г.

Диссертация выполнена на кафедре 702 «Системы приводов авиационно-космической техники» Московского Авиационного Института (Государственного Технического Университета)

Научный руководитель:

доктор технических наук, Попов Б. Н.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Горячев О.В., Тульский государственный университет

кандидат технических наук доцент Сыроежкин Е.В. Московский авиационный институт (государственный технический университет)

Ведущая организация: ОАО «Аэроэлектромаш» г. Москва

Защита состоится «_»_2005 г. в_часов на заседании диссертационного совета Д. 212.125.07 в Московском Авиационном Институте по адресу 125993, А-80, г. Москва, ГСП-3 Волоколамское шоссе, д.4, главный административный корпус, зал заседаний ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Авиационного Института (МАИ).

Отзыв, заверенный печатью, просим направлять в двух экземплярах по адресу: 125993, ГСП-3, Москва А-80, Волоколамское шоссе, д.4, Ученый совет МАИ.

Автореферат разослан «_»_2005 г.

Ученый секретарь совета Кандидат технических наук, доцент

Кондратьев А.Б.

«3<М)0

-з-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Одной из важных систем, используемых на самолете, корабле, автоматизированном производстве является электропривод, в особенности следящий электропривод. Для высокоточных быстродействующих систем электроприводов в следящих приводах переменного тока в качестве исполнительных двигателей (ИД), наряду с асинхронными трехфазными двигателями (АТД), используются асинхронные двухфазные двигатели (АДД). Эти двигатели получили большое распространение в следящих системах, в вычислительных устройствах, в системах автоматического регулирования из-за быстродействия, большего пускового момента, широкого диапазона регулирования, малой мощности управления и отсутствия самохода по сравнению с АТД. Достижения в области электроники и полупроводниковых технологий позволяют интегрировать АДД, усилитель и управляющую часть в единое целое, - меха-тронный модуль на основе АДД. С появлением на рынке микропроцессорных устройств, ориентированных на управление различными типами двигателей, и программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) стало возможным реализовать новые и различные алгоритмы управления АДД, которые позволяют уменьшать потери мощности и увеличивать производительность и надежность всего мехатронного модуля. Существуют многие работы, авторы которых изучают характеристики АДД. Однако в работах, посвященных цифровому управлению АДД, не рассмотрены вопросы фазового и амплитудно-фазового управления АДД, не получены коммутационные функции для этих методов, не проведен сравнительный анализ цифровой реализации амплитудного, фазового и амплитудно-фазового методов управления, не разработаны математические модели управляющих логических автоматов.

Цель работы

Разработка и исследование цифровых алгоритмов управления системой "импульсный усилитель мощности - АДД" для реализации различных законов коммутации ключевых элементов при амплитудном, фазовом и амплитудно-фазовом управлении АДД.

Задачи работы

1.Провести сравнительный анализ существующих методов управления асинхронными двухфазными двигателями.

2.Разработать математическую модель мехатронного модуля на основе АДД и реализовать ее в среде Ма1ЬаЬ.

3.Разработать цифровые алгоритмы коммутации ключевых элементов импульсного усилителя мощности (ИУМ) при микропроцессорном управле-

нии АДД.

4.Выполнить моделирование мехатронного модуля на основе АДД, для проверки цифровых алгоритмов коммутации.

5.Разработать структуру микроконтроллера управления АДД на основе ПЛИС.

6.Провести экспериментальное исследование разработанных алгоритмов на стенде.

Методы решения

1.Теория и законы булевой алгебры.

2.Графический метод получения минимальной дизъюнктивной нормальной формы булевых функций на основе карт М. Карно.

3.Математическое описание сложных конечных автоматов.

4.Математическое моделирование с использованием универсальных интегрированных программных продуктов.

5.Визуальное программирование с использованием языка высокого уровня.

Научная новизна

1 .Аналитические выражения для правого фронтального и центрированного с двукратным изменением данных широтно-импульсного сигнала.

2.Аналитические выражения для переменных, определяемых частотой питающего напряжения (периодом фазного напряжения Тф).

3.Структура и математическое описание внутренних сигналов цифровой системы управления на платформе программируемой логики, которые позволяют реализовать различные методы коммутации ключевых элементов при широтно-импульсном управлении АДД.

4.Аналитические выражения управляющих логических функций при комбинированном управлении ключевыми элементами и амплитудном управлении с энергосберегающей несимметричной коммутацией КЭ, реверсом по обмотке управления и центрированной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

5.Аналитические выражения управляющих логических функций при совместном управлении ключевыми элементами и фазоимпульсном управлении с симметричной коммутацией КЭ, реверсом по обмотке управления и фронтальным ШИМ.

6.Аналитические выражения управляющих логических функций при совместном управлении ключевыми элементами и амплитудно-фазоимпульсном управлении с несимметричной коммутацией КЭ, реверсом по обмотке управления и фронтальным ШИМ.

7.Сравнительный анализ цифровой реализации амплитудного, фазового и амплитудно-фазового методов управления.

Практическая значимость

1.Математическая Модель мехатронного модуля на основе АДЦ в систе-

ме визуального моделирования SIMULINK, которая позволяет исследовать процессы, происходящие как в управляющем, так и в энергетическом каналах электропривода.

2.Библитотека функциональных блоков на языке описания цифровых устройств (AlteraHDL), которая обеспечивает проектирование цифровых систем управления с различными законами коммутации ключевых элементов импульсного усилителя мощности АДД.

3.Программое обеспечение на языке DELPHI, формирующее различные значения кода управления, которые поступают через параллельный порт компьютера на вход цифровых систем управления и моделирующее процессы с различными законами коммутации ключевых элементов при управлении АДД.

4.Цифровая система управления на базе программируемых логических интегральных схем и экспериментальный стенд для исследования различных характеристик АДД.

Реализация результатов

Учебное пособие по теме "Лабораторный практикум по микроконтроллерам управления асинхронными двухфазными двигателями" на кафедре "Системы приводов авиационно-космической техники".

Апробация работы

-Всероссийская научно-техническая конференция "Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов". Москва. МАИ 2005.

-XIII, XIV международные научно-технические семинары "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации", г. Алушта, 2004,2005.

Публикации

Основные научные результаты по теме диссертационной работы изложены в двух статьях в журналах «Электронные компоненты» и «Труды МАИ», в двух тезисах докладов международных научно-технических семинаров и в двух тезисах докладов Всероссийской научно-технической конференции.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка используемых источников и трех приложений. Она содержит 158 страниц основной работы и 29 страниц приложений, в том числе 119 рисунков, 27 таблиц и 2 модуля вычислительных программ обеспечения. Список использованных источников содержит 84 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введение обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, приведены сведения об апробации и публикациях, а также представлена структура работы.

Определен объект исследования - мехатронный модуль, изображенный на рис.1 (обведен пунктиром) и рис.2. Мехатронный модуль входит в состав цифрового следящего привода и состоит из асинхронного двухфазного двигателя (АДЦ), импульсного усилителя мощности (ИУМ), управляющего логического автомата (УЛА или специализированного микроконтроллера СМК).

От датчиков

Сигнал

ЦУМ входного года КВ К,

-^ СМВ

Сигнал кода обратной связи

Кс

Управляющие булевы функции

.-, СМУ ,-....................»

УДА{==сНИУМЦГГД АДЦ

Фазные напряжения

МЕХАТРОННЫЙ МОДУЛЬ

____________________________________________1

Фс

-Сигналы с дополнительных датчиков

Рис.1. Цифровой следящий привод

На рис.1 приняты обозначения: ЦУМ - цифровая управляющая машина; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ИУМ - импульсный усилитель мощности; СМВ - специализированный микропроцессорный вычислитель; УЛА - управляющий логический автомат; Кв, Кс, Ку - коды, соответствующие входной, выходной координатам и код управления; Фс- угол поворота выходного вала двигателя; иу, ив - фазные напряжения на обмотках управления и возбуждения двигателя; управляющее слово.

©

гота

го

ЧгЧГ

1©

о

Рис.2. Схема мехатронного модуля на основе АДД

На рис.2 используются следующие обозначения: Ку - код управления; СМК - специализированный микроконтроллер; КЭ1...КЭ8- первый... восьмой ключевые элементы соответственно; Ш...и8- управляющие логические функции; ОУ, ОВ- обмотки управления и возбуждения двигателя; Щ - источник питания.

Первый раздел посвящен анализу различных классических и современных методов управления асинхронными двухфазными двигателями.

Способами управления АДД являются: амплитудный, фазовый, амплитудно-фазовый, амплитудно-частотный, частотно-токовый, частотно-регулируемым, релейный, методы управления АДД с помощью микропроцессов и векторное управление. Рассмотрены некоторые из вышеперечисленных методов управления АДД.

Сравнительный анализ между амплитудным, фазовым и амплитудно-фазовым способами управления по различным показателям, приведен в табл.1,

Таблица 1.

Способ управления Простота схемы Величина коэффициента а/гнала Линейность механических характеристик Линейность регулировочных характеристик ^Япмч Цтакс С05</>

Амплитудный - - - - + -

Фазовый - + + - -

Амплитудно-фазовый + + - - + +

где знаком + отмечается способ управления, для которого данное свойство является оптимальным; - величина максимальной механической мощности; т]такс - максимальный к.п.д.; со$<р- коэффициент мощности.

Проанализирована тенденция применения различных способов управления АДД в электроприводах и устройствах автоматики. В зависимости от требований к системам приводов используют различные способы управления АДД. На практике наибольшее распространение получает амплитудно-фазовый способ управления с конденсатором в цепи возбуждения за счет ряда преимуществ (табл.1). Его широко применяют в системах автоматики и вычислительных устройствах.

Второй раздел посвящен разработке математической модели мехатрон-ного модуля на основе АДД. Математическая модель АДД как объекта управления описывается системой дифференциальных уравнений и выражений (1-5).

— -дГ — .

В =ит соЦШ)-Я„ Р

& т ° М2

-8-

¿4>аг_ в (Ьу^аг-М^у) 1

(¡а^ рм(1в1аг-1у10г)-мс-коп л ~ 3

(3)

Д¿1=¿y¿r-M2, (4)

= - М^. (5)

В этих уравнениях:

иу,ив,иаг,и^г,1у^В''аг'1 [)г~ соответственно напряжения и токи обмотки управления и возбуждения и ротора по осям а и /»;

¥у М>в Мсо- 'V/?г" потокосцепления обмоток управления и возбуждения и ротора по осям а и р\

1$,1Г- полные индуктивности обмоток статора и ротора;

М - взаимная индуктивность;

Мэ- электромагнитный момент; р- число пар полюсов; Мс- момент сопротивления; У- момент инерции ротора; коэффициент вязкого трения; П - механическая частота вращения ротора.

Обоснована совокупность условий управления системой "ИУМ-АДД" и проведена ее формализация.

Направление вращения двигателя определяется переменной вС и зависит от знака кода управления.

Г1, если К< О

вС= (8)

[О, если Я\, > О 7

Среднее значение скорости определяется средним напряжением, прикладываемым к точкам подключения обмоток двигателя (при моменте нагрузки Мн=0). Среднее напряжение определяется временными интервалами, в течение которых двигатель находится либо в двигательном, либо в тормозном режимах. Поэтому, по способу реализации различают фронтальный (О) или центрированный (ОУ) широтно-импульсный сигнал (ШИС). Фронтальный ШИС, в свою очередь, может быть левым ОЬ (9) или правым (10). Центрированный ШИС подразделяют на ШИС с однократным (}У1 (11) и двукратным (}У2 (12) изменением данных на удвоенном периоде. Центрированный ШИС, по сравнения с фронтальным, обеспечивает в два раза меньшее число переключений КЭ на удвоенном периоде ШИС.

[\,если(к-\)Т <mrm < (к - 1)Г + \К,к2,

QR= , , (9)

[О, если (к -1 )Т + \Ку\т02 < m т„2 < кТ

il, если (к - 1)Г + (Ксп -|^J)r02 < mTo2 ^ kT;

II

0, если (к -1 )Т < mrm <(к- 1 )Т + (Ксп-|К„|)го2-

1, если 2(к -1)7" < /иг02 < 2(к -1 )Т + |К,|г02,

QV1 = • или (2к - 1)Г + (КСП-|/^|)г02 < mrm < 2kT, (11)

0, если 2(к - Х)Т + \К„\тт < ттаг < (2к-\)T + (Kir!-|а:,|)г02

1, если 2(к-\)Т <m тт <2(к-\)Т +1Ку1 |г02;

QV2 = ■ или (2к - \)Т + (КС11 -\К 12\)тш < тт02 <2кТ, (12)

0,если2(к-1)Т + \к„\т02<тт02<(2к-1)Т + (Ксп -\Ку2\)тю,

где тог - период одного импульса, поступающего с генератора импульсов на преобразователь код - ШИС; к=1, 2, 3, ... - номер периода; m=mi+(k-I)kcn', гп]=\, 2, 3, ... ксп, ксп - модуль счета счетчика периода преобразователя код - ШИС; Т=ксп т02 - период ШИС.

Третья переменная Y(13) с переменной Z(I4), в общем случае, определяются питающим напряжением

у= \0,если(п-\)Тф12<ттт <(п-1)Тф/2 + Тф/А,

[1,если(п-\)Тф/2 + Тф/4<тт02<пТф/2, ^=(0,если(п-\)Тф <ттт <(п-\)Тф+Тф/2, если (п-1)Тф +ТФ/2 < тт02 < пТф, где Тф - период фазового напряжения; п=/, 2, 3...- номер периода.

Приведены модель Эберса-Молла и понятие "мертвое время", которое обусловлено возникновением сквозных токов в КЭ.

Для исключения сквозных токов введены логические переменные: LZ Jo,если z,ez,,=o,

{l(Drffi),eaii Z,$ZH=1,

где Z) = £|rD/r02+0,5j;

TD=Tp+T - это течение времени, необходимое для завершения процесса переключения в транзисторе;

Zj и Zh - текущее и предыдущее значение логической переменной Z.

[0,если SG, ® SG, . = О, LSG= ' (16)

[1 (Dtm),если SG,©SGM = 1,

где SG| и SGm - текущее и предыдущее значение логической переменной SG.

(О, если QV, ©QV, . =0, LQV = \ 1 v ' 1 (17)

[ЦПт^если QV,©QV, , = 1,

где QV, и QV,_i - текущее и предыдущее значение логической переменной QV.

Принято понятие "минимально-необходимая система логических переменных (MHCJTTT)", являющая совокупностью минимума логических переменных, позволяющих описывать и выполнять все алгоритмы управления системой "ИУМ-АДД".

В третьем разделе принята классификация законов управления процессом коммутации по принципу управления ключевыми элементами, включающих совместное, раздельное и комбинированное управления КЭ. На основе разработанных методов с помощью способа Карно-Вейча (карты Карно) проведен анализ некоторых известных законов коммутации, основанных на совместном (симметричная и несимметричная коммутация) управлении КЭ. Разработаны энергосберегающие законы коммутации для системы ИУМ-АДД, основанные на комбинированном управлении КЭ (энергосберегающая симметричная и несимметричная коммутация). Для каждого случая синтеза получены временные диаграммы на основе всех логических переменных и функций, карта Карно для анализа и синтеза законов коммутации КЭ, выражения для переменных, УЛФ и напряжений, прикладываемых к обмоткам управления и возбуждения АДД, граф-схемы законов коммутации.

-Совместное управление ключевыми элементами. Амплитудное управление с несимметричной коммутацией КЭ, реверсом по обмотке управления и центрированной ШИМ. Амплитудный способ управления можно обеспечить четырьмя логическими переменными - SG, QV, Y и Z, которые были определены выше соответствующими выражениями. В том числе, переменная Z определяет период фазных напряжений UB и Uy и, совместно с переменной Y, обеспечивает постоянный, равный л/2 (90°), сдвиг по фазе между напряжениями UB и Uy. В качестве периода фазных напряжений UB и Uy рационально использовать удвоенный период логической переменной Y.

При этом к двигателю прикладываются напряжения: + U„, если U4 Ш• U2 Ul = l; U} =■ 0, если X X X■ X = 1; (18)

-Uu, если U4 - Ш-112-Ul = 1. и (+ , если U8 U7-U6 U5 = l;

\-U„, если U8-1)7- U6-U5 = 1, где XXX X - это совокупность состояния U4'U3'U2'U1 в режиме электродинамического торможения может принимать значения:

1)Ш ИЗ U2-U1, 2)U4 U3 U2 Ш

Напряжение фазы возбуждения UB, в этом случае, является нерегулируемым и полностью определяется логической переменной Z.

При этом выражения для УЛФ U8,..., U1 имеют вид:

и1 = и2=<?у (8СФ(У©г)), из = и4=ОУ (8СФ(У®г», (20) Щ=и5=г, и7=иб=г. (21)

-Совместное управление ключевыми элементами. Фазоимпульсное управление с симметричной коммутацией КЭ, реверсом по обмотке управле-

ния и фронтальным ШИМ. Фазовый способ управления можно обеспечить четырьмя логическими переменными - SG, Q, Y и Z.

При этом к двигателю прикладываются напряжения:

и f+iV если 114 U3 U2 • Ш = 1;

\ -U„, если U4 - U3 - U2-U1 = 1.

\+U„, если U8 U7 U6-U5 = 1,

UB= \ _ _ (23)

[-U„, если L8 117 116 U5 = 1.

Напряжение фазы возбуждения t/B, в этом случае, является нерегулируемым и полностью определяется логической переменной Z. Сдвиг фазы между напряжениями обмотки возбуждения и управления реализуется с помощью переменной ZYQ, которая является функцией переменных Z, Y, Q и имеет вид:

ZYQ = Z YvZ QvZ Y Q = Z®Y Q (24)

При этом выражения для УЛФ U4, ...,U1 имеют вид:

l!l=SG ZYQvSG ZYQ = ZYQ©SG = Ш = U3 = U4 (25)

-Совместное управление ключевыми элементами. Амплитудно-фазоимпульсное управление с несимметричной коммутацией КЭ, реверсом по обмотке управления и фронтальным ШИМ. При этом к двигателю прикладываются напряжения (18, 19).

Напряжение фазы возбуждения UB в этом случае является нерегулируемым и полностью определяется логической переменной Z.

Сдвиг фазы между напряжениями обмотки возбуждения и управления, изменение амплитуды выполняются путем переменной ZYQ и Q.

Значения УЛФ U4,..., U1 имеют вид:

Ul = U2 = QvYZ SGvYZ SG=Qv(YZ©SG) (26)

U3 = U4 = Qv YZ SG v YZ-SG = Qv(YZ©SG) (27)

-Комбинированное управление ключевыми элементами. Амплитудное управление с энергосберегающей несимметричной коммутацией КЭ, реверсом по обмотке управления и центрированной ШИМ. Система логических переменных {SG, QV, Y, Z, LSG, LQV, LZ, LYZ} является полной и позволяет сформировать закон несимметричной коммутации и комбинирование управления КЭ.

При этом к двигателю прикладываются напряжения:

+ ип, если U4 113-U2-U1 = 1; О, если X X Х Х = 1, (28)

-U„, если 1!4 113-U2-III = 1

_\+U„, если U8 U7-U6 U5 = 1, ^в -1 — —

-U„, если 118 117 U6 U5 = l,

где х X X Х - это совокупность состояния и4'Ш'Ш'Ш в режимах электродинамического или рекуперативного торможения может принимать значения:

1)й4 из иг III, 2)114 Ш Ш Ш, 3) Ш Ш Ш Ш, При реверсировании с помощью обмотки управления напряжение фазы возбуждения 1!в, является нерегулируемым и полностью определяется переменной Z и 1,Х. Значения УЛФ 118, ...,1)5 имеют вид:

1)и5=г ьг, 2)иб = тПлт, 3)и7 = г^Еуг, 4)ш = г Ег. (30)

УЛФ и8, ..., и5 могут быть сформированы с помощью логических переменных ЬУг, ее, Ь8С, ОУ, ЬОУ. В том числе, \г = \®г. Значения УЛФ 114,..., Ш имеют вид:

U1 = QV • [LQV v (LYZ Ф LSG) • (YZ Ф SG)] v (YZ®SG) • [(LYZ ©LSG) vQV • LQV}

U2 = (LYZ®LSG) QV LQV (YZ©SG). U3 = QV [LQVv(LYZ®LSG) (YZ®SG)] v (YZФ SG) [(LYZФ LSG)vQV LQV] U4 = (LYZ©LSG)QV LQV (YZ©SG).

(31)

(32)

(33)

(34)

Четвертый раздел посвящен результатам моделирования мехатронного модуля при различных способах управления АДД. На основе выражений и уравнений описывается разработанная в системе визуального моделирования S1MUL1NK с использованием дополнений POWER SYSTEM Block sets математическая модель мехатронного модуля с АДД, которая представлена на рис.3.

UY - Mi MB

Ку CW CW не - иге

М|«г»С lftV*ft«l Afyn<fcieftou* M«chift* ^ B

wn J»t«grJtor

□

Рис.3. Модель мехатронного модуля в системе моделирования S1MULINK

Модель мехатронного модуля является иерархической и состоит из блоков: СМК (MicroC), ИУМ (Inverter), АДД (Asynchronous Machine), блока нагрузки (Load), блоков измерения (Scope).

Блок специализированного микроконтроллера (СМК) предназначен для приема сигнала, поступающего из блока создания кода управления, и формирования управляющих сигналов, подаваемых на вход модели импульсного усилителя мощности. Модель блока СМК для амплитудного управления с симметричной коммутацией КЭ представлена на рис.4.

Рис.4.Модель блока СМК

Блок импульсного усилителя мощности предназначен для преобразования цифровых сигналов, поступающих из СМК, в эквивалентные физические значения фазных напряжений. На рис.5, показана модель блока импульсного усилителя мощности (для амплитудного управления и здесь использовалось два источника питания 36В и ЗОВ).

Рис.5.Модель блока импульсного усилителя мощности

Блок Asynchronous Machine представлен на рис.6, и описывается уравнениями (1)-^(5):

Проведено моделирование всех законов управления АДД для двух случаев, соответствующих непрерывному и импульсному управлению. Проведено сравнение между способами управления АДЦ по определенным показателям.

Рис.б.Блок Asynchronous Machine

В пятом разделе рассмотрены типы микроконтроллеров, используемые в настоящее время для управления двигателями. На основе анализа требований к широтно-импульсному управлению системой "ИУМ-АДД" разработана обобщенная структура микроконтроллера АДД (рис.7), ориентированная на использование программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).

На рис.7 приняты обозначения:

БВМЗ - Блок выделения модуля и знака из кода управления.

ПКШИС - Преобразователь код - широтно-импульсный сигнал.

БФЛП - Блок формирования логических переменных.

Рис.7.Обобщенная структура микроконтроллера управления АДД, ориентированная на базе ПЛИС

БФУЛФ - Блок формирования управляющих логических функций. БФМВ - Блок формирования мертвого времени.

Сформированы переменные и управляющие логические функции УЛФ АДД с помощью метода и средств автоматизированного проектирования САПР MAX-PLUSII фирмы ALTERA. Написаны программы основных бло-

ков микроконтроллера на языке АЬГОЬ. Разработана электрическая схема восьмиразрядного УЛА, обеспечивающего различные методы управления и реализованная в МАХ+РИЛБ II (рис.8).

Рис.8.Функциональная электрическая схема УЛА

Средствами МАХ-РЬШИ проведено моделирование и проверка правильности переменных и функций. Получены текстовые файлы и эпюры реального времени логических переменных. Результаты функционального моделирования для метода несимметричной коммутации приведены на рис.9.

т *г[7 01 а/ шкур о] а? 5РТ112 01 й? чф 01

Рис.9.Функционапьное моделирование УЛА

Шестой раздел посвящен экспериментальному исследованию алгоритмов управления АДД. Приведены методики определения экспериментального исследования регулировочных, механических и динамических характеристик. Внешний вид экспериментального стенда показан на фотографии (рис.10)

Рис.10. Внешний вид экспериментального стенда

Описано разработанное программное обеспечение (ПО) (рис.11), используемое для формирования различных значений кода управления на вход УЛА и моделирования процесса коммутации ключевых элементов.

Рис. 11. Интерфейс программного обеспечения и демонстрация процесса коммутации КЭ в системе ИУМ-АДД

Показаны элементы разработанного лабораторного макета мехатронного модуля СМК и ИУМ на рис.12 и приведены результаты экспериментальных исследований.

Рис.12. Внешние виды СМК и ИУМ

На рис.13 изображены фазные напряжения на обмотках управления и возбуждения при методе несимметричной коммутации КЭ и скважности 0.25. На рис.14 представлены логические переменные, которые соответствуют сигналам заданных управляющих логических функций Ш(1) и 112(2) на одной мостовой стойке транзисторов и заданной скорости вращения СКА), а также сигналам мертвого времени на включение КЭ - Ь<3(В).

Чи» ¥Ы.-Атм ЦУЬЯС

■ж-

ом-ЯН" "«"«ИГ'НИЦ'

вфштги»

Рис.14. Логические переменные 0(А),Ь(3(В),Ш(1),и2(2) при у=0.25

Рис.13. Напряжения на обмотках управления и возбуждения 1)у(В и 2) Ш (А и 1) при у=0.25

На рис.15 представлены логические переменные, которые соответствуют сигналам направления БО(А) и скорости вращения 0(1), сигналам паузы на КЭ - Ь80(В) и 1.(2(2) при скважности 0.75. На рис.16 показан переходный процесс и реверсирование двигателя при скважности 0.25.

оИ И»" ЬВ'Ш "ЦШ1

юмтши

Рис.15. Логические переменные 8С(А),Ь8С(В),д(1 ),Ь0(2) при у=0.75

Рис. 16. Переходный процесс и реверсирование при у=0.25

Экспериментальные исследования мехатронного модуля на основе АДД подтвердили теоретические положения и результаты математического моделирования.

По каждому из разделов в конце приведены основные выводы, наиболее важные из которых составили заключение.

В заключение приводятся основные результаты и выводы по диссертационной работе.

В приложении 1 приведены значения УЛФ при комбинированном управлении ключевыми элементами. Амплитудное управление с энергосберегающей несимметричной коммутацией КЭ, реверсом по обмотке управления и центрированной ШИМ.

В приложении 2 показаны различные семейства ПЛИС ведущих фирм по производству на мире.

В приложении 3 представлен листинг основного модуля разработанного программного обеспечения на языке DELPHI.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1.Получены аналитические выражения для правого фронтального и центрированного с двукратным изменением данных широтно-импульсного сигнала.

2.Разработаны аналитические выражения для переменных, определяющихся частотой питающего напряжения (периодом фазного напряжения Тф).

3.Получена структура и математическое описание внутренних сигналов цифровой системы управления на платформе программируемой логики, которые позволяют реализовать различные методы коммутации ключевых элементов при широтно-импульсном управлении АДД.

4.Разработаны управляющие логические функции и их аналитические выражения при комбинированном управлении ключевыми элементами и амплитудном управлении с энергосберегающей несимметричной коммутацией КЭ, реверсом по обмотке управления и центрированной широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

5.Получены управляющие логические функции и их аналитические выражения при совместном управлении ключевыми элементами и фазоим-пульсном управлении с симметричной коммутацией КЭ, реверсом по обмотке управления и фронтальным ШИМ.

6.Разработаны управляющие логические функции и их аналитические выражения при совместном управлении ключевыми элементами и амплитуд-но-фазоимпульсное управление с несимметричной коммутацией КЭ, реверсом по обмотке управления и фронтальным ШИМ.

7.Разработана математическая модель мехатронного модуля на основе АДД в системе визуального моделирования S1MULINK с использованием дополнений POWER SYSTEM Block sets, которая позволяет исследовать процессы в управляющем и энергетическом каналах.

Разработанная модель мехатронного модуля была использована для:

-исследования различных способов (амплитудного, фазового и амплитудно-фазового) управления АДД при непрерывном управлении. По каждому способу сняты различные характеристики АДД и приведено сравнение полученных результатов.

-исследования различных алгоритмов управления системой ИУМ-АДД при импульсном управлении. Сняты различные характеристики АДД и проведен сравнительный анализ цифровой реализации амплитудного, фазового и амплитудно-фазового методов управления. Приведено сравнение полученных результатов между непрерывным и цифровым управлениями АДД.

8.Разработана библиотека блоков на языке описания цифровых устройств AlteraHDL, которую можно использовать для описания работы управ-

ляющего логического автомата (УЛА), реализующего полученные методы коммутации ключевых элементов. Разработанная библиотека блоков была использован для описания работы УЛА, реализующей метод симметричной, несимметричной и комбинированной коммутации ключевых элементов при амплитудном, фазовом и амплитудно-фазовом управлении. В результате был получены выражения, необходимые для программирования ПЛИС.

9.Разработано программное обеспечение на языке DELPHI, формирующее различные последовательности значений кода управления на вход УЛА. Кроме того, разработано программное обеспечение для моделирования и визуализации процесса коммутации ключевых элементов, реализующего метод симметричной, несимметричной и комбинированной коммутации ключевых элементов при амплитудном, фазовом и амплитудно-фазовом управлении.

Ю.Проведены экспериментальные исследования мехатронного модуля. Основные теоретические положения и результаты математического моделирования подтверждены в проведенных экспериментальных исследованиях.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1 .Гущин Д.В., Попов Б.Н., Фам Туан Тхань Логический автомат для управления асинхронными двухфазными двигателями. - Сборник трудов XIII международного научно-технического семинара "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации", Алушта, 2004, с.296-297.

2.Попов Б.Н., Фам Туан Тхань Устройства управления электродвигателями на платформе программируемой логики. - «Электронные компоненты», №2,2005.

3.Попов Б.Н., Фам Туан Тхань Логические автоматы управления электродвигателями на платформе программируемой логики. - «Труды МАИ», №18,2005.

4.Фам Туан Тхань, Нгуэн Куанг Чунг Экспериментальное исследование алгоритма амплитудного управления асинхронным двухфазным двигателем. Сборник тезисов докладов Всероссийской конференции "Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов", Москва, МАИ, 2005.

5.Попов Б.Н., Фам Туан Тхань Моделирование мехатронного модуля на основе асинхронного двухфазного двигателя. Сборник тезисов докладов Всероссийской конференции "Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов", Москва, МАИ, 2005.

6.Попов Б.Н., Фам Туан Тхань Логический автомат управления асинхронными двухфазными двигателями амплитудно-фазовым способом на основе программируемых логических интегральных схем. Сборник трудов XIV международного научно-технического семинара "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации", Алушта, 2005.

PI О 92S

РНБ Русский фонд

2006-4 5900

I

[

Список использованных сокращений.

ВВЕДЕНИЕ.

1.ОБЗОР МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ДВУХФАЗНЫМИ

ДВИГАТЕЛЯМИ.

1.1 .Амплитудный способ управления.

1.2.Фазовый способ управления.

1.3.Амплитудно-фазовый способ управления.

1 АПространственный способ управления.

1.5.Частотно-регулируемый способ управления.

1.5.1 .Управляемость АДД в установившихся режимах.

1.5.2.Регулирование максимального момента.

1.5.2.1 .Закон Is=const и fs=var.

1.5.2.2.Закон Isrs=const.

1.5.2.3.Закон 4^=const.

1.6.Сравнительный анализ методов управления.

1.7.Выводы по разделу 1.

2.МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МЕХАТРОННОГО МОДУЛЯ НА ОСНОВЕ АСИНХРОННОГО ДВУХФАЗНОГО ДВИГАТЕЛЯ.

2.1.Блок мехатронного модуля.

2.2.Математическая модель АДД как объекта управления.

2.3.Математическая модель импульсного усилителя мощности.

2.4.Математическая модель специализированного микроконтроллера.

2.5.Выводы по разделу 2.

3.АЛГОРИТМЫ КОММУТАЦИИ КЛЮЧЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИУМ ПРИ МИКРОПРОЦЕССОРНОМ УПРАВЛЕНИИ АСИНХРОННЫМИ ДВУХФАЗНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ.

3.1.Совместное управление ключевыми элементами. Амплитудное управление с несимметричной коммутацией КЭ, реверсом по обмотке возбуждения и центрированной ШИМ.

3.2.Совместное управление ключевыми элементами. Фазоимпульсное управление с симметричной коммутацией КЭ, реверсом по обмотке управления и фронтальным ШИМ.

3.3.Совместное управление ключевыми элементами. Амплитудно-фазоимпульсное управление с несимметричной коммутацией КЭ, реверсом по обмотке управления и фронтальным ШИМ.

3.4.Комбинированное управление ключевыми элементами. Амплитудное управление с энергосберегающей несимметричной коммутацией КЭ, реверсом по обмотке управления и центрированной ШИМ.

3.5.Выводы по разделу 3.

4.РЕЗУЛЬТАТЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕХАТРОННОГО МОДУЛЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ УПРАВЛЕНИЯ.

4.1.Непрерывное управление асинхронным двухфазным двигателем.

4.1.1 .Результаты моделирования, полученные при амплитудном управлении.

4.1.2.Результаты моделирования, полученные при фазовом управлении.

4.1.3.Результаты моделирования, полученные при амплитудно-фазовом управлении.

4.1.4.Сравнение результатов моделирования при различных способах управления.

4.2.Дискретное управление асинхронными двухфазными двигателями.

4.2.1.Формирование блоков мехатронного модуля.

4.2.1.1 .Формирование модели блока СМК.

4.2.1.2.Создание модели блока импульсного усилителя мощности.

4.2.2.Амплитудное управление с несимметричной коммутацией КЭ, реверсом по обмотке управления и центрированной ШИМ

4.2.3.Фазоимпульсное управление асинхронными двухфазными двигателями с симметричной коммутацией КЭ, реверсом по обмотке управления и фронтальным ШИМ.

4.2.4.Амплитудно-фазоимпульсное управление асинхронными двухфазными двигателями с несимметричной коммутацией КЭ, реверсом по обмотке управления и фронтальным ШИМ.

4.3.Сравнение характеристик АДД при импульсном управлении.

4.4.Сравнение между непрерывным управлением и импульсным управлением АДД.

4.5.Выводы по разделу 4.

5.РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА УПРАВЛЕНИЯ АДД ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ НА ОСНОВЕ ПРОГРАММИРУЕМЫХ ЛОГИЧЕСКИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ.

5.1.Устройства управления двигателями на основе микропроцессорных интегральных схем.

5.2.0бобщенная структура микроконтроллера управления АДД.

5.3.Формирование переменных и управляющих логических функций АДД с помощью методики и средств автоматизированного проектирования.

5.3.1.Блок выделения модуля и знака из кода управления.

5.3.2.Блок формирования логических переменных.

5.3.3.Преобразователь код - широтно-импульсный сигнал.

5.3.4.Блок мертвого времени.

5.3.5.Блок формирования управляющих логических функций.

5.4.Выводы по разделу 5. б.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ.

6.1 .Постановка задачи.

6.2.Описание экспериментального стенда.

6.3.Экспериментальное исследование регулировочной характеристики АДД

6.4.Экспериментальное исследование механической характеристики АДД

6.4.1 .Основные способы экспериментального определения механических характеристик двигателя.

6.4.2.Статические методы измерения вращающих моментов двигателя.

6.4.3.Динамические методы измерения вращающих моментов двигателя.

6.5.Экспериментальное исследование определения динамических характеристик двигателя. б.б.Выводы по разделу 6.

Одной из важных систем, используемых на самолете, корабле, автоматизированном производстве, является электропривод, в особенности следящий электропривод. Для высокоточных быстродействующих систем электроприводов в следящих приводах переменного тока, в качестве исполнительных двигателей (ИД), наряду с асинхронными трехфазными двигателями (АТД), используются асинхронные двухфазные двигатели (АДД). Эти двигатели получили большое распространение в следящих системах, в вычислительных устройствах, в системах автоматического регулирования. Их частота обычно находится в пределах от 50 до 1000 Гц, мощность от долей ватта до сотен ватт. Достоинствами АДД являются простота конструкции, а, следовательно, простота изготовления, а также, быстродействие, большой пусковой момент, широкий диапазон регулирования, малая мощность управления и отсутствие самохода по сравнению с АТД. Из-за отсутствия щеточно-коллекторного узла срок службы АДД зависит только от долговечности подшипников, и он значительно больше, чем у двигателя постоянного тока. Кроме этого, отсутствие искрения обеспечивает большую помехозащищенность. Основным недостатком АДД является малый коэффициент полезного действия 0/=20^40%). Следовательно, при одной и тоже мощности, размер АДД больше, чем размер двигателя постоянного тока в 2+4 раза. Таким образом, обычно создают АДД малой и средней мощности.

Конструктивно АДД состоит из статора и ротора [28, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72]. Статор АДД выполняется, как правило, в виде пакета изолированных листов электротехнической стали. В пазы статора уложены две обмотки, магнитные оси которых сдвинуты в пространстве на 90°. Одна из обмоток называется обмоткой возбуждения, а другая - обмоткой управления.

Ротор АДД, как правило, выполняется в виде полого немагнитного стакана из сплавов алюминия (двигатели ДИД, ДГ и др.) или в виде беличьего колеса (двигатели ДКМ, ДКИ и др.), или полого ферромагнитного или массивного ферромагнитного ротора.

Принцип действия АДД, как известно, основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля с токами, которые являются результатом наведения ЭДС в роторной обмотке от вращающегося магнитного поля. Для реверсирования АДД достаточно изменить направление вращения магнитного поля, что достигается изменением на 180° фазы напряжения на одной из обмоток АДД.

Вопросам проектирования и исследования АДД посвящены работы многих российских и других авторов.

К группе авторов, в работах которых рассмотрены вопросы проектирования и расчета основных параметров АДД относятся следующие.

• В работе [65] В. В. Хрущев обосновал выбор основных соотношений при проектировании управляемых двигателей переменного тока (f=400ru), в особенности АДД с короткозамкнутым ротором, определил оптимальную геометрию, число полюсов и выбор геометрии ротора АДД с беличьей клеткой. Е. М. Лопухиным [66] рассмотрены теоретические основы проектирования исполнительных асинхронных конденсаторных двигателей с полым ротором. Метод автора основан на выборе в самом начале расчета оптимальных параметров, обеспечивающих требуемые выходные характеристики. Становится возможным решение задачи проектирования двигателей с заданными характеристиками. Особенностям расчета и анализу характеристик АДД промышленной частоты посвящена работа Е. Д. Несговорова. Ставится вопрос о разработке серий малогабаритных АДД при частоте 50 Гц, удовлетворяющих основным требованиям систем автоматики и следящего привода. В. В. Хрущев и В. М. Гандшу подробно рассмотрели графоаналитический критерий отсутствия самохода АДД при снятии сигнала с обмотки управления.

• Н. П. Ермолин, Е. Д. Несговоров, Е. М. Полухина [66] изучили основные принципы проектирования серии исполнительных конденсаторных асинхронных двигателей малой мощности с беличьей клеткой, особенности электрического расчета АДД с короткозамкнутым ротором и опытное определение параметров АДД.

• В. Ю. Шишмарев [54], В. В. Маскаленко [73], П. С. Сергеев [64] посвятили работы структурам, свойствам и требованиям для различных типов АДД и проведению сравнительного анализа между собой их преимуществ и недостатков. В. И Попов [34], A. JI. Кислицын [10] исследовали электромагнитные параметры обмоток АДД и особенности математической модели двигателя.

• В работе [23] Ковалев Б. Ф. рассмотрел особенности распределения пульсирующих МДС и магнитных полей фаз в воздушном зазоре АДД с временной несимметрией. Взаимозависимые пульсирующие МДС и магнитные поля фаз представлены в виде совокупности независимых пульсирующих МДС и магнитных полей. Приведены результаты экспериментальных исследований.

Вопросам изучения способов управления АДД в качестве исполнительного двигателя переменного тока в следящих приводах посвящены работы следующих авторов.

• В. А. Полковников [72] представил две группы методов управления АДД. Методы первой группы основаны на управлении скоростью путем изменения степени эллиптичности магнитного поля машины. Амплитудный, фазовый и амплитудно-фазовый способ управления относятся к первой группе. Согласно методам второй группы управление скоростью ротора двигателя реализуется при сохранении кругового вращающегося поля машины. Ко второй группе относятся амплитудно-частотный, частотно-токовый и релейный методы управления.

• Б. И. Петров, Н. П. Паппе [78], В. П. Паппе, Н. Н. Папе, А. Н. Сперанский [56], Е. И. Баранчук, Е. JI. Коварская [53] изучили теорию и характеристики АДД, принцип действия основных усилительно-преобразовательных элементов привода с АДД. Показали релейные, импульсные приводы АДД с транзисторными и тиристорными усилителями мощности, основанные на принципе аналогового управления.

• Б. И. Петров [28] изучил влияния различных факторов на характеристики АДД как исполнительного элемента следящего привода.

• М. М. Кацман [19] представил методику лабораторных исследований классических способов управления АДД: амплитудного, фазового и амплитудно-фазового. Получил экспериментальное подтверждение теоретических положений о свойствах АДД при указанных способах управления.

• К. Н. Борисов [29] изучил регулирование и реверсирование АДД с помощью дросселей (магнитных усилителей), с применением полупроводниковых устройств (электронного усилителя и триодов).

• А. И. Бертинов [65], Ю. С. Чечет [69], Е. В. Арменский, Г. Б. Фалк [71], В. В. Хрущев [70], Н. И. Волков и В. П. Миловзоров [74] посвятили работы изучению основ теории и классическим способам управления АДД, сравнению преимуществ и недостатков способов управления с помощью различных характеристик и показателей.

• К. Н. Борисов и В. А. Нагорский [78] посвятили работу вопросам регулирования скорости АДД с помощью электронного и полупроводникового усилителя. Схемы управления АДД основаны на базе аналоговых элементов.

Вместе с развитием компьютерных технологий появляются программные продукты многих фирм по различным областям, в том числе специальное программное обеспечение (ПО) для изучения и моделирования электрических машин: DesignLab, DS88, MATLAB SIMULINK, MathCAD и т.д. В работах следующих авторов представлены результаты изучения электрических машин и способов управления ими с помощью компьютерных программ.

• Работы Постникова В. А., Сыроежкина Е. В. [37, 38, 39] посвящены построению имитационных моделей АДД в программных продуктах DesignLab, MATLAB SIMULINK и MathCAD, и их использованию при моделировании АДД и электромеханических устройств. Приведены разработанные виртуальные схемы управления для этих моделей. Предложена методика компиляции виртуальных схем управления имитационных моделей АДД в соответствии с заданными режимами работы.

• С. Г. Герман-Галкин [18, 46, 68], Г. А. Карданов [68] изучили и создали модели (где АДД является частным случаем) машин на основе математических выражений, моделей силовых преобразователей, автономных инверторов, регуляторов постоянного напряжения в пакете "MATLAB 6.0 -SIMULINK". Эти модели использованы при моделировании электрических машин и электромеханических устройств. Приведены разработанные виртуальные схемы управления для этих моделей.

В настоящее время имеет место быстрое развитие двух тенденций электронной техники. Во-первых, наблюдается стремительное улучшение характеристик, как микропроцессорных устройств, так и силовых полупроводниковых приборов. Во-вторых, постоянное совершенствование технических систем, повышение требований к стабильности, надежности и точности характеристик, снижению энергопотребления, массы и размеров. Обе тенденции являются предпосылками перехода от аналоговых систем приводов к цифровым. В 80х-90х годах появились работы, посвященные цифровому управлению АДД, в том числе микропроцессорной реализации широтно-импульсного метода управления АДД. К этой группе принадлежат следующие работы:

• Работы [7, 9] О. В. Горячева посвящены проблеме выбора алгоритмов коммутации КЭ, силовых ключей, цепей управления и векторного управления при широтно-импульсном управлении асинхронными двигателями.

• В работе [56] В. А. Сердюк рассмотрел вопросы проектирования преобразователей код - широтно-импульсная модуляция (ПКШИМ) для управления АДД.

• С. Г. Герман-Галкин посвятил работу [61] цифровым приводам с транзисторными преобразователями. В работе можно выделить два принципиально различных способа управления АДД: амплитудно-фазовое и частотное управления. Для различных способов управления автор представил функциональную схему, временную диаграмму напряжений на двигателе и алгоритм работы (соответствующие выражения напряжений).

• В работе [63] Б. Н. Попов разработал алгоритм амплитудного способа управления АДД с помощью микропроцессоров и получил аналитические зависимости управляющих логических функций для случая несимметричной коммутации КЭ, реверсом по обмотке управления и центрированной ШИМ.

• Владимир Вычужанин [57] исследовал схемы прямого цифрового управления АДД, состоящие из управляющей и силовой частей. Основным назначением управляющей части является преобразование заданного в цифровом коде сигнала регулирования в сигнал управления силовой частью. Для управления силовой частью исполнительного АДД предлагается устройство на основе ПЛИС.

По результатам исследований [56, 61, 63] и на практике показано, что в системах электроприводов для повышения точности, надежности и экономичности применяют полупроводниковые импульсные усилители мощности (ИУМ) и микропроцессорные устройства управления, в особенности микроконтроллеры. С появлением на рынке недорогих микропроцессорных устройств, ориентированных на управление различными типами двигателей [25,26], и программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) [35, 47, 81] стало возможным реализовать новые цифровые алгоритмы управления системой ИУМ-АДД, снижающие дополнительные потери мощности и увеличивающие ресурс работы систем электроприводов.

Однако, в работах [56], [61], [63], [18, 46, 68], посвященных цифровому управлению АДД, не рассмотрены вопросы фазового и амплитудно-фазового управления АДД, не получены коммутационные функции для этих методов, не проведен сравнительный анализ цифровой реализации амплитудного, фазового и амплитудно-фазового методов управления, не разработаны математические модели управляющих логических автоматов.

Таким образом, целью диссертационной работы является разработка и исследование цифровой реализации импульсных методов управления АДД.

Исследование и разработка алгоритмов управления системой "импульсный усилитель мощности - асинхронный двухфазный двигатель" являются актуальными задачами.

Постановка задачи. Достижения в области полупроводниковых технологий позволяют интегрировать двигатель (АДД), импульсный усилитель мощности (ИУМ) и управляющую часть в единое целое, получившее название мехатронный модуль. Мехатронный модуль является сложным электротехническим комплексом и, одновременно, подсистемой цифрового следящего привода (ЦСП), приведенного на рис. 1. кода цум кв

От датчиков Сигнал П о смв

7Y kv о

Управляющие булевы функции cw ула иум

Vy.Vn

АДД

Фс

Сигнал кода обратной связи

Фазные напряжения МЕХАТРОННЫЙ МОДУЛЬ

Кс I а"

S а а> с ацп «

•Сигналы с дополнительных датчиков

Рис. 1. Цифровой следящий привод с АДД

Где: ЦУМ - цифровая управляющая машина; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ИУМ - импульсный усилитель мощности; СМВ - специализированный микропроцессорный вычислитель; УЛА - управляющий логический автомат; Кв., Кс, Ку - коды, соответствующие входной, выходной координатам и код управления; Фс - угол поворота выходного вала двигателя; Ццв- напряжения, подаваемые на двигатель; CW- управляющее слово.

ЦУМ формирует сигнал входного кода, характеризующий закон движения (направление и скорость вращения) выходного вала двигателя и передает его как задающий сигнал на СМВ в виде двоичного кода Кв. СМВ принимает этот код Кв одновременно с другими сигналами, например сигналами от датчиков, сигналом кода обратной связи привода, формируемым с помощью АЦП. Из полученных сигналов СМВ формирует код ошибки между входным и выходным сигналами Kq = Кв-Кс, а затем код управления Ку. Другими словами, СМВ реализует определенные законы управления, например пропорционально-интегрально-дифференциальный (PID), законы адаптации, пересчет координат и т.д.

УЛА принимает код управления Ку, и на основе его формирует закон управления системой "ИУМ-АДД", т. е. временную циклическую последовательность управляющих слов (CW) в виде CW=<UN\.U2'U1>. Каждый UI (I- i-ий ключевой элемент) является управляющей логической функцией и управляет одним ключевым элементом ИУМ. Таким образом, ИУМ формирует сигналы напряжений Uy, Ub, прикладываемых к обмоткам исполнительного двигателя. При импульсном управлении среднее напряжение, прикладываемое к обмотке двигателя, определяется временными интервалами, в течение которых двигатель находится либо в двигательном, либо в тормозном режиме.

Исполнительный двигатель преобразует электрические сигналы Uy, Ub в механическое перемещение, являющее углом поворота двигателя.

АЦП преобразует угол поворота выходного вала в соответствующий сигнал Кс кода обратной связи.

Мехатронный модуль на базе АДД для современных систем цифровых следящих электроприводов (рис.1) приведен на рис. 2.

Рис.2. Мехатронный модуль на основе АДД

При импульсном управлении одной из важных проблем является энергосбережение в мехатронном модуле. Наряду с потерями энергии в исполнительном двигателе, существенными являются потери в силовых транзисторах ключевых элементах ИУМ.

Таким образом, актуальными алгоритмами управления системой "ИУМ-АДД" являются не только такие, которые обеспечивают требуемые заданные показатели качества системы, но и снижение потерь энергии в транзисторах КЭ ИУМ. Это необходимо учитывать при оценке преимуществ и недостатков различных алгоритмов управления системой "ИУМ-АДД".

Как следует из вышесказанного, целью диссертационной работы являются разработка и исследование алгоритмов управления системой "ИУМ-АДД".

Для достижения указанной цели в диссертационной работе следует решить следующие основные задачи.

- Рассмотреть и оценить существующие методы управления асинхронными двухфазными двигателями.

- Разработать и создать математическую модель мехатронного модуля на основе АДД.

- Разработать цифровые алгоритмы коммутации ключевых элементов ИУМ при микропроцессорном управлении АДД.

- Выполнить моделирование мехатронного модуля на основе АДД для того, чтобы проверить разработанные цифровые алгоритмы.

- Разработать структуру микроконтроллера управления АДД на основе ПЛИС.

- Проверить и испытать алгоритмы с помощью экспериментального стенда, для того чтобы подтвердить алгоритмы на практике.

Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка используемых источников и трех приложений. Объем работы составляет 188 печатных страниц, включая 119 рисунков, 27 таблиц, список источников и приложения. Библиография содержит 84 наименования.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. На основе сравнительного анализа классических методов управления АДД (амплитудный, фазовый и амплитудно-фазовый) показано (табл.1.1.), что рядом преимуществ обладает амплитудно-фазовый способ управления с конденсатором в цепи возбуждения. К группе современных способов управления АДД относятся частотно-регулируемый, амплитудно-частотный, частотно-токовый и управление АДД с помощью микропроцессоров. Указанные методы широко применяют в системах автоматики и вычислительных устройствах.

2. На основе анализа свойств АДД, как объекта управления ИУМ, и способов регулирования среднего значения напряжений в точках подключения обмоток управления и возбуждения разработана система логических переменных, позволяющая с единых позиций рассмотреть различные методы управления АДД. В работе получены аналитические выражения для следующих величин:

- логических переменных, описывающих функционирование мехатрон-ного модуля на основе АДД;

- логических функций, реализованных на основе логических переменных и управляющих процессами коммутации КЭ;

- напряжений на основе управляющих логических функций, прикладываемых к обмоткам управления и возбуждения АДД.

Это, в совокупности с известными дифференциальными и алгебраическими уравнениями, позволяет разработать полную математическую модель мехатронного модуля для математического моделирования.

3. На основе анализа различных способов управления АДД показано, что для амплитудного и амплитудно-фазового методов может использоваться совместное, раздельное и комбинированное управление КЭ. Для фазового способа - только совместное и комбинированное управление.

4. На основе дифференциальных и алгебраических уравнений, описывающих АДД, логических переменных, управляющих логических функций (раздел 2) и результатов синтеза законов управления (раздел 3) разработаны модели в пакете расширения SIMULINK4 системы MATLAB6.5 для непрерывного и дискретного управления АДД, что позволяет исследовать характеристики мехатронных модулей при различных классических способах управления АДД. Полученные результаты моделирования по непрерывному и дискретному управлению показали корректность математических моделей АДД, подтвердили правильность теоретических положений, в части логико-алгебраических выражений и логических функций, для реализации методов управления АДД. Это является основой для проведения эксперимента и испытания на практике.

5. Разработана иерархическая блочная структура микроконтроллера управления АДД для реализации на базе ПЛИС. Формирование логических переменных и управляющих логических функций системы ИУМ-АДД проведено с помощью средств автоматизированного проектирования САПР MAX+PLUS II BASELINE фирмы ALTERA и языка описания аппаратуры AHDL. Логические переменные и управляющие логические функции алгоритмов управления проверены путем моделирования перед загрузкой в ПЛИС с помощью программы моделирования САПР MAX+PLUS II

BASELINE. Это повышает эффективность проектирования и ускоряет выпуск продукции, сокращает время проектирования и затраты на испытания.

6. Разработанный экспериментальный стенд включает мехатронный модуль на основе АДД, персональный компьютер со специальным программным обеспечением, лабораторные источники питания, измерительное и регистрирующее оборудование и может использоваться не только для научных исследований, но и для учебного процесса в целях исследования статических и динамических характеристик при различных методах управления АДД.

7. Для получения экспериментальных механических характеристик использовались статический (методы, основанные на измерении М при и динамический (методы, основанные на измерении Мдпри М(. «0) метод. Для статического метода механическая характеристика определялась по косвенному способу измерения момента двигателя на основе энергетической диаграммы. При получении регулировочных и динамических характеристик использовалось специализированное оборудование - осциллограф цифровой с обработкой сигнала в реальном масштабе времени типа TDS 210 фирмы "Tektronix" и бесконтактный цифровой фототахометр типа АТТ6000.

8. Результаты экспериментального исследования мехатронного модуля подтвердили корректность теоретических положений и показали близкую сходимость с результатами математического моделирования. Разработанные алгоритмы управления АДД показали свою эффективность и могут быть рекомендованы для применения.

- 151

- 148-ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решен ряд научных и технических задач по разработке алгоритмов коммутации ключевыми элементами (КЭ) полупроводниковых мостовых импульсных усилителей мощности ИУМ при управлении асинхронными двухфазными двигателями (АДД).

Решение указанных задач позволяет сократить сроки проектирования и затраты на испытания, повысить точность и надежность систем электроприводов.

1. Delphi 6. Учебный курс/ Валерий Фаронов. Под ред. А. Жданов. СПб.: Питер, 2002.-512 е.: ил.

2. Simulink 4. Специальный справочник / Владимир Дьяконов. Под ред. И. Корнеев. СПб: Питер, 2002.- 528 е.: ил.

3. Simulink. Среда создания инженерных приложений / Черных И. В. Под общ. ред. к. т. н. В. Г. Потемкина.- М.: ДИАЛОГ МИФИ, 2003.- 496 с.

4. Автоматизированное проектирование асинхронных двигателей с ко-роткозамкнутым ротором: Учебное пособие/ Зечихин Б. С., Журавлев С. В. М.: Изд-во МАИ, 2003. - 84 е.: ил.

5. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями / Сандлер А. С. и Сарбатов Р. С. М.: Изд-во Энергия, 1974. - 328 е.: ил.

6. Амплитудно-частотное управление асинхронными трехфазными двигателями / Горячев О. В. и Ерошкин Е. А "Электроника", №2, 1999.

7. Быстродействующие электроприводы постоянного тока с широтно-импульсными преобразователями / Гольц М. Е., Гудзенко А. Б., Остре-ров В. М. и др. М.: Изд-во Энергоатомиздать, 1986. - 184 е.: ил.

8. Векторное управление асинхронными трехфазными двигателями / Горячев О. В. и Ерошкин Е. А "Электроника", №4, 1999.

9. Вопросы теории линейных асинхронных исполнительных двигателей для приборных автоматических систем / Кислицын А. Л. "Электроника", №5, 2001.

10. Динамика каскадных асинхронных электроприводов / Сандлер А. С. и Тарасенко Л. М. М.: Изд-во Энергия, 1977.- 200 е.: ил.

11. Динамика следящих приводов: Учеб. пособие для вузов / Петров Б. И., Полковников В. А., Рабинович JI. В. и др.; Под ред. Рабиновича J1. В. -2-е изд., перераб. и дол. -М.: Машиностроение, 1982. 496 е.: ил.

12. Динамика цифровых следящих приводов / Николаев Ю. А., Петухов В. П., Феклисов Г. И., Чемоданов Б. К. М.: Изд-во Энергия, 1970.- 496 е.: с ил.

13. Дискретные преобразователи сигналов на транзисторах / Куликов С. В., Чистяков Б. В. М.: Изд-во Энергия, 1972.- 288 е.: ил.

14. Импульсные цифровые устройства: Учеб. для студентов электрорадио-приборостроительных сред. спец. учеб. заведений / Баммер Ю. А., Па-шук И. Н. 7-е изд., перераб. и доп. - М: Высш. шк., 2003. - 351 е.: ил.

15. Исследование специальных авиационных электрических машин: Труды института.- выпуск 133 / Сборник статей под редакцией Бертинова А. И. -М.: Изд-во МАИ, 1961.- 152 е.: ил.

16. Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс: Пер. с фр./ Гель П. М.: ДМК Пресс, 2001. - 144 е.: ил.

17. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие./ Герман-Галкин С.Г. СПб.: КОРОНА принт, 2001., ил.

18. Лабораторные работы по электрическим машинам и электрическому приводу: Учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования / Кацман М. М. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательский центр "Академия", 2004. - 256 е.: ил.

19. Лабораторный практикум по микропроцессорным устройствам следящих приводов ЛА: Учеб. пособие. "/ Попов Б.Н., Хлопова А.А., Шалы-гин А.Н. М.: Изд-во МАИ , 1995. - 48 е.: ил.

20. Математическое моделирование асинхронных машин / Копылов И. П. и др. М.: "Энергия", 1969. - 96 е.: ил.

21. МДС и магнитные поля фаз обмотки статора в двухфазном асинхронном электродвигателе, содержащем временную несимметрию / Ковалев. Б. Ф. "Электроника", №10,2000, с.14-19.

22. Микропроцессоры и микроконтроллеры фирмы Motorola: Справ, пособие / Шагурин И. И. М.: Радио и связь, 1988. - 560 е.: ил.

23. Микросхемы для управления электродвигателями. Выпуск 2. М.: До-дека, 2000. - 288 е.: ил.

24. Микросхемы для управления электродвигателями: Энциклопедия ремонта. Выпуск 12. -М.: Додека, 1999. 288 е.: ил.

25. Моделирование и основы автоматизированного проектирования привод: Учеб. пособие для студентов высших технических учеб. заведений / Стебелцов В. Г., Сергеев А. В., Новиков В. Д., Камладзе О. Г. М.: Машностроение, 1989. - 224 е.: ил.

26. Основы программирования в Delphi 7 / Культин Н. Б. СПб.: БХВ- Петербург, 2003. - 608 е.: ил.31 .Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования / Новиков Ю. В. М.: Мир, 2001. - 379 е.: ил.

27. Основы цифровой электроники: Пер. с англ./ Токхейм Р. М.: Мир, 1988.-392 е.: ил.

28. Основы электропривод / Андреев В. П., Сабинин Ю. А. М. - Л.: Гос-энергоиздат, 1963. - 772 е.: ил.

29. Оценка электромагнитных свойств трех- и двухфазных обмоток электрических машин переменного тока / Попов. В. И. "Электроника", №10,2001.

30. ПЛИС фирмы "Altera": элементная база, система проектирования и языки описания аппаратуры./ Стешенко В.Б. М.: Издательский дом "Додэка-XXI", 2002. - 576 с.

31. Проектирование микроэлектронных цифровых устройств / Ппятин О. А., Овсищер П. И., Лазер И. М. и др. М.: "Сов. радио", 1977.-272 е.: ил.

32. Проектирование силовых преобразователей бесконтактных двигателей постоянного тока: Учебное пособие / Конев Ю. И., Розно Ю. Н., Владимиров Я. Г. М.: МАИ, 1987. - 54 с.:ил.

33. Проектирование электрических машин. Изд. 3-е, переработ, и доп. / Сергеев П. С. и др. М.; "Энергия", 1969. - 632 е.: ил.

34. Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей / Сандлер А. С. М. - Л.: Изд-во "Энергия", 1966. - 320 е.: ил.

35. Самоучитель MATLAB 5.3/б.х. / Ануфриев И. Е. СПб.: БХВ-Петербург, 2003. - 736 е.: ил.

36. Силовая электроника для любителей и профессионалов / Семенов Б. Ю. -М.: Изд-во "Солон-Р", 2001. 136 е.: ил.

37. Силовая электроника: Лабораторные работы на ПК / Герман-Галкин С. Г. СПб.: Учитель и учебник, Корона принт, 2002. - 304 е.: ил.

38. Системы автоматизированного проектирования фирмы Altera МАХ + plus II и Quartus II. Краткое описание и самоучитель./ Комолов Д.А., Мяльк Р.А., Зобенко А.А., Филиппов А.С. М.: ИП РадиоСофт, 2002 -325 е.: ил.

39. Специальные режимы работы асинхронного электропривода / Петров И. И. и Мейстель А. М. М.: "Энергия", 1968. - 264 е.: ил.

40. Специальные электрические машины, книга 1,2/ Под ред. Б.Л.Алиевского- М.: Энергоатомиздат. 1993,- с.319 368.

41. Теория автоматизированного электропривода: Учеб. Пособие для вузов / Чиликин М. Г., Ключев В. И., Сандлер А. С. М.: Энергия, 1979.- 616 е., ил.

42. Теория и проектирование следящих систем переменного тока / Баран-чук Е. И., Коварская Е. Л. М.: Изд-во "Энергия", 1966. - 384 е.: ил.

43. Типовые элементы систем автоматического управления: Учебник для сред. проф. образования / Владимир Юрьевич Шишмарев. М.: Издательский центр "Академия", 2004. - 304 е.: ил.

44. Тиристорный следящий электропривод / Лебедев А. М., Найдис В. А., Орлова Р. Т., Пальцев А. В., Юферов В. Ф. М.: "Энергия", 1972. - 128 е.: ил.

45. Управление исполнительными элементами следящих электроприводов летательных аппаратов / Б. И. Петров, В. В. Бальбух, Н. П. Папе и др.: Под ред. Б. И. Петрова. М.: Машиностроение, 1981. - 222 е., ил.

46. Устройство управления серводвигателем на ПЛИС / Владимир Вычу-жанин " Электронные компоненты "№9, 2004.

47. Учебное пособие к лабораторным работам по курсу "электропривод ЛА'7 Паппе В. П. и др. Под ред. Полковникова В. А. М.: МАИ, 1984. -58 е.: ил.

48. Цифровая схемотехника/ Угрюмов Е. П. СПб.: БХВ - Петербург, 2001.-528 е.: ил.

49. Цифровые системы управления электроприводами / Батоврин А. А. и др. Л.: "Энергия", 1977. - 256 е.: ил.

50. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями / С. Г. Герман-Галкин, В.Д. Лебедев, Б.А. Марков, Н.И. Чичерин.- Л.: Энер-гоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986.-248 е., ил.

51. Частотно-регулируемые асинхронные электроприводы / Сабинин Ю. А., Грузов В. Л. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985. - 128 е., ил.

52. Электропривод летательных аппаратов: Учебник для авиационных вузов / В.А.Полковников, Б.Н.Петров, Б.Н.Попов, А.В.Сергеев, А.Н.Сперанский. Под общей ред. В.А. Полковникова. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1990.-240с.

53. Электрические машины / Сергеев П. С. Л.: Изд-во государственное энергетическое, 1962. - 280 с: ил.

54. Электрические машины авиационной автоматики / Бертинов А. И. -М.: МАИ, 1961.-427 е.: ил.

55. Электрические машины и электропривод малой мощности./ Академия наук СССР.: издательство "Наука" Москва-Ленинград, 1966. - 239 с.

56. Электрические машины малой мощности / Сборник публикацией. М.: Центральный институт научно-технической информации, 1962. - 167 е.: ил.

57. Электрические машины: Лабораторные работы на ПК / Герман-Галкин С. Г., Кардонов Г. А. СПб.: Корона принт, 2003. - 256 е.: ил.

58. Электрические микромашины автоматических устройств / Чечет Ю. С. М., - Л.: Издательство "Энергия", 1964. - 424 с. с черт.

59. Электрические микромашины переменного тока для устройств автоматики / Хрущев В. В. Л.: "Энергия", 1969. - 288 е.: ил.

60. Электрические микромашины. Изд. 2-е, перераб. и доп. Учеб. пособие для электротехн. специальностей вузов / Арменский Е. В., Фалк Г. В. -М.: "Высш. школа", 1975. 240 е.: ил.

61. Электрические, гидравлические и пневматические приводы и их предельные динамические возможности. Учебник. Изд. 2-е, перераб. и доп. / Полковников В. А. - М.: Изд-во МАИ, 2002. - 452 е.: ил.

62. Электрический привод: Учеб. пособие для сред. проф. образования / Владимир Валентинович Москаленко. 2-е изд., стер. - М.: Издательский центр "Академия", 2004. - 368 е.: ил.

63. Электромашинные устройства автоматики / Волков Н. И., Миловзоров В. П. М.: "Высшая школа", 1978. - 336 е.: ил.

64. Электронные устройства электромеханических систем: Учеб. пособие для студентов высш. учеб. заведений / Розанов Ю. К., Соколова Е. М. -М.: Издательский центр "Академия", 2004. 272 е.: ил.

65. Электропривод и системы управления / Академия наук СССР. М. -Л.: Изд-во "Наука", 1966. - 236 е.: ил.

66. Электропривод и электроснабжение промышленных предприятий / Соколов М. М., Липатов Д. Н. М. - Л.: Издательство "Энергия", 1965. -440 с. с черт.

67. Электропривод летательных аппаратов / Петров Б. И., Борисов К. Н., Нагоркий В. Д. М.: Издательство "Машиностроение", 1967.- 436 е.: ил.

68. Электропривод систем управления летательных аппаратов. Под ред. д-ра техн. наук Б. И. Петрова. -М.: Машиностроение, 1973. 360 е., ил.

69. Электроприводы с полупроводниковым управлением. Преобразователи частоты для управления асинхронными двигателями, под ред. Чиликина М. Г / Сандлер А. С., Сарбатов Р. С. М. - Л.: Изд-во "Энергия", 1966. -144 с черт.

70. Язык описания цифровых устройств AlteraHDL. Практический курс. 2-е изд., стереотип / Антонов А.П. М.: ИП РадиоСофт, 2002.- 224 е.: ил.82.http://www.actel.ru83 .http://www.altera.ru84.http://www.xilinx.ru