Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ технологий и способов стабилизации размера отрезной кромки ткани на сопловых ткацких станках
1.1 Причины стабилизации размера отрезной кромки ткани на сопловых ткацких станках 12
1.2 Анализ процесса прокидки уточной нити и существующих механизмов для ее отмеривания , 13
1.3 Применение новых технологий в пневмоткацком производстве 29
1.4 Применяемые методы контроля длины прокидываемой уточной нити и длины отрезной кромки 33
1.5 Современное и перспективное алгоритмическое обеспечение частотно-регулируемых электроприводов 34
1.6 Принципиальные решения управляемого электромеханического комплекса для стабилизации размера отрезной кромки ткани 36
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 38
ГЛАВА 2. Разработка и исследование модели асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором в приводе уточного накопителя
2.1 Вводные замечания 39
2.2 Общие сведения 41
2.3 Математическое описание асинхронного электродвигателя 43
2.3.1 Математическое описание АКЗ во вращающейся системе координат 43
2.3.2 Структурная схема АКЗ во вращающейся системе координат 51
2.3.3 Структурная схема АКЗ в неподвижной системе координат 59
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 65
ГЛАВА 3. Разработка и анализ замкнутой системы векторного управления асинхронным электроприводом уточного накопителя
3.1 Динамическая модель системы векторного управления АЭП 66
3.2 Синтез структуры и расчет регуляторов системы векторного управления АЭП 78
3.2.1 Настройка регуляторов токовых контуров 79
3.2.2 Настройка регулятора контура скорости 84
3.3. Синтез адаптивного регулятора скорости 90
3.4. Структурная схема системы управления уточным накопителем отмеривающего типа 93
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 96
ГЛАВА 4 . Система микропроцессорного управления уточным накопителем. техническая реализация.
4.1 Разделение задач в микропроцессорной системе управления 97
4.2 Обоснование выбора ЦСП dsPIC30F6010 для внутреннего контура и микроконтроллера PIC16F877 для внешнего контура 99
4.3 Структура микропроцессорной системы векторного управления АЭП с элементами программного управления 104
4.4 Автоматическая диагностика АЭП уточного накопителя 112
4.5 МПСУ уточным накопителем непрерывного действия отмеривающего типа 114
4.6 Алгоритм управления уточным накопителем на основе микроконтроллера PIC16F877 совместно с системой векторного управления его электропривода 117
Выводы по главе 4 119
Общие выводы 120
Литература 122
- Применяемые методы контроля длины прокидываемой уточной нити и длины отрезной кромки
- Структурная схема АКЗ во вращающейся системе координат
- Структурная схема системы управления уточным накопителем отмеривающего типа
- Структура микропроцессорной системы векторного управления АЭП с элементами программного управления
Введение к работе
Перед текстильной промышленностью стоят задачи повышения конкурентоспособности и качества выпускаемой продукции, которая является важным предметом первой необходимости.
В текстильной промышленности широко распространены бесчелночные пневматические ткацкие станки, поскольку их применение дает значительные преимущества по сравнению с челночными, позволяя в 1,5-2,0 раза повысить производительность труда ткачей за счет увеличения скоростных режимов и зон обслуживания [1].
В процессе выработки ткани на ткацком станке образуются различные отходы. Количество отходов существенно влияет на себестоимость ткани, поэтому их сокращение является важной задачей.
Задача снижения материалоемкости продукции и экономного расходования сырья и материалов особенно актуальна для текстильной промышленности, где доля исходного сырья в себестоимости изделий весьма велика.
Все отходы ткачества можно разделить на два вида — основные и уточные. Причем и те, и другие могут быть возвратными (т. е. идущие на вторичную переработку) и необратимыми (пыль, пух, уносимые вентиляционной установкой).
Основные отходы складываются из концов основы, остающихся на навое, в том числе и узлов, которые входят в отверстие ствола навоя; концов основы, необходимых для заправки станка или привязывания и обработки основы; отдельных отрезков, образующихся при обрыве основных нитей; пуха и пыли, оторвавшихся от нитей и осевших на полу или деталях станка [2].
Отходы утка на ткацких станках получаются при ликвидации обрыва уточной нити, розыске раза, при доработке бобины и заправке нити с
6 новой бобины, при разработке брака, а также при обработке новой основы.
В связи с особенностями прокладывания утка при работе на сопловых станках, образуется побочный продукт в виде отрезной кромки (бахромы), удаляемой в отходы, что является основным недостатком пневматических ткацких станков [2]. В пневмоткачестве эти отходы являются технологически неизбежными, и их величина регламентирована отраслевыми нормативами на уровне 6-7% от общего расхода утка, что на порядок превышает аналогичный показатель для челночных станков. Однако фактические потери оказываются еще большими из-за того, что предприятия не укладываются в установленные нормы отходов.
Актуальность работы. Одной из основных задач автоматизации технологических процессов в ткацком производстве текстильной промышленности в современных условиях, является задача повышения качества выпускаемых тканей и уменьшения отходов сырья, что особенно важно в связи с долей исходного сырья в себестоимости готового изделия.
Исследования и разработки, в области снижения отходов сырья в пневмоткачестве пока не привели к существенньш результатам. Обобщение материалов исследований показывает, что их авторы ищуг решение проблемы в оптимизации технологических параметров и повышении точности отмеривающих устройств [11,13-16].
Необходимо отметить, что вопросы автоматического управления процессом стабилизации размера отрезной кромки на минимальном технологически допустимом уровне пока еще не получили достаточного освещения.
Анализ известных способов регулирования длины угочной нити показал, что наиболее целесообразным является применение исполнительного механизма в виде уточного накопителя непрерывного действия отмеривающего типа. Основным элементом управления в уточном накопителе является его
7 электропривод, который предложено выполнить на базе трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором (АКЗ).
Объект управления - уточный накопитель для отмеривания длины пробрасываемой уточной нити, представляет собой сложную систему, для управления которой требуются алгоритмы, реализацию которых рационально осуществить на микропроцессорной технике. Математическое описание динамики механизмов уточного накопителя достаточно сложное, что определяется достаточно высоким порядком систем уравнений, моделирующих этот процесс. Это может вызвать определенные трудности при реализации алгоритмов на микропроцессорной 'технике, поскольку высокая размерность вектора состояния вызывает увеличение числа операций умножения текущих значений переменных состояния на вектор коэффициентов регулятора, что может повлечь затраты времени и вызвать запаздывание, что, в свою очередь, требует специальных методов синтеза. Кроме того, данные алгоритмы должны обеспечивать требуемый внешний вид изделий, способствовать расширению ассортимента и качества продукции.
При построении системы автоматического управления на микропроцессорной технике, целесообразно ориентироваться на современную цифровую технику: комплексы интегральных схем и микропроцессорные комплекты, обеспечивающие максимальное быстродействие [3-Ю].
В работе рассматриваются вопросы управления электроприводом уточного накопителя на базе трехфазного асинхронного электродвигателя, что объясняется тенденцией к повсеместному переходу на асинхронные электроприводы (АЭП) переменного тока.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка и исследование системы управления электроприводом уточного накопителя, отмеривающего длину уточной нити, призванного стабилизировать размер отрезной кромки ткани на минимальном
8 технологически допустимом уровне. Данная система должна быть реализована на базе современных микропроцессорных устройств и обеспечить стабилизацию размера отрезной кромки ткани без ухудшения качества ткани.
Поставленная цель определяет необходимость решения следующих задач:
Анализ особенностей технологического процесса прокладки и отмеривания нити на ткацких станках, исследование уже известных методов, средств для стабилизации размера отрезной кромки ткани.
Теоретическое исследование электродвигателя в приводе уточного накопителя как объекта управления и построение его математической модели.
Построение модели исследуемой электромеханической системы в непрерывном времени, расчет параметров этой модели.
Разработка и исследование систем векторного управления электроприводом уточного накопителя.
Моделирование разработанных систем управления для оценки переходных характеристик системы управления электроприводом уточного накопителя.
Разработка адаптивной системы управления, позволяющая корректировать оптимальные настройки регулятора в зависимости от изменения натяжения уточной нити и изменяемых параметров электр одвигателя.
Разработка алгоритма векторного управления электроприводом уточного накопителя.
Разработка электронной схемы управления электроприводом уточного накопителя.
Разработка микропроцессорной системы автоматической стабилизации размера отрезной кромки ткани.
На защиту выносятся: 1. Математическая модель АКЗ как объекта управления в приводе уточного накопителя.
Результаты моделирования АКЗ примененного в приводе уточного накопителя при прямом пуске от источника трехфазного напряжения.
Математическая модель системы векторного управления АЭП уточного накопителя, по двум каналам, где в качестве управляющих воздействий использованы натяжение уточной нити и длина накапливаемой нити.
Результаты математического моделирования разработанных систем автоматического управления АЭП уточного накопителя с различными законами управления.
Разработка и исследование микропроцессорной системы управления трехфазным АЭП.
Алгоритмы управления АЭП уточного накопителя для стабилизации отрезной кромки ткани на минимально допустимом технологическом уровне.
Структура микропроцессорной системы управления (МПСУ) для автоматической стабилизации размера отрезной кромки ткани.
Результаты математического моделирования разработанных алгоритмов и схем контроля и управления.
Методика проведения исследований. В работе использована комплексная методика исследования, сочетающая методы математического анализа и инструментальные средства. При построении моделей использованы методы теории электрических машин, теории автоматического управления, методы экспериментально-теоретического моделирования и компьютерной обработки информации.
Расчеты параметров моделей, переходных характеристик и моделирование системы автоматического управления электромеханической системой проводились в пакете прикладных программ Matlab и его приложения Simulink.
Реализация программ микропроцессорной техники осуществлялось с помощью С компиляторов MPLAB С18 и MPLAB СЗО и интегрированной среды разработки программ MPLAB IDE v.7.42 фирмы MICROCHIP.
Научная новизна. В результате выполнения диссертационной работы построена математическая модель и структурные схемы в приложении SIMULINK пакета прикладных программ Matlab системы векторного управления АЭП уточного накопителя и разработаны программы расчета параметров асинхронного электродвигателя (АД) и АЭП с автоматической настройкой регуляторов.
Разработаны структура МПСУ и электронная схема управления АЭП уточного накопителя на основе цифрового сигнального процессора (ЦСП) dsPIC30F6010 с применением микроконтроллера PIC16F877 для автоматической стабилизации размера отрезной кромки ткани.
Разработаны алгоритмы управления системы автоматической стабилизации размера отрезной кромки на минимально допустимом технологическом уровне для уточного накопителя непрерывного действия отмеривающего типа на микроконтроллере PIC16F877.
Достоверность результатов работы. Адекватность полученных моделей АД и модели системы векторного управления АЭП подтверждается совпадением с теоретических и экспериментальных исследований методом математического моделирования.
Научные решения диссертационной работы обоснованы в рамках допущений, являющихся общепринятыми.
Практическая ценность. Использование разработанной системы автоматического управления электроприводом уточного накопителя позволит уменьшить натяжение пробрасываемой уточной нити и стабилизировать размер отрезной кромки ткани на минимально допустимом технологическом уровне, а также снизить энергозатраты при пуске АД и повысить срок его эксплуатации.
Разработанные математические модели и программы расчета параметров АД и АЭП с автоматической настройкой параметров регуляторов можно использовать в любых отраслях текстильной и других видах промышленности.
Полученные научные результаты могут быть использованы при создании и совершенствовании систем управления АЭП.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждены и получили положительную оценку на Всероссийских научно-технических конференциях «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2004, Текстиль-2005), Всероссийской научной конференции «Информационные технологии в образовательной, научной и управленческой деятельности » (Инфотекстиль-2004), межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск-2005), научно-технической конференции "Студенты и молодые ученые КГТУ - производству" (КГТУ-2006).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по главам и общих выводов, списка используемой литературы из 75 наименований и 5 приложений. Работа изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 3 таблицы, 50 иллюстраций.
Применяемые методы контроля длины прокидываемой уточной нити и длины отрезной кромки
В настоящее время, как отмечалось выше, для стабилизации размера отрезной кромки на сопловых ткацких станках широко применяются как уточные накопители, так и отмеривающие механизмы различного типа.
На уточных накопителях отмеривающего тина длину пробрасываемой нити можно рассчитать по формуле (1.1).
В работе [24] предложено контролировать размер отрезной кромки, через параметр ее линейной плотности массы (ЛПМ). Связь между этой величиной и основными параметрами кромки определяется по соотношениям:
mQ=q0m,IIy (1.2).
Где тв - ЛПМ отрезной кроки; q0 - линейная плотность уточных нитей; т, - средняя длина уточных нитей на рассматриваемом участке кромки; Пу плотность по утку вырабатываемой ткани.
ЛПМ определяет массу отходов сырья, образующихся при выработке ткани на сопловых ткацких станках. Зоной контроля ЛПМ, как наиболее выгодной, в связи с тем, что контроль размера отрезной кромки через параметр ее линейной плотности характеризуется запаздыванием, а величина запаздывания зависит от зоны контроля, плотности по утку вырабатываемой ткани, частоты прокладывания уточной нити и средней длины нитей в кромке, в [24] выбрана зона на срезе отсосной трубки, где нити кромки удерживаются воздухом. В качестве датчика был выбран интегральный фотоэлектрический преобразователь просвечивающего типа.
Необходимым условием управления процессом формирования кромки с целью минимизации отходов является создание методов и средств автоматического ЛПМ данного продукта на сопловом ткацком станке. Для осуществления поставленной задачи, за основу возьмем накопитель уточной нити отмеривающего типа, с постоянным накапливанием нити.
Основными контролируемыми параметрами на уточном накопителе являются натяжение и длина накапливаемой нити. Как было показано выше (рис.1.10), натяжение нити зависит от регулирования скорости вращения ротора электродвигателя уточного накопителя (элемент 1).
В качестве электродвигателей привода уточного накопителя отечественного производства, как правило, используются двигатели с полым ротором, обладающие повышенной засоряемостью, а вследствие чего, заклиниванием.
В настоящее время существует тенденция замены коллекторных двигателей па трёхфазные асинхронные двигатели при условии сохранения общей стоимости системы. Данная тенденция определяется новыми требованиями стандарта IEC555-1, повышением гибкости систем благодаря использованию асинхронных двигателей с регулируемой частотой, высоким уровнем развития и приемлемой стоимостью силовых устройств, эффективностью, обеспечиваемой микропроцессорным управлением, снижением размеров, веса и рассеиваемой мощности двигателей при определённой механической нагрузке [25].
Поэтому становится интересным применение трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым (АКЗ) ротором типа беличья клетка при сохранении технологических и скоростных характеристик. Их конструкция предохраняется от засорения. Кроме того, АКЗ обладают более лучшими массогабаритными, надежностными и экономическими показателями, чем двигатели постоянного тока и двухфазные двигатели переменного тока. В настоящее время, ряд фирм поставляет на рынок преобразователи частоты с различными алгоритмами управления, обеспечивающие динамические характеристики электроприводов переменного тока не хуже, а даже лучше, чем динамических характеристик электроприводов постоянного тока [26].
Основным силовым преобразователем энергии такого электропривода являются полупроводниковые преобразователи частоты на полностью управляемых коммутируемых элементах - силовых транзисторов типа IGBT (биполярных транзисторов с изолированным затвором) и MOSFET (полевой транзистор со структурой металл-диэлектрик-полупроводник), а также запираемых тиристоров (IGCT) [27,28].
В [29] приведены структурные схемы систем управления электроприводом с асинхронным двигателем в системе координат, жестко связанных с главным потокосцеплением машины, и электроприводом, а также структурные схемы при ориентации системы координат по вектору потокосцепления ротора.
Воспользовавшись техническими характеристиками ряда электроприводов третьего поколения ACS 600 [26], приведем сравнительные характеристики электроприводов с различными типами системы автоматического управления (АСУ).
В мировой практике принцип векторного управления асинхронным электроприводом в полной мере обоснован в [75]. В отечественной научной литературе теоретические основы построения электроприводов представлены в [26,29-33].
Схема управления для стабилизации размера отрезной кромки ткани должна обеспечивать [34]:
1. Минимизацию размера отрезной кромки без ухудшения качества готовой ткани.
2. Уменьшение скорости сматывания и натяжение утка, сократить обрывность по утку и отходы при доработке паковки, повышение качества суровых тканей, за счет уменьшения числа пролетов. 3. Совместную синхронную работу со всеми узлами пневматического ткацкого станка.
4. Микропроцессорное управление процессом прокидки и отмеривания уточной нити.
На основании этих требований можно сформулировать принципы построения управляемого электромеханического комплекса для стабилизации размера отрезной кромки ткани на сопловых ткацких станках:
1. Технологическая схема процесса должна основываться на применении дополнительного электропривода в системе уточного накопителя, обеспечивающего изменение скорости вращения паковки с уточной нитью без изменения скорости вращения главного вала.
2. В качестве приводного устройства предполагается использовать трехфазный асинхронный двигатель (АД) переменного тока.
3. Система управления приводным устройством и объектом должна быть импульсно-цифровой (ИЦСАУ), для реализации на микропроцессорной технике.
Структурная схема АКЗ во вращающейся системе координат
Расчет и анализ переходных процессов упрощается, если АД рассматривать в виде отдельного элемента, с помощью функциональных и структурных схем. Так как математическое описание протекающих процессов в АД весьма сложно и громоздко, всю структурную схему АД можно разбить на отдельные функциональные узлы с помощью блока Subsystem [47] библиотеки Simulink, которые в дальнейшем будут называться функциональными преобразователями статора (ФПС), ротора (ФПР) и электромагнитного момента (ФПМ) [43]. Промежуточные переменные, которые представляют интерес лишь при анализе процессов, вводятся в состав отдельного функционального преобразователя измерительного (ФПИ).
Процессы в статоре описываются уравнениями (2.15)-(2.17). По ним составлена схема ФПС (рис. 2.3). Схема представлена блоком FPS элементом Subsystem. В качестве входной переменной принимается подводимое к статору напряжение (/5,ав качестве выходной - ток статора is. В схеме имеются взаимные связи между контурами. Они включены в состав отдельного функционального узла, входящего в состав ФПС, в дальнейшем именуемый функциональным преобразователем ЭДС (ФПЕ).
Электромагнитные процессы в роторе описываются уравнениями (2.13) и передаточными функциями (2.18), по ним составлена схема ФПР (рис. 2.4). Схема представлена блоком FPR элементом Subsystem библиотеки Simulink. В этой схеме входными переменными являются потокосцепления Ч ( = LJb и 4 Sy =LJSy а выходными - потокосцепления ротора 4 ,4 .
В соответствии с уравнением (2.22) составлена структурная схема ФПМ (рис. 2.5), представленная блоком FPM элементом Subsystem. Здесь же учитывается инерционность ротора.
При моделировании был выбран АД с короткозамкнутым ротором, отвечающий необходимым требованиям, предъявляемым к электродвигателю в приводе уточного накопителя типа 4АА56А4УЗ. Расчет параметров модели АД типа 4АА56А4УЗ и основные его характеристики [48] представлены в приложении 1.
Приведенные схемы (рис. 2.3 - 2.5) представляют собой структурную схему асинхронного двигателя (рис. 2.6). В структурной схеме АД все переменные рассматриваются в виде проекций на координатные оси вращающейся системы координат (х - у).
Описание переменных, входящих в состав блоков на структурных схемах (рис. 2.3 - 2.5) приводится в приложении 1.
На вход модели (рис. 2.6) подаются напряжения во вращающейся системе координат U„ Uy, представляющие собой постоянные величины. Ux, Uy задаются блоком Step библиотеки Soursec приложения Simulink, программного продукта Matlab. Также задается потокосцепление и нагрузочный момент.
В качестве иллюстрации использования структурной схемы (рис. 2.6) приводятся результаты расчета пуска АД на идеальном холостом ходу от нуля до скорости 157 рад/с при ступенчатом задании частоты о)0 =314 рад/с.
На рис. 2.7 приведены результаты расчета, выполненного в среде Matlab Simulink по структурной схеме (рис. 2.6). На рис. 2.7 показаны два переходных процесса. Первый - это прямой пуск АД при прямом включении на напряжение питания. До начала этого процесса все переменные были равны нулю, т.е. существовали нулевые начальные условия. В момент времени t = \ с скачком был наброшен момент нагрузки Л/г=0.1Нм, что явилось причиной второго переходного процесса.
При этом кривая момента в 1000 раз превышает свою номинальную характеристику. К моменту его начала, скорость двигателя, токи и потокосцепления уже достигли своих установившихся значений, которые определили нулевые начальные условия для второго процесса.
Графики на рис. 2.7 показывают, что при прямом пуске вначале наблюдаются значительные колебания момента (кривая 2) и скорости (кривая 1). Кроме того, они показывают, что при приложении момента нагрузки в момент времени t = 1 е., наблюдается уменьшение скорости вращения ротора.
В зависимости от выбора скорости вращения системы координат шк уравнения электромагнитного равновесия АД несколько видоизменяются, однако механическая характеристика двигателя, рассчитанная в системе координат, вращающейся в пространстве с любой угловой скоростью (ок, изменений не претерпевает [26].
Выяснив основную сущность процессов, можно с помощью тех же структурных схем переходить к рассмотрению тех же процессов, но уже в неподвижной системе координат (а - /?).
Основное преимущество системы координат (а - /?) состоит в том, что при выборе положения одной из ее осей (принято оси а), совпадающим с магнитной осью одной из фаз машины, эквивалентный ток iSa будет равен фазному току двигателя [26]. Эта система координат широко применяется для анализа систем электропривода с управлением двигательными и тормозными режимами по цепи статора, в том числе и при анализе систем с векторным управлением. В этой системе координат вычисляемые переменные роторной цепи двигателя изменяются во времени по синусоидальному закону с частотой щ.
Структурная схема системы управления уточным накопителем отмеривающего типа
Исходя из принципа работы накопителя уточной нити отмеривающего типа с непрерывным накапливанием (рис. 1.10), и данных полученных выше, была построена структурная схема (рис. 3.18) системы управления уточным накопителем отмеривающего типа с целью уменьшения размера отрезной кромки ткани на базе микропроцессорной техники [54].
Информация от датчиков минимального и максимального количества накопленных витков поступает на микроконтроллер, где она обрабатывается. В соответствии с поступающей информацией на микроконтроллер, выставляется управляющее воздействие на увеличение или уменьшение скорости или полный останов электропривода с АКЗ. Датчик в отсосной трубке (ДОТ), согласно [24] отслеживает количество нитей в отрезной кромке.
В связи с тем, что основной алгоритм управления заложен в микроконтроллер, актуальность приобретают вопросы практической реализации сложных алгоритмов управления на микропроцессорных контролерах (МПК) и ЭВМ, поскольку с возрастанием сложности управляющих программ резко повышается вероятность появления неточностей, погрешностей и ошибок при создании программного обеспечения (ПО) регуляторов.
Дефекты ПО управляющих устройств можно условно подразделить на два вида: ошибки, допускаемые при синтезе регулятора (ошибки проектирования), и ошибки в его микропроцессорной реализации, т.е. собственно ошибки программирования, появляющиеся на стадии конструирования регулятора.
Для избегания ошибок первого типа, в данной главе проведено моделирование замкнутой системы управления и синтез регуляторов, с выводом переходных характеристик. Неточности, возникающие при моделировании, носят объективно-субъективный характер, поскольку обуславливаются с одной стороны высокой сложностью управляемого объекта (высоким порядком описывающих дифференциальных уравнений, нестабильностью параметров, наличием других нелинейных факторов и т.п.), а с другой стороны, зависят от накапливаемой ошибки в среде моделирования [55].
Ошибки второго вида носят в определяющей степени субъективный характер и могут возникать при составлении исходного текста программы для конкретного МПК, имеющего конечную разрядную сетку и работающего с ограниченными в своих возможностях периферийными устройствами (АЦП, ЦАП и др.). Подобные ошибки могут возникать при некорректном применении арифметических операций с фиксированной или плавающей запятой, при неверном использовании операций масштабирования переменных и способов адресации к внешним портам МПК. Другими причинами появления ошибок программирования являются многократные дополнения, перекомпоновки, переадресация в составляемых программах, обычно выполняемые на этапах их создания и отладки. Опыт конструирования цифровых управляющих устройств показывает, что полностью избежать ошибок этого вида не могут даже самые квалифицированные программисты.
Указанные дефекты ПО обнаруживаются обычно лишь на заключительной стадии создания микропроцессорных систем управления (МПСУ) и потому приводят к существенному затягиванию сроков их пуска и значительному завышению соответствующих материально-финансовых затрат.
Таким образом, актуальной задачей является создание таких технологий и средств проектирования и отладки МПСУ, которые позволяли бы своевременно, еще на этапе моделирования, обнаруживать и устранять ошибки синтеза и программирования цифровых регуляторов.
Один из таких подходов состоит в использовании типовых (библиотечных) программ ПИ, ПИД регуляторов, реализуемых на имитационной модели с непосредственной настройкой их параметров. Такой подход содержит наименьшее количество этапов, практически исключает ошибки проіраммирования, но имеет ограниченные возможности в управлении сложными объектами.
1. Построена модель замкнутой системы векторного управления АКЗ в приводе уточного накопителя в непрерывной системе.
2. Произведен расчет настроечных коэффициентов регуляторов тока и скорости по линеаризованным моделям контуров тока и скорости.
3. Получены переходные характеристики подтверждающие правильность настроек регуляторов тока и скорости по линеаризованным моделям контуров тока и скорости.
4. Синтезирован адаптивный регулятор скорости для системы управления асинхронным электродвигателем.
5. Предложена структурная схема системы управления уточным накопителем, с целью уменьшения отрезной кромки ткани.
Структура микропроцессорной системы векторного управления АЭП с элементами программного управления
Для осуществления управления АЭП уточного накопителя был выбран закон с поддержанием xFr = const.
Представим возможную реализацию такого алгоритма управления [65], с учетом описанного в главе 3, на базе микроконтроллерных устройств фирмы Microchip.
ЦСП dsPIC30F6010, выполняет любую машинную команду за один машинный цикл, составляющий 30 не. Для реализации алгоритма цифрового ПИ регулятора этому процессору необходимо 5 команд. Время реализации этого алгоритма с учетом подготовительных операций составляет около 0.2-0.3 мкс. Благодаря своей адаптированной архитектуре для задач управления электродвигателями, данный контроллер позволяет без использования специализированных векторных сопроцессоров создавать различные типы координатных преобразователей и реализовывать шестиканальный генератор ШИМ - сигналов.
Структурная схема и программный код на языке высокого уровня С для реализации ПИ регуляторов тока и скорости (PC и РТ) показаны на рис. 4.4.
Инициализация портов ЦСП dsPIC30F6010 происходит согласно коду на языке С в приложении 4.
Структурная схема векторного управления по абсолютному скольжению на ЦСП dsPIC30F6010 согласно рис. 3.6, представлена на рис. 4.5.
InRef
Out
Err=InRef-FB;
U = Sum+Kp Err; If (U Outmax);
Out = Outmax; else if (U Outmin);
Out = Outmin; else
Out = U; Excess = U - Out; Sum = Sum + (Ki Err) - (Kc Excess);
Рис. 4.4. Структура и скрипт программного кода ПИ регулятов тока и скорости
На схеме обозначено:
1 - аппаратные средства реализации системы векторного управления АД на базе ЦСП dsPIC30F6010;
2 - силовой выпрямитель;
3 - автономный инвертор напряжения;
4 - датчики тока статора двигателя.
Кпр уаг и Кпс var - блоки переменных коэффициентов математической модели двигателя, зависящих от параметров (Rs, Ls, Rr, Ц) и задаваемого значения iSx.
Алгоритмы регуляторов PC и РТ, расчета переменных коэффициентов и функциональных зависимостей, преобразователей координат и генерация ШИМ сигналов управления реализовываются на ЦСП dsPIC30F6010.
Электропривод предназначен для управления трехфазным асинхронным двигателем уточного накопителя.
Алгоритмы управления электроприводом реализованы на микроконтроллере Microchip dsPIC30F6010, представляющий собой недорогой и экономичный ЦСП, достигающий производительности до 30 миллионов инструкций в секунду. Он предназначен для выполнения функций управления в электроприводах, синхронных электрических машинах с постоянными магнитами, трехфазными асинхронными электродвигателями и бесколлекторными электродвигателями постоянного тока.
Основной алгоритм управления АЭП осуществляется МК 2 (ЦСП dsPIC30F6010). В соответствии с поступающими данными от МК 1 и сигналами обратной связи он формирует трехфазный выходной ШИМ -сигнал, поступающий на инвертор привода.
Для привода выбрана концепция стандартной структуры. Система привода состоит из следующих частей:
- силовой выпрямитель;
- трехфазный инвертор;
- драйвер защиты ключей инвертора;
- датчики обратной связи: по скорости, напряжению шины постоянного тока, току шины постоянного тока;
- оптоизоляция;
- микроконтроллер dsPIC30F6010;
интеллектуальный силовой модуль (600В/400Вт); интерфейс для внутрисистемного программирования; интерфейс RS232;
изолированный ввод-вывод для датчиков; входа 0-10В для команд и от датчиков.
Управление АЭП может осуществляться в двух рабочих режимах, которые выбираются с пользовательского пульта управления на плате:
1. В ручном режиме, когда требуемая скорость устанавливается переключателями Start/Stop, Forward I Reverse и потенциометром задания скорости Speed. 2. В режиме Auto, когда график требуемой скорости поступает от МК 1 по интерфейсу I2C согласно заданному алгоритму, а единственным управляющим входом является кнопка останова. Осуществляется управление АЭП следующим образом:
Состояние датчиков тока периодически считывается в контуре программного таймера, в то время как скорость двигателя рассчитывается с использованием прерывания по захвату изменения состояния входа (Input Capture). В соответствии с установленным режимом работы и состоянием сигналов управления (состояния переключателей Start/Stop, Forward / Reverse, потенциометра скорости) текущее задание скорости рассчитывается с учетом темпа разгона/торможения. Сравнение текущего значения задания скорости и скорости тахогенератора обеспечивает формирование ошибки скорости Е. Сигнал ошибки подается на ПИ-регулятор скорости. Процесс ШИМ - генерации обеспечивает формирование трехфазных напряжений требуемой амплитуды и частоты, вставляет аппаратное "мертвое время". В результате формируются трехфазные ШИМ - сигналы управления двигателем.
Способы формирования ШИМ - сигналов, хорошо изучены [66]. Для управления АЭП уточного накопителя был выбран метод таблично-индексной ШИМ [67]. Программная реализация формирования ШИМ сигналов управления представлена в приложении 5.
В процессе управления измеряются напряжение и ток шины постоянного тока. Их значения используются для защиты АЭП от перенапряжения и превышения тока. Защита по току осуществляется программно, тогда как сигнал перегрузки по току использует специальный аварийный вход блокировки выходов ШИМ микроконтроллера по сигналу от силового драйвера защиты ключей инвертора (Fault).
Если происходит любая из упомянутых выше неисправностей, ШИМ выходы блокируются, чтобы обеспечить защиту привода, при этом отображается состояние неисправности системы. Программирование микроконтроллера для задач управления АЭП является трудоемкой задачей. Интегрированная среда разработки программ MPLAB IDE позволяет объединять внутри одного проекта несколько подпрограмм, образуя законченный программный продукт, который после отладки и компиляции переводится в код контроллера. Для решения поставленной задачи управления АД в приводе уточного накопителя использовалось несколько подпрограмм. Подпрограмма инициализации портов ЦСП dsPIC30F6010 приведена в приложении 4.
Алгоритм основной программы управления АЭП в виде диаграммы конечного автомата представлен на рис. 4.7.
АЭП является сложной механотронной системой, обслуживающей подавляющее большинство ответственных механизмов и технологических процессов. Поэтому для обеспечения надежного функционирования необходима непрерывная диагностика технического состояния электропривода и прогнозирование аварийных режимов.
При реализации систем технической диагностики одним из важных вопросов является организация обмена информацией. При этом необходимо решать три задачи [68]:
- осуществить правильный выбор интерфейса;
- осуществить правильный выбор частоты опроса;
