автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Устройство управления электроприводом постоянного тока в области низких скоростей

Р Г Б ОД КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМ.А.Н.ТУПОЛЕВА (КАИ)

1 1 ДЬК 1ЕП-Ч

На правах рукописи

САЛИМОВ РАДИЙ ИДЬДУСОВИЧ

УДК 621.313

УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ. ПОСТОЯННОГО ТОКА В ОБЛАСТИ НИЗКИХ СКОРОСТЕЙ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 1994

Работа выполнена в Казанском Государственном Техническом Университете им.А.Н.Туполева на кафедре электрооборудования.

- доктор технических наук, профессор Терещук B.C.

- доктор технических наук, профессор Зиннер Л.Я.

- кандидат технических наук Габидуллин З.Г.

- Казанский научно-исследовательский институт радиоэлектроники (КНИЙРЭ)

Защита диссертации состоится "_" _ 1994 г. в

_ часов на заседании диссертационного совета К 063.43.05 при

Казанском Государственном Техническом Университете им.А.Н.Туполева в зале заседаний ученого совета по адресу: Республика Татарстан, г.Казань, ул. К.Маркса, 10.

С диссертацией можно ознакомитьяся в библиотеке КГТУ. Ваши отзывы, заверенные печатью, в двух экземплярах просим выслать по адресу: 420111, Республика Татарстан, г.Казань, ул. К.Маркса, 10, КГТУ.

Автореферат разослан 'У^У " // 1994 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие

В.А.Козлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Роль автоматизированного электропривода в современном промышленном производстве исключительно велика. Новы-' шение технического уровня металлорежущих станков, дозаторов, роботов, манипуляторов, антенных, астрономических, цифропечатающих и других технологических устройств определяется совершенствованием и расширением функциональных возможностей устройств управления электроприводами.

Широкое распространение регулируемых, электроприводов в 60-х...90-х годах выявило в большинстве практических случаев трудности в реализации плавности вращения в области низких скоростей и широкого диапазона регулирования скорости. Реальные промышленные системы электропривода функционируют в условиях действия различных координатных и параметрических возмущений. Среди координатных воз--.{ущений - изменение нагрузки на валу двигателя, напряжения питающей сети, потока возбуждения, наличие упругостей и зазоров в механических передачах, изменения температуры окружающей среды. Параметрические возмущения обусловлены изменениями отдельных или группы параметров в процессе работы электропривода, к таким параметрам относятся: сопротивление якорной цепи двигателя вообще и сопрстив-аение коллекторно-щеточного контакта, в частности, коэффициенты /силения схемы управления. В связи с появлением новых технологий ргет: влияния нестационарности параметров устройств и объектов управления все время нарастает.

В области низких скоростей в условиях однонаправленности движения в значительной мере проявляется нелинейный характер нагрузки, эбусловленный силами трения. В системах малой мощности занимают гальшое место узлы трения, среди которых наиболее распространенны-т являются опоры трения скольжения и качения,зубчатые и винтовые шредачи. Узлы трения встречаются также в различных контактных [атчиках, коллекторно-щеточных узлах двигателей постоянного тока, 1 золотниковых устройствах автопилотов. Момент трения на холостом :оду механизма электропривода может составлять значительную вели-гину (более половины номинального момента пригодного двигателя, [апример в передачах "винт-гайка"), что приводит к значительному :нижению диапазона регулирования скорости, а также к снижению ¡ыстродействия электропривода в■нижней части диапазона регулирова-:ия, возникновению скачкообразного движения, и требует принятия специальных мер для компенсации указанного негативного влияния.

1

Поэтому научные и промышленные разработки направлены к тому, чтоС уменьшить воздействие трения на точность и устойчивость работ электропривода.

Сложность проблемы изучения влияния координатных и параметр! ческих возмущений на свойства электропривода заключается в тог что характеристики таких воз.мущений, как изменение момента натруг ки, изменение сопротивления коллекторно-щеточного контакта опред< ляются экспериментально в отдельных случаях, но нельзя математ! чески вычислить заранее. Характерным является тот факт, что сним.! емые в ходе эксперимента характеристики сильно зависят не толы от собственных свойств возмущений, но и от методики проведен] эксперимента.

Задача обеспечения заданных свойств объекта регулирования я: ляется одной из центральных в теории автоматического управлени: Функционирование реальной электромеханической системы в услови; действия на систему различных возмущающих воздействий, изменен параметров объекта управления, наличия нелинейностей вызывает н обходимость решения проблемы компенсаций этих воздействий - про лемы выбора такой структуры электропривода, при которой влиян произвольно изменяющихся внешних возмущений и собственных парше ров на режимы работы могут быть частично или полностью скомпенс рованы. Проблема компенсации этих воздействий в электропривс связана с неуклонным совершенствованием установок электромехан ческого преобразования энергии, качество работы которых в знач тельной степени определяется их динамическими возможностями.

Целью диссертации является создание устройства управле* электроприводом постоянного тока, обеспечивающего расширенный д* пазон регулирования скорости в сторону низких скоростей.

Задача научного исследования состоит в разработке и исследо! нш устройства управления разомкнутого по скорости шпуль снс электропривода с коллекторным двигателем постоянного тока, упр; ляемого способом двойной модуляции, при работе на нагрузку т! сухого трения.

Для решения указанной задачи в диссертации рассматриваю' следующие вопросы:

- создание математической модели, позволяющей анализиров, динамические и статические режимы электропривода постоянного т с коллекторным двигателем, управляемого от широтно-импульсн преобразователя, при работе на нагрузку типа сухого трения с у том теплофизических свойств коллекторно-щеточного контакта дви 2

теля;

- определение наиболее эффективных способов обеспечения расширения диапазона регулирования скорости электропривода в сторону низких скоростей;

- определение особенностей схемной реализации устройства управления электроприводом способом двойной модуляции и разработка инженерной методики его проектирования;

- решение задачи синтеза закона и устройства управления электроприводом способом двойной модуляции;

- экспериментальное исследование и доказательство возможности обеспечения стабильной работы и расширения диапазона регулирования скорости электропривода в области низких скоростей;

- разработка и внедрение в производство устройства управления электроприводом.

Основные методы исследования. При решении поставленных в работе задач использован следующей математический аппарат: методы общей теории дифференциальных уравнений с применением аппарата преобразования Лапласа и теории разностных уравнений, точные численные методы расчета на ЭВМ по линеаризованным математическим моделям и приближенные методы расчета Рунге-Кутта с применением ЭВМ. Экспериментальные исследования проводились на испытательном стенде и опытно-промотленкых образцах электроприводов антенных установок и весовых дозаторов.

Научная новизна исследований представлена следующими результатами:

- получены математические модели электропривода с широтно-импульсным управлением с учетом теплофизических свойств коллектор-но-щеточного контакта двигателя при работе на нагрузку типа сухого трения;

- показано, что при малых управляющих сигналах в электроприводе могут возникнуть электромеханические фрикционные автоколебания, вызванные нестационарностью сопротивления коллекторно-щеточного контакта;

- разработана математическая модель электропривода, управляемого способом двойной модуляции в области низких скоростей;

- теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что предлагаемое устройство управления электроприводом постоянного тока способом двойной модуляции.позволяет обеспечить расширение диапазона регулирования скорости в сторону низких скоростей;

- решена задача структурно-параметрического синтеза устройства

3

управления электроприводом способом двойной модуляции, связывающая параметры нагрузки электропривода с параметрами устройства управления.

Достоверность результатов работы, корректность выполненного анализа предложенных математических моделей объекта исследования подтверждены результатами расчетов на ЭВМ с использованием предложенных рабочих алгоритмов и программ, а также сравнением полученных результатов с экспериментальными.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- разработаны методики, алгоритмы и программы расчета статических и динамических режимов работы для оценки характеристик и показателей качества электропривода постоянного тока, управляемого от широтно-импульсного преобразователя, при работе на нагрузку типа сухого трения;

- разработано устройство управления электроприводом постоянного тока способом двойной модуляции, новизна и полезность которого подтверждена авторскими свидетельствами Госкомизобретений;

- получены практические рекомендации по применимости разработанного электропривода;

- разработана инженерная методика синтеза электропривода, управляемого способом двойной модуляции.

Внедрение результатов работы. В соответствии с конечными результатами, научными выводами и рекомендациями предложены и созданы на уровне изобретений, практически апробированы и внедрены образцы техники:

- система позиционирования антенной спутникового непосредственного телевизионного вешдния "Восток - Запад" в НПХТЦ "Интер-тап-Эласт" (г.Казань);

- весовой дозатор "Идегей" в ПО "Казанская кондитерская фабрика "Заря"";

- учебная лабораторная установка в лаборатории эле'ктроприводо: КГТУ им.А.Н.Туполева.

Материалы диссертационной работы использованы при проведении ' научно-технических и опытно-конструкторских работ.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывалис и обсуждались на научно-технических конференциях Казанского госу дарственного технического университета (КАИ) в 1985, 1986, 1987 1989, 1992, 1993 гг. (г.Казань); 1 Республиканском научно-техни ческом семинаре молодых ученых и специалистов "Актуальные вопрос использования достижений науки и техники в народном хозяйстве 4

г.Казань, май - июнь 1989 г.); Республиканской научно-технической ганференции КамАЗ - КамПИ "Наука - производству" (г.Набережные [елны, март 1990 г.); II Всесоюзной научно-технической конференции ю злектромеханотронике (г.Санкт-Петербург, октябрь 1991 г.); 12-й [аучно-технической конференции Казанского высшего военного команд-ю-инженерного училища ракетных войск им.маршала артиллерии I.Н.Чистякова (г.Казань, ноябрь 1991 г.); XIX Всероссийской моло-,ежной научно-технической конференции "Гагаринские чтения" в Мос-;овском авиационно-технологическом институте (г.Москва, апрель 993 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных ра->от, в том числе 2 авторских свидетельства СССР и получено положи-'ельное решение по заявке на патент Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, че-'ырех разделов и заключения, содержит 117 страниц машинописного 'екста, 6 таблиц, 54 рисунка, списка литературы, включающего 118 ;аименований на 13 страницах и 2 приложения на 5 страницах. Общий бьем работы составляет 195 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и сформулирована цель и юновные задачи диссертации, показана ее научная новизна и практическая ценность, дана информация по структуре, апробации, публика-¡иях и практическому использованию результатов диссертационной ра-юты.

В первом разделе диссертационной работы определены условия работы электроприводов постоянного то;<а в области низких скоростей. : настоящее время большая часть регулируемых электроприводов стройся на базе двигателей постоянного тока. Наличие в системе мно-;ества обратных связей по различным координатам приводит к повыше-;ию стоимости и снижению надежности работы электропривода, поэтому 'лектропривод разомкнутый по скорости находит широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. Однако разомкнутая струк-■ура не позволяет обеспечить высокие регулировочные свойства элек-•ропривода.

Определено, что основными факторами, влияющими на стабильную 1аботу электропривода в области низких скоростей является наличие юординатных и параметрических возмущений, среди которых - нели-чейность характеристики нагрузки, определяемой в области ниаких

5

скоростей силами трения и нестационарность сопротивления колл< торно-щеточного контакта двигателя постоянного тока.

Проведен анализ публикаций по вопросам применения электрощ водов, работающих на нагрузку типа сухого трения. При значителы электромагнитной инерционности электропривода наличие падающ* участка механической характеристики нагрузки Мс = при скорс тях близких к нулю может привести к попаданию рабочего режима 1 боты электропривода в область неустойчивости, когда Ь=$с/&а<-1, 1 Вс, зд - жесткости механических характеристик нагрузки и злектр( ривода. Это приводит к сужению диапазона регулирования скоро* электропривода и возможному возникновению электромеханичеа фрикционных автоколебаний типа ФАК1.

Экспериментально обнаружено, что фрикционные автоколебания 1 гут возникнуть в разомкнутом электроприводе, обладающем значите, ной механической инерционностью по сравнению с электромагнитной этих условиях причину возникновения автоколебаний следует искат: нестационарности сопротивления коллекторно-щеточного контакта; кие электромеханические фрикционные автоколебания определены автоколебания типа ФАК2.

Выявлено, что нестационарность сопротивления коллекторно-точного контакта обусловлена теплофизическими свойствами слоя литуры, располагаемой на^поверхности коллектора. Слой полит имеет сложный физико-химический состав, основой которого являе окисная пленка, представляющая собой слой закиси меди (СигО), ладающей полупроводниковыми свойствами. В интервале рабочих тек ратур температурный коэффициент сопротивления контакта (ТКС) колеблется в широких пределах и зависит в общем случае от темпе туры контакта, якорного тока и скорости относительного перемеще щетки и коллектора; характеристику ТКС ак = Г(Хк) можно аппрор мировать следующим образом:

, сск1 с о, гсРс < Хк < вСРС;

= | «к2 = о, 80°0 < Тк < 90°с;

акз -> О, 90°С < тк < 150°С,

где йК1, «к2> «кэ " значения ТКС контакта на характерных учас температурного диапазона.

Анализ публикаций по теории токопередачи коллекторно-щеточ) контакта двигателей постоянного тока показал, что некоторые го жения, относящееся к влиянию свойств коллекторно-щеточного кон' та на работу электропривода при наличии сухого трения, оста 6

неясными и по сегодняшний день.

Во втором разделе получены математические модели электропривода постоянного тока с коллекторным двигателем, управляемого от широтно-импульсного преобразователя, с учетом теплофизических свойств коллекторно-щеточного контакта при работе на нагрузку типа сухого трения.

При анализе динамических режимов работы электропривода постоянного тока были приняты следующие допущения: источник питания бесконечно большой мощности; магнитный поток машины Ф не зависит от нагрузки; момент инерции электропривода индуктивность ¿я якорной цепи - величины постоянные; соединение двигателя и исполнительного органа безлюфтовое с бесконечно большой жесткостью.

Физические закономерности электромеханических нестационарных процессов целесообразно устанавливать, используя кусочно-линейную аппроксимацию механической характеристики нагрузки. Аппроксимаци-онная функция ¡загрузки отображает четыре характерных участка: первый восходящий участок при ы = 0, когда Мс = М; падающий участок с отрицательной жесткостью механической характеристики нагрузки (бс1 < О); участок постоянного, независящего от скорости, момента сопротивления (вс'2 = О); второй восходящий участок с малой положительной жесткостью (ЗсЗ > 0).

На рис.1 приведена структурная схема разомкнутого электропривода постоянного тока с коллекторным двигателем с учетом нелиней-ностей характеристик трения и коллекторно-щеточного контакта.

Выявлено, что динамика электропривода, работающего на нагрузку типа сухого трения в области низких скоростей определяется теплофизическими процессами в коллекторно-щеточном контакте, при этом возможно движение в условиях "горячего" и "холодного" контактов.

"Горячий" контакт образуется в режиме стоянки двигателя■ под током при малых управляющих сигналах и характеризуется более высокой температурой по сравнению с температурой окружающей среды.

Выделяемая в контакте под действием протекающего якорного тока 1Я мощность частично переходит в медный коллектор и графитовую щетку, а частично аккумулируется в пространстве под щеткой (прогреваемый слой окисной пленки на поверхности коллектора). Слой окисной пленки, в котором происходит выделение тепла, толщиной 5 и площадью контактируемой поверхности щетки 5К граничит с более холодным слоем политуры.

На основе анализа тепловой модели коллекторно-щеточного кон-

7

кта получена нелинейная система уравнений, описывающая переход-\е процессы, фазовые и динамические характеристики электропривода и скорости ы = О. В нормальной форме Коши система имеет вид: С/1я 1

__ = - 1ид(Ь) - ¿яЛ?яо + <"?кнач(1 + «к ;

аЬ ¿я (2)

ейТк 1 о . /— Ям Ар

~Г = -г^я^кнач(1 + <*кЛтк)--К(- +--Л-

с/6 спГп5кб 2

ie Ufl(t) - импульсное напряжение питания двигателя: "дШ = ^п - 2X1 ft - TkiW +

+ 2x1 ft - TKJ - 2x1 ft - (1 + YK2)rKJ + ... + + 2x2f£ - mTKJ - 2*1[t - (m + Ткт+lJTrJ + ... + + 2x1 [t ~ nTK] - 2x1 [t - (n + Гкхх+t) TyJ; (3)

:tJ, ICt - XkiTyJ, ••• - единичные ступенчатые функции; t/n ~ амп-иуда напряжения питания; L3 - индуктивность якорной цепи двига->ля; AtK - превышение температуры контакта %к над начальной тем-фатурой окружающей среды хокр; /?яо и /?Кнач ~ сопротивления якор-m обмотки и контакта в момент подачи на двигатель напряжения пи-шия; теплофизические параметры коллекторно-щетечного контакта: ь сп - плотность и удельная теплоемкость контактной пленки, lm сол ~ толщины, аг, ам - коэффициенты теплоотдачи, \т> \и ~ козф-пщенты теплопроводности графитовой щетки и медного коллектора, ^ответственно.

В начале движения электропривода происходит сдвиг коллектора гносительно неподвижной щетки, и переход щетки с "горячего" кон-экта на "холодный". "Холодный" контакт характеризуется более низ-эй температурой под щеткой, равной температуре окружающей 'среды жр- При сходе щетки с "горячего" контакта температура под щеткой ринимается равной температуре "холодного" коллектора •Скол» кото-эя, в свою очередь, равна температуре окружающей среды хокр: tK = <ол = ^окр = const. При переходе щетки на "холодный" участок кол-эктора сопротивление якорной цепи существенно возрастает до вели-ины /?кнач вследствие увеличения сопротивления слоя окисной пленки при постоянной температуре вращающегося контакта его сопротивле-ие также остается постоянным: RK = const.

Полагая, что при низких скоростях вращения составляющая темпе-атуры xK(i), вызванная протеканием тока, пренебрежимо мала по равнению с составляющей температуры , вызванной изменением корости, принимаем, что переход щетки на "холодный" контакт соп-

9

ровождается снижением его температуры по линейному закону в свяе с изменением площади "горячего" контакта. Тогда система уравнений описываюшдя переходные процессы, фазовые и динамические характе ристики при движении электропривода в условиях "горячего" конта} та, и представленная в нормальной форме Коши, имеет следующий ви?

(<а я 1

{Цд - Свш - 1яС1?яа + /?кначП +

ёЬ ¿я + -

Яй'коЛ ёи 1

^к(о) ~ (^к(о) - Х'окрЖЛЛ ;

(М - Мсо ~ Всы.) ,

ёЪ J

где Се - коэффициент протиЕОЭдс двигателя; 1\ - ширина щетки ]

длине коллекторной окружности, с/Кол - диаметр коллектора. J - т

мент инерции электропривода; М - электромагнитный момент, развив;

емый двигателем; МСо - предельное значение момента трения покоя.

С учетом проведенной кусочно-линейной линеаризации механиче'

кой характеристики нагрузки исходная система уравнений электропр:

Еода при работе на "холодном" контакте при становится линейной,

дифференциальное уравнение относительно скорости двигателя ш

к-и участке аппроксимированной - характеристики трения записывает

следующим образом:

ёЧ ёы ЧцШ Мсо

ТмТя—^- + (Тм + ЬТц)- + (1 + Ь)и ----, (

С1¥- dt С'е 0Л

где Ты и Тя - электромеханическая и электромагнитная постоянн времени.

Решением уравнения (5) с учетом (3) в пределах линеаризованн го участка механической характеристики нагрузки является "да)

ш = -^- {1 _ [сь(м) + Сд1 БЬСи)]

Се (Ь + 1)

41 - [сЪ(П) + Сд2 зЪ(\Ъ)].е-0'Ъа1} +

Мсо

8с (Ь + 1)

*яСд4 .р.

+ {Ы(о) Ссп(и) + Сдз 5Ь(\Ь)3 + 1Я(о) —— зЫи)} е_0'5аЬ,

Се

1я(« - -- <1 ~ [сЬ(Ш + Сдб вЬ(П)] +

1?я (Ь+ 1)

м,

со

* ^Ы(о) где

а =

СА2

Сц(Ь + 1) С0

<1 - Гслао + Са? г^АШ е'°-5&ь} +

/?Я

Сдв эьау + 2'я(о) и + <?А5 эЬа^ > е"°'5аЧ

Саз =

(Тм + ЬТЯ) ТыТя

-- Сд1 + Сд4;

Зс

Л = уЬ,В5аг

Ь + 1

Тм^я

сдз = гсА1 - сА5; см =

7

Сд1

Вд

IX

= 0,5

а X

СА6

С-

Л 0С 4Л

Сд7 = £ЬСд1 + ЬСд4 - Сцл(0,г5а2

С'ав = ЬГСд! - ЬСд4 + - а + ■

г) - ЬСА1;

- X2; + Сд1; а2

4Л

Представление выражений для скорости и тока в гиперболической форме при описании апериодических динамических режимов позволяет легко осуществить переход к описанию колебательных динамических процессов. Для этого следует принять:

0,5 Г

x = ¿v; ,7

v =

(/48 - (в - Ь)'

(8)

•'м-' я

и преобразовать (6), (7) с помощью известных соотношений: сЪ(оч) = соз(у) и = ,7 51п(ч).

Показано, что при малых управляющих сигналах при учете,тепло-физических свойств коллекторно-щеточного контакта в области низких скоростей в электроприводе могут возникнуть электромеханические фрикционные автоколебания типа ФАК2, связанные с нестационарностью сопротивления контакта. Дано физическое и математическое описание указанного явления. Движение электропривода в режиме автоколебаний является прерывистым, а скорость принимает положительные и нулевые значения. Параметры автоколебательного режима типа ФАК2 существенно зависят от толщины слоя окисной пленки, причем, чем толще этот слой, тем ниже частота автоколебаний.

Определено, что в области низких скоростей нелинейная характеристика момента сухого трения с падающим участком является априор-

11

ной причиной неплавной работы электропривода, а наличие зоны нечувствительности и гистерезиса в регулировочной характеристике электропривода приводит к сужению диапазона регулирования скорости

Показано, что устранение зоны нечувствительности и гистерезиса в регулировочной характеристике электропривода можно осуществить за счет введения в электропривод колебательного или вибрационного воздействий, компенсирующих отрицательное влияние момента трения на режимы работы электропривода.

Третий раздел посвящен структурному синтезу устройства управления электроприводом способом двойной модуляции. Разработаны принципы построения электропривода, реализующего вибрационное управление способом двойной модуляции.

Устройство управления электроприводом постоянного тока способом двойной модуляции (рис.2), содержит блок формирования управляющих команд ВФКУ; модулятор вибрационных импульсов частоты Гв (частоты вибрации) МВИ; модулятор длительности импульсов коммутации ЭДИ1; генератор тактовых импульсов (импульсов коммутации) ГИ с частотой />.; импульсный усилитель мощности ИУМ; двигатель постоянного тока ДПТ и редуктор Р.

Модулятор МВИ в свою очередь состоит из функциональных преобразователей команды управления А'вх в команду А ПК1, в команду Е ПК2, в команду О ПКЗ и в частоту ПК4; модулятора длительности вибровозмущающих импульсов МДИ2; коммутатора КК команд Л и В.

На рис.3 показаны временные диаграммы, поясняющие принцип работы системы управления электроприводом постоянного тока с двойной модуляцией в вибрационном режиме.

Команды А, В к О и частота ¿в предназначены для формирования управляющего и вибровозмущающего воздействий для реализации принципа управления способом двойной модуляции.

Коммутатор КК формирует импульсный с частотой ГЕ сигнал управления С, представляющий собой либо сигнал А "во время действия импульса низкой частоты напряжения ив, либо сигнал В во время паузы:

/А, 1ГЕ < 6 < 2ГВ +

С = { (9)

В, Лв + ¿ие1 < Ь < (1+1)Тъ.

На выходе модулятора ЫЩ1 формируется последовательность импульсов напряжения управления и$, с частотой коммутации Гк и относительной длительностью импульсов Тк- Относительная длительностг импульсов Тк в 1+1-ом низкочастотном периоде 7'в определяется в соответствии с изменением сигнала С (9) и пропорциональна либо вели-12

Ëi

л4 sä

«а

о I eu"

О

I Mi,

Ltl

0. M

ea

и

и

! t

Eli

,ep

w Ч1

l i ë íü

S

U

J

V3

и

s

ше сигнала А во время импульса напряжения ив, либо - величине 1гнала В во время паузы напряжения ив:

, ( ТкА = ¿иА / Тк> 2Гб < t < 1ТВ + ¿ивх;

Гк1 = { (10)

V ГкВ = £иВ / тк> + ЬШ1 < t < (1+1)Тв,

¿ид, ¿ив ~ длительности импульсов коммутации напряжения ид, ютветствующие импульсу и паузе напряжения ив-

Выходное напряжение модулятора ЩИ1 иу предназначено для уп-звления импульсным усилителем мощности ИУМ, осуществляющим сим-этричный алгоритм коммутации силовых ключей. На выходе усилителя эщности формируется последовательность импульсов напряжения ид, ад действием которых двигатель вращается в соответствии с величи-эй управляющего сигнала. Напряжение ид содержит низкочастотную иброЕозмупрощую составляющую, которая определяется величиной реднего за период Тк напряжения идсрв в i-ом периоде Гв низкочас-отных импульсов. В результате такого питания мгновенная скорость Еигателя м принимает как положительные, так и нулевые значения, а гловое 9 (или линейное к) перемещение исполнительного органа лектропривода осуществляется поступательно и однояалравленно.

Регулировочная характеристика широтно-импульсного.преобразова-'еля, осуществляющего симметричный алгоритм коммутации, с учетом ^9) и (10) принимает вид:

идсрв = идАГв + UrB(1 - Гл) =

= [(2ХкА - 2)Тв + ('2ТкВ - 1)(1 - Гз)М„. (11)

Согласно (11) регулирование скорости wCd необходимо осущест-злять величинами ТкА» ТкВ> tus и ?в> обеспечив их программную реа-шзацию при помощи функциональных преобразователей ПК1...ПК4. Ана-шв выражения (11) показал, что для регулирования скорости модулятор МВИ может осуществлять следующие виды модуляции входного сиг-зала Хвх- широтно-импульсную модуляцию, частотно-импульсную моду-аяцию, амплитудно-импульсную модуляцию.

Таким образом, термин "двойная модуляция" связан с тем, что управляющий сигнал подвергается модулированию дважды: во-первых, модулятором МВИ с широтно-импульсной либо с амплит-удно-импульсной модуляцией на частоте fB; во-вторых, модулятором МДИ1, осуществляющим широтно-импульсную модуляцию на частоте коммутации fK.

Определено, что плавность регулирования при помощи частотно-импульсной и амплитудно-импульсной модуляций определяется количеством импульсов частоты коммутации, укладывающихся в один период

15

вибровозмуирощего импульса. Наибольшую плавность регулирован предлагаемый способ управления позволяет получить при помощи ам литудно-импульсной модуляции управляющего сигнала.

Четвертый раздел посвящен параметрическому синтезу закона у равления способом двойной модуляции, экспериментальным исследов ниям и внедрению предлагаемого устройства. Разработана методи параметрического синтеза закона управления электроприводом спос бом двойной модуляции. Получены алгоритмы расчета динамических статических характеристик электропривода. Приводятся результа теоретических исследований динамических и квазиустановившихся р жимов работы электропривода и результаты экспериментальных иссл дований на физических объектах: испытательном стенде, а также базе внедренных образцов техники.

Проведенные экспериментальные исследования на физическом об екте и на ЭВМ позволили решить задачу синтеза электропривода, у равляемого способом двойной модуляции - определить параметры схе и закона управления электроприводом ткА> ТкВ> ¿ив и ГЕ, связав с параметрами нагрузки: предельным моментом трения покоя Мсо жесткостью механической характеристики . нагрузки Вс- Произведе необходимые измерения средней скорости шСр. пульсаций тока яке двигателя А1П, мгновенной скорости электропривода Да и оценен ди пазон регулирования Д. Предлагаемый способ и устройство упразлен позволили расширить диапазон регулирования скорости электропривс без обратных связей по скорости и току якоря двигателя в сторс низких скоростей с Д = 50 до Д = 286 при 50%-й нестабильности сн рости. Получены регулировочные, энергетические характерней электропривода, управляемого способом двойной модуляции.

Экспериментальные исследования подтвердили работоспособное предлагаемого способа управления электроприводом - способа двош-модуляции. Подтверждено, что разработанный математический аппар исследования электропривода, работающего на нагрузку типа сухс трения адекватно отражает процессы, происходящие в электроприво; и обеспечивает высокую точность расчета характеристик электрощ вода.

Даны рекомендации по проектированию устройств управления } электроприводов с широким диапазоном регулирования скорост! предложены варианты практического применения устройств управле! способом двойной модуляции. Результаты работы внедрены на д] предприятиях г.Казани и в учебном процессе вуза.

16

В приложениях приведены обоснование принадлежности управления способом двойной модуляции к вибрационному классу и акты о внедрении результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБ 0*Т Ы

Основное научное содержание работы заключается в создании и исследовании электропривода постоянного тока, управляемого способом обычной широтно-импульсной модуляции и способом двойной модуляции. В отличие от ранее проведенных исследований решена задача углубленного анализа физических процессов при работе электропривода постоянного тока в области низких скоростей на нагрузку типа зухого трения с учетом нестационарности сопротивления коллектор-но-щеточного контакта. Созданные макетные и опытно-промышленные образцы устройства управления электроприводами способом двойной модуляции позволяют обеспечить выполнение поставленной цели - расширение диапазона регулирования скорости в сторону низких скоростей. Результаты работы состоят в следующем:

1. Разработаны математические модели электропривода постоянного тока с широтно-импульсным управлением с учетом теплофизических свойств колдекторно-щеточного контакта двигателя при работе на нагрузку типа сухого трения.

2. Получены алгоритмы и программы расчета динамических и ..статических режимов работы электропривода, позволяющие решать задачи анализа работы электропривода и параметрического синтеза устройства управления электроприводом постоянного тока.

3. Выявлено, что при малых управляющих сигналах в электроприводе могут возникнуть электромеханические фрикционные автоколебания, вызванные теплофизическими свойствами коллекторно-щеточного контакта. Дано физическое и математическое описание указанного типа автоколебаний.

4. Разработана инженерная методика анализа и структурно-параметрического синтеза устройства управления электроприводом способом деойной модуляции, связывающая параметры нагрузки электропривода с параметрами устройства управления. Даны рекомендации по проектированию устройств управления для электроприводов с широким диапазоном регулирования скорости.

5. Проведенные экспериментальные\ исследования подтвердили работоспособность предлагаемого способа управления электроприводом -

1?

способа двойной модуляции. Экспериментально подтверждено, что раз' работанный математический аппарат исследования электропривода, ра ботающего на нагрузку типа сухого трения адекватно отражает про цессы, происходящее в электроприводе, и обеспечивает высокую точ ность расчета характеристик электропривода.

6. Принцип управления способом двойной модуляции возможно осу ществлять на основе амплитудной, широтно-импульсной и частотно модуляции управляющего сигнала. Наибольшую плавность регулировали предлагаемый способ управления позволяет получить при помощи амп литудно-импульсной модуляции управляющего сигнала.

7. Теоретически обосновано и экспериментально подтвержден что предлагаемое устройство управления электроприводом постоянног тока способом двойной модуляции . позволяет обеспечить расширен» диапазона регулирования скорости в сторону низких скоростей путе компенсации отрицательного влияния сухого трения на регулировочнь свойства электропривода. Схемная реализация устройства управлеш электроприводом подтверждена авторскими свидетельствами.

8. Результаты работы внедрены на двух предприятиях г.Казани в учебном процессе КГТУ им.А.Н.Туполева. Опыт, полученный в пр< цессе эксплуатации опытно-промышленных образцов устройств управл* ния электроприводом, позволил скорректировать требования к пред® женкому способу управления для организации серийного производст: промышленных образцов электроприводов.

9. Перспективным считается факт возможной установки предлага йога устройства в разработанные ранее электроприводы, не обеспеч вагащие высокие точностные показатели, что позволит расширить функциональные возможности.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Мастюков Ч.Н., Салимов Р.И. Исследование динамичесих харе теристик электропривода с дифференциальным механизмом // Система элементы электрооборудования летательных аппаратов: Ыежвуз.с( Казань: Казак.авиац.ин-т, 1987.- С. 46-50.

Z. A.c. СССР N1470155. Электропривод постоянного тока / Ч Мастюков, P.M.Салимов, 1987,- 4 с.

3. Салимов Р.И., Мастюков Ч.И. О способе включения тахогене] тора постоянного тока в схему электропривода // Актуальные вопр' использования достижений науки и техники в народном хозяйст 18

Гез.докл. 1-го Республиканского науч.-техн.семинара молодых ученых 1 специалистов.-Казань, Казан.авиац.ин-т, 1989.- С. 12.

4. A.c. СССР N 1667594. Электропривод постоянного тока / Ч.И. . ¿астюков, Р.И.Салимов, 1989.- 4 с.

5. Мастюков Ч.И., Мещанов A.C., Салимов Р.И. Система с переменной структурой в задаче инвариантной к неопределенным возмуще-шям стабилизации скорости двигателя постоянного тока. // Наука -фоизводству: Тез.докл.Республиканской науч.-техн. конф. КамАЗ -(амПИ. - Набережные Челны - КамПИ, 1990.- С. 132.

6. Мастюков Ч.И., Салимов Р.И., Хуснутдинов И.Р. Исследование злектропривода постоянного тока о импульсным управлением и датчи-сом обратной связи по скорости и моменту на валу исполнительного *вигателя // Электрооборудование летательных аппаратов: Межвуз.сб.

• Казань, Казан.авиац.ин-т, 1990.- С.57-61.

7. Салимов Р.И., Мастюков Ч.И. Цифровой электропривод постоян-юго тока с двойной широтно-импульсной модуляцией. Положительное эешение от 28.01.1994 г. о выдаче патента по заявке N5054977/07 [024809) от 22.05.1992 Г.

8. Кафиатуллин Р.Х., Салимов Р.И. Весовой автоматический доза-гор "ЩЕГЕЙ" / Научный потенциал вузов - программе "Конверсия". Гез.докл.науч.-техн.конф,- Казань, Казан.гос.техн. ун-т,1993.-С.41.

9. Салимов Р.И., Терещук B.C., Мастюков Ч.И. Применение способа двойней НИМ для управления автоматизированными электроприводами лалой и средней мощности / Научный потенциад вузов - программе "Конверсия". Тез.докл.науч.-техн.конф.- Казань, Казан.гос.техн. /н-т, 1993.- С. 68.

10. Терещук B.C., Мастюков Ч.И., Салимов Р.И., Капустин Г.П., 3язанов В.И. Система позиционирования антенны спутникового непос-эедственного телевизионного вещания "Восток - Запад" / Научный потенциал вузов - программе "Конверсия". Тез.докл.науч.-техн. конф,-<азань, Казан.гос.техн.ун-т, 1993.- С. 77.

11. Салимов Р.И. К вопросу обеспечения технологических требований параметров движения электропривода робототехнического сборочного оборудования / XIX Гагаринские чтения. Тез.докл. молодежной науч.-техн. конф.- М.: МАТИ, 1993. Ч.2.- С. 49,50.

12. Салимов Р.И., Мастюков, Ч.И., Терещук B.C. Об управлении микроэлектроприводом постоянного тока в области низких скоростей способом двойной широтно-импульсной модуляции //Электротехнические устройства и системы летательных аппаратов: Межвуз. сб.- Казань,

19

Казан.гос.техн.ун-т, 1994.- С. 45-54.

13. Салимов Р.И. Цифровой модулятор ширины импульсов для ус5 ройства управления двигателем постоянного тока //Электротехничес кие устройства и системы летательных аппаратов: Межвуз. сб.- Кг зань, Казан.гос.техн.ун-т, 1994.- С. 54-61.

Формат 60x84 1/16. Бумага Печать офсетная. Печ.л.1,25. Усл.печ.л. 1,16. Усл.кр.-отт.1,16. Уч.-изд.л.1,0. _Тираж 100. Заказ Вй^с'^'У'бУрр_

Казанский государственный технический университет

им.А.Н.Туполева Ротапринт Казанского государственного технического университета им.А.Н.Туполева 420111, Казань, К.Маркса, 10