Введение к работе
Актуальность работы. Развитие в последние годы измерительной техники, аппаратных средств вычислительной техники и целого ряда других микроустройств автоматики, а также повышение требований к их быстродействию и точности привело к необходимости новых решений при построении позиционных микроэлектроприводов (МЭП) постоянного тока, характерных для таких объектов. Сказанное в особенности относится к двухканальным позиционным системам, в которых регулирование скорости электродвигателя осуществляется как за счет регулирования напряжения на обмотке якоря двигателя, так и за счет регулирования потока (напряжения на обмотке возбуждения).
Наиболее перспективным, ввиду повышения требований к быстродействию, является применение импульсных (транзисторных) источников питания электрической машины и создание на их базе релейных систем, работающих в скользящем режиме. Однако вопросы построения двухзонных электроприводов с транзисторными преобразователями в цепях обмоток якоря и возбуждения освещены современной литературой по автоматизированному электроприводу не достаточно полно. Как правило, большее внимание уделяется двухзонным тиристор-ным электроприводам. Кроме того, "исторически" в теории автоматизированного электропривода приоритет отдавался мощным электроприводам, в то время как микроэлектродвигатели (МЭД) имеют ряд особенностей, которые также должны быть учтены при анализе и синтезе системы позиционирования.
Синтез позиционной системы должен быть направлен на обеспечение предельного (с учетом ограничения координат) быстродействия и заданной точности позиционирования рабочего органа. Одновременное выполнение этих требований обеспечивается при синтезе системы управления, в которой фазовое пространство разбивается на две области, в каждой из которых используется свой критерий оптимизации и предполагается своя структура регуляторов. Такой подход позволяет обеспечить в области больших рассогласований регулируемой координаты максимальное быстродействие, а в области малых рассогласований требуемую точность позиционирования.
Сочетание требований предельного быстродействия и заданной точности привносит дополнительную специфику в синтез системы позиционирования, что подчеркивает актуальность разработки двухканальной системы управления машиной постоянного тока малой мощности для высокодинамичных электроприводов, работающих в составе позиционных устройств измерительной и вычислительной техники.
Целью диссертационной работы является разработка двухканальной системы управления позиционным микроэлектроприводом на базе машины постоянного тока и широтно-импульсных преобразователей, обеспечивающей близкое к оптимальному быстродействие и заданную точность позиционирования.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе ставятся следующие задачи:
-
Выработать рекомендации по целесообразности двухканальиого управления в микроэлектроприводах, работающих в режиме позиционирования, и разработать методику, позволяющую оценивать целесообразность двухканальиого управления при произвольном виде заданного цикла позиционирования.
-
Разработать методику синтеза контура регулирования тока якоря, обеспечивающего близкое к оптимальному быстродействие микроэлектропривода постоянного тока при двухканальном импульсном управлении.
-
Сформулировать алгоритмы двухзонного управления скоростью машины постоянного тока, которые, при учете импульсного характера работы транзисторных преобразователей, позволяют осуществлять в обеих зонах регулирование скорости с высокими динамическими показателями.
-
Провести анализ и синтез контура регулирования положения, удовлетворяющего в обеих зонах регулирования требованиям быстродействия "в большом" и обеспечивающего заданную точность позиционирования "в малом".
-
Разработать экспериментальную установку и провести исследование предложенных законов управления на физической модели с целью подтверждения полученных результатов.
Методы исследования. Решение перечисленных задач произведено с использованием методов теории электропривода, теории автоматического управления и теории оптимальных систем. Использован математический аппарат дифференциального и интегрального исчисления, рядов Фурье, принципа максимума, методов скользящих режимов и припасовывания. Для подтверждения полученных результатов использованы методы математического моделирования и экспериментальных исследований.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Получены аналитические выражения для параметров автоколебательного режима в релейном контуре регулирования тока якоря при управляемом потоке двигателя.
-
Достигнуто сочетание высокого быстродействия процессов "в большом" с заданной точностью позиционирования "в малом" за счет сформулированного условия синхронной работы релейных контуров регулирования тока и скорости.
-
Получена нелинейная характеристика регулятора положения при регулировании потока двигателя, обеспечивающая оптимальное соотношение временных интервалов разгона и торможения в позиционном МЭП с двухканальным управлением.
-
Проведен математический анализ пульсаций тока якоря, электромагнитного момента и скорости на валу машины постоянного тока при двухканальном импульсном управлении.
a *
Практическая ценность диссертации заключается в том, что:
-
Предложена методика оценки целесообразности двухканальиого регулирования при позиционировании, позволяющая наиболее полно использовать все возможности машины постоянного тока как двухканальиого объекта управления.
-
Разработана методика синтеза релейного контура тока якоря при управлении напряжением возбуждения, обеспечипающая заданные показатели качества автоколебательного режима в таком контуре.
-
Предложена нетрадиционная структурная схема двухзоииого регулирования скорости двигателя, построенная по независимому принципу управления, и новый способ согласования зон регулирования скорости, за счет которых обеспечивается полное использование ресурсов управления по обоим каналам воздействия и достигается оптимальное по быстродействию регулирование скорости "в большом".
-
Сформулированы способы снижения пульсаций скорости в квазиустано-вившемся режиме работы двухканального микроэлектропривода за счет импульсного питания ОВ, которые позволяют расширить диапазон регулирования скорости.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при разработке системы управления позиционным электроприводом перемещения плунжера измерительной установки в Сибирском научно-исследовательском институте метрологии, а также предполагается использование результатов работы при создании установки для лазерной резки металлов, разработка которой начата в конструкторско-технологическом институте научного приборостроения СО РАН.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Третьей и Четвертой международных научно - технических конференциях "Актуальные проблемы электронного приборостроения" АПЭП-96 и АПЭП-98 (г.Новосибирск, 1996 г. и 1998 г. соответственно) и на втором и третьем корейско-русских международных симпозиумах по проблемам науки и технологий KORUS-98 (г.Томск, 1998г.), KORUS-99 (г.Новосибирск, 1999г.), а также на научных семинарах кафедры электропривода и объединенных семинарах электромеханического факультета НГТУ "Автоматизированные электромеханические системы" (1995 - 2000г.г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 печатных работ и получено два патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и 7 приложений.
Работа содержит 199 стр., из которых 178 стр. - основной текст, а 21 стр. -иллюстрации. Список литературы на 7 стр. содержит 95 наименований.
