Квазиоптимизация быстродействия при управлении позиционированием шагового двигателя

Актуальность темы

Шаговый двигатель (ШД) является одним из наиболее эффективных и перспективных видов электрических машин, которые позволяют добиться высокой точности позиционирования и повторяемости перемещений, что обусловливает его широкое применение в системах автоматического управления (САУ) перемещением исполнительного органа. В задачах, связанных с позиционированием, к исполнительному устройству системы управления предъявляются требования по двум важнейшим технологическим показателям: по точности и, но времени выполнения задания.

Точность позиционирования ШД является основным технологическим требованием для САУ позиционированием исполнительного устройства, но для ШД она определяется в наибольшей степени конструктивным его исполнением, и повышение точности — задача для конструкторов двигателей и технологов, их изготавливающих. Увеличение точности позиционирования, привода может быть достигнуто и системно — с помощью организации микрошагового режима работы (дробных шагов) ШД. Но для этого требуется более сложная система управления и большие затраты времени на перемещение по сравнению с полношаговым режимом работы.

Быстродействие же, как показали проведённые в работе исследования динамических характеристик шагового двигателя, зависит не только от конструкции, но и от способа формирования управления. При этом быстродействие исполнительного устройства во многом определяет производительность технической системы (например, при механической, лазерной обработке и т. п.). Производительность является важным экономическим показателем и её повышение всегда желательно. Следует заметить, что конструкции современных электрических машин имеют параметры, близкие к предельным по технологическим возможностям изготовления. Поэтому центр тяжести перспективных исследований следует перенести на повышение быстродействия шаговых двигателей системными методами, то есть с помощью управления.

Такие системные решения сопровождаются неизбежным повышением интенсивности воздействия, что приводит к повышенной колебательности ротора и стимулирует увеличение динамических ошибок. Это ориентирует на поиск компромисса между динамической ошибкой позиционирования ШД и его быстродействием. Следовательно, как задача повышения собственно быстродействия1 шагового двигателя, так и задача снижения динамической ошибки при его позиционировании (в первую очередь, подавление колебаний) представляет большой интерес, как для научного исследования, так и для практического внедрения.

Из сказанного можно сделать вывод об актуальности темы защищаемой диссертации.

Цель и основные задачи диссертационной работы. Основной целыо настоящей диссертации является разработка и исследование методов системного повышения быстродействия шагового двигателя за счёт обоснованного выбора специальной формы управления и его параметров. В связи с этим диссертационным исследованием предусмотрено решение следующих научных задач:

1) разработка математической модели (ММ) шагового двигателя, ориентированной на описание обобщённой машины, а также па полное исследование его динамических свойств, что должно помочь снизить нагрузку на экспериментальную часть работы с реальным двигателем;

2) разработка методики идентификации построенной модели на основе экспериментального сравнения её свойств с поведением реального ШД;

3) на основе анализа общей ММ ШД и результатов его натурных испытаний натурных испытаний синтезировать структуру закона управления, обеспечивающего существенное повышение быстродействия этого типа двигателей;

1 Здесь и далее в работе под термином «быстродействие» шаювого двигателя понимается оценка времени движения ротора шагового двигателя на один шаг при нулевой начальной скорости и допустимой ошибке 5%.

4) разработать, обосновать и реализовать на примере реального ШД методику параметрической оптимизации синтезированного закона управления;

5) проверить разработанные методики и уточнить результаты диссертационных исследований на реальном шаговом двигателе;

6) для корректного выполнения практической части диссертациии разработать и реализовать испытательную установку для оценки динамических характеристик ШД и результатов управления им.

Существенные научные результаты, полученные в диссертации.

1) Разработана структурно-адекватная нелинейная математическая модель шагового двигателя, которая учитывает основные законы протекания электромеханических процессов, как в электрической машине, так и в электронном управляющем устройстве, что обусловливает её пригодность для исследования свойств ШД в любых переходных режимах, в том числе и критических;

2) Разработана методика экспериментально-статистической идентификации аналитической модели с оптимизацией точностных оценок её решения, что позволяет получать и структурно, и параметрически функционально адекватную исследованному ШД математическую модель и переносить, при необходимости, центр тяжести исследований ШД с реальных электрических машин на их математические модели;

3) Обоснована и исследована векторная структура и импульсная форма управления, обеспечивающая повышенное быстродействие шаговых переходных процессов в ШД и снижение степени их колебательности;

4) Теоретически разработана, обоснована, а также экспериментально подтверждена методика оптимизации предложенного в работе векторного закона управления позиционированием ротора шагового двигателя;

5) Проведена экспериментальная проверка разработанных методик на примере оптимизации быстродействия шагового двигателя с постоянными магнитами на специально разработанной для исследований испытательной установке;

6) Основным общим научным результатом диссертационного исследования следует считать научно-экспериментально-аналитическую методику исследования свойств шаговых двигателей и нахождения для них оптимальных или квазиоптимальных законов управления.

Научная новизна результатов диссертации определяется следующими отличительными признаками:

1) разработанная существенно нелинейная математическая модель шагового двигателя, в отличие от существующих и рекомендуемых в литературе к использованию, построена на основе минимальных допущений и упрощений, а, поэтому, структурно и параметрически учитывает как основные особенности шагового двигателя, так и работу выходного каскада электронной системы управления, что делает её пригодной для модельно-имитационного решения практических задач;

2) методика идентификация математической модели шагового двигателя по основным параметрам предложена, статистически обоснована и практически реализована насколько можно судить, но литературным источникам, впервые;

3) аналоги решений по управлению шаговым двигателем двухвходо-выми воздействиями регулярной формы, дающими, согласно проведённому исследованию, не менее, чем двух кратный выигрыш по быстродействию, не обнаружены;

4) методика оптимизации быстродействия шаговых переходных процессов ротора ШД разработана, аналитически обоснована и экспериментально подтверждена для впервые предложенной формы управляющего воздействия, что подтверждает её оригинальность;

5) реализовано системное (за счёт формы и параметров управления) повышение быстродействия реального ШД примерно в 2 раза, и получен практически апериодический (с незначительным перерегулированием) характер перемещения ротора шагового двигателя.

Методы исследования. В работе использованы методы физики электромагнитных процессов, теоретической электротехники, классической теории управления, теории планирования и статистической обработки результатов экспериментов, теории оптимизации, а также современные методы математического анализа.

Достоверность результатов исследования определяется использованием фундаментальных законов и моделей электромагнитных явлений, проверенных многолетней научно-технической практикой методов планирования экспериментов, традиционных и многократно апробированных статистических критериев, признанных пакетов программ MALAB и Maple, а также натурными исследованиями реальных образцов шаговых двигателей и схем управления на специально разработанной испытательной установке.

Практическая значимость результатов диссертации. Предложенное в работе решение по организации квазиоптимальиого по быстродействию управления шаговым двигателем обеспечивает улучшение динамики работы привода на его основе за счёт динамического эффективного подавления колебаний ротора и снижения времени его позиционирования. Этот результат позволяет разработать модифицированный регулятор и систему настройки электронной системы управления, обеспечивающую более эффективную работу привода на основе шагового двигателя, с повышением его приёмистости.

Разработанная и обоснованная в диссертации методика исследования динамических характеристик шагового двигателя и синтеза закона квазиоптимальиого управления им применима к широкому классу шаговых и синхронных двигателей. Поэтому эта методика может быть рекомендована для внедрения в научно-исследовательские и проектные институты и конструкторские бюро соответствующего профиля.

1. Бурский Д. Э., Зохорович Л. Е., Хвостов В. Электрические машины. 2-е изд. М.: Высш. шк., 1987 г.

2. Копылов И. П. Электрические машины. 3-е изд. М.: Выси), шк., 2002 г.

3. Конылов И. П. Математическое моделирование электрических машин. 3-е изд. М.: Высш. шк., 2002 г.

4. Карпенко Б. К., Ларчеико В. И., Прокофьев 10. А. Шаговые электродвигатели. Киев: Изд. «Техника» 1972 г. -216 стр. 5. Штёлтинг Г., Байссе А. Электрические мнкромашины: перевод с пемецкого М.: Энергоатомиздат, 1991 г. 229 стр.

5. Кенно Т. Шаговые двнгатели и их мнкронроцессорные системы унравления: перевод с английского. М.: Энергоатомиздат, 1987.-200 стр.

6. Карнаухов Н. Ф. Электромеханические н мехатронные системы. Ростов-иа-Дону: изд. «Фе1шкс» 2006 г. 319 стр.

7. Ратмиров В. А. Шаговый привод в стайках с программным унравлением. М. 1971 г.

8. Ильинский Н. Ф. Основы электропривода. 2-е изд. М.: Московский энергетический институт. 2003 г. 220 стр.

9. Беспалов В. Я. Электрические машииы. М.: изд. «Академия», 2006 г. -312 стр.

10. Москаленко В. В. Электрический нривод. М.: Выснь HIK. 2000 г. -368 стр.

11. Чилихин М. Г., Ивоботенко Б. А., Рубцов В. И., и др. Аиализ н синтез силового шагового элекгроирнпода. Апгомагнзпроианный олскгронрииод к нромын1лсн11осгн. CG. тр. № 5 Всесоюзной конференции, но автоматизированному электронрнводу. 1971 г.

12. Электротехнический справоч1Н1к. В 3-х т. Том 3 книга 2 Использование электрической энергии. Под ред. Орлова М. И. 7-е изданне М.: Энергоатомиздат, 1988 г.

13. Нейман Л. Р. и Демирчаи К. Теоретические основы электротехники. Л.:"Энергия". 1967 г.

14. Редико Л. Раз шажок, два шажок…// Схемо7ехи1Н (а М№ 6−11 2001г. 16. Пей Ан. Сопряжение ПК с вненгними устройствами. Пер. е англ. Мерещука П. В. 2-е изд., стер. М.: ДМК Пресс СПб.: Питер, 2004. 320 стр., ил.

15. Готлиб И. М. Источники питання. Инверторы, конверторы, линейные н импульсные стабилизаторы: перевод с англнйског о. М.: Постмаркет, 2002 г. -544 стр.

16. Infineon: транзисторы S-IGBT, интеллектуальные ключн и мостовые драйверы. М.: Изд. «Додека-ХХ1», 2003 г.

17. Тугов П. М., Федоров Д. Каталог, но нримсне1Н1ю нолевых транзисторов. Малое научно-внедренческое предприятие «СИНАПС». Донецк. 1992 г.

18. Каталог продукции Московского электромеханического завода № 1 1984 г.

19. Постников Н. М. Проектирование электрических машин. Киев. 1952 г.

20. Воронин П. А. Силовые полупроводниковые ключи.- М.: Изд."Додэка-ХХ1″, 2001 г.

21. Мищенко К. П., Равдель А. А. Практические работы ио физической химии. Л., 1967 г., 348 стр.

22. Электронный каталог фирмы Siemens СА 01/2.

23. Catalog СА 01 Siemens Automation and Drives Offline MALL.

24. Техническое описание преобразователей частоты серии MICROMASTER. Siemens DA 64−1998/99(04/99).

25. Титце У., Шенк К. Полунроводниковая схемотехника. М. Мир, 1982 г.

26. Пухальский Г. Н., Новосельцева Т. Я. Нроектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах. Справочник. М. Радио и связь, 1990 г. 304 стр.

27. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. М. Мир, 1993 г.

28. Microchip Technology Inc. PICI6F87X Data Sheet 28/40-Pin 8-Blt CMOS FLASH Microcontrollers (DS30292C) 2001. 31. Фёдоров Б. Г., Телен В. А., Дяпсренко В. Н. Микроэлектронные цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи. М. Радио и связь, 1984г- 120 стр.

29. Волович Г. И., Ежов В. Б., и др. Микросхемы АЦП и ЦАП. Справочник. М.: Изд. «Додэка XXI», 2005 г. 432 стр.

30. Ахназарова Л., Кафаров В. П. Оптимизация эксперимента в химической техпологии. М. 1987 г.

31. Вентцель Е. Теория вероятностей. М.: Высш. шк., 1998 г.

32. Вентцель Е. С, Овчаров Л. А. Теория случа1! пых процессов и сё инженерные ириложения. М.: Высш. шк., 2000 г. -383 стр.

34. Адлер Ю. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В. Планирова1гие эксперимента при поиске оптимальных условий. М. 1976 г.

35. Растригип Л. А. Системы экстремального управлепия., М.- Изд-во «Наука», 1974, 632 стр

36. Нейдорф Р. А., Соловей Н. Инженерные методы синтеза автоматических систем управлепия. Ухта: УГТУ, Ростов-на-Дону: РГАСХМ, 2004 г. -255с., ил.

37. Воронов А. А. Теория автоматического уиравлепия. В 2-х ч. М.: Выси1. ии<., 1986.

38. Поптрягип Л. С, Болтяиский В. Г. и др. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Изд. «Наука» 1969 г.

39. Application notes AN532 Servo Control of a DC-Brush Motor. Microchip Technology Inc., 1997.

40. Application notes AN696 PIC18CXXX/PIC16CXXX DC Servomotor Application. Microchip Technology Inc., 2000. 44. B. Жданкин. Поворотные шифраторы: основные типы и некоторые особенностн применения. Компоненты и технологии, NiS 2001 г. стр. 90…96.

41. Каталог электрических двигателей фирмы Delta Precision Motors Ltd. A2I, 4/F Shcung Shui Plaza 3 Ka Fu Close Sheung Shui, N. T -1 long Kong, www.dpmotor.com.

42. Френк Дж. Бартос. Выбор замкнутого контура шагового привода. Control Engineering № 10 2005 г.

43. Выгородский М. Я. Справочник ио высшей математике. М.1965 г. 872 стр.

44. Авернлл М., Лоу А. Имитационное моделирование. Классика CS. 3-е изд. Питер, Киев. Издательская грунна BHV. 2004 г. 847 стр.

45. Microchip Technology Inc. PIC16F7X7 Data Sheet (DS30498C) 28/40/44-Pin, 8-Bit CMOS Flash Microcontrollers with 10-Bit A/D and nanoWatt Technology. 30498c.pdf. 2004.