Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время развитие
электроприводов на базе машин специального назначения является одной из важных задач народного хозяйства. Использование дискретного электромагнитных шаговых двигателей (ЭМШД) в качестве непосредственного привода робототехнических систем, манипуляторов, автоматизированных линий позволяет заменить ручной труд высокопроизводительным машинным.
Линейные ЭМШД при непосредственном встраивании в механизм позволяют исключить механические и другие передачи, повышают быстродействие систем и точность воспроизведения законов движения. Линейные ЭМШД удобны для обслуживания и ремонта, обладают низким уровнем пгума, способны работать в условиях высокой герметизации.
Одна из наиболее важных особенностей ЭМШД - возможность воспроизведения широкого диапазона динамических характеристик, которые существенно могут быть расширены при использовании автосинхронного управления.
Реализация приводов на базе ЭМШД с микропроцессорным управлением позволяет использовать адаптивные помехозаищщенные алгоритмы управления с большим диапазоном регулирования основных координат. Однако формирования в таком электроприводе требуемой динамики разгона и торможения затруднено из за отсутствия полноты качественного и количественного анализа возможных динамических состояний ЭМШД. Отсутствие математической модели функционирования ЭМШД затрудняет на ранних этапах проектирования шаговых электроприводов выделить наиболее существенные управляющие факторы, учесть влияние тех или иных возмущающих воздействий на различные динамические состояния привода, оценить влияние временной задержки отработки программы в микропроцессорных системах управления на управляемость электропривода и сформулировать требования по быстродействию и разрядности микропроцессорных устройств для обеспечения заданных требований по быстродействию и точности отработки управляемых координат. При разработке математической модели функционирования ЭМШД в системах электроприводов сталкиваются со сложностью преобразования энергии в различных феноменологических подсистемах, - электрической, магнитной и механической -, и учета неоднозначных нелинейных коэффициентов таких как индуктивность обмотки управлешвт (L), проводимость магнитной подсистемы базового электромагнитного модуля ЭМШД (GM), производная проводимости по положению (сЮц/с1х), усилие
сопротивления в механической подсистеме ЭМШД (Fc), аналитическое описание которых практически затруднено.
Решению проблемы системного моделирования функционирования ЭМШД в составе дискретных электроприводов, для решения задач качественного и количественного анализа их различных динамических состояний ими и посвящена настоящая работа.
Цель работы. Разработка подходов к моделированию динамических состояний электромагнитного шагового двигателя (ЭМШД) в составе дискретном электроприводе через построение адекватных математических моделей, алгоритма имитационного моделирования и их реализации на базе современных ПЭВМ.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо последовательно решить следующие задачи:
-
Увеличение объем априорной (исходной) информации об ЭМШД путем представления нелинейных коэффициентов базовой дифференциальной модели в алгебраическом виде.
-
Разработка базовой модели функционирования ЭМШД к дискретном электроприводе, удобной для решения задач качественного и количественного анализа.
-
Разработка алгоритма имитационного моделирования различных динамических состояний ЭМШД, учитывающего дискретный характер функционирования рассматриваемой системы.
-
Программная реализация алгоритма математического моделирования на ПЭВМ.
-
Разработка инженерных методик для проверки основных результатов, полученных в работе.
Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось с использованием: численных методов решения системы диффереициальиых уравнений; метода планирования эксперимента и регрессионного анализа; методов цифрового моделирования.
Математическое моделирование осуществлялось на ПЭВМ.
Результаты теоретических исследований проверялись путем сопоставления расчетных характеристик, полученных различными методами, между собой, а также путем сопоставлений расчетных значений с результатами экспериментальных исследований.
Научная новизна. Автором получены следующие результаты: 1. Предложено базовая математическая модель функционирования ЭМШД с представлением нелинейных коэффициентов в виде регрессионных уравнений.
-
Предложен метод регрессионного представления нелинейных коэффициентов математической модели функционирования ЭМШД с использованием ортогонального центрального композиционного планирования (ОЦКП) физического эксперимента.
-
Разработан алгоритм имитационного моделирования различных динамических состояний ЭМШД для дискретного электропривода на ПЭВМ.
-
Разработан метод планирования вычислительного эксперимента с использованием моделирования функционирования ЭМШД в составе дискретного электропривода.
Практическая ценность. Разработанный алгоритм математического моделирования и его программная реализация на ПЭВМ позволяет па ранних этапах проектирования дискретных электроприводов, включающих ЭМШД, производить качественный анализ различных алгоритмов управления, а также их аппаратурную реализацию, а также позволяет количественно оценить такие показатели дискретных нелинейных систем как устойчивость, управляемость, статическая и динамические погрешности, влияние временной задержки, связанной выполнением программы управления микропроцессором, па указанные показатели функционирования ЭМШД.
Конкретный вклад диссертанта в разработку новых научных результатов , которые выносятся на защиту:
1. Обоснованный выбор для планирования эксперимента ОЦКП и программная реализация алгоритма регрессионного анализа на ПЭВМ.
2.Выбор в качестве базового численного метода для решения математической модели функционирования ЭМШД метода Рунге -Кутта - Фельдберга второго порядка с автоматическим выбором шага дифференцирования.
3.Базовый алгоритм имитационного моделирования
функционирования ЭМШД и его программная реализация на ПЭВМ класса IBM PC/AT.
4. Программная реализация на ПЭВМ планирования вычислительного эксперимента при исследовании функционирования ЭМШД с использованием разработанной математической модели.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при выполнении государственной бюджетной научно -исследовательской работы "Разработка микропроцессорного управления электромеханическими системами нового поколения", проводимой Институт электродинамики Национальной академии наук
Украины совместно с кафедрой электропривода Запорожском Государственном Техническом Университете (ЗГТУ); регламентированных постановлениями ГКНТП Украины № 62 от 01.04.94 г. и № 45 от 15. 03. 96 г. но проблеме 05. 51. 06 "Ресурсосберегающие проблемы исполнительных и транспортных систем".
Апробация работы. Основные положения и результаты настоящей диссертации докладывались на трех республиканских научно - технических конференциях с международным участием, и на семинарах в Институте электродинамики НАН Украины.
Основное содержание исследований опубликовано в 5-ти научных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения, изложенных на 125 страницах, включает 12 рисунков и 21 таблиц, списка литературы из 84 наименований и 6 приложений.
