Синхронно-синфазный электропривод с комбинированным управлением для обзорно-поисковых систем

Актуальность темы

.

Синхронно-синфазные электроприводы (ССЭ) находят широкое применение в обзорно-поисковых и сканирующих системах и устройствах, в системах технического зрения современных робототехнических комплексов, установках фототелеграфной и видеозаписывающей аппаратуры, копировальных установках, что обусловлено их высокими точностными показателями и широким диапазоном регулирования угловой скорости.

Синхронно-синфазный электропривод (рис. В.1, где БЗЧ — блок задания частоты, формирующий задающую частоту /ш и импульсы угловой привязки — ГВЧкварцевый генератор высокой частоты /гДЧ1 и ДЧ2-управляемый двоичным кодом N и неуправляемый делители частотыФРфазирующий регуляторЛУС — логическое устройство сравненияКУкорректирующее устройствоЭДэлектродвигательИДЧимпульсный датчик частоты вращения, формирующий г импульсов за оборот вала электродвигателяДП — датчик положения) строится на основе электропривода с фазовой синхронизацией (ЭПФС).

В основе построения ЭПФС [1] лежит принцип фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), в соответствии с которым в замкнутой системе автоматического управления в качестве задающего сигнала используется частотный сигнал /оп, формируемый с помощью кварцевого генераторав качестве сигнала обратной связи — частотный сигнал /ос, формируемый с помощью импульсного преобразователя выходной координаты системы автоматического управленияа в качестве сравнивающего элементалогическое устройство сравнения частот и фаз двух импульсных последовательностей.

Рис. В.1. Структурная схема синхронно-синфазного электропривода.

Благодаря использованию принципа ФАПЧ в электроприводе обеспечиваются (в сравнении с высокоточными цифровыми электроприводами) более высокие точностные показатели за счет следующих факторов [2]:

— требуемая точность импульсного сигнала задания в ЭПФС легко обеспечивается за счет использования кварцевого генератора в блоке задания частоты, в то время как в цифровом электроприводе она достигается за счет значительного увеличения количества разрядов двоичного кода задания, что сильно усложняет систему регулирования;

— в цифровых электроприводах погрешность датчика угла определяется угловым расстоянием между двумя соседними метками, участвующими в формировании младшего разряда выходного цифрового сигнала датчика, а при использовании в электроприводе с фазовой синхронизацией импульсного датчика частоты вращения с тем же количеством меток г его погрешность определяется точностью нанесения меток, которая может быть обеспечена значительно выше по сравнению с угловым расстоянием между соседними метками датчика;

— применение принципа ФАПЧ (благодаря использованию логического устройства сравнения) обеспечивает в системе регулирования малую погрешность операции определения фазового рассогласования входных частот/, п и foc, а также идеальный астатизм по ошибке по частоте вращения.

Кроме того достоинством принципа ФАПЧ является простота реализации релейного алгоритма регулирования при отработке больших частотных рассогласований и, соответственно, высокое быстродействие в процессе синхронизации контура ФАПЧ с входным частотным сигналом fon. За счет логической блокировки элемента фазового сравнения, входящего в состав ЛУС, большие отклонения по частоте отрабатываются с предельным темпом, а после смены знака частотного рассогласования контур ФАПЧ замыкается по угловой ошибке и втягивается в синхронизм с входным частотным сигналом fon.

Основное направление применения синхронно-синфазных электроприводов относится к информационно-измерительным системам, что определяет специфику их работы с точки зрения изменения момента нагрузки и момента инерции. В большинстве таких электроприводов момент инерции определяется конструкцией рабочего механизма узла оптико-механической развертки (ОМР), расположенного на валу электродвигателя, и практически не изменяется во время работы электроприводаа момент нагрузки зависит, в основном, от заданной частоты вращения и проявляется в небольшой статической ошибке регулирования электропривода по углу, которая может быть сведена к минимуму за счет правильного выбора структуры и параметров регулятора.

Электродвигатель узла оптико-механической развертки сканирующей системы должен обладать высокой стабильностью и надежностью работы, а также малыми габаритами. Перспективными в этом направлении являются бесконтактные двигатели постоянного тока (БДПТ), которые наиболее полно удовлетворяют требованиям, предъявляемым к управляемым электродвигателям систем автоматики по электромеханическим и энергетическим характеристикам, массогабаритным показателям, надежности и диапазону частот вращения (в пределах от единиц до сотен тысяч оборотов в минуту) [3].

Основы теории построения прецизионных синхронно-синфазных электроприводов заложены в работах Р. М. Трахтенберга. Экспериментальные и теоретические исследования в этой области проводились различными научными коллективами. Значительный вклад в решение вопросов проектирования ССЭ внесли И. В. Булин-Соколов, В. И. Стребков, Б. А. Староверов, А. В. Ханаев, А. А. Киселев, В. П. Галас, М. В. Фалеев, Л. М. Осипов, Вл. В. Андрущук, Вас. В. Андрущук, В. Н. Зажирко, А. М. Сутормин, Б. М. Ямановский, В. Г. Кавко, А. В. Бубнов и др. На этой основе спроектировано значительное количество электроприводов для различных областей применения, разработаны новые способы регулирования и новые технические решения построения ССЭ.

Однако вопросы анализа и синтеза синхронно-синфазных электроприводов освещены в литературе недостаточно полно, отсутствуют достаточно простые, пригодные для инженерной практики методики проектирования ССЭ. Несмотря на широкое использование принципа ФАПЧ при построении прецизионных систем электропривода вопросы динамики таких систем рассмотрены недостаточно полно, что обусловлено наличием целого ряда нелинейностей в модели электропривода, отражающих алгоритмы работы логического устройства сравнения и токоограничение БДПТ. В результате при проектировании электроприводов необоснованно используются упрощенные модели элементов системы управления, что приводит к дополнительным затратам (связанным с экспериментальной проверкой разработанных электроприводов и их последующей доработкой), усложнению систем регулирования, малой эффективности их работы и сужению рабочего диапазона. Сдерживается разработка новых, более совершенных систем электропривода, особенно в области низких частот вращения, а также цифрового и следящего электропривода с фазовой синхронизацией [4].

Таким образом, развитие теории прецизионных систем синхронно-синфазного электропривода является актуальной задачей, решение которой позволит улучшить точностные и динамические характеристики проектируемых электроприводов, расширить область их применения и автоматизировать процесс проектирования, уменьшая затраты на их предварительные экспериментальные исследования.

Настоящая работа выполнена в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 08−08−372-а «Анализ и синтез прецизионного синхронно-синфазного электропривода функционирующего в широком диапазоне регулирования скорости», Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы», проект № 2.1.2/4475 «Исследование динамики и разработка новых способов регулирования синхронно-синфазного электропривода для обзорно-поисковых систем» и проект № 2.1.2/11 230 «Исследование динамики и разработка новых способов регулирования синхронно-синфазного электропривода для обзорно-поисковых систем».

Цель диссертационной работы.

Целью работы является разработка способа комбинированного управления синхронно-синфазным электроприводом обзорно-поисковой системы, позволяющего осуществлять регулирование в переходных режимах электропривода без размыкания системы автоматического управления.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи:

1. Разработать усовершенствованные алгоритмы работы логического устройства сравнения.

2. Продолжить исследование влияния уровня токоограничения электродвигателя и алгоритмов работы системы управления на динамику электропривода.

3. Разработать быстродействующий фазирующий регулятор с пошаговым доворотом вала электродвигателя.

4. Разработать способ регулирования ССЭ без размыкания системы автоматического управления в переходных режимах при изменении задающего сигнала.

5. Осуществить проверку разработанных алгоритмов и способов путем компьютерного моделирования синхронно-синфазного электропривода.

Основные методы научных исследований.

При теоретическом исследовании режима синхронизации электропривода использовался метод фазовой плоскости. Применялись частотные методы анализа систем управления, модальный метод синтеза систем. Разработка алгоритмов работы и средств построения функциональных узлов ССЭ проводилась с применением основ теории автоматического управления, теории цепей, теории электрических машин, теории графов, методов математического моделирования. Основные расчетные соотношения получены с применением преобразований Лапласа, дифференциального и интегрального исчисления. Теоретические положения и разработанные технические решения проверялись путем моделирования в среде МАТЪАВ.

Научная новизна работы.

Решение поставленных задач определило научную новизну диссертационной работы, которая заключается в следующем.

1. Разработаны алгоритмы работы импульсного частотно-фазового дискриминатора (ИЧФД) с расширенными функциональными возможностями (индикация режимов работы и определение угловой ошибки электропривода).

2. Систематизированы способы улучшения динамики ЭПФС и проведен их сравнительный анализ на основе метода фазовой плоскости.

3. Разработан способ фазирования с пошаговым доворотом вала электродвигателя, позволяющий уменьшить время фазирования за счет автоматического определения момента разблокировки ИЧФД в каждом цикле фазирования.

4. Разработан способ комбинированного управления по задающему воздействию синхронно-синфазного электропривода при изменении сигнала задания частоты вращения, позволяющий повысить качество регулирования в переходных режимах работы ССЭ за счет осуществления перехода с одной угловой скорости на другую без размыкания системы автоматического управления.

Практическая ценность работы.

1. Разработаны и подтверждены патентами на полезную модель схема ИЧФД с расширенными функциональными возможностями и схема демодуляции выходного ШИМ-сигнала ИЧФД с расширенным диапазоном рабочих частот.

2. Использование результатов сравнительного анализа способов регулирования ЭПФС и алгоритмов работы его отдельных узлов позволяет в зависимости от предъявляемых к электроприводу технических требований выбрать наиболее подходящие схемные решения.

3. Разработана схема фазирующего регулятора, реализующего алгоритм пошагового доворота вала электродвигателя, позволяющая уменьшить время фазирования за счет автоматического определения момента разблокировки ИЧФД в каждом цикле фазирования.

4. Разработанный алгоритм работы блока задания частоты, реализующий способ комбинированного управления по задающему воздействию синхронно-синфазным электроприводом при изменении сигнала задания частоты вращения, позволит повысить качество регулирования в переходных режимах работы ССЭ за счет осуществления перехода с одной угловой скорости на другую без размыкания системы автоматического управления и, соответственно, уменьшить потери информации в обзорно-поисковых и сканирующих системах.

Реализация результатов работы.

Учебное пособие «Системы прецизионного электропривода» авторов Бубнова А. В., Бубновой Т. А., Федорова В. Л., в котором отражены результаты исследований, используется студентами специальности 210 106.65 «Промышленная электроника» при изучении дисциплины специализации «Системы прецизионного электропривода».

Электронный учебник по дисциплине «Электрический привод» авторов Федорова В. Л., Бубновой Т. А. используется студентами специальности 210 106.65 «Промышленная электроника» при изучении дисциплины «Теория автоматического управления» и специальности 140 211.65 «Электроснабжение» при изучении дисциплин «Основы теории автоматического управления», «Электрический привод»,.

Автоматизированный электропривод".

Алгоритмы работы импульсного частотно-фазового дискриминатора, позволяющие расширить его функциональные возможности (индикация режимов работы, возможность определения угловой ошибки электропривода) — алгоритм функционирования блока задания частоты при работе синхронно-синфазного электропривода в переходных режимахрекомендации по выбору основных узлов синхронно-синфазного электропривода использовались в ОАО «Центральное конструкторское бюро автоматики» при разработке прецизионных электроприводов.

Публикации. Апробация работы.

По результатам выполненных исследований опубликовано 26 научных работ, в том числе: статья в журнале «Известия вузов. Электромеханика», статья в журнале «Электротехника», 4 статьи в журнале «Омский научный вестник», монография, 2 патента на полезную модель.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

— научно-практической конференции «Энергетика на рубеже веков», г. Омск, в 2003 г.;

— II Всероссийской научно-практической конференции «Автоматизированный электропривод и промышленная электроника в металлургической и горно-топливной отраслях», г. Новокузнецк, в 2004 г.;

— V и VII Международных научно-технических конференциях «Динамика систем, механизмов и машин», г. Омск, в 2004 и 2009 гг.;

— I, II и III Всероссийских научно-технических конференциях «Россия молодая: передовые технологии — в промышленность», г. Омск, в 2008,2009 и 2010 гг;

— научных семинарах кафедры.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, выполнена на 161 странице основного текста, содержит 73 рисунка и 4 таблицы, список используемой литературы из 84 наименований и приложение на 3 страницах. Общий объем диссертации — 164 страницы.

Основные результаты и выводы по работе.

1. Разработан алгоритм работы ИЧФД с индикацией режимов работы.

2. Разработана схема демодуляции выходного ШИМ-сигнала ИЧФД с расширенным диапазоном рабочих частот.

3. Проведен сравнительный анализ способов улучшения динамики ЭПФС.

4. Разработан способ фазирования с пошаговым доворотом вала электродвигателя, позволяющий уменьшить время фазирования за счет автоматического определения момента разблокировки ИЧФД в каждом цикле фазирования.

5. На основе сравнительного анализа способов регулирования ССЭ сделан вывод о целесообразности использования в электроприводе комбинированного управления по задающему воздействию в переходных режимах работы при изменении сигнала задания.

6. Разработан способ регулирования синхронно-синфазного электропривода при изменении сигнала задания частоты вращения, позволяющий осуществлять переход с одной угловой скорости на другую без размыкания контура ФАПЧ.

7. На основе компьютерной модели ССЭ проведено исследование предложенных алгоритмов работы ССЭ и полученные результаты моделирования подтверждают достоверность разработанных способов регулирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.