автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Развитие теории и основы построения быстродействующего позиционного микроэлектропривода постоянного тока с разрывным управлением

На правах рукописи

Симаков Геннадий Михайлович

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО ПОЗИЦИОННОГО МИКРОЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА С РАЗРЫВНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Специальность 05.09.03. - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Новосибирск - 2005

Работа выполнена в Новосибирском государственном техническом университете

Научный консультант:

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор

Востриков Анатолий Сергеевич

Официальные оппоненты:

-доктор технических наук, профессор

Усынин Юрий Семёнович

-доктор технических наук, профессор

Пантелеев Василий Иванович

-доктор технических наук, профессор

Малинин Леонид Иванович

Ведущая организация:

научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники

Защита диссертации состоится 19 мая 2005 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.173.04 Новосибирского государственного технического университета по адресу: 630092, г.Новосибирск, пр.К.Маркса 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета

Автореферат разослан «5^» марта 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

Бородин Н.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. За последние десятилетия область применения электроприводов малой мощности значительно расширилась, сейчас они охватывают все отрасли промышленности, сельского хозяйства, быта и специальной техники. Развитие в последние годы измерительной и лазерной техники, аппаратных средств вычислительной техники, космической и военной техники и целого ряда других устройств автоматики, а также повышение требований к их быстродействию и точности, привело к необходимости новых решений при построении позиционных электроприводов. Кроме того, возникли новые технологические процессы, такие как вытягивание световодных волокон и капилляров, получили развитие новые отрасли техники, например, голография, видеотехника, лазерная гравировка, разработаны испытательные установки для исследования свойств различных материалов, созданы новые приборы для записи и воспроизведения информации. Для нормальной работы этих механизмов необходимо резко увеличить быстродействие электропривода, значительно расширить диапазон регулирования скорости, обеспечить более высокую точность воспроизведения заданного положения.

Анализируя перспективы развития и использования современных электроприводов в России, можно прогнозировать значительное увеличение потребности в них, связанное с необходимостью модернизации и создания нового технологического оборудования с улучшенными техническими показателями. Это неизбежно приведет как к росту потребности, так и к дальнейшему совершенствованию электроприводов, соответствующих уровню начала XXI века

Наиболее перспективным в настоящее время для управления электрическими машинами является применение транзисторных преобразователей. Приводы постоянного тока с транзисторными широтно-импульсными преобразователями (ШИП) имеют посравнению с тиристорным электроприводом большие преимущества по статическим и динамическим свойствам, а потому приобретают всё большее распространение. Этому способствует и непрерывное увеличение мощностных характеристик транзисторных ключей. Приводы по системе ШИП-Д имеют высокое быстродействие и под нагрузкой и на самых низких скоростях перемещений. Это свойство позволяет увеличивать точность и сокращать время позиционирования.

Особенностью транзисторного электропривода с ШИП является разрывной характер напряжения, прикладываемого к двигателю. Это делает систему автоматического управления электроприводом существенно нелинейной. Традиционные методы анализа и синтеза, основанные на аппарате передаточных функций и теории систем подчиненного регулирования, в этом случае применимы только при грубых допущениях. Данные методики основаны на «свертке» внутреннего контура регулирования при переходе к синтезу внешнего контура. В транзисторном электроприводе это приводит по сути к замене реальной характеристики релейного элемента на линейную с конечным коэффициентом усиления. В итоге применение стандартных настроек снижает быстродействие системы позиционного микроэлектропривода(МЭП) в целом. Данное обстоятельство

является тормозом в дальнейшей разработке электроприводов с высокими статическими и динамическими показателями.

В настоящей работе предлагается новая концепция построения позиционного электропривода, которая покоординатно разделяет фазовое пространство на две области, а затем осуществляет стыковку данных областей в одно целое. Данная концепция позволяет объединить противоречивые требования по высокой динамике и высокой точности к системам позиционного МЭИ Кроме того она дает возможность использовать и сочетать известные современные методы синтеза систем автоматического управления, такие как метод старшей производной, метод локализации, метод разделения движений и др., применительно к автоматизированному микроэлектроприводу.

Для позиционного электропровода весьма важным является применение двухзонного способа регулирования скорости: регулирование скорости за счет изменения напряжения якоря и регулирование скорости за счет напряжения возбуждения. Целый ряд позиционных механизмов металлорежущих станков, промышленных роботов, приборных и измерительных устройств требуют ускоренных и установочных перемещений. При этом в режиме позиционирования могут наблюдаться и участки работы с номинальной скоростью двигателя. Ослабление потока двигателя на этих участках может дать выигрыш во времени позиционирования при отработке заданного перемещения или увеличение пройденного пути при заданном числе циклов, что повышает быстродействие и производительность позиционного МЭИ

Наряду с очевидными преимуществами систем позиционирования с транзисторными преобразователями (высокое быстродействие, высокий КПД и др.) такие системы обладают и существенным недостатком: разрывной характер напряжений на двигателе приводит к колебаниям токов двигателя, электромагнитного момента, а, следовательно, скорости и положения рабочего органа. Вопросы обеспечения требуемых статических свойств, прежде всего амплитуды и частоты пульсаций в квазиустановившемся режиме, являются одними из самых важных при проектировании позиционного МЭП по системе ШИП-Д. Однако полный теоретический анализ квазиустановившегося режима работы при импульсном напряжении обмотки якоря и обмотки возбуждения двигателя не был проведен до настоящего времени. Анализ и исследование в этом направлении режимов работы микроэлектропривода позволяет найти и реализовать способы снижения пульсаций переменных параметров электропривода. Мощным средством снижения пульсаций является переход к двухканальному управлению напряжением якоря с регулируемым источником питания, что позволяет одновременно менять как скважность, так и амплитуду приложенного напряжения.

Сочетание всех перечисленных условий и требований создает специфику построения систем позиционирования на основе МЭП постоянного тока с транзисторными ШИП и требует разработки теоретических основ его построения.

К настоящему времени накоплен большой опыт по исследованию электропривода постоянного тока. Вопросам разработки и совершенствования электропривода, направленным на повышение быстродействия, посвящено большое количество работ. Значительный вклад в решение данной проблемы внесли

ученые: Башарин А.В., Глазенко Т.А., Сабинин ЮА. , Слежановский О.В. Чиликин М.Г. и др.

Расчету быстродействующего электропривода постоянного тока, созданию методов синтеза позиционного МЭП, а также разработке преобразовательных устройств для электропривода постоянного тока посвящены работы авторов: Боровикова М.А., Бейнаровича В.А., Бордова Ю.А., Бургина Б.Ш., Вострикова А.С., Грабовецкого Г.В., Зиновьева Г.С., Ильинского Н.Ф., Кагана В.Г., Ковчина СЛ., Козырева С.К.„ Малинина Л.И., Новикова ВА, Петрова Ю.И, Поздеева А.Д., Терехова В.М., Уткина В.И., Чистова В.П. и многих других авторов.

Рассмотренный в диссертационной работе комплекс задач сформулирован в контексте проблемы построения быстродействующего позиционного электропривода малой мощности с разрывным характером управлений, а проведенные разработки подкреплены многочисленными исследованиями.

Диссертация выполнена в Новосибирском государственном техническом университете Министерства образования и науки и обобщает результаты научных исследований и практических разработок автора за 30-летний период.

Цель работы и задачи исследования. Цель диссертационной работы состоит в разработке вопросов теории и создании основ построения быстродействующего позиционного микроэлектропривода постоянного тока с разрывным характером управляющих воздействий, что позволяет с единых позиций рассмотреть особенности и специфику транзисторного электропривода малой мощности и выработать рекомендации по его совершенствованию.

Для достижения цели поставлены следующие основные задачи:

1. Определить алгоритмы управления, провести их анализ и разработать общую концепцию построения быстродействующего позиционного микроэлектропривода с разрывным характером управляющих воздействий.

2. Разработать теоретические основы, создать методы анализа и синтеза систем МЭП с двухканальным амплитудно-импульсным управлением, провести исследование двухканальных систем регулирования.

3. Разработать принципы построения и структуры систем регулирования скорости при постоянном и переменном потоке двигателя; дать рекомендации по выбору частот переключений релейных регуляторов тока и скорости, провести исследование динамических режимов при различных вариантах построения транзисторного регулируемого МЭП.

4. Решить комплекс вопросов теории построения позиционного микроэлектропривода, создать математическую модель и общую структуру позиционного МЭП с разрывным характером управлений; осуществить синтез регуляторов перемещений для различных режимов работы МЭП, определить условия их стыковки и построить функционально полный регулятор положения.

5. Определить виды релейных регуляторов тока, необходимых для построения быстродействующего электропривода, создать методы их анализа и расчета, провести исследование влияния переменных параметров на статику и динамику контуров регулирования тока.

6 Исследовать влияние импульсного питания на точностные характеристики микроэлектропривода; получить расчетные соотношения для оценки величин пульсации тока, скорости, перемещения, сделать их анализ; выработать рекомендации для снижения пульсаций и предложить варианты построения МЭП, повышающие точность регулирования. 7. Создать математические модели некоторых современных регулируемых источников питания; провести математическое моделирование и экспериментальное исследование позиционного МЭП.

Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены на базе фундаментальных законов и уравнений электродинамики и теории электропривода. Использованы: теория автоматического управления и регулирования, теория оптимального управления, математический аппарат дифференциального и интегрального исчисления, ряды Фурье, методы гармонической и эквивалентной линеаризации, методы локализации и разделения движений, методы переменных состояния и модального управления. Достоверность полученных результатов исследований определяется корректностью поставленных задач, обоснованностью принятых допущений, сравнением результатов путем параллельного расчета и моделирования, экспериментальными исследованиями, а также исследованиями опытных образцов и практическими испытаниями в реальных условиях.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Общая концепция и алгоритмическая основа построения быстродействующего позиционного микроэлектропривода постоянного тока с разрывным характером управляющих воздействий.

2. Методологические основы построения систем двухканального амплитудно-импульсного управления микроэлектроприводом.

3. Способы реализации, математические модели и структуры систем однозонно-го и двухзонного регулирования скорости МЭП с разрывным характером управляющих воздействий.

4. Принципы построения позиционного МЭП в различных режимах перемещений и построение функционального полного регулятора перемещений.

5. Результаты анализа релейных контуров регулирования тока с переменными параметрами, способ построения и метод исследования релейного контура тока с регулятором частоты переключения релейного элемента.

6. Результаты анализа пульсаций переменных МЭП (тока, скорости и перемещения) и способы снижения пульсаций электромагнитного момента за счет импульсного питания обмотки возбуждения.

7. Математические модели регулируемых источников питания.

Научная значимость и новизна работы. В диссертационной работе впервые комплексно рассмотрены вопросы теории и созданы основы построения позиционного микроэлектропривода постоянного тока с разрывным характером управлений, что позволяет математически адекватно описывать поведение электропривода, определять алгоритмы управления быстродействующим МЭП, разрабатывать методы улучшения его точностных показателей и в конечном

итоге создавать позиционный микроэлектропривод с улучшенными технико-экономическими характеристиками.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработаны концепция и принципы построения позиционного микроэлектропривода с разрывным характером управляющих воздействий, позволяющие получать наилучшее сочетание точностных и динамических характери-стикМЭП.

2. Создана теория и метод расчета микроэлектропривода с амплитудно-импульсным регулированием скорости, что дает возможность расширить диапазон регулирования скорости, уменьшить амплитуду пульсаций и улучшить энергетические характеристики микроэлектропривода.

3. Разработаны структуры систем регулирования скорости при постоянном и переменном потоке двигателя, которые позволяют достичь высокого быстродействия МЭП в «большом» с заданной точностью отработки рассогласований в «малом» за счет сформулированного условия синхронизации релейных контуров тока и скорости.

4. Построена общая структура позиционного МЭП и функционально полный регулятор положения, что позволяет отрабатывать микроэлектроприводом различные виды перемещений с высокими точностными и динамическими характеристиками.

5. Получены аналитические выражения для характеристик автоколебательного режима в релейных контурах тока при переменных параметрах электропривода; на уровне изобретения предложены новые варианты построения быстродействующих релейных контуров тока якоря.

6. Проведен математический анализ пульсаций тока якоря, электромагнитного момента, скорости и углового перемещения при управляемом потоке двигателя.

7. Разработаны математические модели и предложены методики расчета электромагнитных процессов для рассмотренных высокочастотных регулируемых источников питания, что позволяет определить и оценить их динамические характеристики.

Практическая ценность работы заключается.

В решении комплекса вопросов научно-технической проблемы развития теории и создания основ построения позиционного микроэлектропривода постоянного тока на базе предложенных алгоритмов управления.

В разработке инженерных методов расчета быстродействующего микроэлектропривода с разрывным характером управляющих воздействий.

В создании принципиально новых способов и устройств реализации позиционного микроэлектропривода, подтвержденных авторскими свидетельствами и патентами РФ.

В совокупности полученных теоретических и практических результатов, позволяющих адекватно реальным условиям отражать статические и динамические режимы позиционного МЭП, что позволяет увеличить его быстродействие и точностные характеристики, а также расширить область применения.

Реализация результатов работы

Основные результаты работы получены при выполнении госбюджетных и хоздоговорных НИР, проводимых в НГТУ, выполняемых по заказам предприятий и организаций, связанных с использованием систем электропривода.

Предложенные способы построения микроэлектропривода, методы выбора параметров регуляторов, схемотехнические решения обусловили их востребованность при разработках микроэлектропривода измерительных комплексов Сибирского научно-исследовательского института метрологии, Конструкторско-технологического института научного приборостроения Сибирского отделения РАН, испытательных стендов Новосибирского завода «Химконцентратов» и объединения «Ротор».

Результаты, проведенных под руководством автора НИР в рамках исследовательских хозяйственных договоров, нашли применение при создании электроприводов постоянного тока для дебалансных вибромодулей (институт «Горного дела» СО РАН г.Новосибирск), для обкаточных стендов предприятий Севера (Сибнефть г. Мегион, Лукойл г.Лангепас), производственного объединения ОАО «Камаз» (г. Набережные Челны).

Материалы диссертации, касающиеся построения математических моделей, анализа и расчета динамических режимов МЭП используются в учебных дисциплинах для студентов направлений 551300 и 645500 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии». Они нашли применение и при создании лаборатории «Микроэлектропривода» кафедры ЭАПУ Новосибирского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 29 Международных, Всесоюзных, Республиканских и Региональных научно-технических конференциях, в т.ч.: X Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам автоматизированного электропривода (г.Воронеж, 1987); III Международной конференции по автоматизированному электроприводу (г.Нижний Новгород,2001); X иХ1 Международных конферен-цях «Промышленная автоматизация - автоматизированный электропривод» (г.Хемниц, Германия,1989,1991); VI Всесоюзной научно-технической конференции «Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов» (г.Бишкек, Киргистан, 1991); VII Всесоюзной научно-технической конференции «Методы и средства измерений электромагнитных характеристик материалов» (г.Новосибирск,1991); республиканской научно-технической конференции «Следящие электроприводы промышленных установок, роботов и манипуляторов» (г.Челябинск, 1989); на втором и третьем корейско-русских международных симпозиумах по проблемам науки и технологий КОЯи8-98 (г.Томск, 1998), КОКШ-99 (г.Новосибирск, 1999); международной научно- технической конференции ИСТ'2000 (г.Новосибирск,2000), на ЦЦП^Д^т Международных конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП» (г.Новосибирск,1992,1994,1996,1998,2000,2002,2004).

Публикации. Всего опубликованных работ по теме диссертации 73, в том числе основных-работ 57: 7 научных статей в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ; 2 учебных пособия; 4 статьи в центральных зарубежных изданиях; 3 патента; 5 авторских свидетельств; 12 публикаций в трудах международных конференций; 24 статьи в сборниках научных трудов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из предисловия, введения, шести глав, заключения, списка литературы из 187 наименований и 5 приложений. Общий объем диссертации 349 страниц текста, включая 113 рисунков и 4 таблицы.

Личный творческий вклад автора. Автору принадлежит формирование концептуальных положений, постановка задач исследования, проведение теоретических и экспериментальных исследований, обсуждение полученных результатов. Все работы, выполненные в соавторстве, подчинены общей постановке проблемы и концепции ее решения, предложенной автором. Соискателем сформулированы все основные идеи защищаемых методов, алгоритмов управления и структур позиционного микроэлектропривода, методик экспериментальных исследований и моделирования на ЭВМ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана преемственность исследований с фундаментальными результатами по проблемам создания быстродействующих электроприводов постоянного тока в научных школах России. Отражена научная проблема, актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, описаны методы исследований, изложены сведения о научной значимости и практической ценности, реализации и апробации работы.

В первой главе показано, что МЭП постоянного тока обладает рядом специфических особенностей по сравнению с общепромышленным электроприводом. Данные особенности вызваны конструкцией электрических машин и их мощностными характеристиками. К таким особенностям относятся в первую очередь относительно высокое активное сопротивление якоря двигателя, линейность кривой намагничивания, относительно низкий коэффициент полезного действия. Эти и другие особенности выделяют МЭП постоянного тока в особый класс систем автоматизированного электропривода постоянного тока.

С учетом специфики МЭП и при общепринятых допущениях структурная схема электропривода показана на рис.1. Структурная схема подчеркивает то обстоятельство, что в микроэлектроприводе ШИП является составной частью объекта управления. Это отражено разрывным характером управляющих воздействий как со стороны обмотки якоря, так и со стороны обмотки возбуждения. На схеме обозначено: jx, i, v, <р - относительные момент, ток, скорость и перемещение; - электромеханическая постоянная времени МЭП,

электромагнитная постоянная времени обмотки возбуждения(ОВ) и обмотки якоря(ОЯ). В работе приведены алгоритмы оптимального по быстродействию управления разгонно-тормозными режимами двухзонного МЭП. Подтверждено, что основным в реализации высокого быстродействия МЭП является формирование с определенными характеристиками токовой диаграммы двигателя.

В разгонно-тормозных режимах, исходя из критерия быстродействия, целесообразно формировать ток двигателя на уровне величины / = Здесь Ц-относительное напряжение на якоре двигателя; р-относительное сопротивление якорной цепи машины. У МЭП постоянного тока данное условие в большинстве случаев выполнимо из-за больших значений сопротивления якорной цепи.

На рис.2 показаны зависимости времени разгона выше основной скорости в функции параметра I. Графики подчеркивают ярко выраженный характер экстремума от величины активного сопротивления у машин малой мощности.

Рис 1. Структурная схема МЭП постоянного тока.

1" 1

\ / sp=0 5 /

\ / /

\ / / .25 /

\ / ЧР=0 1

/

О 2 4 6 8 10 12

Рис.2. Зависимость времени разгона МЭП от величины тока двигателя (ц*=0; у„=1;у„=3) Рассмотрены алгоритмы оптимального по быстродействию управления раз-гонно-тормозными режимами двухзонного МЭП при различных вариантах сочетания параметров электропривода. Показано, что реализация данных алгоритмов может быть осуществлена разрывными функциями управления с использованием релейных контуров регулирования тока.

В позиционном МЭП сделана оценка целесообразности двухзонного регулирования скорости. Оценка проведена на уровне одного элементарного перемещения и для произвольного цикла позиционирования с учетом изменений потерь в обмотке возбуждения. Время позиционирования при регулируемом потоке двигателя для одного элементарного перемещения

т02 = 7

✓

X 1 X

—

Х2-^ Не \

1-2*-1п-

к?:

,2 II

1п

КН)

№

Не*

(1)

Здесь к- степень ослабления потока, Х = , Р~Ур> '

Суммарные потери в двигателе (при пренебрежении потерями на гистерезис)

Где Я„=— , весовой коэффициент машины, характеризующий отношение 1я н у

между номинальными потерями в обмотках якоря (ОЯ) и возбуждения(ОВ);

-время разгона, торможения и установившейся работы при постоянном и переменном потоке двигателя.

Анализ существующих двигателей, проведенный по каталожным данным, показал, что растет с уменьшением мощности двигателя и в номинальном режиме потери в ОЯ сопоставимы с потерями в ОВ. Для оценки целесообразности двухзонного регулирования при позиционировании введены относительные

коэффициенты: ти = т<л^ти2 , Др^Д/^/Д^. На основании данных коэффициентов можно судить об увеличении быстродействия и изменении суммарных потерь при переходе к двухзонному управлению (гм>^-время цикла позиционирования и суммарные потери при нерегулируемом потоке) Анализ этих соотношений позволяет сделать следующие рекомендации по целесообразности регулирования потока двигателя в позиционном МЭП:

1. Целесообразно регулирование потока всегда, когда потери в ОВ превышают номинальные потери в ОЯ на 50% или в случае, если время отработки «установочных» перемещений составляет до 60% от всего времени цикла.

2. В наиболее общем случае оценка целесообразности двухзонного регулирования при позиционировании должна осуществляться в соответствии с предложенной в работе методикой.

В заключении главы предлагается концепция, положенная в основу построения позиционного МЭП. Данная концепция позволяет сочетать алгоритмы быстродействующего управления с высокой точностью отработки рассогласований по координатам МЭП. Её суть может быть представлена следующим образом:

- исходя из разного темпа протекания переходных процессов в позиционном МЭП выделяются переменные (координаты управления); как правило, это ток, скорость и перемещение МЭП;

- для каждой переменной в фазовом пространстве выделяются две области, соответствующие отработке "больших" и "малых" рассогласований по координате;

- в каждой области выбирается свой критерий качества управления координатой и осуществляется синтез подсистем управления;

- покоординатно проводится согласование областей фазового пространства и, исходя из логики управления - подчинение "быстрых" систем (контуров) более "медленным", строится общая система управления позиционным МЭП.

Во второй главе проведено исследование релейных контуров тока якоря и тока возбуждения как основы построения быстродействующего позиционного МЭП. Исследованы релейный контур тока якоря (РКТЯ) при переменных параметрах, управляемый напряжением на ОЯ; РКТЯ управляемый напряжением на ОВ, релейный контур тока обмотки возбуждения. Получены аналитические выражения для расчета амплитуды пульсаций тока, частоты реального скользящего режима, величины среднего значения тока.

Структурная схема контура регулирования тока при однополярном питании, переменой величине суммарной индуктивности и переменном сопротивлении якорной цепи (в зависимости от направления тока) представлена на рис.3. Заметим, что изменение параметров контура регулирования тока является характерным для транзисторных преобразователей с однополярным управлением напряжением на якоре двигателя. На структурной схеме отражен тот факт, что при подключении к обмотке якоря полного напряжения имеет место одно значение индуктивности и сопротивления якорной цепи, а при подаче на ОЯ нулевого напряжения- другое.

Частота реального скользящего режима в данном контуре равна

Здесь - электромагнитная постоянная двигателя,

Тях

'«ЯП *■ ЯПЙ С/«н

т1 =

- коэффициент форсировки напряжения якоря.

ЛУ _ Е .о _ 1 .я _ 1 . 77 > е Тт—• Р1 —' Р2 =—>

изя иш р, Р2

Рис.3. Структурная схема контура регулирования тока при однополярном питании и переменных величинах суммарной индуктивности и сопротивления якорной цепи.

Вследствие малого значения Тя, что свойственно большинству микроэлектроприводов, следует отметить два существенных недостатка регулирования тока: частота пульсаций тока достаточно велика и имеет место значительное влияние ЭДС двигателя на /ск .Первый недостаток является следствием определенного запаса по напряжению импульсного усилителя мощности (ИУМ). Запас по напряжению выбирается с учетом большого внутреннего сопротивления источника питания, что приводит к ещё большему увеличению частоты скользящего режима. Это увеличивает потери как в силовых ключах импульсного усилителя мощности, так и в двигателе постоянного тока. Второй недостаток приводит к переменным по величине пульсациям скорости и угла. Таким образом, из сказанного следует, что задание и поддержание рациональной частоты коммутации ИУМ в разгонно-тормозных режимах является одной из важных задач при разработке быстродействующих электроприводов.

Анализ известных технических решений, направленных на регулирование или стабилизацию частоты пульсации тока якоря двигателя приводит к нестандартному построению системы управления и силовой части приводов малой мощности. В работе предлагается релейный контур тока, в котором реализуются все достоинства «классического» релейного контура тока совместно с возможностью регулирования частоты коммутации ИУМ. Положительный эффект достигается за счет введения быстродействующего регулируемого источника питания (РИЛ) на входе ИУМ. Введение РИП позволяет в широких пределах изменять амплитуду напряжения на якоре двигателя, т.е. изменять кф в функции

иг,Ш,Ё. Регулирование /СК по каналу питающего напряжения и каналу частотно-импульсного сигнала назовем амплитудно-импульсным управлением.

Суть амплитудно-импульсного управления поясним по упрощенной функциональной схеме (рис.4). Схема работает следующим образом. Блок задания (БЗ) формирует задающее напряжение, соответствующее предельно допустимому току двигателя. Появившаяся максимальная ошибка б, через функциональ-

ный преобразователь (ФП) и (РШ1) формирует напряжение якоря двигателя с наибольшим коэффициентом форсировки 1/я =кл"

Рис.4. Функциональная схема РКТЯ с амплитудно-импульсным управлением.

Полупроводниковый преобразователь, включенный по схеме импульсного усилителя мощности, обеспечивает форсировку тока якоря. При достижении заданного тока якоря, по сигналу датчика тока (ЦТ), замыкается релейный контур. Ошибка 5 уменьшается до уровня, равного ширине петли гистерезиса релейного элемента. Это приводит к подключению сигналов, пропорциональных скорости (ЭДС) двигателя и величине задающего сигнала, ко входу РИП. Регулируемый источник питания задает напряжение на якоре, соответствующее требуемой частоте скольжения /¡.к. С ростом ЭДС двигателя ФП формирует, согласно способу управления ИУМ, уменьшенное или увеличенное выходное напряжения РИП. Таким образом, изменением амплитуды напряжения на якоре поддерживается необходимая частота скольжения в релейном контуре тока.

В работе рассмотрено два варианта построения РКТЯ с амплитудно-импульным управлением: с параметрическим и непосредственным заданием частоты скольжения /ск • Предложена структура РКТЯ с параметрическим заданием /ск в функции ЭДС двигателя. Рассмотрены достоинства и недостатки данной системы. Отмечается, что основным недостатком РКТЯ с параметрическим заданием /ск является погрешность стабилизации (регулирования) частоты реального скользящего режима. Устранить указанный недостаток позволяет схема МЭП с непосредственным заданием /ск . Разработка данной системы обусловлена как необходимостью получения астатизма в канале регулирования частоты скользящего режима, независимо от выбранного способа питания двигателя, так и желанием непосредственного задания требуемой величины /ск. При выполнении этих условий можно исключить статическую ошибку регулирования fCK в квазиустановившемся режиме, а также оперативно менять

частоту скольжения, и тем самым, получать приемлемые пульсации скорости привода при минимальных потерях в якоре двигателя.

Структурная схема релейного контура тока с независимым заданием частоты /ск приведена на рис.5. В отличие от структурной схемы с параметрическим заданием в данной системе введен дополнительный контур регулирования /ск со своим регулятором (РЧ). В зависимости от знака и величины рассогласования Д/^ регулятор формирует управляющее воздействие на быстродействующий источник напряжения, который изменяет амплитуду напряжения. Реализация всех достоинств данной системы возможна лишь при высоком быстродействии регулируемого источника питания и правильном выборе закона управления координаты . Следует отметить, что при разработке микроэлекгро-привода использован интегральный регулятор позволяющий получить астатическое регулирование при относительно простой схемотехнической реализации в цифровой системе МЭП. Отметим, что в общем случае тип регулятора может быть выбран в соответствии с любым законом управления. Также, без каких-либо ограничений, могут быть выбраны структура и параметры РИП. Центральным вопросом при разработке релейного контура тока с независимым заданием частоты является выбор параметров регулятора частоты скольжения.

Рис.5. Структурная схема РК1Я с независимым заданием /ск.

Поставленная задача усложняется следующими особенностями системы регулирования частоты

- наличием двух существенно нелинейных звеньев (звена релейный элемент с петлей гистерезиса и звена умножения);

- присутствием на одном из входов звена умножения логического сигнала прямоугольной формы, а на втором - аналогового сигнала с варьируемой амплитудой.

В работе предлагается методика параметрического синтеза регулятора , частоты скольжения в РКТЯ, основанная на эквивалентной линеаризации

нелинейных звеньев. Суть эквивалентной линеаризации заключается в минимизации среднего квадрата ошибки воспроизведения заданных входных сигналов:

Щ2=г1т+/|К0|ГЛ.гДе ФЬ/Ы-^Ы*! (4)

Здесь -матрица эквивалентных передаточных функций;

-вектор входных сигналов. На основании (4) произведены соответствующие структурные преобразования и найдены эквивалентные передаточные функции нелинейных звеньев. По предложенной методике сделан расчет параметров регулятора частоты и произведено исследование динамических свойств РКТЯ.

В третьей главе исследуются системы регулирования скорости МЭП постоянного тока с разрывным характером управления. В главе 1 было отмечено, что алгоритмы управления скоростью МЭП с точки зрения быстродействия должны быть релейными. Для позиционного электропривода в режиме больших рассогласований регулируемой координаты главной целью САУ является формирование максимального быстродействия при отработке перемещения. Задачей регулятора скорости в этом случае является формирование начала торможения исходя из информации об ошибке перемещения. При торможении должен быть обеспечен максимальный темп замедления, что соответствует переключению знака управляющего воздействия на входе контура тока якоря.

Таким образом, для обеспечения высокого быстродействия контура регулирования скорости в режиме больших рассогласований скорости целесообразно использовать релейный регулятор скорости

V] (5)

При переходе САР в область малых рассогласований стратегия управления должна быть изменена. Действительно, выбор идеального релейного регулятора скорости, обеспечивающего оптимальное быстродействие "в большом", приводит к автоколебаниям с бесконечной частотой в квазиустановившемся режиме, а, следовательно, к неработоспособности САР. Эффективным способом задания требуемого уровня пульсаций выходной координаты, а, следовательно, и точностных показателей привода, является широтно-импульсное регулирование скорости. Закон формирования питающего напряжения в этом случае имеет разрывной характер, а функция управления релейным элементом может быть представлена в виде

и^анио (6)

Здесь и^У- напряжение на выходе регулятора скоро ¿Г^), - опорное напряжение.

Однако при таком построении системы регулирования скорости нарушается оптимальный по быстродействию закон управления "в большом". Достичь компромисса между максимальным быстродействием и требуемой неравномерностью частоты вращения удается при применении комбинированной САР скорости, структурная схема которой изображена на рис.6. На схеме обозначено:

РРТ - релейный регулятор тока, РРС - релейный регулятор скорости, НЭ1, НЭ2, НЭЗ - нелинейные элементы. Как следует из рис.6 сигнал Uy, управляющий регулятором скорости, формируется как логическая сумма сигналов Ut И Сшик, которые представляют собой немодулированный и модулированный сигналы ошибки по скорости. Таким образом, в зоне больших рассогласований (¡£¡>0 сигнал ошибки по скорости подается непосредственно на РРС, который с целью снижения пульсаций выполнен идеальным, при переходе же в зону малых рассогласований (|<yj<S„) осуществляется регулирование по принципу широтно-импульсной модуляции.

Рис. 6. Структурная схема комбинированной САР скорости.

Если учесть, что релейный регулятор тока якоря отражает наличие транзисторного преобразователя, то при больших рассогласованиях по скорости алгоритм коммутации ключей задается наличием отрицательной обратной связи по току и шириной петли гистерезиса РРТ. На вход преобразователя подается постоянный сигнал с выхода РРС, который меняет свою полярность только при переходе от разгона к торможению. Такой режим характеризуется колебаниями тока с заданной амплитудой и переменной частотой. При переходе системы в зону малых рассогласований алгоритм коммутации ключей транзисторного преобразователя задаётся непосредственно опорной частотой ШИМ и видом "дополнительного" регулятора скорости (регулятор скорости на рис. 6 показан как пропорциональный с ограничением выхода - НЭЗ; в более общем случае, может иметь различную структуру). Ключевым вопросом при таком построении САР скорости является выбор опорной частоты ШИМ. Необходимым условием работоспособности комбинированной САР скорости является "синхронизация" работы релейных регуляторов тока и скорости в режиме малых рассогласований.

"Синхронизацией" работы контуров регулирования тока и скорости будем называть такой режим в САР скорости с ШИМ, когда каждое переключение

регулятора скорости приводит к переключению регулятора тока. Самопроизвольных переключений (под действием обратной связи по току) регулятор тока не совершает. Очевидно, что режим "синхронных" переключений релейных регуляторов тока и скорости возникает только при некоторой (достаточно высокой) частоте - такой, что ток на интервале коммутации не достигает своего максимального значения - X. Назовем такую частоту частотой синхронизации, а условие существования данного режима - условием синхронизации.

Определим частоту синхронизации. Для этого запишем выражения, описывающие снижение и нарастание тока якоря при широтно-импульсном характере напряжения, подводимого к ОЯ:

(7)

Здесь 1*о - начальное значение тока якоря, Т- период ШИМ. Если ввести обозначение: Х„ =ехр(-Г/ГЛ) ,то после ряда преобразований условие синхронизации релейных регуляторов тока и скорости запишется в виде:

1-2X1+ХЛ

Хр+{\-р)у=-

1-Х,

(8)

Полученное выражение, к сожалению, не удается разрешить относительно Ха. Частота синхронизации может быть найдена только путем численного решения (8). В частном случае при у=0.5 оказывается возможным получить аналитическое выражение для условия синхронизации:

При построении системы двухзонного регулирования скорости весьма важным является согласование зон регулирования скорости. Данный вопрос особенно важен для электроприводов малой мощности из-за неоднозначности моментов переключения зон. В работе предлагается САР скорости, построенная по независимому принципу. Данная САР скорости имеет ряд специфических особенностей, к которым, прежде всего, относятся:

1. Стабилизация предельного тока якоря в первой зоне при постоянстве напряжения возбуждения за счет напряжения на якоре.

2. Стабилизация предельного тока якоря во второй зоне при постоянстве напряжения на якоре за счет построения контура регулирования тока якоря по цепи: напряжение возбуждения - ЭДС - ток якоря.

3. Применение релейных регуляторов тока якоря в обеих зонах регулирования скорости.

4 Входным сигналом для обоих релейных контуров тока якоря является выход регулятора скорости.

5. Получение информации о переключении зон регулирования скорости по состоянию релейных элементов.

Структурная схема предлагаемой системы управления приведена на рис.7.

Рис. 7. Структурная схемадвухзонной САР скорости с независимым управлением.

На рис.7 обозначено: ДС - датчик скорости, РР1, РР2 - релейные регуляторы тока якоря, работающие соответственно в первой и во второй зоне, PC - регулятор скорости, ЛУ - логическое устройство.

В силу непосредственной стабилизации тока якоря в предложенной системе обеспечиваются квазиоптимальные по быстродействию процессы. При построении регулятора скорости его структура может быть сохранена в обеих зонах регулирования. На рис.8 приведены переходные процессы разгона электропривода с независимым управлением скоростью. Дополнительно на рис.8 показан сигнал на входе логического устройства, осуществляющий переключение зон регулирования скорости. В работе синтезировано логическое устройство ЛУ, которое формирует сигнал на переключение зон управления в функции контроля ресурса питающих напряжений.

Рис. 8. Переходные процессы при разгоне электропривода выше основной скорости.

В микроэлектроприводах с широтно-импульсными преобразователями диапазон регулирования скорости ограничивается, в первую очередь, колебаниями скорости МЭП и техническими возможностями реализации минимальной и максимальной скважности регулирования. Предложен вариант построения САР скорости с двухканальным ШИП, в котором первый канал регулирования предполагает изменение скважности напряжения якоря, а второй канал регулирует амплитуду напряжения. Введение такого двухканального ШИП позволяет расширить диапазон регулирования и в установившемся режиме обеспечить некоторую заданную скважность. Тем самым получить требуемые пульсации тока и скорости. Проведено исследование данной структуры методом разделения движений. Получены результаты, дающие возможность синтезировать предложенную САР скорости.

Четвертая глава посвящена автоматическому регулированию положения в МЭП. В зависимости от величины задающего воздействия на входе системы в теории управления электроприводами принято выделять «малые»(отсутствие ограничений), «средние»(ограничение по максимальному току) и «большие» ( ограничение по максимальной скорости) перемещения.

В работе проведен синтез регулятора положения в режиме « малых» перемещений для двух вариантов построения позиционного МЭП: с аналоговым и релейным регуляторами скорости . Контур тока в обоих вариантах является релейным. В первом случае синтез осуществлен на основе модального метода. Получены расчетные соотношения для построения позиционного МЭП.

Во втором случае синтез выполнен методом локализации. Применительно к рассматриваемому позиционному МЭП наличие «малого» параметра и «большого» коэффициента, роль которого играет релейный регулятор скорости, позволяет проводить декомпозицию уравнений системы на две подсистемы меньшего порядка, описывающие «быстрые» и «медленные» движения. Причем релейный контур тока якоря является контуром «быстрых» движений, а подсистема «медленных» движений, траектории которой должны быть синтезированы, заранее содержит «большой» коэффициент - релейный регулятор скорости. Ток якоря двигателя в силу наличия в системе контура «быстрых» движений является относительной старшей производной. Под этим понимается, что именно эта производная в текущий момент времени явно зависит от сигнала управления. Производную более высоких порядков использовать не имеет смысла. Таким образом, с учетом сказанного целесообразно задавать желаемую динамику линейным дифференциальным уравнением второго порядка:

Гф2(р+2^ф+ф = К, (10)

где V - управляющее (задающее) воздействие; Т^ - постоянная времени,

удовлетворяющая требованиям в динамике.

В связи с требованием отсутствия перерегулирования по положению целесообразно принимать биномиальное распределение корней в уравнении желаемых движений (10), то есть 4 = 1.

Для второй производной можно записать:

Наличие реле на входе объекта управления делает нецелесообразным использование «большого» коэффициента усиления в законе управления, поэтому сформируем его в виде:

,<?,У)-^2\ (12)

то есть в виде разницы между заданным и текущим значением относительной

старшей производной (ф^2^ - оценка второй производной выходной переменной). Таким образом, в соответствии с (12) для формирования требуемого алгоритма управления необходима информация о положении МЭП, его первой и второй производной. В общем случае для оценки производных выходной переменной требуется дифференцирующий фильтр третьего порядка. Однако в позиционной системе доступными для непосредственных измерений являются как величина самого перемещения, так и величина его первой производной - скорости. Поэтому порядок фильтра может быть понижен за счет дифференцирования сигнала с выхода датчика скорости на валу двигателя. Структурная схема системы управления приведена на рис.9.

Ац

- -

Рис.9. Структурная схема МЭП в режиме малых перемещений. На рисунке показан дифференцирующий Фильтс вила:

(П)

где выбирается в соответствии с требованием разделения движений,

- удвоенный коэффициент демпфирования.

Для обеспечения допустимой амплитуды колебаний положения в установившемся режиме после отработки заданного перемещения необходимо перейти на широтно-импульсное регулирование. То есть в контур положения нужно ввести опорное напряжение иоа. Частота этого напряжения должна быть выше частоты синхронизации релейных регуляторов тока и скорости. С этой целью в схему включен пороговый элемент ГО, который осуществляет данную функцию при достижении рассогласования по положению, равного Д . Компенсация величины момента статического сопротивления выполнена с помощью обратных связей по току и оценке второй производной скорости. На рис.10, приведены переходные процессы в МЭП при отработке «малых» перемещений. Переходные процессы получены моделированием микроэлектропривода с двигателем ДМ-180-7,5 в относительных единицах. Из анализа рис.10, видно, что переходные процессы полностью соответствуют желаемым, а именно линейному дифференциальному уравнению с биномиальным распределением корней.

Рис 10 Переходные процессы в МЭП в режиме «малых» перемещений. В режиме «средних» перемещений регулирование скорости двигателя может происходить как в первой,-так и во второй зонах. Для первой зоны регулирования имеем известный параболический регулятор положения с характеристикой:

(14)

Для второй зоны регулирования получен нелинейный регулятор положения с характеристикой вида:

Здесь -ошибка по положению. Здесь V] =-: V? =-; е-ошибка по положению.

1 р-1 1 0-1

Совмещенные характеристики регулятора положения в режиме «средних» перемещений приведены на рис 11.

перемещений для первой и второй зон регулирования скорости.

Как видно из предыдущего, структура и вид регуляторов положения зависят от величины рассогласования по выходной координате. С этой точки зрения каждый из рассмотренных регуляторов положения можно считать «неполным», так он выполняет свою функцию в ограниченной зоне перемещений. В наиболее общем случае МЭП последовательно отрабатывает «большие», «средние» и «малые» перемещения. Поэтому возникает задача согласования синтезированных ранее регуляторов и создания функционального полного регулятора положения. Проблема согласования режимов перемещений требует «учета» ряда обстоятельств.

Во-первых, диапазон изменения «малых» перемещений <рм является переменной величиной, зависящей от момента статического сопротивления и от скорости вращения МЭП.

Во-вторых, изменения статического сопротивления сказываются на виде нелинейной характеристики регулятора положения в «большом», что приводит к неопределенности момента начала торможения МЭП. Все эти особенности учтены при построении функционально полного регулятора положения, показанного на рис. 12.

Если в структуре позиционного МЭП применяется аналоговый регулятор скорости, то при переключении режимов перемещений возникает дополнительная задача определения и согласования начальных условий регулятора при переключении структур. Это требуется для исключения бросков тока якоря при переключении режимов. В работе эта задача решена в векторно-матричной форме на основе переменных состояния МЭП.

Рис. 12. Функционально полная структурная схема позиционного МЭП.

В пятой главе приведены исследования пульсаций переменных МЭП. Расчёту пульсаций тока и скорости посвящено большое количество работ. Однако все исследования связаны с оценкой колебательных процессов, вызванных разрывным характером напряжения на якоре двигателя. В то же время, по понятным причинам, импульсный характер напряжения возбуждения также приводит к колебаниям переменных МЭП. Более того, в этом случае появляется дополнительная возможность управлять пульсациями за счёт организации рационального «фазового сдвига» между импульсными последовательностями напряжений якоря и обмотки возбуждения.

Амплитуда пульсаций тока, вызванных импульсным напряжением на якоре:

Выражения (16) и (17) могут сравниваться только при одинаковой частоте пульсаций, поэтому в дальнейшем принято равенство частот питающих напряжений в ОЯ и ОВ . Приведенные зависимости удобны лишь при анализе каждой составляющей в отдельности. В действительности же для оценки суммарной амплитуды пульсаций тока якоря Д/, момента Дц и скорости Ду недопустимо простое сложение (16) и (17). Для более объективного анализа амплитуд пульсаций при импульсном управлении должен быть учтён режим работы электропривода, а именно: средние значения тока якоря и потока двигателя, и среднее значение стабилизируемой скорости. С учётом сказанного точный анализ амплитуд пульсаций тока весьма затруднён. Поэтому в работе проведено исследование амплитуд пульсаций путем разложения каждой из составляющих в ряд Фурье. Результаты исследования представлены в таблице.

Амплитуда пульсаций угла может быть рассчитана по формуле:

Эффективность работы систем управления пульсациями тока и скорости зависит от статического (квазиустановившегося) режима работы микроэлектропривода. По вполне понятной причине в зоне низких скоростей вращения МЭП воздействие пульсирующей составляющей потока на ток якоря двигателя мало, а в зоне высоких скоростей это влияние становится существенным. Что касается пульсаций момента и скорости, то здесь эффективность работы системы зависит от величины статического момента: с ростом нагрузки увеличивается и влияние переменной составляющей потока на пульсации скорости.

Рис 13. Результаты моделирования САР с пониженным уровнем пульсаций скорости (1-пульсации при Ф1^!]^ 2-пульсации при импульсном питании ОВ).

Проведённые исследования показали, что реально даже при номинальной частоте вращения пульсации тока якоря, вызванные импульсным питанием ОВ значительно ниже пульсаций, вызванных импульсным питанием ОЯ, то есть область, в которой регулирование целесообразно проводить из условия снижения пульсаций момента (Э = Зц=я), может быть значительно расширена.

Поэтому представляется целесообразным строить систему с пониженным уровнем пульсаций момента на основании информационного сигнала о «весе» пульсаций потока в результирующей амплитуде пульсаций тока якоря. Предложено две структуры управления(для релейного и широтно-импульсного контуров регулирования тока), реализующие данный алгоритм управления при условии равенства частот в ОЯ и ОВ. На рис. 13 приведены результаты моделирования для САР по первому варианту с пониженным уровнем пульсаций скорости. Причём рассмотрен наиболее неблагоприятный с точки зрения амплитуды колебаний скорости режим стабилизации минимальной скорости вращения ф=2000).

Таблица

Оценка величины пульсаций МЭП при управляемом потоке двигателя

Пульсации тока якоря Пульсации момента Пульсации скорости

1. Допущения Л-Л = /в» V = \о = сот(. . ! Л=/я = /в ^с=!срФср /*=/я = /в Ф=Фср; ^ср

2. Амплитуда пульсаций л£+у§.(1-р)2Д/е2--2Д;вД/еУ0(1-р)х хсоз(Э + фи ~9е) ♦ первого рода: Дщ= к+(МФ)* + У+2цсДфД/сояЗ ♦ второго рода: 4,=<мк°"

3. Рациональный угол сдвига Зг = 2ж-<ри + фе V* 8с = л

4. Минимальный уровень пульсаций ДцшЬ=Д1-цсДф+ 2Ф

В шестой главе исследуются динамические свойства высокочастотных транзисторных источников питания для двухканального способа управления МЭП. Данное исследование объясняется необходимостью применения быстродействующих регулируемых источников питания (РИП), входящих в высокодинамичный контур системы управления МЭП. Рассмотрено два варианта РИП: источник питания на основе генератора Роэра и повышающий ДС/ДС преобразователь В РИП на основе генератора Роэра (рис.14) применен релейный регулятор выходного напряжения. При работе РИП в составе МЭП регулирование напряжения происходит за счет модуляции относительной длительности включения ЬС-фильтра автогенератора. В работе составлена математическая модель РИП и осуществлен параметрический синтез ЬС-фильтра. Используя методику расчета линеаризованных систем на основе критерия Михайлова, определена величина индуктивности дросселя фильтра для заданной частоты и амплитуды автоколебаний. По системе дифференциальных и алгебраических уравнений, описывающих динамические свойства источника питания, составлена структурная схема РИП Проведено моделирование РИП.

Рис.14. Упрощенная принципиальная схема РИП.

Рис. 15. Принципиальная схема ОС/ОС конвертора.

Рис 16 Структурная схема DC/DC конвертора.

Принципиальная схема ДС/ДС преобразователя и его структурная схема показаны соответственно на рис.15 и рис.16. Преимуществом данного конвертора является обеспечение достаточно высокого напряжения на нагрузке при сравнительно низком напряжении источника питания без использования трансформатора. Данный эффект удается достичь за счет широтно-импульсной модуляции (ШИМ) напряжения на конденсаторе путем высокочастотной коммутации силового ключа VT. Рассмотрены два возможных вариантах построения САР напряжения:

- одноконтурный вариант с регулированием выпрямленного напряжения;

- двухконтурный вариант с внутренним контуром регулирования тока и внешним контуром выпрямленного напряжения при использовании классической ШИМ.

Для обоих вариантов предложены методики выбора параметров регуляторов, исследованы статические и динамические свойства РИП. Проведено моделирование РИП в системе микроэлектропривода.

В приложения вынесены: вывод коэффициентов эквивалентной линеаризации для нелинейности типа «звено умножения»; определение граничного режима «малых» перемещений МЭП, разложение в ряд Фурье импульсных составляющих токов якоря и возбуждения, оценка целесообразности двухзонного регулирования скорости на примере позиционного МЭП измерительной установки; экспериментальные исследования МЭП и акты внедрения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты по разработке проблемы построения микроэлектропривода постоянного тока, связанные с повышением быстродействия и улучшением регулировочных характеристик состоят в следующем: 1. Разработан комплекс вопросов теории микроэлектропривода постоянного тока. Предложена новая концепция построения быстродействующего микроэлектропривода с разрывным управлением, позволяющая получить наилучшее сочетание динамических и точностных характеристик электропривода.

2. Разработана концепция амплитудно-импульсного регулирования скорости в микроэлектроприводе постоянного тока. Предложены варианты построения МЭП с релейным и широтно-импульсным регулированием. Проведено теоретическое исследование микроэлектропривода и его экспериментальная проверка.

3. Предложены, теоретически обоснованы и экспериментально исследованы алгоритмы управления быстродействующим позиционным микроэлектроприводом постоянного тока с управляемым магнитным потоком двигателя.

4. Проведено аналитическое исследование релейных принципов управления токами электрической машины; на уровне изобретений предложены варианты построения релейных контуров регулирования тока, в которых можно управлять параметрами реального скользящего режима. Изложена методика выбора параметров РКТЯ.

5. Разработан комбинированный вариант построения системы регулирования скорости микроэлектропривода с релейными регуляторами как при постоянном, так и при переменном потоке двигателя, реализующий высокое быстродействие и высокую точность регулирования. Получено условие синхронизации работы релейных регуляторов тока и скорости, которое позволяет без перенастройки системы реализовать комбинированный способ управления.

6. Для двухзонного регулирования скорости предложен независимый способ согласования зон регулирования, основанный на контроле частоты реального скользящего режима в релейных контурах тока; разработана принципиальная схема логического устройства, осуществляющего переключение режимов скорости. Разработан алгоритм управления реверсивным МЭП с реверсом потока двигателя и проведено исследование реверсивного МЭП.

7. Решен комплекс вопросов и разработаны методы построения микроэлектропривода в режиме позиционирования. Разработаны функционально полные регуляторы положения для аналогового и релейного регуляторов скорости, осуществлено согласование режимов перемещений микроэлектропривода. Получены математические модели и структуры систем позиционного микроэлектропривода, осуществлено их моделирование и экспериментальное исследование.

8. Созданы математические модели аналитического исследования пульсаций переменных (тока, электромагнитного момента, скорости и перемещения) микроэлектропривода при управляемом потоке двигателя. Разработаны инженерные методики оценки пульсаций тока, момента и скорости МЭП. Предложены способы снижения пульсаций микроэлектропривода в квазиу-становившемся режиме; разработаны схемные решения, позволяющие снизить пульсации момента и скорости для различных вариантов построения регуляторов тока якоря и тока возбуждения.

9. Проведены теоретические исследования, разработаны математические модели двух вариантов (трансформаторного и бестрансформаторного) высокочастотных регулируемых источников питания для микроэлектропривода с амплитудно-импульсным управлением. Рассмотрены способы введения обратных связей и методики выбора параметров регуляторов источников.

Материалы диссертации внедрены в ходе выполнения госбюджетных и хоздоговорных НИР по заказам предприятий и организаций, связанных с применением и модернизацией электроприводов постоянного тока. Развитие теории и разработка новых способов построения позиционного микроэлектропривода способствует дальнейшему совершенствованию технологических процессов и созданию «высоких» технологий.

Основные работы, опубликованные по теме диссертации

1. Симаков Г.М., Кромм АЛ. Быстродействующий микроэлектропривод с амплитудно-импульсным управлением // Электричество.-1997.- №12.-С. 47-50.

2. Симаков Г.М. Гринкевич ДЛ. Позиционный микроэлектропривод с двухканальным управлением // Электричество.-2002.- №11.- С. 22-28.

3. Симаков Г.М., Гринкевич ДЛ. Способ согласования зон регулирования скорости в двухзонном транзисторном электроприводе постоянного тока // Электротехника.-2000.-№11.- С. 162-167.

4. Симаков Г.М., Гринкевич ДЛ Двухзонный транзисторный электропривод постоянного тока с реверсивным преобразователем в цепи возбуждения // Электротехника. -2003,- № 9.- С. 39-44.

5. Симаков Г.М., Гринкевич Д.Я. Алгоритмы управления позиционным электроприводом постоянного тока на базе транзисторного преобразователя // Техническая электродинамика. Тематический выпуск: силовая электроника и энергоэффективность.-2002.- № 3.- С. 47-53.

6. Симаков Г.М., Троицкий А.В., Гринкевич Д.Я. Микроэлектропривод постоянного тока с повышающим ДС/ДС преобразователем // Техническая электродинамика. Тематический выпуск: силовая электроника и энергоэффектив-ность.-2003.- №2.-С. 92-97. -

7. Востриков. А.С., Симаков Г.М, Панкрац Ю.В., Троицкий А.В. Синтез системы автоматического регулирования скорости электропривода постоянного тока при управляемом потоке двигателя // Техническая электродинамика. Тематический выпуск.-2004.-№3. - С. 91-95.

8. Симаков Г.М., Гринкевич Д.Я. Исследование быстродействующего контура тока якоря при регулируемом потоке двигателя // Сб. НГТУ.-Новосибирск НГТУ. 1997.- № 3 (5).-С.34-40.

9. Симаков Г.М., Троицкий А.В. Выбор параметров регуляторов микроэлектропривода постоянного тока с АШИМ регулированием скорости // Научн. веста. НГТУ.- Новосибирск: НГТУ .-2004.- № 3(37). С. 11-20.

10. Симаков Г.М., Гринкевич ДЛ. Исследование релейного контура регулирования тока возбуждения электрической машины с магнитно-связанными контурами // Вестник Куз. ГТУ. - Кемерово. 1998.- .№ 5.-С.45-52.

11. Путинцев Н.Н., Симаков Г.М., Малахов А.П., Хуторной В.И. Некоторые вопросы автоматизации низкочастотных дебалансных вибромодулей //Физико-техн. проблемы разработки полезных ископаемых.-1987.- №2.-С.61-68.

12. Симаков Г.М. Автоматизация промышленных установок: электропривод и автоматизация металлорежущих станков // Учебное пособие.- Новосибирск: Издательство НГТУ.- 1998.-106с.

13. Симаков Г.М. Цифровая интегральная электроника в автоматизированном электроприводе // Учебное пособие.- Новосибирск. НГТУ.- 2001.-105с.

14. Симаков Г.М., Ласточкин Ю.Б., Кромм АА. Автоматизированная система управления установкой для измерения электромагнитных характеристик радиоматериалов // Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-92: Тр. первой международной науч.-техн. конф.-Новосибирск: изд-во НГТУ.-1992.-том 5.

15. Симаков Г.М., Кромм АА, Гринкевич Д.Я. Регулируемый преобразователь напряжения для объектов с автономными источниками питания // Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-96: Тр. Ш межд. науч.-техн. конф.-Новосибирск: изд-во НГТУ.-1996.- том 8.- С. 42-45.

16. Симаков Г.М., Гринкевич Д. Я. Микроэлектропривод постоянного тока с двухканальным управлением // Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-98: Тр. четвёртой межд. науч.-техн. конф.-Новосибирск: изд-во НГТУ.- 1998.- Том 7- С. 55-60.

17. Симаков Г.М., Кромм АА Высокодинамичный транзисторный преобразователь с амплитудно-импульсной модуляцией выходного напряжения // Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-94: Тр. II межд. науч.-техн. конф.-Новосибирск: изд-во НГТУ.-1994.- том 7-С.42-46.

18. Симаков Г.М., Гринкевич Д.Я. Выбор частоты коммутации транзисторных преобразователей в электроприводе постоянного тока с двухканальным управлением // Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2000: Тр. V межд. науч.-техн. конф.-Новосибирск: изд-во НГТУ.-2000.- Том 4.-С. 162-167.

19. Симаков Г.М., Гринкевич Д.Я. Синтез двухканальной импульсной системы управления микроэлектроприводом постоянного тока // Импульсные системы и технологии. ИСТ 2000: Материалы межд. науч-техн. конф.- Новосибирск: изд-во НГТУ.-2000.- Том 2.- С. 436-440.

20. Симаков Г.М., Гринкевич Д,Я. Позиционный микроэлектропривод с двухканальным управлением // Труды Ш международной научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу.- Нижний Новгород .-2001.-С. 142-144.

21. Симаков Г.М., Панкрац Ю.В., Воеводин М.В. Регулируемый микроэлектропривод постоянного тока с двухзвенным транзисторным широтно-импульсным преобразователем // Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2004: Материалы VII межд. науч.-техн. конф.-Новосибирск: изд-во НГТУ.- 2004.- Том 6.- С.161-167.

22. Бомко В.Р., Панкратов В.В., Путинцев Н.Н., Симаков Г.М., Абалаков А.Л. Цифровой регулируемый микроэлекропривод измерительной установки // Автоматизированный электропривод промышленных установок: Межвуз. сб. научн. тр. - Новосибирск: НГТУ.1989.-С.ЗЗ-41.

23. Симаков Г.М. К вопросу о предельных по быстродействию возможностях электропривода постоянного тока // Автоматизация производственных процессов: Межвуз. сб. науч. тр.- Новосибирск. 1969.- вып.7.- С. 107-115.

24. Панкратов В.В., Путинцев Н.Н., Симаков Г.М., Абалаков А.Л. Об одном способе повышения точности статического цифрового электропривода // Автоматизированный электропривод объектов водного транспорта.- Новосибирск: НГАВТ. 1989.-С.42-48.

25. Симаков Г.М. Динамический расчет параметров задержанной обратной связи по току в системах автоматизированного электропривода постоянного тока // Автоматизация производственных процессов: Сб. науч. тр.- Новосибирск: НЭТИ 1973. - С. 61-68.

26. Симаков Г.М. Синтез одного вида регулятора для электропривода постоянного тока, управляемого потоком двигателя // Автоматизация производственных процессов: Сб. науч. тр.- Новосибирск: НЭТИ. 1976.- Вып. 13.-С. 40-49. '

27. Симаков Г.М. Аналитический расчет переходных процессов электропривода постоянного тока с переменным потоком двигателя при оптимальном управлении // Автоматизированные электромеханические системы: Межвуз. сб. науч. тр. Новосибирск: НЭТИ. 1979.-С. 143-152.

28. Симаков Г.М., Кромм АА Оптимизация по точности регулирования цифровой астатической системы электропривода // Автоматизированный электропривод промышленных установок: Межвуз. сб. науч. тр.- Новосибирск: НЭТИ. 1989.- С. 48-52.

29. Симаков Г.М., Кромм АЛ. Об одном способе управления позиционным микроэлектроприводом постоянного тока // Автоматизированный электропривод промышленных установок: Межвуз. сб. науч. тр.- Новосибирск: НЭТИД990.-С.37-44.

30. Симаков Г.М., Кромм АА, Елисеенко О.Ю. Исследование динамических режимов импульсного регулируемого источника питания для позиционного микроэлектропривода // Оптимизация режимов работы систем электроприводов: Межвуз. сб. науч. тр.- Красноярск: КПИ. 1990.- С. 99-103.

31. Симаков Г.М., Кромм АА Анализ динамических процессов в микроэлектроприводе с двухканальным ШИП методом разделения движений // Автоматизированные электромеханические системы: Межвуз. сб. науч. тр.-Новосибирск: НЭТИ. 1991.- С. 27-35.

32. Вагнер Н.В., Ельсуков В.Н., Симаков Г.М. Оптимальное по быстродействию управление позиционной системой ШИМ-Д с источником питания ограниченной мощности // Автоматизация производственных процессов: Сб. науч.тр.- Новосибирск: НЭТИ. 1971.-С38-44.

33. Симаков Г.М., Ласточкин Ю.Б. Анализ квазиустановившихся режимов работы электропривода постоянного тока при импульсном источнике питания обмотки возбуждения двигателя // Автоматизированные электромеханические системы: Межвуз. сб. науч. тр.- Новосибирск: НГТУ. 1993.- С. 23-29.

34. Симаков Г.М., Ласточкин Ю.Б. Об одном способе построения микроэлектропривода постоянного тока с регулируемым потоком // Автоматизированные электромеханические системы: Межвуз. сб. науч. тр.- Новоси-бирск:НГТУ.1994.-С. 35-41.

35. Симаков Г.М., Гринкевич ДЛ. Исследование пульсаций момента микроэлектропривода постоянного тока при импульсном источнике питания обмотки возбуждения // Автоматизирование электромеханические системы: Межвуз. сб. науч. тр.- Новосибирск: НГТУ. 1997,- С. 65-73.

36. Симаков Г.М., Гринкевич Д.Л. Оценка целесообразности двухзон-ного регулирования скорости в позиционном микроэлектроприводе постоянного тока // Электрофизика, электроснабжение, электрооборудование, автоматика и экология пром. предприятий и речных судов: Сб. науч. тр.- Новосибирск: НГАВТ.1998.-С. 82-91.

37. Воеводин М.В., Панкрац Ю.В., Симаков Г.М. Бестахогенерный позиционный микроэлектропривод постоянного тока // Оптимизация режимов работы электрических систем: Сб. статей. - Красноярск:КГТУ. 2004.-С.46-51.

38. Симаков Г.М., Гринкевич ДЛ. Позиционный микроэлектропривод постоянного тока с двухзонным регулированием скорости // Автоматизированные электромеханические системы: Сб. науч. тр.- Новосибирск: НГАВТ. 1998.-С.34-50.

39. Кромм. А.А., Симаков Г.М. Особенности синтеза электромеханических систем с использованием эквивалентной линеаризации нелинейностей // Автоматизированные электромеханические системы: Межвузовский сборник научных трудов.- Новосибирск:НГТУ. 1996г. С-16-21.

40. Кромм А.А., Симаков Г.М., Путинцев Н.Н. Высокодинамичный автономный источник питания для систем микроэлектропривода // Автоматизированные электромеханические системы: Сб. научных трудов.- Новосибирск: НГТУ. 1997. С. 36-42.

41. Симаков Г.М., Гринкевич Д.Я. Исследования автоколебательного режима релейного контура тока с переменными параметрами // Совершенствование технических средств электрического транспорта: Сб. науч. тр.- Новоси-бирск:НГТУ. 2001,- Вып. 2,- С. 112-117.

42. Симаков Г.М., Гринкевич Д,Я., Способ частотной коррекции коэффициента усиления в электроприводе с двухканальным импульсным управлением // Автоматизированные электромеханические системы: Межвуз. сб. науч. тр.-Новосибирск: НГТУ. 2001.- С. 63-73.

43. Симаков Г.М., Гурских Р.Б. Регулируемый микроэлектропривод постоянного тока с неидеальным источником питания // Автоматизированные электромеханические системы: Межвуз. сб. науч. тр.- Новосибирск: НГТУ. 2001,-С. 73-78.

44. Симаков Г.М., Троицкий А.В., Гринкевич Д.Я. Методы управления регулируемым источником питания электропривода постоянного тока // Электротехника, электромеханика и электротехнология: Материалы науч.- техн. конф. с международным участием. - Новосибирск: изд-во НГТУ. 2003.. С. 130-137.

45. Патент на изобретение № 2123230 Россия. Электропривод постоянного тока / Симаков Г.М., Гринкевич ДЛ. Зарегистрирован 10 декабря 1998.-Опубл. 1998.Бюл.№34.

46. Патент на изобретение № 2123230 Россия. Электропривод постоянного тока / Симаков Г.М., Гринкевич Д,Я. Зарегистрирован 10 декабря 1998.-Опубл. 1998.Бюл. №34.

47. Патент на изобретение № 2079204 Россия. Система регулирования тока в нагрузке с противо ЭДС / Симаков Г.М., Кромм АЛ, Зарегистрирован 10 мая 1997.

48. А. С. № 1644347 СССР. Цифровой электропривод постоянного тока/ Кромм А.А., Симаков Г.М. /Зарегистрировано 22.12.90г.

49. А.С. № 1705995 СССР. Двухпозиционная система регулирования тока электродвигателя / Симаков Г.М., Елисеенко О.В., Кромм АЛ. / Зарегистрировано 15.09.91г. •

50. А.С. № 1462216 СССР. Способ формирования силового воздействия возбуждения низкочастотных сейсмических сигналов и автоматизированный электропривод дебалансного вибромодуля / Путинцев Н.Н., Симаков Г.М., Соболев Ю.И., Ряшенцев H.IL, Малахов АЛ Зарегистрировано 01.11.88г.

51. А.С. № 1550448 СССР. Электропривод вибратора/ Путинцев Н.Н., Симаков Г.М., Абалаков А.Л. / Зарегистрировано 15.11.89г.

52. А.С. № 1124233 СССР. Автоматизированный электропривод электромеханического центробежного вибромодуля. / Соболев Ю.И., Симаков Г.М., Миняйло А.П. / Зарегистрировано 15.07.84г.

53. Simakov G.M., Troitski AV., Giinkevich. DJ. Static Characteristics of the DC/DC Boost Сошт1ег(Статические характеристики DC/DC конвертера). 2003. Siberian Russian Workshop on Electron Devices and Materials EDM 2003.

54. Simakov. G.M. Synthese von Regelsystem bei Gleichstromantrieben(Cинтез системы регулирования электроприводом постоянного тока). // Elektrotechnische Zeitschrift b-ausgabe. Heft 25.1974. BRD.

55. Simakov G.M., Grinkevich. DJ. The two-chanel CONTROL OF ADC-DRIVE ON THE RELAY РRINCIPLE(Управление электроприводом постоянного тока по релейному принципу). // Thesis reports Ш Russian-Korean Intern, symposium KORUS 99,- Novosibirsk. 1999.-Tome 2.

56. Simakov G.M., Putinzew N.N.. Steuerung Gleichstromantriebe mit sinu-soidale Belastung(Управлениe электроприводом постоянного тока с синусоидальным характером нагрузки). //10 Internationale Fachtaqung " Automatisierte Antriebe".- Karl-Marx-Stadt. 1989.- s.42-45.

57. Simakov ' G.M., Kromm АЛ. Hochdynamischer GleichstromTransistorantrieb mit veranderlicher Struktur(Высокодинамичньш транзисторный электропривод постоянного тока с изменяемой структурой). //11 Internationale Fachtaqung "Industriele Automatisierung - Automatisierte Antriebe".- Chemniz .1991.- P51-P54.

В работах 1,3,4,9 соискателю принадлежит общая постановка задачи и её решение; в работах 6,11,21,22 общая постановка задачи и обработка результатов; в остальных работах вклад соискателя равнозначен

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета формат 60x84/8, объем 2,25 п.л., тираж 120 экз., заказ № 327, подписано в печать 09.03.05 г.

OS. 03- PSJ-f

t /■*

'.1330

22 tUP 2005 '

ПРЕДИСЛОВИЕ.

ВВЕДЕНИЕ. Ю

Глава 1. РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ПОСТРОЕНИЯ БЫСТОРОДЕЙСТ-# ВУЮЩЕГО МИКРОЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА,

РАБОТАЮЩЕГО В РЕЖИМАХ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ.

1.1 Общие требования к микроэлектроприводам. Краткий обзор механизмов и устройств, работающих в режиме позиционирования.

1.2 Микроэлектропривод постоянного тока как объект управления. Основные допущения. Дифференциальные уравнения микроэлектропривода.

1.3 Алгоритмы оптимального по быстродействию управления раз-гонно-тормозными режимами МЭП при переменном потоке двигателя.

1.3.1 Оптимальное управление МЭП без учёта электромагнитных процессов в цепи якоря.

1.3.2 Оптимальные законы движения микроэлектропривода при идеализации обмотки возбуждения. '

1.3.3 Алгоритмы оптимальных по быстродействию управлений полем в общем случае.

1.3.4 Влияние инерционности источника питания обмотки возбуждения на характер оптимального управления.

1.3.5 Алгоритмы управления МЭП при одновременном изменении напряжения на якоре и напряжения на обмотке возбуждения.

1.4. Оценка целесообразности двухзонного регулирования скорости при позиционировании. ф 1.4.1 Отработка перемещений при постоянном магнитном потоке двигателя.

1.4.2 Отработка перемещений при регулируемом потоке двигателя.

1.4.3 Сравнение однозонного и двухзонного способов регулиро вания скорости для идеализированной тахограммы МЭП.

1.4.4 Оценка целесообразности Двухзонного регулирования скорости при произвольном цикле позиционирования.

1.5. Концептуальные основы теории построения позиционного МЭП; обоснование выбора релейных регуляторов тока и скорости.

Выводы по главе 1.• • •. • •

Глава 2. РЕГУЛИРОВАНИЕ ТОКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ, УПРАВЛЯЕМОЙ ОТ ИМПУЛЬСНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ.

2.1 Общие положения.

2.2. Исследование релейного контура тока якоря при двухполярном управлении напряжением на обмотке якоря.

2.3. Учет дискретности изменения параметров контура тока якоря при однополярном управлении.

2.4. Особенности релейного управления током возбуждения электрических машин постоянного тока.

2.5. Регулирование тока якоря в релейном контуре с помощью напряжения на обмотке возбуждения.

2.6. Построение релейного контура тока якоря, управляемого напряжением по двум каналам воздействий.

2.6.1 Обоснование целесообразности двухканального управления напряжением в релейном контуре тока.

2.6.2 Система управления током якоря МЭП с параметрическим заданием fcк в релейном контуре.

2.6.3 Контур тока якоря МЭП с релейным регулятором и независимым заданием частоты скольжения.

Выводы по главе 2.

Глава 3. РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ МИКРОЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА С РАЗРЫВНЫМ ХАРАКТЕРОМ УПРАВЛЕНИЯ.

3.1. Синтез системы автоматического регулирования скорости МЭП при Ф=const.

3.2. Синтез системы автоматического регулирования скорости при переменном потоке двигателя.

3.3. Двухзонное управление скоростью микроэлектропривода постоянного тока.

3.3.1 Двухзонная система регулирования скорости с независимым согласованием зон регулирования скорости.

3.3.2. Определение моментов переключения зон регулирования скорости микроэлектропривода постоянного тока с импульсными источниками питания.

3.3.3. Функциональная схема логического устройства согласования зон регулирования скорости.

3.4. Управление реверсом микроэлектропривода при двухзонном регулировании скорости.

3.5. Амплитудно-импульсное регулирование скорости микроэлектропривода.

Выводы по главе 3.

Глава 4. АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ В МЭП.

4.1. Синтез контура регулирования положения в режиме "малых" перемещений.

4.1.1 Синтез системы позиционирования с помощью метода модального управления.

4.1.2 Синтез позиционной системы в режиме "малых" перемещей методом локализации.

4.2 Синтез регулятора положения в режимах "средних" и "больших" перемещений.

4.2.1 "Параболический" регулятор положения. -^дд

4.2.2 Синтез регулятора положения в режиме "средних" и больших" перемещений при регулируемом потоке двигателя.

4.3. Функционально полный регулятор положения; согласование режимов работы позиционного микроэлектропривода.

4.3.1. Построение функционально полного регулятора положения микроэлектропривода, имеющего релейный регулятор скорости.

4.3.2. Построение функционально полного регулятора положения

МЭП, имеющего аналоговый регулятор скорости.

4.4. Бестахогенераторный вариант построения позиционного микроэлектропривода постоянного тока.

Выводы по главе 4.

Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПУЛЬСАЦИЙ ПЕРЕМЕННЫХ МИКРОЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА.

5.1. Амплитуда пульсаций тока якоря машины постоянного тока при импульсном питании обмотки якоря и обмотки возбуждения.

5.2. Пульсации скорости машины постоянного тока.

5.3. Снижение пульсаций скорости при импульсном управлении микроэлектроприводом.

5.3.1. Уменьшение амплитуды пульсаций скорости в САР с релейным контуром регулирования тока якоря.

5.3.2. Управление амплитудой пульсаций скорости в САР с широт-но-импульсным регулированием токов якоря и возбуждения.

5.4. Оценки величины пульсаций выходной координаты позиционного микроэлектропривода.

Выводы по главе 5.

Глава 6. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ТРАНЗИСТОРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ДЛЯ АМПЛИТУДНО-ИМПУЛЬСНОГО УПРАВЛЕНИЯ МЭП.

6.1. Варианты построения импульсных высокочастотных источников питания.

6.2. Импульсный регулируемый источник питания на основе генератора Рбэра.

• 6.2.1 Синтез параметров фильтра источника питания методом гармонической линеаризации. 6.2.2 Математическая модель импульсного источника питания на основе генератора Роэра.

6.3. Бестрансформаторный вариант построения импульсного регулируемого источника питания на основе ДС/ДС конвертора.

6.3.1. Математическая модель ДС/ДС конвертора.

6.3.2. Статические режимы работы преобразователя.

6.3.3. Синтез замкнутых структур регулирования ДС/ДС конвертора.

6.3.4. Моделирование микроэлектропривода постоянного тока с ДС/ДС преобразователем.,.

Выводы по главе 6.

Научно-технический прогресс, автоматизация и комплексная механизация технологических и производственных процессов определяют постоянное совершенствование и развитие современного электропривода. В первую очередь это относится ко все более широкому внедрению автоматизированных электроприводов с использованием разнообразных полупроводниковых силовых преобразователей и микропроцессорных средств управления.

Анализируя перспективы развития и использования современных электроприводов в России можно прогнозировать значительное увеличение потребности в них, связанное с необходимостью модернизации и создания нового технологического оборудования с улучшенными техническими показателями. Это неизбежно приведет как к росту потребности, так и к дальнейшему совершенствованию электроприводов, соответствующих уровню начала XXI века1.

Капитализация общественных отношений в России дала мощный импульс к созданию многих мелких производств и, как следствие, к расширению области применения автоматизированных электроприводов малой мощности. Анализ рынка автоматизированного индустриального электропривода указывает на то, что наибольшим спросом пользуется электропривод малой мощности (доЗ-4кВт). На электропривод малой мощности приходится около 75% объема продаж. Рост спроса на регулируемый электропривод малого и среднего диапазона тесно связан с улучшением технических характеристик электропривода, расширением диапазона регулирования скорости, повышением быстродействия, уменьшением массогабаритных показателей.

1 Кочетков В.Д., Козырев С.К. «Состояние и тенденции развития автоматизированного электропривода в XXI веке»

Труды IV Международной конференции по автоматизированному электроприводу АЭП 2004:- Магнитогорск. 2004.

Несмотря на широкое распространение асинхронного общепромышленного электропривода, приводы постоянного тока также укрепляют свои позиции v

54 ]. Здесь, прежде всего, следует отметить существенное расширение диапазоI

На использования приводов с транзисторными преобразователями. В связи с увеличением предельных токов и напряжений силовых транзисторов в ближай

Ьг щ шее время следует ожидать и увеличения мощностных характеристик транзисторного электропривода. Приводы с транзисторными широтно-импульсными преобразователями ШИП имеют, по сравнению с тиристорным электроприводом, большие преимущества по статическим и динамическим свойствам, а потому приобретают всё большее распространение. Первоначально они применялись в локальных установках с бортовой сетью постоянного тока, где они могут успешно эксплуатироваться из-за необходимости регулирования скорости. Затем системы с ШИП получили применение для прецизионных механизмов металлорежущих станков, в сложных приборных комплексах, в оптических установках и т.д., а также позиционных и следящих системах. В настоящее время они находят широкое применение при создании приводов с высокими динамическими показателями [21,54 ]. Особенностью транзисторного электропривода с ШИП является разрывной характер напряжения, прикладываемого к двигателю. Это делает систему автоматического управления электроприводом существенно нелинейной. Традиционные методы анализа и синтеза, основанные на аппарате передаточных функций и теории систем подчиненного регули . рования, в этом случае применимы только при грубых допущениях. Данное обстоятельство является тормозом в разработке электроприводов с высокими статическими и динамическими показателями.

Исследованию и разработке теории построения быстродействующего микроэлектропривода постоянного тока с разрывным характером управляющих воздействий и посвящена настоящая работа.

Она отражает результаты исследований автора проводимых в НЭТИ-НГТУ в течение многих лет. Диссертант был участником многих научно-технических семинаров, проводимых на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок» под руководством профессоров Б.Ш. Бургина и Панкратова В.В. Им и другим участникам семинара автор выражает признательность за заинтересованное обсуждение основных положений работы. Особую благодарность хочется высказать моему консультанту д.т.н. проф. Вострикову А.С., чьи полезные замечания и советы определили конечный облик • настоящей работы. Хочу поблагодарить также к.т.н. Кромма А.А., к.т.н. доц. Гринкевича Д.Я. (посмертно) за совместное проведение экспериментальных исследований и моделирование, а аспирантов Панкрац Ю.В. и Троицкого А.В. за помощь в оформлении рукописи. j : ' ВВЕДЕНИЕ '% ■ • Актуальность проблемы. За последние десятилетия область применения электроприводов малой мощности значительно расширилась, сейчас они охватывают все отрасли промышленности, сельского хозяйства, быта и специальной техники. Развитие в последние годы измерительной и лазерной техники, аппаратных средств вычислительной техники, космической и военной техники и целого ряда других устройств автоматики, а также повышение требований к их быстродействию и точности, привело к необходимости новых решений при построении позиционных электроприводов. Кроме того, возникли новые технологические процессы, такие как вытягивание световодных волокон и капилляров, получили развитие новые, отрасли техники, например, голография, видеотехника, лазерная гравировка, разработаны испытательные установки для исследования свойств различных материалов, созданы новые приборы для записи и воспроизведения информации. Для нормальной работы этих механизмов необходимо резко увеличить быстродействие электропривода, значительно расширить диапазон регулирования скорости, обеспечить более высокую точность воспроизведения заданного положения.

Нужно отметить, что в настоящее время заметно изменились приоритеты развития электропривода в пользу улучшения его потребительских свойств, введения и усовершенствования сервисных функций и элементов интеллекта: адаптации, расширенного контроля, диагностики и защиты, индикации и визуализации. Это стало возможным за счет новой элементной базы и средств цифрового управления. Но в то же время прогресс в решении основных задач регулирования, таких как повышение быстродействия, точности, диапазона регулирования и др. нельзя признать значительным [54,72 ].

Большинство из перечисленных выше механизмов и технологий имеют невысокие мощности преобразования энергии и предполагают использование позиционного микроэлектропривода (МЭП), под которым понимают электропривод в несколько сотен Ватт (Гост [32] относит к микродвигателям электри

1 • I ческиё машины мощностью до 1кВт). Между тем в теории автоматизированного электропривода приоритет «исторически» отдавался электроприводам средней и большой мощности. В то же время микроэлектропривод имеет ряд особенностей, которые должны быть учтены при анализе и синтезе систем позиционирования. Следует заметить, что, у специалистов в области электрических машин микродвигатели давно уже выделены в отдельный класс устройств преобразования электрической энергии [3,153,169 ].

В качестве исполнительного двигателя в позиционных микроэлектроприводах в зависимости от требований могут использоваться различные виды двигателей: асинхронные и синхронные, двигатели нетрадиционной конструкции и двигатели постоянного тока. Если сравнивать двигатели постоянного тока с другими типами, то в зоне малых мощностей они имеют определенные преимущества. Так в [59 ] дано сравнение двигателя постоянного тока (ДПТ) с двухфазными и трехфазными асинхронными двигателями. Сравнение проводилось по трем показателям: величине приемистости (отношение квадрата момента двигателя к моменту инерции), массогабаритным и энергетическим характеристикам. Там же показано, что ДПТ по сравнению с двухфазными асинхронными двигателями имеют по всем показателям лучшие характеристики, а по сравнению с трехфазными асинхронными двигателями имеют большую приемистость и примерно равные массогабаритные и энергетические оценки. А

В работе проф. Бургина Б.Ш. со ссылкой, на отечественные и зарубежные источники дается анализ развития электропривода постоянного и переменного тока. Там в частности отмечается, что «регулируемый электропривод постоянного тока сохраняет ряд достоинств по сравнению с регулируемым электроприводом переменного тока: широкий диапазон регулирования частоты вращения,

2 Бургин Б.Ш. Прогресс и проблемы электропривода постоянного и переменного тока. Автоматизированные электромеханические системы. Коллективная монография / Под ред. В.Н.Аносова.- Новосибирск: НГТУ. 2004.-276с. меньшие потери при равной мощности, меньшая занимаемая площадь, меньшая стоимость и т.д. Срок службы щеточного коллекторного узла доходит до 15000 часов и близок к сроку службы подшипников». «Прогресс в области двигателей постоянного тока происходит за счет оптимизации магнитного поля, совершенствования системы охлаждения, перехода на новые изоляционные материалы, улучшения технологических процессов. Особое значение имеет совершенство- • вание щеточного аппарата и коллектора, в результате чего они по надежности приближаются к бесконтактным устройствам».

К настоящему времени известен широкий диапазон конструктивного исполнения двигателей постоянного тока [46,50,142,153]:это пазовые и беспазовые электрические машины, двигатели дисковые, с печатной обмоткой на якоре, двигатели с постоянными магнитами и двигатели традиционной конструкции с независимой обмоткой возбуждения. У каждого типа двигателя есть свои достоинства и недостатки. Так ДПТ с полым и с печатным якорем имеют малые электромагнитные и электромеханические постоянные времени [44, 46], двигатели с постоянными магнитами - хорошие энергетические показатели [43, 50], двигатели с независимой обмоткой возбуждения - хорошие массогабаритные характеристики[59,169 ], высокомоментные двигатели имеют большие пусковые моменты [63]. К сожалению с распадом Советского Союза в России осталось только 20 процентов производства электрических машин малой мощности. Вопросы производства микроэлектродвигателей и электроприводов малой мощности оказались вне зоны интересов и государства и заводов изготовителей. Трудно ожидать кардинального изменения ситуации в этом направлении в ближайшие годы, хотя в последнее время производство электрических машин постоянного тока ежегодно увеличивается. Так, по данным ОАО «Электропривод» производство МПТ в 2003 году составило уже 8 процентов от уровня 1990г. и имеет тенденцию к дальнейшему росту. Естественно, что научно-технические мысли в области создания и разработки новых систем электропривода сохраняют, несмотря ни на что, своё развитие.

С целью исключения щёточного контакта в последние годы начинают применяться и бесконтактные двигатели постоянного тока [81,147,148]. Функции коллектора у таких машин выполняет электронный коммутатор и t

• 4 специальный датчик положения на валу двигателя. Ряд основных узлов у такого привода (регулятор скорости, регулятор тока, силовые ключи ) могут быть аналогичными или даже унифицированными [21] с соответствующими узлами преобразователей для коллекторных машин постоянного тока. Соответственно могут быть в определённой мере использованы и предложенные ниже методы математического описания электромагнитных и электромеханических процессов и инженерные методики расчета элементов электропривода. К сожалению из-за сложности схемного решения, наличия пульсаций момента и скорости, а также необходимости иметь датчик положения такие электроприводы пока не получили широкого распространения.

Таким образом, с уверенностью можно утверждать, что в микроэлектроприводе постоянного тока достоинства (большие диапазоны регулирования скорости, высокая динамика, хорошая энергетика, более простые схемные решения) превышают его недостатки (наличие коллекторного узла). Это позволяет на основе двигателей постоянного тока создавать позиционный электропривод с улучшенными технико-экономическими показателями.

Наиболее перспективным, из-за повышенных требований к быстродействию, является применение транзисторных преобразователей для питания элек-» трической машины (система ШИП-Д) [5,9,21,30,33 ] и создание на их базе релейных систем, работающих в реальном скользящем режиме [48,57,77,154 ]. Более высокое быстродействие системы ШИП-Д (по сравнению с тиристорным электроприводом) даёт возможность увеличить добротность позиционного электропривода и достигнуть при этом высоких скоростей при заданной точности. В приводах с ШИП-Д удается повысить быстродействие под нагрузкой на самых низких скоростях перемещений. Это свойство позволяет увеличить точность и сократить время позиционирования, вследствие чего ШИП-Д используется в механизмах подач станков с числовым программным управлением и в роботах со сложными законами управления перемещением. Высокое быстродействие системы ШИП-Д при отработке возмущающих воздействий позволяет получить высокую равномерность перемещений. Благодаря этому свойству такие системы успешно применяются в координатно-измерительных машинах, установках для лазерной обработки и контроля микросхем, в которых требуется высокая равномерность и плавность регулиро- • вания с низкими скоростями.

Транзисторный преобразователь в системе ШИП-Д работает в ключевом режиме. По этой причине напряжение на обмотках двигателя имеет разрывной характер. По классификации, приведенной в [18,19], система автоматического управления с таким преобразователем относится к виду систем с прямым разрывным управлением. Собственно транзисторный преобразователь в этом случае, при определенных допущениях, имеет математическую модель в виде релейного элемента. Таким образом, позиционный микроэлектропривод является существенно нелинейной системой автоматического управления.

Релейные системы, как наиболее простые, начали широко применяться с первых шагов развития автоматики. Их исследованию и разработке посвящены сотни статей и монографий. Теория оптимального управления доказала, что предельное быстродействие может быть достигнуто только в системе с релейным элементом. Благодаря очевидным достоинствам релейные системы всегда привлекали внимание специалистов по электроприводу. Интерес к ним вырос в последние годы, когда выпуск мощных транзисторов снял одно из серьезных ограничений - тяжелые условия работы силового элемента при высокой частоте переключений. Несмотря на кажущуюся простоту и доступность релейной конструкции существуют серьезные причины, препятствующие распространению данных систем электропривода. Эти причины связаны в первую очередь с наличием пульсаций тока, скорости и момента электропривода, низкими точностными характеристиками систем с разрывным управлением, неконтролируемой частотой переключений релейного элемента, увеличением потерь в МЭП, отсутствием практических методик по выбору параметров регуляторов и построению релейных систем электропривода. Глубокие теоретические исследования* релейных систем с позиций теории автоматического управления [53,75,158], исследование идеальных скользящих режимов[149 ], найденные оптимальные по быстродействию алгоритмы управления не заканчиваются «заземлёнными» на практику методами построения систем электропривода х разрывным характером питающих напряжений.

В ряде случаев при построении систем электропривода с разрывным управлением используются методы синтеза, основанные на линейной теории автоматического управления, к которым можно отнести методику синтеза, основанную на идеологии систем подчиненного регулирования [8,51,90,161]^ Данная методика основана на «свертке» внутреннего контура регулирования при переходе к синтезу внешнего контура. В транзисторном электроприводе это приводит по сути к замене реальной характеристики релейного элемента на линейную характеристику с конечным коэффициентом усиления. В итоге применение стандартных настроек снижает быстродействие системы позиционного микроэлектропривода в целом [165 ].

Синтез САУ должен быть направлен на обеспечение предельного (с учетом ограничения координат) быстродействия и заранее заданной точности позиционирования рабочего органа. В настоящее время каждая из этих задач в основном решена и исследована глубоко[14,16,17,163 ]. Так известны способы управления машиной постоянного тока, обеспечивающие оптимальное быстродействие при постоянном магнитном потоке двигателя, и способы повышения точности рабочего органа. К сожалению, при переменном магнитном потоке алгоритмы оптимального по быстродействию управления изложены в разрозненной форме при серьезных, не всегда корректных допущениях. Автор данной работы на протяжении ряда лет занимался построением быстродействующего электропривода постоянного тока с переменным потоком двигателя с позиций теории оптимального управления [65,106,107], что в конечном итоге позволило создать совокупность алгоритмов и законов управления позиционным электроприводом.

В настоящей работе предлагается новая концепция построения позиционного электропривода, которая покоординатно разделяет фазовое пространство на две области, а затем осуществляет стыковку данных областей в одно целое. Данная концепция позволяет объединить противоречивые требования по высокой динамике и высокой точности к системам позиционного электропривода. Кроме того она дает возможность использовать и сочетать известные современ- • ные методы синтеза систем автоматического управления, такие как метод старшей производной [12,24 ], метод локализации [25,26 ], метод разделения движений [24,31 ] и др., применительно к автоматизированному микроэлектроприводу. Подробнее о данной концепции будет сказано в главе I.

Для позиционного электропровода весьма важным является применение двухзонного способа регулирования скорости: регулирование скорости изменением напряжения на обмотке якоря и регулирование, скорости изменением напряжения на обмотке возбуждения. Целый ряд позиционных механизмов металлорежущих станков, промышленных роботов, приборных и измерительных устройств требуют ускоренных и установочных перемещений. При этом в режиме позиционирования могут наблюдаться и участки работы с номинальной скоростью двигателя. Ослабление потока двигателя на этих участках может дать выигрыш во времени позиционирования при отработке заданного перемещения или увеличение пройденного пути при заданном числе циклов, что повышает быстродействие и производительность позиционного электропривода. Кроме того, в позиционных системах невысокой мощности при малых моментах инерции двигателя и нагрузки, возрастает доля, вносимая моментом инерции редуктора [38,86]. В этих условиях передаточное отношение редуктора полностью определяется номинальной скоростью вращения двигателя и угловой скоростью выходного вала. Поэтому регулирование потока двигателя в позиционном микроэлектроприводе позволяет снизить передаточное число редуктора и улучшить технико-экономические показатели системы в целом.

Наиболее полно преимущества системы ШИП-Д с двухзонным регулированием скорости реализуются в механизмах с жесткими циклами позиционирования, таких как [9,52,71,91,162 ]: измерительные и приборные установки («сканирование» области измерения, поиск положения, обеспечивающего резонансный максимум, обратный ход); . лазерные установки для резки и гравировки (мерный рез с различным шагом позиционирования, обработка сложной траектории при позиционировании); маломощные станки для изготовления печатных плат и координатно-сверлильные (электроприводы подач - ускоренный проход необрабатываемого участка, обратный ход); графопостроители и координатографы (работа по сложной траектории, содержащей участки работы с установившейся скоростью); сварочные роботы.

Снижение времени позиционирования при регулировании потока происходит за счет роста потерь в обмотке якоря при некотором снижении потерь в обмотке возбуждения (за счет снижения тока возбуждения), в связи с чем возникает новая задача обеспечения максимального быстродействия при сохранении суммарного уровня потерь за весь цикл позиционирования. Таким образом, прежде чем переходить к синтезу системы автоматического управления (САУ) позиционным МЭП, необходимо разработать оценки целесообразности двухзонного управления при позиционировании и выработать конкретные рекомендации по их практическому использованию.

Наряду с очевидными преимуществами систем позиционирования с транзисторными преобразователями (высокое быстродействие, высокий КПД и др.) такие системы обладают и существенным недостатком: разрывной характер напряжений на двигателе приводит к колебаниям тока двигателя, электромагнитного момента, а, следовательно, скорости и положения рабочего органа^ 0,21,33,58]. Вопросы обеспечения требуемых статических свойств, прежде всего амплитуды и частоты пульсаций в квазиустановившемся режиме, являются одними из самых важных при проектировании позиционного МЭП по системе ШИП-Д. Однако полный теоретический анализ квазиустановившегося режиt ма работы при импульсном напряжении обмотки якоря и обмотки возбуждения двигателя не был проведен до настоящего времени. Анализ и исследование в этом направлении режимов работы микроэлектропривода позволяет найти и реализовать способы снижения пульсаций переменных координат электропривода. Мощным средством снижения пульсаций является переход к двухканаль-ному управлению напряжением на якоре с регулируемым источником питания, что позволяет одновременно менять как скважность, так и амплитуду приложенного напряжения.

Сочетание всех перечисленных условий и требований создает специфику построения систем позиционирования на основе микроэлектропривода постоянного тока с транзисторными широтно-импульсными преобразователями и требует разработки теоретических основ его построения.

К настоящему времени накоплен большой опыт по исследованию электропривода постоянного тока. Вопросам разработки и совершенствования электропривода, направленным на повышение быстродействия, посвящено большое количество работ. Значительный вклад в решение данной проблемы внесли ученые: Башарин А.В., Глазенко Т.А., Сабинин Ю.А. , Слежановский О.В. Чиликин М.Г. и др.

Вопросам расчета быстродействующего электропривода постоянного тока, созданию методов синтеза позиционного МЭП, а также разработке преобразовательных устройств для электропривода постоянного тока посвящены работы авторов: Боровикова М.А., Бейнаровича В.А., Борцова Ю.А., Бургина Б.Ш., Вострикова А.С., Грабовецкого Г.В., Зиновьева Г.С., Ильинского Н.Ф., Кагана В.Г., Козырева С.К., Кочергина В.В., Малинина JI.И., Новикова В.А., Петрова Ю.П., Поздеева А.Д., Терехова В.М., Уткина В.И., Чистова В.П. и многих других авторов [1,11,56,88,146 ].

Эти работы послужили основой и идейной предпосылкой для написания данной диссертации. Рассмотренный в диссертационной работе комплекс задач сформулирован в контексте проблемы построения быстродействующего позиционного электропривода малой мощности с разрывным характером управлений, а проведенные разработки подкреплены многочисленными исследованиями.

Цель работы и задачи исследования. Цель диссертационной работы состоит в разработке вопросов теории и создании основ построения быстродействующего позиционного микроэлектропривода постоянного тока с разрывным характером управляющих воздействий, что позволяет с единых позиций рассмотреть особенности и специфику транзисторного электропривода малой мощности и выработать рекомендации по его совершенствованию.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

1. Определить алгоритмы управления, провести их анализ и разработать общую концепцию построения быстродействующего позиционного микроэлектропривода с разрывным характером управляющих воздействий.

2. Разработать теоретические основы, создать методы анализа и синтеза систем МЭП с двухканальным амплитудно-импульсным управлением, провести исследование двухканальных систем регулирования.

3. Разработать принципы построения и структуры систем регулирования скорости при постоянном и переменном потоке двигателя; дать рекомендации по выбору частот переключений релейных регуляторов тока и скорости, провести исследование динамических режимов при различных вариантах построения транзисторного регулируемого микроэлектропривода.

4. Решить комплекс вопросов теории построения позиционного микро

I » : электропривода, создать математическую модель и общую структуру позиционного МЭП с разрывным характером управлений; осуществить !■ синтез регуляторов перемещений для различных режимов работы МЭП, определить условия их стыковки и построить функционально полный регулятор положения.

5. Определить виды релейных регуляторов тока, необходимых для построения быстродействующего электропривода, создать методы их анализа и расчета, провести исследование влияния переменных параметров на статику и Динамику контуров регулирования тока.

6. Исследовать влияние импульсного питания на точностные характеристики микроэлектропривода; получить расчетные соотношения для оценки величин пульсации тока, скорости перемещения, сделать их анализ; выработать рекомендации для снижения пульсаций и предложить варианты построения МЭП, -повышающие точность регулирования.

7. Создать математические модели некоторых современных регулируемых источников питания; провести математическое моделирование и экспериментальное исследование позиционного микроэлектропривода.

Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены на базе фундаментальных законов и уравнений электродинамики и теории электропривода. Использованы: теория автоматического управления и регулирования, теория оптимального управления, математический аппарат дифференциального и интегрального исчисления, ряды Фурье, методы гармонической и эквивалентной линеаризации, методы локализации и разделения движений, методы переменных состояния и модального управления. Достоверность полученных результатов исследований определяется корректностью поставленных задач, обоснованностью принятых допущений, адекватностью используемых при исследовании математических моделей и методов, сравнением результатов путем параллельного расчета и моделирования, экспериментальными исследованиями, а также исследованиями опытных образцов и практическими испытаниями в реальных условиях.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Общая концепция и алгоритмическая основа построения быстродействую- • щего позиционного микроэлектропривода постоянного тока с разрывным характером управляющих воздействий.

2. Методологические основы построения систем двухканального амплитудно-импульсного управления микроэлектроприводом.

3. Способы реализации, математические модели и структуры сцстем одно-зонного и двухзонного регулирования скорости МЭП с разрывным характером управляющих воздействий.

4. Принципы построения позиционного МЭП в различных режимах перемещений и построение функционального полного регулятора перемещений.

5. Результаты анализа релейных контуров регулирования тока с переменными параметрами, способ построения и метод исследования релейного контура тока с регулятором частоты переключения релейного элемента.

6. Результаты анализа пульсаций переменных МЭП (тока, скорости и перемещения) и способы снижения пульсаций электромагнитного момента за счет импульсного питания обмотки возбуждения.

7. Математические модели регулируемых источников питания.

Научная значимость и новизна работы. В диссертационной работе впервые комплексно рассмотрены вопросы теории и созданы основы построения позиционного микроэлектропривода постоянного тока с разрывным характером управлений, что позволяет математически адекватно описывать поведение электропривода, определять алгоритмы управления быстродействующим МЭП, разрабатывать методы улучшения его точностных показателей и в конечном итоге создавать позиционный микроэлектропривод с улучшенными технико-экономическими характеристиками. j • v .

Научная новизна работы состоит в следующем:

Разработаны новые концепция и принципы построения позиционного • микроэлектропривода с разрывным характером управляющих воздействий, позволяющие получать наилучшее сочетание точностных и динамических характеристик МЭП.

2. Создана теория и метод расчета микроэлектропривода с амплитудно-импульсным регулированием скорости, что дает возможность расширить диапазон регулирования скорости, уменьшить амплитуду пульсаций и улучшить энергетические характеристики микроэлектропривода.

3. Разработаны структуры сйстем регулирования скорости при постоянном и переменном потоке двигателя, которые позволяют достичь высокого быстродействия в «большом» с заданной точностью отработки рассогласований в «малом» за счет сформулированного условия синхронизации релейных контуров тока и скорости.

4. Построена общая структура позиционного МЭП и функционально полный регулятор положения, что позволяет отрабатывать микроэлектроприводом различные виды перемещений с высокими точностными и динамическими характеристиками.

5. Получены аналитические выражения для параметров автоколебательного режима в релейных контурах тока при переменных параметрах электропривода; на уровне изобретения предложены новые варианты построения быстродействующих релейных контуров тока якоря.

6. Проведен математический анализ пульсаций тока якоря, электромагнитного момента скорости и перемещения при управляемом потоке двигателя.

7. Разработаны математические модели и предложены методики расчета электромагнитных процессов для рассмотренных высокочастотных регулируемых источников питания, что позволяет определить и оценить их динамические характеристики.

Практическая ценность работы заключается. В решении научно технической проблемы развития комплекса вопросов теории и создания основ построения позиционного микроэлектропривода постоянного тока на базе предложенных алгоритмов оптимального управления.

В разработке инженерных методов расчета быстродействующего микроэлектропривода с разрывным характером управляющих воздействий.

В создании принципиально новых способов и устройств реализации позиционного микроэлектропривода, подтвержденных авторскими свидетельствами и патентами РФ. .

В совокупности полученных теоретических и практических результатов, позволяющих адекватно реальным условиям отражать статические и динамические режимы позиционного МЭП, что позволяет увеличить его быстродействие и точностные характеристики, а также расширить область применения.

Реализация результатов работы.

Основные результаты работы получены при выполнении госбюджетных и хоздоговорных НИР, проводимых в НГТУ и выполняемых по заказам предприятий и организаций, связанных с использованием систем электропривода.

Предложенные способы построения микроэлектропривода, методы выбора параметров регуляторов, схемотехнические решения обусловили их востребованность при разработках микроэлектропривода измерительных комплексов Сибирского научно-исследовательского института метрологии, Конструктор-ско-технологического института научного приборостроения Сибирского отделения РАН, испытательных стендов Новосибирского завода «Химконцентра-тов» и объединения «Ротор».

Результаты, проведенных под руководством автора НИР в рамках исследовательских хозяйственных договоров, нашли внедрение при создании электроприводов постоянного тока для дебалансных вибромодулей [73 ] (институт «Горного дела» г.Новосибирск), для обкаточных стендов [74 ] предприятий

Севера (Сибнефть г. Мегион, Лукойл г.Лангепас), производственного объединения ОАО «Камаз» (г. Набережные Челны), при разработке источников питания [126 ] для ОАО «Камаз».

Материалы диссертации, касающиеся построения математических моделей, анализа и расчета динамических режимов МЭП используются в учебных дисциплинах для студентов направления 551300 и 645500 «Электротехника, элек- • тромеханика и электротехнологии». Они нашли применение и при создании лаборатории «Микроэлектропривода» кафедры ЭАПУ Новосибирского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 29 Международных, Всесоюзных, Республиканских и Региональных научно-технических конференциях, в т.ч.: X Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам автоматизированного электропривода (г.Воронеж, 1987); III Международной конференции по автоматизированному электроприводу (г.Нижний Новгород,2001); X иХ1 Международных конферен-Л цях «Промышленная автоматизация- автоматизированный электропривод» (г.Хемниц, Германия, 1989,1991); VI Всесоюзной научно-технической конференции «Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов» (г.Бишкек, Киргистан, 1991); VII Всесоюзной научно-технической конференции «Методы и средства измерений электромагнитных характеристик материалов» (г.Новосибирск, 1991);республиканской научно-технической конференции «Следящие электроприводы промышленных установок, роботов и манипуляторов» (г.Челябинск, 1989); на втором и третьем корейско-русских международных симпозиумах по проблемам науки и технологий KORUS-98 (г.Томск, 1998), KORUS-99 (г.Новосибирск, 1999); международной научно- технической конференции ИСТ'2000 (г.Новосибирск,2000), на I,И,III,IV,V,VI,VII id Международных конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП» (г.Новосибирск, 1992, 1994, 1996, 1998, 2000, 2002, 2004).

Основной материал диссертации изложен в шести главах

I i'

Во введении показана преемственность исследований с фундаментальныt ми результатами работ по проблемам создания быстродействующих электроприводов постоянного тока в научных школах России. Отражена научная проблема, актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертации, описаны методы исследований, изложены сведения о научной значимости и практической ценности, реализации и апробации работы.

В первой главе изложены концептуальные основы теории построения позиционного микроэлектропривода постоянного тока. Утверждается, что наилучшее сочетание динамических и точностных характеристик микроэлектропривода можно получить, если синтез осуществляется поэтапно, исходя из разнотемповости переходных процессов для каждой координаты системы (ток, скорость, перемещение).

Здесь же приведены алгоритмы оптимального по быстродействию управления разгонно-тормозными режимами электропривода при переменном потоке двигателя. Показано, что основным в реализации высокого быстродействия МЭП является формирование с определенными характеристиками токовой диаграммы двигателя.

Для механизмов с частыми циклами позиционирования рациональным является режим работы МЭП с ослаблением магнитного потока двигателя. Для таких режимов работы микроэлектропривода дана оценка увеличения быстродействия и величены потерь МЭП при различных тахограммах движения.

В заключении данной главы сделано утверждение о целесообразности применения релейных регуляторов тока и скорости в позиционном микроэлектроприводе.

Во второй главе проведено исследование различных вариантов построения релейных контуров тока. Показано, что в релейном контуре основными характеристиками являются: среднее значение тока, амплитуда и частота автоколебаний. Получены расчетные соотношения для определения параметров автоколебаний для разных вариантов построения релейных контуров. Приведена инженерная методика расчета реальных скользящих режимов в релейном контуре тока якоря при управлении потоком двигателя.

Подчеркнуто, что одним из основных недостатков релейных контуров тока является нестабильность частоты переключений релейного элемента. С целью устранения этого недостатка предложены варианты построения релейных • контуров тока с применением регулируемых по амплитуде источников питания. Рассмотрены системы регулирования тока с параметрическим и непосредственным заданием частоты скольжения. Проведен синтез параметров регуляторов системы регулирования тока с непосредственным заданием частоты скольжения методом эквивалентной линеаризации. .

Компьютерная реализация математических моделей динамических процессов в контурах регулирования тока подтвердила целесообразность и работоспособность предлагаемых вариантов построения релейных контуров регулирования тока двигателя.

Третья глава посвящена построению систем регулирования скорости с двигателем постоянного тока. В соответствии с концепцией разделения фазового пространства на две области рассогласований по выходной координате предложено построение системы регулирования скорости (САР) по комбинированному принципу. В области «больших» рассогласований по скорости САР работает с релейным регулятором скорости и релейным регулятором тока, что обеспечивает максимум быстродействия при управлении разгонно-тормозными режимами микроэлектропрйвода. В области «малых» рассогласований по скорости система регулирования может быть построена как «обычная» с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения.

Центральным вопросом при таком построении системы МЭП является согласование областей регулирования и выбор частоты широтно-импульсной модуляции. Получено условие синхронизации работы релейных регуляторов скорости и тока в аналитической форме, исследовано влияние параметров микроэлектропривода на частоту синхронизации.

Для переключения зон регулирования скорости (зона с постоянным магнитным потоком и зона с управляемым магнитным потоком двигателя) предложен независимый способ согласования режимов регулирования скорости,

ЬсНованный на контроле частоты реального скользящего режима в релейных '» контурах тока. Разработана функциональная схема логического устройства, осуществляющего переключение режимов регулирования скорости.

Рассмотрено управление реверсом микроэлектропривода с транзисторными преобразователями в цепи якоря и цепи возбуждения электрической машины. В аналитическом виде определено условие начала реверса потока и проведено исследование этого условия: Разработана структурная схема реверсивного микроэлектропривода. Методом компьютерного моделирования доказана работоспособность данного МЭП.

В работе предложен вариант построения системы регулирования скорости с амплитудно-импульсным управлением, позволяющий повысить точность регулирования скорости и расширить диапазон регулирования. Предложена функциональная схема регулируемого МЭП, составлена его математическая модель и проведено ее исследование.

В четвертой главе построена система управления положением микроэлектропривода. Весь спектр перемещений электропривода делится на три категории: «малые», «средние» и «большие». Расчетным образом получена величина «малых» перемещений, приведено ее аналитическое выражение. Проведен синтез системы позиционирования в режиме «малых» перемещений методом модального управления и методом локализации. Получены математические модели и структурные схемы позиционного МЭП, проведено их моделирование.

В режиме «средних» и «больших» перемещений, в том числе и при регулируемом магнитном потоке двигателя, найдено уравнение оптимальной, с точки зрения быстродействия, линии переключения релейного регулятора скорости. Рассчитана и построена нелинейная характеристика регулятора положения. Выведено условие сопряжения характеристик при переходе от режима «средних» перемещений к «большим».

Осуществлено согласование режимов работы позиционного МЭП. Построены функционально полные регуляторы положения для двух случаев: с релейным и аналоговым регуляторами скорости. Для случая позиционного микроэлектропривода с аналоговым регулятором разработана методика определения начальных условий для регулятора скорости, позволяющая избегать бросков тока при переключении режимов работы МЭП. Методика предполагает • решение уравнений микроэлектропривода в векторно-матричной форме на основе переменных состояния.

В конце главы рассмотрен бестахогенераторный (без обратной связи по скорости) вариант позиционного электропривода. На основе модифицированного модального метода синтезирован астатический регулятор положения с параллельным фильтром.

Пятая глава посвящена исследованию пульсаций основных переменных (тока, момента, скорости и положения) микроэлектропривода. Вопрос этот имеет принципиально важное значение для позиционного транзисторного МЭП, так как релейные регуляторы дают разрывной характер напряжений на обмотках электрической машины. Основное внимание в данной главе уделено оценке пульсаций при импульсном характере напряжения на обмотке возбуждения, а также при одновременном приложении импульсных напряжений к обмотке якоря и обмотке возбуждения двигателя. Получены расчетные соотношения для оценки величины пульсаций тока якоря, момента, скорости и положения МЭП, проведен их анализ.

Рассмотрены способы снижения пульсаций переменных МЭП в квазиустановившемся режиме работы. Способы основаны на использовании «внутренних» свойств электрической машины и предполагают организацию «фазового» сдвига импульсной последовательности напряжения возбуждения по отношению к импульсной последовательности якоря. Разработаны схемные решения, позволяющие снизить пульсации момента и скорости для разных вариантов построения регуляторов тока якоря и тока возбуждения.

В шестой главе реализуется идея применения регулируемых источников питания (РИП) при построении микроэлектропривода постоянного тока. Рассмотрены два варианта высокочастотных импульсных РИП с трансформаторным и бестрансформаторным выходом. Для импульсного РИП с трансформаторным выходом составлена математическая модель и предложена методика

Ж) синтеза параметров выходного LC- фильтра источника. Получены расчетные ' соотношения, позволяющие оценить быстродействие регулируемого источника питания.

В случае бестрансформаторного варианта РИП (на основе повышающего конвертора с управляемым обменом энергии) приведено исследование его статических и динамических свойств, составлена математическая модель РИП. Рассмотрены варианты введения обратных связей в регулируемом источнике питания, проведен синтез параметров регуляторов. В заключительной части главы осуществлено моделирование микроэлектропривода с регулируемым источником питания.

W Заключение содержит характеристику основных результатов по разработке проблемы построения микроэлектропривода постоянного тока с разрывным управлением, обобщает методы и средства повышения быстродействия и точности микроэлектропривода.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из предисловия, введения, шести глав, заключения, списка литературы из 187 наименований и 5 приложений. Общий объем диссертации 349 страниц текста, включая 139 рисунков и 4 таблицы. Щ

30

Основные результаты по разработке проблемы построения микроэлектропривода постоянного тока, связанные с повышением быстродействия и улучшеi йиеМ регулировочных характеристик,состоят в следующем:

1. Развита теория микроэлектропривода постоянного тока. Предложена новая концепция построения быстродействующего микроэлектропривода с разрывным управлением, позволяющая получить наилучшее сочетание динамических и точностных характеристик электропривода.

2. Разработана концепция амплитудно-импульсного регулирования скорости в микроэлектроприводе постоянного тока. Предложены варианты построения МЭП с релейным и широтно-импульсным регулированием. Проведено теоретическое исследований микроэлектропривода и его экспериментальная проверка. ,

3. Предложены, теоретически обоснованы и экспериментально исследованы алгоритмы управления быстродействующим позиционным микроэлектроприводом постоянного тока с управляемым магнитным потоком двигателя.

4. Проведено аналитическое исследование релейных принципов управления токами электрической машины; предложены варианты построения релейных контуров регулирования тока, в которых можно управлять параметрами реального скользящего режима. Изложена методика выбора их параметров.

5. Разработан комбинированный вариант построения системы регулирования скорости микроэлектропривода с релейными регуляторами как при постоянном, так и при переменном потоке двигателя, реализующий высокое быстродействие и высокую точность регулирования. Получено условие синхронизации работы релейных регуляторов тока и скорости, которое позволяет без перенастройки системы реализовать комбинированный способ управления.

6. Для двухзонного регулирования скорости предложен независимый способ согласования зон регулирования, основанный на контроле частоты реального скользящего режима в релейных контурах тока; разработана принципиальная схема логического устройства, осуществляющего переключение режимов скорости. Разработан алгоритм управления реверсивным МЭП с реверсом потока двигателя и проведено его исследование.

7. Решен комплекс вопросов и разработаны методы построения микроэлектропривода в режиме позиционирования. Разработаны функционально полные регуляторы положения для аналогового и релейного регуляторов скорости, осуществлено согласование режимов перемещений микроэлектропривода. • Получены математические модели и структуры систем позиционного микроэлектропривода, осуществлено их моделирование и экспериментальное исследование.

8. Созданы математические модели аналитического исследования пульсаций переменных (тока, электромагнитного момента, скорости и перемещения) микроэлектропривода при управляемом потоке двигателя. Разработаны инженерные методики оценки пульсаций тока, момента и скорости МЭП. Предложены способы снижения пульсаций микроэлектропривода в квазиустановившемся режиме; разработаны схемные решения, позволяющие снизить пульсации момента и скорости, для различных вариантов построения регуляторов тока якоря и тока возбуждения.

9. Проведены теоретические исследования, разработаны математические модели двух вариантов (трансформаторного и бестрансформаторного) высокочастотных регулируемых источников питания для микроэлектропривода с амплитудно-импульсным управлением. Рассмотрены способы введения обратных связей и методики выбора параметров регуляторов источников.

10.Материалы диссертации внедрены в ходе выполнения госбюджетных и хоздоговорных НИР по заказам предприятий и организаций, связанных с применением и модернизацией электропривода постоянного тока. Развитие теории и новых способов построения позиционного микроэлектропривода способствует дальнейшему совершенствованию технологических процессов и созданию «высоких» технологий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1981.-568с.

2. Арменский Е.В., Фалк Т.Б. Электрические микромашины: Учебное пособие для вузов, 3-е изд. перераб. и доп.- М.: Высшая школа. 1985.-231с.

3. Архангельский H.JI. Электроприводы постоянного тока с импульсными преобразователями /Ивановск. гос. энерг. униве-т. Иваново. 1995.-123с.

4. Автоматизированные электроприводы /Под ред. Н.Ф. Ильинского,

5. М.Г. Юнькова.-М.: Энергоатомиздат. 1990.-544с.

6. Автоматическая стабилизация оптического изображения / Д.Н. Есысов, Ю.П. Ларионов, В.А. Новиков и др. / Под ред. Д.Н.Еськова, В.А.Новикова. JL: -Машиностроение, 1998.

7. Автоматизированный электропривод промышленных установок / Г.Б. Онищенко, М.И.Аксенов, В.П.Грехов и др. / Под ред. Г.Б.Онищенко. -М.: РАСН. 2001.

8. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. Л.: Энергоатомиздат. 1982.-392с.

9. Белов М.П. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: Учебник для вузов / М.П. Белов, В.А. Новиков, Л.Н. Рассудов. М.: Издательский центр "Академия". 2004.-576с.

10. Бельман М.Х. Переходные процессы в микродвигателях постоянного тока при импульсном питании.-Л.: Энергия. 1975-184с.

11. Бейнарович В.А., Алехин А.Е. Следящий электропривод релейного'действйя с двигателем последовательного возбуждения// Известия ТПИ. Томск. ' 1967.- т 161.

12. Бойчук JI.M. Метод структурного синтеза нелинейных систем автоматического управления. М.: Энергия. 1971.-107с.

13. Бомко В.Р., Панкратов В.В., Путинцев Н.Н., Симаков Г.М., Абалаков A.JI. Цифровой регулируемый микроэлекропривод измерительной установки // Автоматизированный электропривод промышленных установок: Межвуз. сб. научн. тр. Новосибирск: НГТУ. 1989.-С.ЗЗ-41.

14. Боровиков М.А. Расчет быстродействующих систем автоматизированного электропривода и автоматики / Монография. Изд-во Саратовского университета. .1980-3 88с.

15. Боровиков М.А. Применение упреждающей коррекции в следящих системах с люфтом//Электричество.- 1977.-№6.

16. Бор-Раменский А.Е. и др. Быстродействующий электропривод.-М.: Энергия. 1969.-166с.

17. Борцов Ю.А., Поляхов Н.Д., Путов В.В. Электромеханические системы с адаптивным и модальным управлением. Д.: Энергоатомиздат. 1984.-216с.

18. Борцов Ю.А. Юнгер И.Б. Автоматические системы с разрывным управлением. -JL: Энергоатомиздат. Ленинград, отд-ние. 1986.-168с.

19. Бургин Б.Ш. Анализ и синтез двухмассовых электромеханических систем: Монография / Новосибирский Электротехнический Институт. Новосибирск. 1992.-199с.

20. Быстродействующие электропривода постоянного тока с широтно-импульсными преобразователями. /М.Е. Гольц, А.Б. Гудзенко, В.М. Остреров и др.- Л.: Энергоатомиздат. 1986.-184с.

21. Вагнер Н.В., Ельсуков В.Н., Симаков Г.М. Оптимальное по быстродействию управление позиционной системой ШИМ-Д с источником питания ограниченной мощности // Автоматизация производственных процессов: Сб. науч.тр.-Новосибирск: НЭТИ. 1971.-СЗ8-44.

22. Веселовский О.Н. Браславский Л.М. Основы электроники и электротехнические устройства радиоэлектронной аппаратуры/ Учебн. пособие для радиотехн. спец. вузов.- М.: Высшая школа. 1977. -.312с.

23. Востриков А.С., Французова Г.А. Теория автоматического регулирования // Учебное пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ. 2003.-364с.

24. Востриков А.С. Синтез нелинейных систем методом локализации // Новосибирск: Изд-во Новосибирского Университета. 1990.-120с.

25. Востриков А.С. Теория автоматического управления. Принцип локализации // Учебное пособие .- Новосибирск: Изд-во Новосибирского Электротехнического института. 1988.-76с.

26. Востриков А.С. Операторная методика синтеза одноканальных систем модальным методом // Автоматическое управление объектами с переменными характеристиками: Межвуз. сб. науч. тр.- Новосибирск:Изд-во Новосиб. электротехн. ин-та. 1991.-С.5-10.

27. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. 4-е изд. - М.: Наука. Гл. ред. Физ.мат.лит. 1988.-552с.

28. ГОСТ 16284.0-85 Группа Е-61. Машины электрические малой мощности. Двигатели.- Издательство стандартов. 1994.

29. Глазенко Т.А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока. Л.: Энергия. 1973.-304с.

30. Гринкевич Д.Я. Позиционный микроэлектропривод с двухканаль-ным управлением: Дисс.канд. технических наук / Новосибирский государственный технический университет. Новосибирск. 2000.-199с.

31. Двухзонные следящие системы. / В.В. Шеваль, Е.И. Дорохов, С.А. Исаков, В.И. Земцов. М.: Энергоатомиздат. 1984.-88с. (Б-ка по автоматике. Вып. 646).

32. Динамические свойства релейных и импульсных следящих электроприводов / Авт.: В.В. Бальбух, Л.Д.Панкратьев, В.А.Полковников и др. -М.: Энергия. 1972.-232С.

33. Емельянов С. В.,Уткин В. И.,Таран В.А. и др. Теория систем с переменной структурой. М.:Наука. 1974.-245с.

34. Жуловян В.В. Шевченко А.Ф. Сравнительный анализ двигателей с электромагнитной редукцией частоты вращения и двигателей с катящимся ротором //Электротехника. 1998.-№2. - С. 16-20.

35. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. Учебное пособие.: -издание второе исправл. и доп.- Новосибирск: Издательство НГТУ. 2003.-664с.

36. Зиновьев Г.С. Системный анализ выпрямителей с широтно-импульсным регулированием // Полупроводниковые преобразователи электрической энергии. Новосибирск: Изд-во НЭТИ. 1983.-С.23-43.

37. Иванов-Цыганов А.И., Хандогнн В.И. Источники вторичного электропитания приборов СВЧ. — М.: Радиосвязь. 1989.-144с.

38. Ильинский Н.Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода: Учебн. для вузов.- М.: Энергоатомиздат. 1992.-544с.

39. Инкин А.И. Электромагнитные поля и параметры электрических машин: Учебное пособие. Новосибирск: ООО "Издательство ЮКЭА". 2000.- 464с.

40. Каган В.Г. Электроприводы с предельным быстродействием для систем воспроизведения движений. М.: Энергия. 1975.-240с.

41. Каган В.Г., Лебедев Г.В., Малинин Л.И. Полупроводниковые системы с двигателями последовательного возбуждения.- М.: Энергия. 1971.-96с.

42. Казанский В.М., Основич Л.Д. Малоинерционные двигатели постоянного тока с печатной обмоткой на якоре.-М.: Энергия. 1965.

43. Казанский В.М., Каган В.Г. Оценка динамических свойств исполнительных двигателей в системах автоматизированного электропривода // Электричество.- 1968.-№6.

44. Карогодский А.А., Малинин Л.И. Анализ скользящего режима релейного контура тока регулируемого электропривода. // Техн. Электродинамика-1991.-№1-. С. 74-78.

45. Каспаржак. Г.М., Уткин В.И., Греков В.П., Изосимов Д.Б. и др. Принципы построения и исследования маломощных приводов постоянного тока с релейным управлением в скользящем режиме. // Изв. Вузов. Электро-техника.-1982.-№12.-0.1452-1458.

46. Кенио Т., Нагамори С. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами: Пер. с англ.,-М.: Энергоатомиздат. 1989—184с.

47. Ключев В.И. Теория электропривода: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат. 1985.-560с.

48. Ключев В.И., Терехов В.М. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов: Учебник для вузов. -М.: Энергия. 1980.-360с.

49. Красовский А.А., Поспелов Г.С. Основы автоматики и технической кибернетики. -М.-Л.: Госэнергоиздат.1962.-600с.

50. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода: Учебник для вузов. Спб. Энергоатомиздат. Санкт - Петербургское отд-ние. 2000.-496с.

51. Козырев С.К., Исследование релейной системы управления возбуждением двигателей прокатных станов // Диссертация канд. техн. наук. .Москва. МЭИ. 1968.

52. Козырев С.К., Зимин Е.В. и др. Электроприводы постоянного тока с вентильными преобразователями. М.: 1981.-157с.

53. Козярук А.Е. Рудаков В.В Математическая модель релейно-векторной системы управления асинхронным электроприводом. // Труды IV Международной конференции АЭП-2004.- Магнитогорск. 2004.-С134-137.I

54. Конев Ю.И. Транзисторные импульсные устройства управления электродвигателями и электромагнитными механизмами.- М.-Л.: Йзд-во Энергия. 1964.-120с.

55. Кочергин В.В. Следящие системы с двигателями постоянного тока. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние. 1988.-168с.

56. Кромм А.А., Симаков Г.М., Путинцев Н.Н. Высоко динамичный автономный источник питания для систем микроэлектропривода // Автоматизированные электромеханические системы: Сб. научных трудов.- Новосибирск. НГТУ: 1997. С. 36-42.

57. Кромм А.А. Позиционный микроэлектропривод с переменной структурой регуляторов: Дисс. канд. техн. наук- Новосибирск: Новосиб. электротехн. и-нт. 1992.-178с.

58. Лебедев A.M., Орлова Р.Т., Пальцев A.M. Следящие электроприводы станков с ЧПУ. М.: Энергоатомиздат. 1988.-223с.

59. Лебедев Е.Д., Неймарк В.Е., Пистрак М.Я., Слежановский О.В. Управление вентильными электроприводами постоянного тока.- М.: Энергия. 1970.-200С.

60. Лыщинский Г.П., Симаков Г.М., Соболев Ю.И. Исследование некоторых режимов работы двигателя с печатным якорем с форсировкой по потоку. // Автоматизация производственных процессов. Сб. науч. тр.- Новоси-бирск.1970.- С. 127-133.

61. Мазурин В.П. Быстродействующие регулируемые электроприводы. Прикладная оптимизация и технические решения.- Екатеринбург: Уро РАН. 1999.

62. Малинин Л.И., Карогодский А.А., Макельский В.Д. Сервоприводы автономных объектов с двигателями комбинированного возбуждения // Автоматизированный электропривод / Под общ. ред. Н.Ф. Ильинского, М.Г. Юнько-ва.-М: Энергоатомиздат. 1990.- С. 402-405.

63. Метод гармонической линеаризации в проектировании нелинейных систем автоматического управления. А.А.Вавилов. ,Ю.М.Козлов., А.Д. Максимов и др. / Под ред. Ю.И.Топчеева -М.Машиностроение. 1970-567с.

64. Москаленко В.В. Электрический привод: Уч. пос. для студ. учреж' 'дений бред. проф. образования.-М.: Мастерство: Высш. шк. 2000.-365с.

65. Осипов О.И. Усынин Ю.С. Техническая диагностика автоматизированных электроприводов,- М.: Энергоатомиздат. 1991-161с.

66. Отчет НИР "Исследование режимов работы источника колебаний" № гос. регистрации 01850018346, инв. № 02870025448 / Симаков Г.М., Соболев Ю.И., Путинцев Н.Н., Миняйло А.П., Хорошавин В.П.- Новосибирск. НЭТИ. 1986.-97с.

67. Отчет НИР Создание натурного стенда для статических и динамит ческих испытаний ДВС / Симаков Г.М., Путинцев Н.Н. и другие. № Г.Р. 01890042686 НЭТИ. / Руководитель Симаков Г.М. Инв. № 02910023590.-Новосибирск. 1990.-107с.

68. Павлов А.А. Синтез релейных систем, оптимальных по быстро дей-ствию.-М: Изд-во Наука. 1966.-392с.

69. Панкратов В.В., Путинцев Н.Н., Симаков Г.М., Абалаков А.Л. Об одном способе повышения точности статического цифрового электропривода // Автоматизированный электропривод объектов водного транспорта.- Новосибирск: НГАВТ.1989.-С.42-48.

70. Панкратов В.В. Построение систем асинхронного электропривода на основе метода локализации: Дисс. канд. техн. наук /. -Новосибирск: Ново-сиб. электротехн.-и-нт. 1992.-246с.

71. Панкратов В.В., Нос. О.В. Специальные разделы теории автоматического управления. Модальное управление и наблюдатели: Учеб. пособие. -Новосибирск: Изд-во НГТУ. 2001.-ч.1.—48с.

72. Панкратов В.В. Метод технической регуляризации скользящих режимов в многосвязных нелинейных системах с разрывным управлением // Труды IV международной конф. АПЭП.-Новосибирск: НГТУ. 1998.-Т.13-С.73-76.

73. Панкратьев Л.Д., Паппе И.Г., Петров Б.И., Полковников В.А. Импульсные и релейные следящие приводы постоянного тока с полупроводниковыми усилителями.- М.: Энергия. 1969.- 104с.

74. Пантелеев В.И. и др. Исполнительный электропривод с индукторными двигателями двойного питания / В.И.Пантелеев, Б.П.Соустин, В.А.Забуга.- Красноярск:Изд-во Краснояр. Ун-та 1990.-184с.

75. Пат. 56-7391 Япония, МКИН02М 3/335.- 1981.

76. Патент на изобретение № 2123230 Россия. Электропривод постоянного тока / Симаков Г.М., Гринкевич Д.Я. Зарегистрирован 10 декабря 1998.-Опубл. 1998.Бюл.№34.

77. Патент на изобретение № 2123756 Россия. Прецизионная система регулирования тока / Симаков Г.М., Гринкевич Д.Я., Кромм А.А. Зарегистр. 20 декабря 1998г.-Опубл.1998. Бюл. №35.

78. Патент на изобретение № 2079204 Россия. Система регулирования тока в нагрузке с противо ЭДС / Симаков Г.М., Кромм А.А. Зарегистрирован 10 мая 1997.

79. Петров Б.И. Полковников В.А. Динамические возможности следящих электроприводов.- М.: Энергия. 1976.-128с.

80. Петров Ю.П. Вариационные методы теории оптимального управления.- М. Л.: изд-во Энергия. 1965.- 220с.

81. Поляков В.Н. Шрейнер Р.Т. Математические модели двигателей постоянного тока для задач управления: Учеб. Пособие / Под общ. ред. Р.Т. Шрейнера.-Екатеринбург: УГТУ. 1999.-162с.

82. Понтрягин А.С. Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов.- М.: Физматгиз. 1961.

83. Рудаков В.В. Электроприводы с программным управлением и последовательной коррекцией. Л.: Изд-во ЛГИ.1990.-104с.

84. Садовой А.В., Сухинин Б.В., Сохина Ю.В. Системы оптимального управления прецизионными электроприводами.- Киев: ИСИМО. 1996.-298с.

85. Сен П. Тиристорные электроприводы постоянного тока: Пер. с англ.-М.: Энергоатомиздат. 1985.-232с.

86. Современная теория управления. Ю. ТУ. Перевод с английского Я.Н. Габадулина / под редакцией В.В. Солодовникова. М.: Машиностроение. 1971.-471с.

87. Симаков Г.М., Кромм А.А. Быстродействующий микроэлектропривод с амплитудно-импульсным управлением. // Электричество.-1997.- №12.-С. 47-50.

88. Симаков Г.М. Гринкевич Д.Я. Позиционный микроэлектропривод с двухканальным управлением. // Электричество.-2002.- №11.- С. 22-28.

89. Симаков Г.М., Гринкевич Д.Я. Способ согласования зон регулирования скорости в двухзонном транзисторном электроприводе постоянного тока. //Электротехника.-2000.-№11.-С. 162-167.

90. Симаков Г.М., Гринкевич Д.Я. Двухзонный транзисторный электропривод постоянного тока с реверсивным преобразователем в цепи возбуждения. // Электротехника.-2003.- № 9.- С. 39-44.

91. Симаков Г.М., Троицкий А.В., Гринкевич Д.Я. Микроэлектропривод постоянного тока с повышающим ДС/ДС преобразователем. // Техническая электродинамика. Тематический выпуск: силовая электроника и энергоэффек-тивность.-2003.-№2.-С. 92-97.

92. Симаков Г.М. Цифровая интегральная электроника в автоматизированном электроприводе: Учебное пособие.- Новосибирск. НГТУ. 2001.-105с.

93. Симаков Г.М., Путинцев Н.Н., и другие. Исследование и оптимизация динамических режимов работы электропривода сейсмоисточника // Отчет НИР. Ответств. исполнитель Симаков Г.М., № гос. регистрации 1870055989.-Новосибирск: НЭТИ. 1988.

94. Следящий электропривод с цифровым управлением // Отчет НИР. Новосибирский электротехн. ин-т, руководитель Симаков Г.М., № гос. регистрации 018700 30119. Новосибирск: НЭТИ. 1987. - 85с.

95. Симаков Г.М. Применение метода фазовой плоскости к анализу динамики привода постоянного тока с переменным потоком // Автоматическое управление и вычислительная техника: Сб. науч. тр.- Пермь. 1968.- С. 111-115.

96. Симаков Г.М. К вопросу о предельных по быстродействию возможностях электропривода постоянного тока // Автоматизация производственных процессов: Межвуз. сб. науч. тр.- Новосибирск. 1969.- вып.7.- С. 107-115.

97. Симаков Г.М. Некоторые вопросы оптимального по быстродействию управления полем электропривода постоянного тока // Материалы второй научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу .Новокузнецк: СМИ. 1968.- С. 37-41.

98. Симаков Г.М. Динамический расчет параметров задержанной обратной связи по току в системах автоматизированного электропривода постоянного тока // Автоматизация производственных процессов: Сб. науч. тр.- Новосибирск: НЭТИ. 1973. С. 61-68.

99. Симаков Г.М. Синтез одного вида регулятора для электропривода постоянного тока, управляемого потоком двигателя // Автоматизация производственных процессов: Сб. науч. тр.- Новосибирск: НЭТИ. 1976.- Вып. 13.-С. 40-49.

100. Симаков Г.М. Анализ динамики электропривода электромеханического дебалансного вибромодуля на основе принципа разделения движений // Автоматизированный электропривод промышленных установок: Межвуз. сб. науч. тр.- Новосибирск: НЭТИ. 1986.- С. 90-96.

101. Симаков Г.М., Кромм А.А. Оптимизация по точности регулирования цифровой астатической системы электропривода // Автоматизированный Электропривод промышленных установок: Межвуз. сб. науч. тр.- Новосибирск: НЭТИ. 1989.- С. 48-52.

102. Симаков Г.М., Кромм А.А. Об одном способе управления позиционным микроэлектроприводом постоянного тока // Автоматизированный электропривод промышленных установок: Межвуз. сб. науч. тр.- Новосибирск: НЭТИ. 1990.-С. 37-44.

103. Симаков Г.М., Ласточкин Ю.Б. Об одном способе построения микроэлектропривода постоянного тока с регулируемым потоком // Автоматизированные электромеханические системы: Межвуз. сб. науч. тр.-Новосибирск: НГТУ.1994.-С. 35-41.

104. Симаков Г.М., Гринкевич Д. .Я. Микроэлектропривод постоянного тока с двухканальным управлением// Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-98: Тр. четвёртой межд. науч.-техн. конф.-Новосибирск: изд-во НГТУ. 1998.- Том 7- С. 55-60.

105. Симаков Г.М. Гринкевич Д.Я. Исследование релейного контура регулирования тока возбуждения электрической машины с магнитно-связанными контурами // Вестник Куз. ГТУ. Кемерово. 1998.- .№ 5.-С.45-52.

106. Симаков Г.М., Гринкевич Д.Я. Позиционный микроэлектропривод постоянного тока с двухзонным регулированием скорости // Автоматизированные электромеханические системы: Сб. науч. тр.- Новосибирск: НГАВТ. 1998.-С.34-50.

107. Симаков Г.М., Гринкевич Д.Я. Синтез двухканальной импульсной системы управления микроэлектроприводом постоянного тока // Импульсные системы и технологии. ИСТ 2000: Материалы межд. науч.-техн. конф.- Новосибирск: изд-во НГТУ. 2000.- Том 2.- С. 436-440.

108. Симаков Г.М., Гринкевич Д.Я. Исследования автоколебательного режима релейного контура тока с переменными параметрами // Совершенствование технических средств электрического транспорта: Сб. науч. тр.- Новоси-бирск:НГТУ. 2001.-Вып. 2.- С. 112-117.

109. Симаков Г.М., Гринкевич Д.Я. Позиционный микроэлектропривод с двухканальным управлением // Труды III международной научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу.- Нижний Новгород 12-14 сентября 2001.- С. 142-144.

110. Симаков Г.М., Гринкевич Д.Я., Способ частотной коррекции коэф'фициейта усиления в электроприводе с двухканальным импульсным управле-' нием // Автоматизированные электромеханические системы: Межвуз. сб. науч. тр:- Новосибирск: НГТУ. 2001.- С. 63-73.

111. Симаков Г.М., Гурских Р.Б. Регулируемый микроэлектропривод постоянного тока с неидеальным источником питания // Автоматизированные электромеханические системы: Межвуз. сб. науч. тр.- Новосибирск: НГТУ.2001.-С. 73-78.

112. Симаков Г.М., Путинцев Н.Н., Малахов А.П., Хуторной В.И. Некоторые вопросы автоматизации низкочастотных дебалансных вибромодулей // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых.-1987.-№2.-С.61-68. '

113. Симаков Г.М., Троицкий А.В. Выбор параметров регуляторов микроэлектропривода постоянного тока с АШИМ регулированием скорости // Научн. вестн. НГТУ.- Новосибирск: НГТУ. 2004.- № 3(37). С. 11-20.

114. Системы реверсивных электроприводов / В.И. Архангельский.-Киев: Техника. 1972-328с.

115. Соболев Ю.И., Симаков Г.М., Горошко А.В. Об одном алгоритме управления электромеханическим дебалансным вибромодулем // Автоматизация электромеханических систем: Сб. науч. тр.- Новосибирск: НЭТИ. 1983.-С. 110-116.

116. Столов Л.И., Афанасьев А.Ю. Моментные двигатели постоянного тока.-М. :Энергоатомиздат. 1989-224с.

117. Суворов А.В. Исследование и синтез системы с осциллирующими быстрыми процессами на основе метода локализации: Дисс.канд. техн. наук. /Новосиб. электротехн. ин-т —Новосибирск. 1992.-147с.

118. Д. Сю., А. Майер. Современная теория автоматического управления и ее применение. / Под ред. Топчеева Ю.И. М.: Машиностроение. 1972.-252с.

119. Трахтенберг P.M. Импульсные астатические системы электропривода с дискретным управлением. М.: Энергоиздат. 1982,-168с.

120. Терехов В.М. Элементы автоматизированного электропривода. -М.: Энергоатом издат. 1987.-224с.

121. Усынин Ю.С. Системы управления электроприводов—Челябинск: Изд-во ЮурГУ. 2004-328с.

122. Усынин Ю.С., Караваев Г.В., Григорьев М.А., Виноградов К.М. Вентильный электропривод с синхронным реактивным двигателем независимого возбуждения // Труды IV Международной конференции АЭП-2004.-Магнитогорск 2004.-С181 -184.

123. Уткин В.И. Скользящие режимы в задачах оптимизации и управления.-М.: Наука. 1981. 368с.

124. Фельбаум А.А., Основы теории оптимальных автоматических систем.-М.: изд-во Наука. 1966.-624с.

125. Фуллер А.Т. Оптимизация релейных систем регулирования по различным критериям качества //Труды IF AG. 1960.

126. Харитонов С.А. Энергетические характеристики нелинейных электрических цепей с вентилями. Геометрические аналогии: Учеб. пособие. Новосибирск: НГТУ. 1998.-168с.

127. Хрущев В.В. Электрические микромашины автоматических устройств: Учебное пособие для вузов.-Л.:Энергия. 1976.-3 84с.

128. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями / С.Г. Герман-Галкин, В.Д. Лебедев, Б.А. Марков, Н.И. Чичерин. Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение. 1986.-248с.

129. Цыпкин Я.З. Релейные автоматические системы. М.: Наука. 1974.-576с.

130. Цыпкин Я.З. Основы теории автоматических систем.- М.: Наука. 1977.-560с.

131. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С. Теория автоматизированного электропривода. М.: Энергия. 1979.-616с.162: Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий куре электропривода: Учебник для вузов. 6-е изд. доп. и перераб. - М.: Энергоатомиздат. 1981.-576с.

132. Чистов В.П., Бондаренко В.И., Святославский В.А. Оптимальное управление электрическими приводами. М.: Энергия. 1968.-232с.

133. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты.- Екатеринбург: УРО РАН. 2000.-654р.

134. Шрейнер Р.Т. Системы подчиненного регулирования электроприводов. Часть 1. Электроприводы постоянного тока с подчиненным регулированием координат.- Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. проф.-пед. ун-та. 1997.-279с.

135. Электромеханическая система приборной установки с повышенной точностью / Симаков Г.М., Кромм А.А. // Тезисы доклада Республиканской конф. "Электромеханические преобразователи и машинно-вентильные системы".-Томск. 1991.

136. Электропривод комплектный ЭШИР-1-А. / Техническое описание. Паспорт Изделия. ИЕГЕВ 0904565436.

137. Энергосберегающие технические решения в электроприводе/ Под ред. А.О. Горнова.-М.:Изд-во МЭИ. 1991.-56с.

138. Юферов В.Г. Электрические машины автоматических устройств: Учебник для вузов.- М.: Высшая школа. 1976.-416с.

139. А.С. №1415394 СССР. Электропривод постоянного тока / А.А. Карогодский, Л.И. Малинин / опубл. Б.И. 1988 №29.

140. А.С. № 1644347 СССР. Цифровой электропривод постоянного тока / Кромм А.А., Симаков Г.М. / Зарегистрировано 22.12.90г.

141. А.С. № 1705995 СССР. Двухпозиционная система регулирования тока электродвигателя / Симаков Г.М., Елисеенко О .В., Кромм А.А. / Зарегистрировано 15.09.91г.

142. А.С. № 1550448 СССР. Электропривод вибратора / Путинцев Н.Н., Симаков Г.М., Абалаков A.JI. / Зарегистрировано 15.11.89г.

143. А.С. № 1124233 СССР. Автоматизированный электропривод электромеханического центробежного вибромодуля. / Соболев Ю.И., Симаков Г.М., Миняйло А.П. / Зарегистрировано 15.07.84г.

144. Kleinleistungs Servoantriebe // КЕМ: Konstr. Elektron. Maschienenbau, -1989.-№10. slO.

145. Korotyeyv I.Ye., Klytta M. Stability analysis of the DC/DC converters //Техшчна електродинамша / Материалы международной научно-техн. конф. "Силовая электроника и энергоэффективность".- Кшв 2002.- С.51-54.

146. Leonhard W. Regelung in der elektrischen Antriebstechnik.-B.G. Teubner. Stuttgart.l974.-213s.

147. Toyomi Gondo. DC railway feeding system // Meiden Review International Edition.-1998 .№2.-P.-14-16.

148. Fontanel Luca. Inductive DC-to-DC switching converter // 02.11-21Ю.40П / Опубл.24.04.2002.Англ.

149. Holtz J. and Thimm T. Identification of machine parameters in a vector controlled induction motor drive// Conf. Rec. of the IEEE IAS Annual Meeting / San Diego. CA.Oct. 1989. P.601-606.

150. Simakov G.M., Troitski A.V., Grinkevich. D.J. Static Characteristics of the DC/DC Boost Converter. 2003. Siberian Russian Workshop on Electron Devices and Materials EDM 2003.

151. Simakov. G.M. Synthese von Regelsystem bei Gleichstromantrieben. //t ! '

152. Elektrotechnische Zeitschrift b-ausgabe. Heft 25. 1974. BRD.• 184. Simakov G.M., Grinkevich. D.J. The two-chanel CONTROL OF ADGi. ■ '

153. DRIVE ON THE RELAY PRINCIPLE. // Thesis reports III Russian-Korean Intern. Symposium KORUS 99.-Novosibirsk. 1999.-Tome 2.

154. Simakov G.M., Putinzew N.N. Automatisierte Elektroantriebe einer elektromechanischer Vibrationanlage // 11 Internationale Fachtaqung "Industriele Automatisierung Automatisierte Antriebe".- Chemniz . 1991.- P31 - P35.

155. Simakov G.M., Putinzew N.N. Steuerung Gleichstromantriebe mit sinu-soidale Belastung // 10 Internationale Fachtaqung " Automatisierte Antriebe".- Karl-Marx-Stadt. 1989.- s.42-45. ,

156. Simakov G.M., Kromm A.A. Hochdynamischer Gleichstrom-Transistorantrieb mit veranderlicher Struktur // 11 Internationale Fachtaqung "Industriele Automatisierung-Automatisierte Antriebe" Chemniz .1991.- P51- P54.