автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка цифрового быстродействующего тиристорного электропривода с процессорным управлением

Стр.*

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ЦИФРОВОЙ ТИРИСТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД И ПУТИ

ПОВЫШЕНИЯ ЕГО БЫСТРОДЕЙСТВИЯ.

1.1 Обзор цифровых систем регулирования тирис-торными электроприводами. д

1.2 Пути повышения быстродействия регулирования скорости тиристорного электропривода.

Выводы по I главе.

ГЛАВА II. ЦИФРОВАЯ СИСТЕМ;ТИРИСТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

С УЛУЧШЕННЫМИ •ДИНАМИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ.

2Л Способ регулирования скорости, повышающий быстродействие тиристорного электропривода.

2.2 Цифровая модель двигателя постоянного тока независимого возбуждения.

2.3 Быстродействующие системы регулирования тока и скорости тиристорного электропривода с процессорным управлением.

Выводы по II главе.

ГЛАВА III.' МОДЕЛИРОВАНИЕ НА ЦВМ ЦШР0В0Г0 БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО ТИРИСТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА.

3.1 Математическая модель силовой части электропривода.

Исследование на ЦВМ реверсивного электропривода с быстродействующим регулятором тока.

З.'З Исследование на ЦВМ реверсивного тиристорного электропривода с быстродействующим регулятором скорости.

3,4 Определение полосы пропускания быстродействующего тиристорного электропривода. 1x

Выводы по III главе.

ГЛАВА 1У. РАЗРАБОТАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОР

НЫМ ЭЛЕКТРШРИВОДОМ.

4.1 Специализированный процессор для управления током якорной цепи тиристорного электропривода.

4»2 Микро-ЭВМ для управления тиристорным электроприводом постоянного тока.

4.3 Устройства связи специализированного процессора и микро-ЭВМ с тиристорным электроприводом.

4.4 Блок раздельного управления группами реверсивного тиристорного преобразователя.

Выводы по 1У главе.1.

ГЛАВА У. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕВЕРСИВНОГО

ЦШР0В0Г0 ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ПРЕДЕЛЬНЫМ БЫСТРОДЕЙСТВИЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОКА.

5.1 Исследование цифровой модели якорной цепи.

5.2 Экспериментальные исследования реверсивной цифровой системы регулирования тока электродвигателя, обладающей предельным быстродействием.

Выводы по У главе.

ЗАЮШЕНИЕ.

Основным направлением развития народного хозяйства СССР в XI пятилетке, принятым ХХУ1 съездом КПСС, является повышение интенсивности производства /I/. При этом в качестве важной социально-экономической задачи в стране рассматривается широкое внедрение электронно-вычислительной техники, микропроцессоров во все отрасли народного хозяйства*

Большая роль в выполнении планов экономического развития СССР на 1981-1985 г.г. принадлежит регулируемому электроприводу« Так в XI пятилетке намечается рост производительности более, чем на 12% /1/щ Развитие электропривода имеет определяющее значение в выполнении этой задачи, так как применение регулируемых электроприводов постоянного тока дает удобное и экономичное регулирование технологическим процессом и позволяет поддерживать выходные параметры объекта регулирования с высокой точностью в широком диапазоне /2/.

Координационный план научно-исследовательских работ Академии Наук СССР по проблеме "Научные основы электротехники и электрофизики на 1981-1985 года" предполагает разработку основ теории и проектирования регулируемых электрических машин и электроприводов на базе современной силовой полупроводниковой техники. При этом планируется выполнение теоретических и экспериментальных исследований вентильных систем, а также разработка теории их раЬчета.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с вышеуказанными планами. Она посвящена разработке тиристорного электропривода повышенного быстродействия с управлением от микро-ЭШ.

Тиристорный электропривод постоянного тока является наиболее распространенным типом привода в механизмах, требующих высоких показателей регулирования® Основным преимуществом такого электропривода является высокое быстродействие, что связано с высокими динамическими показателями самого тиристорного преобразователя« Большинство современных систем тиристорного электропривода постоянного тока строятся по принципу подчиненного регулирования параметров с использованием разработанных унифицированных блочных систем регуляторов на аналоговых и дискретных интегральных схемах (УБСР-АИ и УБСР-ДИ). Совершенствование аналоговых и цифро-аналоговых систем связано с использованием гибридных интегральных схем специального назначения, аналоговых микропроцессоров. Однако, структура этих систем регулирования строго детерминирована, расти-. рение функциональных возможностей системы предполагает применение дополнительных средств.

Главным звеном рассматриваемых систем управления является тиристорный преобразователь. Он обладает рядом специфических особенностей. К ним можно отнести: дискретный характер работы, неполную управляемость вентилей, вследствие которой характер переходных процессов при увеличении и уменьшении сигнала управления различный, наличие пульсаций выходного напряжения. Тиристорный преобразователь является нелинейным импульсным звеном и применение методов синтеза непрерывных систем не позволяет использовать его потенциальных возможностей по быстродействию. Существенное увеличение быстродействия возможно лишь при построении систем регулирования с учётом дискретности работы цреобра зова теля. При этом необходимо точное математическое описание изменения регулируемой координаты на интервале дискретности. Такой подход к решению задачи повышения быстродействия позволяет добиться, предельного по быстродействию регулирования координат привода.

В промышленности существует целый ряд механизмов и устройств, где повышение быстродействия тиристорного преобразователя может сыграть положительную роль. Это системы, позиционирования, стенды для испытания специального оборудования, электроприводы подач металлорежущих станков, механизмы металлургического оборудования* Особая необходимость в таких системах управления возникает при использовании в электроприводе электродинамических линейных двигателей постоянного тока.

Практическая реализация предельного быстродействия в тирис-торном электроприводе возможна лишь при использовании средств вычислительной техники - быстродействующих микропроцессорных систем и микро-ЭШ.- Микропроцессорная система регулирования обладает свойством универсальности. Любые преобразования, представленные в виде конечного числа уравнений, могут.быть выполнены при помощи микро-ЭШ по введенной в нее программе. Следовательно, простые и сложные законы регулирования могут выполняться одним и тем же. устройством. Темпы развития и совершенствования, цифровой микроэлектроники значительно превосходят аналоговые /3/. Использование в данном случае микропроцессоров шеи микро-ЭШ в системе регулирования электроприводом позволит уменьшить конструктивную сложность устройства, упростить наладку, сократить сроки проектирования.

На данном этапе задача регулирования тока в якорной цепи тиристорного электропривода с предельным быстродействием теоретически и практически решена о применением аналоговых средств, однако сложность изготовления и наладки аналоговых вычислительных устройств препятствует внедрению этих систем управления в промышленность, В случае регулирования скорости задача решена в основном только на теоретическом уровне. Существующие технические решения быстродействующих регуляторов скорости имеют довольно много недостатков и работают в ограниченном диапазоне нагрузки.

На кафедре Автоматизированного электропривода МЭИ выполнен ряд работ в области повышения быстродействия регулирования координат тиристорного электропривода« Настоящая диссертационная работа является их продолжением. В ней поставлены следующие задачи:

1. Разработать способ регулирования скорости тиристорного электропривода с быстродействием, близким к предельному.

2. Разработать алгоритм регулирования с предельным быстродействием тока якорной цепи тиристорного электропривода с управлением от микро-ЭВМ.

3. Исследовать на ЦВМ алгоритм регулирования скорости тиристорного электропривода, основанного на разработанном способе.

4. Разработать структуру специализированной микро-ЭВМ для управления током и скоростью тиристорного электропривода по предложенным . алгоритмам.

5. Провести экспериментальные исследования регулирования тока с предельным быстродействием реверсивной тиристорной системы электропривода с управлением от специализированной микро-ЭВМ.

Данная работа раскрывает одну из проблем, возникающих при создании качественно новых систем прямого процессорного управления тирис торным электроприводом.

4. Результаты исследования на ЦВМ с помощью разработанной математической модели тиристорного электропривода с регулятором скорости, содержащим прогнозирующую модель электропривода, подтвердили, что предлогаемый алгоритм позволяет получить близкое к предельному регулирование скорости. Переходные процессы при отработке типовых управляющих воздействий заканчивается за 1-2 интервала проводимости тиристора при отсутствии достижения ограничений, а при скачкообразном изменении статического момента сопротивления, время переходного процесса и величина просадки скорости в 2 раза меньше, чем в традиционных системах подчиненного регулирования при тех же условиях. Расчетная полоса пропускания системы около 50 Гц.

5. Разработанные специализированные вычислительные устройства позволяют моделировать якорную цепь электродвигателя в ускоренном масштабе времени, причем процесс моделирования протекает для специализированного процессора в 180 раз, а для микро-ЭВМ в 128 раз быстрее реально протекающих, процессов.

6.* Созданный опытный образец реверсивного тиристорного электропривода с прямым процессорным управлением обладает предельным по быстродействию регулированием тока в якорной цепи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Реализация алгоритмов, обеспечивающих высокие динамические показатели цифрового тиристорного электропривода, требует создание высокопроизводительных специализированных вычислительных устройств. Перспективно в основе таких систем управления применять регуляторы, содержащие цифровые модели, позволяющие в ускоренном масштабе времени прогнозировать будущие траектории тока и скорости.

2. Предложен способ регулирования скорости тиристорного электропривода, обеспечивающий отработку типовых управляющих воздействий с быстродействием, близким к предельному.

3. Результаты исследований на ЦВМ с помощью разработанной математической модели тиристорного реверсивного электропривода с регулятором тока, содержащего прогнозирующую модель якорной цепи, подтвердили, что предлогаемый алгоритм позволяет получить предельное по быстродействию регулирование тока. Расчетная полоса пропускания исследуемой системы составляет около 70 Гц.

1. Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981-1985 гг. и на период до 1990 года,- -М.: Политиздат, 1981, -24 с.

2. Soether 0Fahrny 1~C. Procontic DP800 {or the Process, Control of a Paper Mill from Wood Yard to Reel Store.-Brown, Bovert Rev., 1982,л/9/10, p, 321-334.

3. Цифровые методы контроля и управления вентильными преобразователями. Тезисы докладов республиканской научно-технической конференции. -Таллин, 1979.

4. Слежановский О.В. Непосредственное цифровое управление электроприводами. Автоматизированный электропривод, силовые полупроводниковые приборы, преобразовательная техника (Актуальныепроблемы и задачи). -М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 18-22.

5. Загальский Л.Н. Электропривод с микропроцессорным регулятором частоты вращения. -Электротехническая промышленность. Электропривод, 1981, вып. 2(91), с. 16-20.'

6. Kamiyama K.f Azusawa N., Miyahara Y. and othes . Microprocessor Controlled Fast - Response Speed Regulator for Thyristorized Reversible Regenerative ЪСM drives, к-th IE CI Annual Conference Proceedings, <1978, p. 216-222.

7. Перельмутер B.M., Соловьев A.K. Цифровые системы управления тиристорным электроприводом. -К.: Техн/ка, 1983,-104с.

8. Пистрак М.Я., Неймарк В.Е., Березина Н.В. К?р^работке алгоритмов прямого процессорного регулирования тока вентильного электропривода. -Электротехническая промышленность. Электропривод, 1980, вып. 3(83), с. 4-8.

9. G-erard Root) and Abas Oummar. Direct Digital Control by Microprocessor of a Dual AC/DC Thyristor Converter. IECI 79 Proceedings Industrial and Control Application of Microprocessors, March 19-21, 1979, p. 8-13.

10. Файштейн В.Г., Файштейн Э.Г., Герасимович И.Т.,ков Н.С. Непосредственное цифровое регулирование скорости тирис-торного электропривода постоянного тока. -Электротехническая промышленность. Электропривод, 1980, вып. 3(83), с. II-I4.

11. Шипилло В. П." Автоматизированный вентильный электропривод. -M.: Энергия, 1969, -400 с.

12. Поздеев А.Д.(ред.), Донской Н.В., Иванов А.Г., Никитин В.М. Динамика вентильного электропривода постоянного тока,-М.: Энергия, 1975, -224 с.

13. ШипиллоВ.П. Исследование процессов в замкнутых вентильных системах методом z-преобразования. -Электричество, 1969, PII, с. 63-68.

14. Шипилло В.П., Зинин Ю.С. Процессы конечной длительности в замкнутых системах с тиристорными преобразователями. "Электротехническая промышленность. Преобразовательная техника, 1977,вып. 7, с. 5-8.

15. Шипилло В.П. Критерий устойчивости замкнутых систем регулирования с вентильным преобразователем к субгармоническим автоколебаниям. -Электричество, 1969, №9, с. 36-40.

16. Ладыгин А.Н. Исследование быстродействующих систем регулирования напряжения и тока в электроприводах постоянного тока механизмов металлургического производства.: Автореферат канд. дисс. -М.: МЭИ, 1979, -20 с.

17. Патент №2202871 (ФРГ). Система регулирования преобразователя/ Изобретения за рубежом, 1975, №16, с. 37.

18. Тó rok Vilmos, Hebner Wiktoria. Time-Optimal Control of Converter -Fed D. С. "Drives. 2-nd Ind. Conf. Elec. Väriable-Speed drive.-London, W,p. 134-135

19. Холин В.В. Разработка и исследование тиристорных электроприводов с предельным по быстродействию регулированием тока.: Автореферат канд. дисс» -М.: МЭИ, 1982, -20 с.

20. Новак Ян. Разработка и исследование систем управления тиристорными электроприводами с предельным быстродействием.: Автореферат канд. дисс. -М.: МЭИ, 1982, -18 с.

21. Королев В.В. Управление вентильным электроприводом постоянного тока, близкое к оптимальному по быстродействию. -Тр./ Моск. энерг. ин-т, 1980, вып. 447, с. 58-64.

22. Сиротин A.A. Исследование переходных процессов в быстродействующей системе ВП-Д. -Электротехническая промышленность. Электропривод, 1983, вып. 5(115), с. I-4.¡

23. Королев В.В. Разработка и исследование быстродействующих вентильных электроприводов постоянного тока.: Автореферат канд. дисс. -М.: МЭИ, 1982, -20с.

24. Tang1 P.C., Lu S.S., Wu Y. С. Vesing and Implements -tlon of a Fully digital d.O. Servo System Based on Single -Chip Microcomputer. IEEE Trans, on Ind. Elecir., 1982,• у/. IE -29, л/4, p. m-298.

25. Лэм Г. Аналоговые и цифровые фильтры: Пер. с англ./Под ред. И.Н.Тешпока. -М. : Мир, 1982, -592 с.

26. Чиликин М.Г. и др. Теории автоматизированного электропривода. -М.: Энергия, 1979, -616 е.

27. Джури Э. Импульсные системы автоматического регулирования: Пер. с англ./ Под ред.Я.З.Ципкина. -М.: №матгиз, 1963, -456 cv

28. Балашов Е.П., Пузанков Д.В. Микропроцессоры и микропроцессорные системы. -М.: Радио и связь, 1981, -328 c<¡

29. Березенко А.й. и др. Микропроцессорные комплекты повышенного быстродействия. -М.: Радио и связь, 1981, -168 с.

30. Гибсон Г., Лю Ю-Ч. Аппаратные и программные средства микро-ЭВМ/Пер. с англ. В.Л.Григорьева. -М.: Финансы и статистика, 1983, -256 с.

31. Jeff Nlehaus, Jim duval, Jes s Englade. Multiple Internai Buses Speed 8-bit-wide Slices. Electronics,-4985, V.56, M20, p. 433-435.

32. Emphasis on Ideas Illuminâtes Electro/ 8Ъ . Elecironics, №Ъ, V/.56, p. m-4M9.

33. Sorin Zarnescu. Hadware Retines Digital Samp les Quickly. Electronics, 4983, v. 5Ь, л/17, p. 439-141.

34. Лысиков Б .Т. Арифметические и логические основы цифровых автоматов. -Мн.: Выш. школа, 1980, -336 с.

35. Воронежцев И.В. Специализированный процессор для быстродействующего регулятора тока системы ТП-Д. -М.: Моск. энерг. ин-т, 1983, -12 с. Рукопись деп. в ЮОРМЭЛЕКТРО 19.05.83, №157 эт-ДЗЗ.

36. Брунченко A.B. и др. Цифровые 'фильтры в электросвязи и радиотехнике/Под, ред. Л.М.Гольденберга. -М.: Радио и связь, 1982, -226 с.1

37. Справочник по интегральным микросхемам/Под ред. Б.В.Та-рабрина. -М.: Энергия, 1981, -816 с.

38. Капелини В. Цифровые фильтры и их применение: Пер. с англ. В.Н.Елисеева. -М.: Энергоатомиздат, 1983, -360 с.1

39. Титце У.', Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Справочное руководство; Пер. с нем. А.Г.Алексеенко, -М.: Мир, 1982, -512 с/

40. Высокопроизводительная цифровая система обработки сигналов. Электроника. Пер. с англ. -М.: Мир, 1982, N£2, с. 18-19.

41. Гальперин М.П. и др. Микро-ЭВМ "Электроника С5" и их применение./Под ред. В.М.Пролейко. -М.: Сов. радио, 1980,-160 с.

42. Воробьев Н.М. и др. Микропроцессорные наборы БИС и серия ЭВМ "Электроника-НЦ". -Электронная промышленность, 1978, вып. 5, с. 9-14.

43. Ky-ско А. Применение микропроцессоров в электроприводах постоянного и переменного тока. ВЭЛК. -М.: Информэлектро, 1977,-II с.

44. Камияма К., Асудзава Н., Омаэ Ц. Полное цифровое регулирование скорости двигателя постоянного тока с использованием микропроцессора. Хитити Херон, 1979, т. 61, PI0, с. 15-20.

45. Корн Г., Корн: Т. Справочник по математике. -М.: Наука, 1974, -832 с.62." Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных Устройствах. -I.: Энергия, 1980, -248 с.

46. Изерман Р.' Цифровые системы управления: Пер. с англ. -М.: Мир, 1984, -541 с.

47. Гупта А., Хоо-Мин Д. Тоонг. Микропроцессоры: Первые двенадцать лет. -M.s Мир, ТШЭР, 1983, т. 71, Ш, с. 5-32.«

48. Wilcox A.D. Program Analyzes Spectrum of Oscilloscope Waveforms. Electronics, J977, v.49,*/3,p. H9-121.66.; Горинштейн A.M. Численное решение задач радиотехники и техники связи на ЭЦВМ. -М.: Связь, 1972, -200 с.

49. Балакай В.Г. и др. Интегральные схемы аналогоцифровых и цифроаналоговых преобразователей.-M.s Энергия, 1973, -256 с.

50. Аналоговые и цифровые интегральные схемы/ Под ред. С.В. Якубовского. -М.: Сов. радио, 1979, -336 с.<

51. Пярнпуу A.A. Программирование на алгоритмических языках. -М.: Наука, 1983, 320 с.