автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Широкодиапазонный электропривод лентопротяжного механизма с повышенной динамической точностью

09 9 V

Государственный комитет РСЗСР по делам науки и высшей тколя Новосибирский электротехнический институт

На правах, рукописи УДК 621.323.382.3.004.14:681.84.083.8

БОГЛАШБВ Александр Витальевич

широкодиапозошми электропривод лентопротяжного механизма С повышенной ДИНАМИЧЕСКОЙ точности)

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учйной степени кандидата технических наук

Новосибирск - Т 99Г

Работа выполнена I отделе систем воепризьедония движений НоБоа. '/ирскох'о электротехнического института

Ь'ьучшй руководитель: кандидат технических наук,

профессор Лшцшский Г.II.

Официальные оппонента:

доктор технических наук, профессор Герман-Галкин С.Г. кандидат технических наук, директор НИМ электропривода Марченко Я.Е.

Ведущая организация:

ЦКБ видеозаписи "КАДР"

Защита состоится 3 октября 1991 г. .в 10 часов на заседании специализированного совета К 063.34.01 по присуадешла ученых степеней кандидата технических наук Новоскоирского электротехнического института.

Отзывы в 'Двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 630092, г.Новосибирск, пр. Карла Маркса,-20, КЭТИ.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке

ЮТИ.

М* 08

Автореферат разослан Учёный секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент ¿У

1991 Г.

Г.А. ШашуроВ

г:-'"!

i'.•/! гртгций

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Аппаратура магнитной записи- воспризведония (ЛМЗ), несмотря на предполагаемое соперничество с другими видами регистрации, сохраняет ведущую роль в- тех случаях, когда возникает необходимость записи и хранения значительных массивов информации в аналоговой и цифровой форме. В настоящее время магнитные ' носители записи (НЗ) составляют 90-95% от общего объема, включая и бумагу. Аппараты записи на магнитной яенте, несмотря на ряд присущих им недостатков, сохраняют преимущество в таком показателе, как объёмная плотность записи.. При этом особого внимания заслуживают аппараты, использующие наклонный способ записи.

Одним из основных узлов любого устройства магнитной записи, выполняющим роль конструктивной основы аппарата, является лентопротяжный механизм (ЛПМ), предназначенный для транспортирования магнитной лента в рабочей зоне с заданными значениями показателей качества перемещения.

В данной работе рассматриваются вопросы, связанные с разработкой и исследованием системы электропривода ЛПМ для АМЗ с наклонным способом записи на примере видеомагнитофона (ВМ) формата VH5.

Усовершенствование конструкций ЛПМ традиционно подразумевает повишешге качества исполнения элементов кинематической схемы и введение в eö состав ■ новых оригинальных пассивных средств стабилизации параметров движения лента (ЦДЛ), исполняющих роль механических фильтров. Однако, во многих случаях такой подход не приносит ощутимого оффекта, поскольку технологические ресурсы попншония качества

исполнения конструктивных элементов ограничены уровнем производства. " вьеденме в состав ЛШ новых динамических звеньев приводит к образовании паразитных резонансных контуров и искажению средаечастотной области амшштудво -частотной характеристики тракта записи-воспроизведения.

Дальнейшее повим&нае качества транспортирования НЗ возможно за ■ счёт упрощения конструкции ЛШ/ и совершенствования активных средств стабилизации ЦДЛ.

В этой связи проблема создания высококачественных ЛПМ на можат считаться исчерпанной, а дальнейшие исследования в указанном направлении являются актуальными и имеют важное теоретическое и практическое значение.

Целью диссертационной работы является исследование г разработка системы электропривода ЛШ с наклонно-строчным способом записи, обладающей предельными значениями выходных показателей.- - '

Достижению поставленной цели служит решение следующих задач:

1.Исследование динамических свойств пассивных и активных элементов кинематического тракта ЛПМ.

2.Разработка и.исследование обобщённой математической модели

да.

3.Определенна фдаических факторов, наиболее существенно влияющих на значения предельных динамических характеристик системы автоматизированного электропривода (САЗ) лпм. 4.Анализ существующих способов и устройств измерения ГОШ, определение их обобщённы, метрологических характеристик,' разработка практических схем измерительных устройств. Б.Синтез системы автоматического управления," обеспечивающей достижение ' предельных значений выхода« показателей.

6.Исследование особенностей работы системы электропривода с дискретным измерителем частота вращения и .влияния его метрологических характеристик на динамические показатели системы.

Метода исследований.

Для достижения поставленной цели .использовались методы линейной алгебры, теории колебаний, теории электрических машин, метод математического моделирования.

Научная новизна работе заключается в следующем: I.Разработаны структурные схемы .г'чеаризовашшх моделей, полученные путём разделения исходной схемы на сепаратные контура и . последующего эквиваленгирования, позволяешь достичь требуемого компромисса Между простотой и степенью адекватности.

2.Исследована метрологические характеристики элементов измерительной систем электропривода ЛПМ.

3.Исследовано влияние параметров дискретного измерителя на динамические характеристики нормированного скоростного контура.

Практическая ценность работа.

' Разработаны принципы построения и практические схемы управляющих и измерительных устройств, обладающие высокой степенью универсальности, которая позволяет применять их в приводах с различным! алгоритмами управления. Разработанные устройства отличаются оригинальностью технических решений, многие из них заиищенн авторскими'сведетельствами. Предложены структурные схемы и значения параметров стандартных блоков для математических моделей ' элементов САЗ ЛПМ. Модели построены на уровне имитации пользовательских характеристик и обладают . удсгвлетгорителыгам сочетанием ггрсстотн и

адекватности.

Положения, выносимые на защиту.

1. Результат исследований метрологических характеристик элементов измерительной системы. Практические рекомендации по выбору типа элементов и способа построения измерителей ЩЛ.

2. Результаты исследований влияния яараметров измерителя частота вращения на динамические характеристики нормированного скоростного контура и путей повышения его устойчивости.

Реализация результатов работы.

Исследования, лроведешше в работе, нашли применение при разработке ТЗ и проектировашш систем электропривода, выполненных при непосредственном участил автора, защищённых авторскими свидетельствами и применяемых в качестве ведущего, приёмного, подающего узлов прямоприводного ЛПЫ и измерительных и 1феобразующих устройств в составе установки для выращивания крупногабаритных кристаллов по хоздоговорным работам ЛЭСВД-2-86/А между СКБ средств автоматизации морских исследований АН СССР и Новосибирским электротехническим институтом, 0СБД-2-90/А между институтом неорганической химии АН СССР и Новосибирским электротехническим институтом.

Разработанное принципы построения и конкретные схемные решения управляющих устройств применяются практически во всех электроприводах, разработанных в ОСВД по хоздоговорным темам для различных, предприятий страны.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на следующих конференциях: I. Краевая научно-техническая конференция "Устройства и системы автоматики автономных объектов" (Красноярск, 1987 г.). S. Всесоюзная школа-семинар молодых учёных и специалистов

Датчик-90 (Гурзуф,1990 г.).

3. Всесоюзный семинар "Микроэлектроника и первичные преобразователи информащш'"(Москва, 1991 г.).

4.Всесоюзная научно-техническая конференция "Совершенствование систем магнитной загаси"(Киев, 1990 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 2 отчйта по НИР, Б статей и получено 8 авторских свидетельств.

Структура и объём работа.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 114 наименований, приложен^ на 53 страницах и содержит 192 страницы основного текста, 48 рисунков на 44 страницах, таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТ«

Во введении обоснована актуальность ■ теш работы и определены основные направления исследова)шй.

Первая глава посвящена описанию объекта регулирования, разработке математической модели, пригодной для решения поставленных задач. На основе анализа номенклатура методов исследования обоснована необходимость применения метода математического моделирования для изучения свойств и взаимосвязей элементов САЭ ЛПМ.

Описаны алгоритмы разработки математической модели (ММ)-элементов САЭ ЛПМ и проектирования приборных систем электропривода с использованием метода математического моделирования. .'

Предложена классификационная схема современных средств АМЗ, основанная на следующих признаках: область применения, вид записи (аналоговая йот цифровая), форма? записи.

Произведён выбор базового объекта, описан« его

конструктивные сас"знности и динамические характеристики. Приведён по; эчьнь физических факторов, определявших динамические свойства объекта регулирования. На основе анализа указанного перечня сформирована оОобщЭннзя кинематическая схема линеаризованного объекта, приведённая на рис Л. Описана методика упрощения исходной схемы путйм разделения е5 на сепаратные контура и последующего эквивалентирования, 'т.е. сокращения числа расчётных степеней свобода с использованием правил приведения масс и движений. Сформирован набор структурных схем моделей, позволяющий достичь желаемого компромисса между простотой и адекватностью представления о реальном физическом объекте. Приведены частотные и временные характеристики, построенные для моделей с различным порядком эквивалентирования. Вид характеристик подтверждает правомерность описанных преобразований.

Вторая глава посвящена . анализу метрологических характеристик устройств, применяемых для. измерения ПНЯ. Приведен перечень устройств и методов измерения, используемых в рассматриваемой области, комплекс требований и показателей качества измерительных устройств, предназначенных для работы в составе САЭ-ЛПМ. "Математическая модель для исследования метрологических характеристик вращающихся трансформаторов (ВТ) сформирована на базе функциональных схем, изображенных на рис.2 и 3. Рассмотрены ВТ традиционной конструкции с обмотками на статора и на роторе и пазовой магнитной системой. При этом не учитывается Насыщение шгнитопровода, потери на порёыагничивание и гистерезис, не рассматриваются вопросы подключения обмоток ротора к внешней цепи. При указанных допущениях выведены выражения, описывающие форму выходной ЭДС ВТ в режиме вращающегося и пульсирующего поля, с

в

РасчЭтная кинематическая схема ЛПМ.

Рис. I.

ш1,М1и ыгД2- частота вращения и момент приемного и подямцего узлов;

г, ,«7,и гг,.т2- радиусы и моменты инерции боковых узлов; ы4,М4- частота вращения и момент узла ведущего'вала; rt•Jt- радиус и момент инерции узла ведущего вола; «5 частоты вращения, радиусы и моменты

инерции обводах роликов;

линейные скорости перемещения подвижных, элементов' датчиков натяжения;

у .аг ,ж ,х ,-*>. и о ,о ,с ,о ,с ,с - коэфициентк

2<5* 5(5' 45' 1 <1 7 а. 4 5 * 14* 7 3

вязкого и упругого сопротивления механических связей.

э

ВТ б режиме пульсирующего пол.ч.

учётом комплекса факторов, влияющих на точность измерения.

Для ВТ в режиме вращающегося поля форма ЭДС описывается выражением в относительных единицах

с

где л = —- относительная . величина, характеризующая глубину модуляции выходного напряжения ВТ;

- фаза напряжения, питаюцего обмотки возбуждения ВТ; pS * электрический угол поворота исследуемого вала; fig - фазовая погрешность измерения.

ф Ts J¿*> К CÍSp8-(?a Ш Va+üzJir¡ Го J ¿Л/) $

«-s)siñ, (к -pe)

где Ts ; %3 - параметры погрешности, характеризующие

соответственно неортогональность питающих напряжений и обмоток -возбуждения, меру неиндентичности передачи амплитудных значений по магнитным осям.

Для ВТ в режиме пульсирующего поля форма ЭДС описывается выражениями в относительных единицах

В,3 = tósV0 ccspQ-S sin ti Sinp8 --(/- А8)[W únpB + £Sifl 4>a COlfíS]

где Ад - погрешность отображения угла поворота ВТ в режиме пульсирующего поля, вызванная неидеальмостыо конструкции ВТ. (Г3 cospS f Г* трвJ CCS % " cosPtSiape-f-Sii/iVi трв

и

гдо 7\ - параметр погрешности, характеризующий пространственную неортогональносгь выходных обмоток ВТ.

Описаны схема практических измерителей, построенных на бг;.?о КГ-л частотных датчиков (ЧДЬ Перечень рассматриваемых ехгм включает в себя циклические, следящие и накапливающие кзмгрители различного исполнения. Больная честь предложенных СХ5М ззсзэдонв авторскими свидетельствами на изобретение. Ираьогош шражэзгия, описывавшие величину инструментальных я методических погрешностей измерения. Разработан комплекс мояолоЛ , сформированных на уровне имитации принципа действия и позволяющий исследовать метрологические характеристики измерительных устройств и оценить степень адекватности выбранного представления объекта.

Исследовано влияние способа формирования меры (эквивалента измеряемой величины) на точностные показатели измерительных устройств в • схемах с' вращающимися тран (форматорами.

В третьей главе описаны особенности выбора типа и параметров исполнительных элементов САЭ ЛПМ. Обоснована цолесообразность применения широкополосных транзисторных усилителей в качестве силового преобразователя и синхронного электродвигателя с возбуждением от постоянных магнитов ноявнополюсноа конструкции или реактивного с электромагнитной редукцией частот вращения обращЗнной конструкции в качестве исполнительного двигателя.

Описаны особенности построения управляющих устройств для систем электропривода переменного тока, приведет функциональные . схемы координатных преобразователей, различающихся уровнем слозности, функциональной полноты и точности формирования управляющих сигналов.

На основе анализа известных векторных соотношении описывающих характер изменения дшашчоских перемани« и структуре исполнительного элемента на базе синхронного электродвигателя неявяополюсной или явнополюсной конструкций с возбуждением от -постоянных магнитов, разработаны математические модели, позволяющие в необходимой мера учесть дискретность, инерционность, нелинейность, точность формирования токов обмоток двигателя. Указанные модели сформированы во вращающейся системе координат, что облегчат анализ процессов, протекающих в структуре исполнительного элемента.

Четвёртая глава посвящена исследовании влияния метрологических характеристик дискретного измерителя чпсгси вращения на устойчивость скоростного контура. Продлокена математическая модель дискретного измерителя ШУТ на уроь'о имитации пользовательских характеристик отличающаяся простотой и высокой степенью адекватности (рис.4), где Э -экстраполятср нулевого порядка, КЗ - импульсный элемент, Х(1>

■г*- .

и - сигнальная компонента выходного сигнала ВТ, 'с безразмерная .величина периода опроса, Т1( - безразмерная величина периода измерения1 з - оператор дафференциироваття в безразмерном времени. Показано, что дискретность измерителя частоты вращения приводит к сужений областей устойчивоеги скоростного кентурз. Приведены кривые, получекнч"э экспериментальным и расчЗтным путем 1! представляйте собой границу области устойчивости нормированного скоростного контура в плоскости безразмерных, параметров а и я, определяющих его настройку. На рис. 5 и 6 изобраке?ш соответственно структурная схема нормированного скоростного контура с ПИ-регуляторами тгкгэ и частоты вращения, а гпкжз

Структурна л схема модели дискретного измерителя ЦЩГ.

Рис. 4.

Структурная схема нормированного скоростного контура.

7

-Ф*

т.

1

г

т

з

£

и$ т

и

--¿к-*

ш

тс. Б.

01860054428, ют. Л 0289000IS60.- Новосибирск,1988.-168 стр.

3. ВогдашЗв A.B. и др. Анализ особенностей систе?« автоматизированного синхронного электропривода ЛШ. //Автоматизированные электромеханические системы: мегоуя.сб. нау ч. тр. /Но восиб. э лектротехн. ин-т. -Новосибирск ,1987.-с.23 2 9.

4. БогдашЭв A.B. .Каплун М.С.Сравнительный анализ возможных вариантов преобразователя для транзисторных электроприводов переменного тока. // Тез. докл. краевой науч.-техн. конф."Устройства и системы автоматики автономных объоктсЕ"-Красноярск,1Э87.-с.43-44.

5. БогдашЭв A.B. и др. Сравнительный анализ энергетических показателей для различных силовых схем транзисторных преобразователей // Автоматизированный электропривод: мехвуэ. сб. науч. тр. / Новосиб. элентротехл. ин-т.-' Новосибирск, 1988.- с.79-86.

в. A.C. н Г277345 СССР, МКИ Н02Р 7/42. Устройство для частотного' регулирования скорости двигателя переменного тона/ Богдашбв A.B. и др.- Бюл.1986, Н 46.

7. A.C. II 136168Э СССР, ЩИ ГО2М 5/IO. Устройство управления автономным инвертором/ Богдашбв A.B. и др.- Бюл. 1987, N 47.

8. Каплун И.О., БогдашЭв A.B. и др. Следящий цифровой преобразователь перемещений с расширенными функциональными возможностями //Измерительная техника.- 1991, и 4.-с.16.

9. A.C. Ii 1583845 СССР,' МКИ GQIP 3/489. Измеритель параметров перемещения/ БогдашЭв A.B. и др.- Бюл.1990, N 34.

10. A.C. N 1592783 СССР, МКИ G0IP 3/489. Устройство измеро -ния частоты вращения /Богдашйв A.B. и др.- Бюл.1990, N 34.

11. Богдашёв A.B. и др. Пути расширения функциональных возможностей измерительных устройств с предолышми точностными показателями // Датчики и преобразователи

шф^шшш систем измерения контроля и управления: Твз. докл. II Всасовзи. совещ. мол. учЭных и специалистов, Гурзуф, 14-21 шл 1950.-М.,1990.- с. 118.

гг. БогдашЗв 1.В. и др. Повышение точности устройств измерения параметров перемещения //Измерительная техника.-1991.- 1) 4 - с.18.

Подписано в печать II ишя 1991 г. Формат 84«60« 1/16. Бумага обёрточная. Тиран 100 экз. Усл. леч. л. 1,25. Заказ н? Цбц

Отпечатано на участке оперативной полиграфии

Новосибирского электротехнического института 630093, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20.