Исследование вентильных двигателей со статической коррекцией характеристик для электроприводов малой мощности

Электропривод является неотъемлемой частью многих агрегатов и комплексов, используемых в различных отраслях науки и техники. В качестве бесконтактного электропривода малой мощности (до 1 кВт) широко используется электропривод с вентильным двигателем [92, 100].

Электропривод с вентильным двигателем применяется в системах автоматического управления с повышенными требованиями к надёжности и сроку службы, в особенности в тяжёлых условиях эксплуатации, например, в бортовых следящих системах и системах угловой стабилизации высокой точности, системах регулирования скорости с большим диапазоном, имеющих высокий темп пусков, остановок и реверса, намоточных механизмах мотального автомата, космической и авиационной технике, автомобильном машиностроении, биомедицинской аппаратуре, бытовой технике и т. д. [2, 4, 6, 8,43, 53, 58, 77, 79, 85, 90, 101].

Этот тип привода с вентильным двигателем малой мощности является сейчас одним из самых перспективных, что объясняется его высокой перегрузочной способностью, большой гибкостью и многофункциональностью, программируемостью, возможностью построения высококачественных систем управления, хорошими регулировочными свойствами, разнообразием конструкций и схем построения, бесконтактностью, возможностью работы в тяжёлых условиях эксплуатации, большим сроком службы и высокой надёжностью.

В области теории и разработки электроприводов видное место занимают работы учёных: А. Ю. Афанасьева, Ю. А. Борцова, С. В. Демидова, Н. Ф. Ильинского, С. А. Ковчина, Н. И. Лебедева, А. Г. Микерова, Б. В. Новосёлова, А. Д. Поздеева, В. В. Рудакова, Ю. А. Сабинина,.

А.А.Сиротина, Г. Г. Соколовского, В. М. Терехова, М. Г. Чиликина и др. [1, 4, 6,12,13,40,51,78, 75,76, 84].

На использование электроприводов с вентильными двигателями малой мощности в следящих системах и возможность замыкания обратных связей по скорости, положению и току в различных системах координат оказывают большое влияние основные узлы вентильного двигателя малой мощности, в особенности усилительно-преобразовательное устройство, которое приводит к запаздыванию выходных сигналов вентильного двигателя и всего электропривода относительно входных. Для устранения этого влияния необходимо использовать различные схемы статической коррекции. Это и определило основное направление настоящей диссертационной работы.

Диссертационная работа состоит из введения и пяти глав, краткий обзор содержания которых приведён ниже.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5.

L Экспериментальная установка, созданная для исследования электромеханических и электромеханотронных преобразователей малой мощности с аналоговым и микропроцессорным управлением, содержит синхронный электромеханический преобразователь, датчик положения ротора, линейный усилитель мощности, блок управления, микроконтроллер, индукционный тормоз, тахогенератор, персональный компьютер, вторичные источники питания. Стенд работает в двух режимах управления: аналоговом и микропроцессорном. Максимальная механическая мощность на валу вентильного двигателя составляет 11 Вт.

2. Измерения, проведенные на этой установке, позволили уточнить следующие параметры вентильного двигателя: значения коэффициентов ЭДС и момента (Cjf= 0,085 Вс/рад, С#=См), фазные сопротивления (7^Ф=16,6 Ом), коэффициенты передачи и постоянная времени УПУ (Ку=4, Ту=3 мс), зоны линейности усилителя мощности (до амплитуды фазного напряжения 25 В), амплитуды и частоты помех (2 В и 25 132 1/с), начальный угол выставки датчика положения ротора (0о=О, т. е. настройка нейтральная).

3. Показано, что при близких значениях постоянной времени усилительно-преобразовательного устройства ('/у=3,2 мс при аналоговом управлении и Гу=3,3 мс при микропроцессорном управлении) регулировочные характеристики по скорости и току практически совпадают. При этом не обнаружено существенного влияния на характеристики.

Ill электромагнитной постоянной времени (7ф=0,05 мс) и квантования по уровню 8-разрядного АЦП микроконтроллера.

4. Установлено, что основным фактором, влияющим на статические характеристики, в данном случае является запаздывание в электронной части вентильного двигателя. Например, при минимально достигнутой в эксперименте постоянной времени УПУ 2У=3 мс параметры двигателя по сравнению с паспортными значениями, определенными для идеализированного вентильного двигателя при амплитуде фазного напряжения 25 В, существенно ухудшаются:

— скорость холостого хода снижается в 4,4 раза с 317 1/с до 71,3 1/с;

— ток холостого хода возрастает в 22 раз с 0,1 А до 2,2 А;

— максимальная механическая мощность на валу падает в 4,9 раз с 11 Вт до.

2,25 Вт.

Это подтверждает целесообразность введения схемы статической коррекции.

5. Экспериментальные регулировочные и механические характеристики, снятые в диапазоне амплитуд фазных напряжений от 4 В до 25 В, при изменении постоянной времени УПУ в пределах от Гу=3 мс до 7″ у=6,5 мс при аналоговом и микропроцессорном управлении близки аналогичным характеристикам, полученным на нелинейной модели в пакете MATLAB. Максимальное расхождение характеристик не превышает 10%. Совпадают также и формы фазных напряжений в линейной и нелинейной зонах. Все это подтверждает адекватность созданной в диссертационной работе нелинейной компьютерной модели вентильного двигателя малой мощности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основные научные результаты, полученные в диссертационной работе, можно сформулировать следующим образом:

1. Проанализированы основные особенности вентильных двигателей малой мощности в составе электропривода с аналоговым и микропроцессорным управлением и показано влияние параметров основных узлов вентильного двигателя в составе электропривода на его характеристики.

2. Установлено влияние запаздывания на характеристики электропривода, обусловленное усилительно-преобразовательным устройством. Проведён анализ способов улучшения характеристик.

3. Выполнен обзор и анализ математических моделей вентильного двигателя, учитывающих влияние запаздываний, обусловленных постоянной времени усилительно-преобразовательного устройства и электромагнитной постоянной времени. Выбрана модель вентильного двигателя в неподвижной системе координат а, р.

4. Выполнен анализ существующих пакетов прикладных программ для моделирования и математического расчёта электроприводов с вентильными двигателями малой мощности и выбран пакет MATLAB, как наиболее подходящий для решения поставленных задач.

5. Составлена математическая модель нескорректированного вентильного двигателя без учёта влияния постоянной времени усилительно-преобразовательного устройства в подвижной системе координат d, q. Разработана модель в пакете MATLAB, и программа для решения системы дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутта на языке Pascal. Установлена идентичность решений на модели и путем программирования. Для дальнейшего исследования был выбран пакет MATLAB, как более удобный и обладающий большими информационными возможностями.

6. Созданы полная математическая и компьютерная модели вентильного двигателя в неподвижной системе координат а, Р с учётом влияния постоянной времени усилительно-преобразовательного устройства, электромагнитной постоянной времени, насыщения усилителей мощности, высокочастотной помехи и сухого трения.

7. Выбраны алгоритм и структура схемы статической коррекции в подвижной системе координат, и проанализирована эффективность её работы в уменьшении нелинейности статических характеристик, повышении мощности и экономичности двигателя. Рассмотрены различных варианты упрощения алгоритмов статический коррекции. Проведен анализ влияния факторов нелинейности на работу полного и упрощенных алгоритмов коррекции и сформулированы рекомендации по обеспечению оптимального их функционирования.

8. Разработан микропроцессорный стенд с микроконтроллером MCS 196 МС для исследования электромеханических и электромеханотронных преобразователей, на котором проводились испытания электропривода с вентильным двигателем малой мощности при аналоговом и микропроцессорном управлении.

9. Показана эквивалентность аналогового и микропроцессорного режимов управления для характеристик вентильного двигателя при одинаковых значениях постоянной времени электронной части двигателя.

10.Доказана адекватность созданной нелинейной модели вентильного двигателя путем сравнения результатов теоретического расчета, моделирования на линейной и нелинейной моделях в подвижной и неподвижной системах координат с данными испытаний микропроцессорного стенда.

11. С помощью разработанной нелинейной модели показано влияние схемы статической коррекции на динамические характеристики электропривода с вентильным двигателем малой мощности, замкнутого по скорости при.

180 различной глубине тахометрический обратной связи, продемонстрирована возможность существенного снижения времени переходного процесса при различных постоянных времени и факторов нелинейности вентильного двигателя.

12. Найденные и исследованные алгоритмы статической коррекции характеристик могут быть использованы при проектировании вентильных двигателей для повышения их мощности и экономичности, а также при создании замкнутых электроприводов с вентильными двигателями для повышения их быстродействия и улучшения переходных процессов.