Введение к работе
Актуальность темы. Техническое перевооружение промышленности и выход на новые высокие технологии предполагают полную автоматизацию технологических комплексов, которая неразрывно связана с расширением и усложнением функций управления. Поэтому в материалах Международных научно-технических конференций по автоматизированному электроприводу неоднократно подчеркивалось, что для успешного создания устройств, реализующих такие функции необходимо использование нетрадиционных способов построения электропривода, максимально интегрированного с технологическими узлами установок. Несмотря на достигнутые в этом направлении успехи, проблема создания конкурентоспособных, технологичных, объектно-ориентированных электроприводов с отвечающими современным требованиям техническими и эксплуатационными характеристиками не нашла своего окончательного решения.
Потребность в таких приводах велика в станкостроении, робототехнике, различных приборах химической и бумажной промышленности, метрологии, полиграфии, машинах испытательной и медицинской техники, установках слежения, наведения и обработки данных, а также в авиационном приборостроении. Из всего спектра такого оборудования можно выделить системы, предназначенные для выполнения разнообразных испытаний и считывания данных с различных носителей, в которых реализуемый технологический процесс связан с перемещением или транспортировкой источника данных. Результатом работы таких установок являются оценки свойств исследуемого объекта или информация о данных, записанных на нем определенным способом. Такие объекты обычно являются неотъемлемой частью информационно-измерительным систем (ИИС), предназначенных для проведения комплексных испытаний различных изделий и материалов и преобразования формы представления разнообразной информации. К решающим такие задачи системам можно отнести высокоточные лентопротяжные механизмы, оптико-механические системы развертки и фотонабора, установки для испытания характеристик различных материалов и их соединений, контроля, в том числе и безобразцового, механических свойств разнообразных изделий. Создание последних является одним из приоритетных направлений федерального уровня развития науки и техники, утвержденных 21.07.1996 г. Комиссией по научно-
технической политике в соответствии с постановлением Президента Российской Федерации №884 "О доктрине развития Российской науки".
Анализ технологических процессов, реализуемых в информационно-измерительных системах, показывает, что, несмотря на многообразие решаемых ими задач, требования к электроприводам таких установок имеют много общих черт. Кроме общих, предъявляемых к широкому классу приводов требований, для таких установок необходимо, в первую очередь, обеспечение малых погрешностей стабилизации положения вала (0.2+5 угл. мин) и частоты его вращения (0.5+0.05%) в течение длительного технологического цикла. При этом диапазон изменения скорости перемещения исполнительного механизма достигает 1:(103+105), а абсолютное значение минимальной частоты вращения вала составляет (0.01+0.1) об/мин. В силу специфики работы ИИС, связанной с необходимостью обеспечения строгой воспроизводимости режимов испытания и траекторий движения развертывающих устройств, погрешность задания уровня скорости и положения вала и дрейф этих параметров в течение длительного времени не должны превышать (0.005+0.1)%. По характеру решаемых задач такие системы относятся к синхронно-синфазным или следящим за положением вала исполнительного механизма в процессе формирования траектории его движения.
Проблема создания прецизионного электропривода в течение последних десятилетий находится в центре внимания ученых и инженеров, работающих в этой области. Основы построения электроприводов с цифровыми регуляторами, базирующиеся на фундаментальных трудах Цыпкина Я.З., Джури Э., Бесекерского В. А., заложены в работах Кулесского Р. А., Слежановского О.В., Киблицкого В. А., Файнштейна В.Г., а также Ковчина С.А., Трахтенберга P.M., Танского Е.А, Хрущева В.В., Староверова Б. А.- для импульсно-фазовых систем. Большой прогресс ее решения в настоящее время обуславливается высоким технологическим уровнем производства современных БИС, а именно микропроцессорных систем, их надежностью и сравнительно низкой стоимостью. На основе этой элементной базы усилиями научных и производственных коллективов, таких как АООТ "Электропривод", ВНИИР (г. Чебоксары), ВНИИЭМ, Fanuc (Япония), Siemens
(ФРГ), Indramat(ФРГ) и многих др. разработаны микропроцессорные системы управления электроприводами, технические и эксплуатационные возможности которых существенно превосходят уровень, достигнутый за предшествующую историю развития электропривода.
Вместе с тем сам принцип действия цифровых систем создает ряд связанных как с измерением, так и управлением регулируемыми координатами проблем, наличие которых обусловлено дискретизацией измеряемых величин и конечностью времени их обработки. Причем вредное влияние указанных явлений на точностные характеристики электропривода возрастает с расширением диапазона регулирования его скорости. Обычно устранение этого вредного эффекта достигается при увеличении вычислительных возможностей используемых микропроцессоров и разрешающей способности измерительных преобразователей, что приводит к заметному усложнению систем управления и росту затрат на их изготовление. Применение не используемых ранее в прецизионных электроприводах бесконтактных двигателей (БКД), кардинально решающих проблему технологичности конструкции механических узлов ИИС, делает необходимой разработку ориентированных на использование в ИИС способов управления ими, а также технических средств по их реализации.
Широкий спектр требований к электроприводам ИИС, их многофункциональность и жесткая конкуренция на рынке готовой продукции привели к возникновению двух направлений развития такого типа устройств.
Первое направление заключается в дальнейшем совершенствовании электроприводов, в которых весь комплекс задач регулирования и управления основными координатами осуществляется в цифровом виде при минимизации вредного влияния дискретного управления объектами. Решение возникающих при создании таких электроприводов проблем достигается, чаще всего, наращиванием мощности используемых вычислительных устройств. Это направление находится в центре внимания большинства научно-исследовательских, проектных и производственных организаций как в России, так и за рубежом, занимающихся разработкой электроприводов для прецизионных установок.
Второе направление состоит в поиске и использовании технических решений, ориентированных на конкретную сферу
применения ИИС, которые при некотором ограничении ряда эксплуатационных возможностей электропривода, обладали бы высокой конкурентоспособностью в сфере применения, где совокупность достоинств цифрового привода избыточна, а широко понимаемая экономичность электропривода является основным фактором, определяющим эффективность его применения.
Настоящая работа относится ко второму направлению. Область поиска технических решений ограничена ИИС, использующими электроприводы относительно малой мощности (обычно десятки-сотни ватт, реже единицы кВт), но требующими высоких (5-ЮНм) моментов на валу исполнительного механизма или больших скоростей его перемещения.
В основу работы положена не получившая широкого применения в электроприводе, но хорошо зарекомендовавшая себя в измерительных и радиотехнических устройствах концепция построения высокоточных систем на базе контура фазовой синхронизации, в котором регулирование базовых переменных (скорости и положения вала исполнительного двигателя) осуществляется посредством цифровой обработки выделяемого посредством технических средств сигнала фазового рассогласования частотных сигналов обратной связи и задания. Такое построение системы управления позволяет, с одной стороны, освободить вычислительное устройство от решения достаточно простых, но требующих больших затрат времени задач по заданию уровня скорости, что снижает требования к его производительности и дает возможность использовать простые однокристальные микроконтроллеры (МК) . С другой стороны это позволяет усложнить законы управления, что расширяет функциональные возможности проектируемых систем, которые можно определить как импульс-но-фаэовые электропривода (ИФЭП).
В свете изложенного выше актуальность задачи создания электроприводов информационно-измерительных систем обосновывается, с одной стороны, необходимостью преодоления присущих большинству цифровых систем органических недостатков, а с другой стороны, все возрастающей потребностью в высококачественных приводных устройствах, предназначенных для использования в ИИС.
Основным содержанием работы является всестороннее развитие изложенной концепции в теоретическом и практиче-
ском плане, разработка и исследование новых структур такого электропривода и силовых преобразователей, выявление требований к его функциональным блокам и оценка целесообразности и эффективности применения разработанных электроприводов в различных информационно-измерительных системах.
Цель и задачи работы. Основной целью работы является решение важной научно-технической проблемы анализа, синтеза и практического создания микропроцессорных импульс-но-фаэовых электроприводов для информационно-измерительных систем.
Достижение поставленной цели связано с решением следующих основных задач:
1.Разработка рациональных структур многофункциональных электроприводов, определение круга задач, решаемых на программном и аппаратном уровне, а также состава и конфигурации технических средств и алгоритмов реализации программного обеспечения.
2.Разработка адекватных рассматриваемому классу электроприводов математических моделей, учитывающих особенности цифровых регуляторов, устройств по обработке частотных сигналов, используемых электродвигателей и способов управления ими, что обеспечивает достоверность выбора способов построения и параметров электроприводов ИИС, а также многовариантный анализ их динамических режимов.
3.Проведение всестороннего исследования статических и динамических характеристик ИФЭП, определение предельно достижимых в рамках рассматриваемой структуры точностных характеристик и направлений развития программного обеспечения и технических средств. Выявление характера изменения и величин дестабилизирующих факторов и степени их воздействия на точностные характеристики электропривода.
4.Разработка устройств масштабирования частотных сигналов, измерительных преобразователей, драйверов для управления напряжением или током исполнительных двигателей, обеспечивающих высокую точность выполнения операций, малый уровень шумов и простоту интерфейса связи с управляющим микроконтроллером.
5.Создание программного комплекса, обеспечивающего при ограниченных ресурсах микроконтроллера управление и регулирование положения вала и его скорости с заданными
показателями, диагностику состояния системы управления и належную защиту от аварийных режимов работы.
В диссертации выдвинуты новые научные положения: 1.Предложена ориентированная на использование в ИИС методика исследования двухфазных электромашинных информационных и силовых преобразователей, позволяющая корректно учитывать специфику происходящих в них процессов- Получены методы определения погрешности преобразования переменных в двигателях, датчиках и блоках обработки частотных сигналов, основанные на дискретном спектральном разложении выходных сигналов этих элементов.
-
Разработаны способы имитационного моделирования им-пульсно-фаэовых электроприводов с двигателями постоянного тока и бесконтактными, базирующиеся на методе пространства состояний и обеспечивающие учет подавляющего большинства особенностей измерения и обработки регулируемых переменных, получение адекватных действительным результатов моделирования при минимальных затратах машинного времени.
-
Предложены принципы организации и алгоритмы реализации программного обеспечения, предназначенного для решения разностных уравнений, реализующих функции цифровых регуляторов скорости и положения вала, формирования регулировочных характеристик электропривода, управления работой двигателя и ряда других операций.
-
Определены алгоритмы управления вектором поля статора многополюсных синхронных машин с постоянными магнитами на роторе, основанные на адаптивной ориентации управляющего сигнала или контроле тока фазных обмоток двигателя, а также способы их реализации, обеспечивающие расширение допустимой области работы двигателя, снижение потерь в его статоре и линеаризацию механических характеристик.
Практическая значимость. Результатом работы, имеющим практическое значение, является разработка новых, не используемых широко в отечественной и зарубежной практике, систем электропривода на базе контура фазовой синхронизации, ориентированных на использование недорогих микроконтроллеров и двигателей, постоянного тока или бесконтактных. Такие системы, обеспечивающие круговое вращение, секторное сканирование, силовое удержание, позиционирование и управление моментом двигателя, по своим возможно-
стям не уступают лучшим образцам цифровых систем управления, но превосходят их по ряду технико-экономических показателей. Конкретно практическое значение работы заключается в следующем:
1.Разработана концепция построения электроприводов, предназначенных для применения в информационно-измерительных системах, в которых высокая точность выявления фазового рассогласования частотных сигналов сочетается с широкими возможностями реализации на базе однокристальных микроконтроллеров различных типов регуляторов технологических параметров.
2. Разработаны структуры, алгоритмы функционирования и конкретные схемы электроприводов на базе двигателей постоянного тока и синхронных машин с постоянными магнитами при непрерывном или дискретном управлении МДС якоря, пригодные для использования в различных отраслях техники.
3.Разработано программное обеспечение для реализации управления и регулирования различных технологических параметров посредством однокристальных микроконтроллеров широко известных семейств MCS48, MCS51 фирмы Intel и их отечественных аналогов.
4.Разработаны и практически испытаны позиционные системы импульсно-фазового электропривода, в которых высокая точность отработки заданных перемещений достигается только за счет программной реализации астатиэма второго порядка и интегрированных в кристалл микроконтроллера таймеров без использования дополнительных преобразователей "угол-код".
5.Техническая реализация импульсно-фаэовых электроприводов, ориентированная на максимальное использование интегрированных в кристалл микроконтроллера периферийных устройств и их практическое использование в различных установках испытательной техники и прецизионных лентопротяжных механизмах.
Новизна полученных технических решений, подтверждается 14-тью авторскими свидетельствами и патентами на изобретения СССР и РФ. Результаты, полученные при теоретическом анализе электроприводов с регуляторами на базе МК, адекватно отражают закономерности, имеющие место в реальных объектах, что подтверждается данными, полученными при экспериментальных исследованиях. Разработанная
концепция построения импульсно-фазовых электроприводов и способы их технической реализации нашли применение в электроприводах ряда ИИС, выпускаемых малыми (10-100 единиц) сериями ПО "Точприбор" гор. Иваново и НИИТОП гор. Н. Новгород, установок нераэрушающего контроля оборудования АЭС (ВНИИАЭС, гор. Москва), специализированных лентопротяжных механизмов (НИИТП гор. Москва) и в ряде развертывающих устройств (НИИ Полиграфмаш гор. Москва, .НПО.Поли-графмаш, ПЛ ЛЭИС гор. Ленинград, ИГЗУ). Этими организациями успешно выпущено или эксплуатируются около 900 экземпляров различных вариантов предлагаемого типа электроприводов. В процессе опытной, опытно-промышленной и промышленной эксплуатации на практике подтверждены положительные свойства нового электропривода, сформулированные в работе. Использование и внедрение результатов диссертации подтверждаются соответствующими документами.
Материалы диссертации использованы в Ивановском государственном энергетическом университете при постановке курсов по дисциплинам: "Системы управления станками и станочными комплексами", "Математическое обеспечение автоматизированных производств", "Теория автоматического управления техническими системами", а также в курсовом и дипломном проектировании студентов специальностей 1201 и 1202.
Достоверность научных результатов и выводов. Достоверность научных результатов и выводов обосновывается совпадением результатов исследований (расхождение не более 3-10%), полученных аналитическими методами и в ходе натурных экспериментов, проведенных в Ивановском государственном энергетическом университете, НИИТОП (гор. Н.Новгород) , ВНИИАЭС и НИИТП (гор. Москва); непротиворечивостью результатов, полученных различными теоретическими методами.
Апробация работы. Основные положения работы и ее результаты докладывались и обсуждались на итоговых научно-технических конференциях Ивановского государственного энергетического университета в 1978-1985гг., трех научно-методических семинарах "Автоматизация проектирования в энергетике и электротехнике" программы САПР Минвуза РСФСР (Иваново 1977-1978гг., Саранск 1981г.), научно-технической конференции по автоматизации технологических процес-
сов и промышленных установок (Пермь 1977г.)/ Всесоюзном научно-техническом совещании "Вентильные автоматизированные электроприводы и преобразователи с улучшенными характеристиками" (Запорожье 1973г.)/ конференции молодых ученых и специалистов Всесоюзного электротехнического института (Москва 1978г.), III заседании координационного совета по межвузовской программе "Оптимум" (Иваново 1982г.), VT республиканской научно-технической конференции "Автоматический контроль и управление производственными процессами" (Могилев 1983г.), Всесоюзном научно-техническом совещании "Проблемы управления промышленными электромеханическими системами" (Ульяновск 1989г.), международных научно-технических конференциях "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (Иваново 1987-1997гг.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 62 работы, в том числе статьи в журналах "Электричество", "Технология текстильной промышленности" и "Электронная промышленность", публикации в трудах научно-технических конференций и в сборниках научно-технических трудов. Техническая новизна разработок подтверждена 14 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 298 страницах машинописного текста, содержит 91 рисунок и 7 таблиц. Список литературы включает 234 наименования.
