Введение к работе
Актуальность проблемы. Синхронно-синфазный электропривод (ССЭ) представляет собой совокупность управляемого задающего генератора и одного или нескольких электроприводов с фазовой синхронизацией, построенных на основе принципа фазовой автоподстройки частоты вращения (ФАПЧВ). В таких системах связь электроприводов с задающим генератором осуществляется с помощью односторонних каналов управления, в результате обеспечивается синхронность вращения каждого исполнительного электродвигателя и стабилизация заданного взаимного углового положения их валов.
Область использования прецизионных систем синхронно-синфазных электроприводов охватывает авиационную и космическую технику, робототехнику, технику приема, передачи, регистрации и воспроизведения информации, информационно-измерительную технику; они находят широкое применение при построении обзорно-поисковых и сканирующих систем и устройств, в системах технического зрения современных робототехнических комплексов, установках видеозаписывающей аппаратуры и копировальных установках. В частности, актуальной является задача разработки прецизионных электроприводов для обзорно-поисковых систем, осуществляющих автоматический обзор пространства в инфракрасном диапазоне спектра с целью получения информации о расположенных в нем объектах.
Широкое использование электроприводов, построенных на основе принципа ФАПЧВ, обусловлено их высокими точностными показателями в широком диапазоне регулирования угловой скорости.
Основы теории построения прецизионных систем синхронно-синфазного электропривода постоянного тока заложены в работах P.M. Трахтенберга. Им были предложены упрощенные математические модели импульсного частотно-фазового дискриминатора (ИЧФД), разработаны различные алгоритмы работы логического устройства сравнения (ЛУС), предложен ряд способов регулирования ССЭ, для анализа динамических процессов в электроприводе с фазовой синхронизацией использованы метод фазовой плоскости и методы теории линейных импульсных систем.
Экспериментальные и теоретические исследования в этой области проводились различными научными коллективами. Значительный вклад в решение вопросов проектирования ССЭ внесли Вас.В. Андрущук, Вл.В. Андрущук, И.В. Булин-Соколов, В.П. Галас, В.Н. Зажирко, В.Г. Кавко, В.Н. Катькалов, А.А. Киселев, СМ. Миронов, Л.М. Осипов, Б.А. Староверов, В.И. Стребков, А.М. Су-тормин, М.В. Фалеев, А.В. Ханаев, А.Н. Ширяев, Б.М. Ямановский и др.
На этой основе спроектированы электропривода для различных областей применения, разработаны новые способы регулирования и новые технические решения построения систем ССЭ. Однако вопросы анализа и синтеза систем управления электроприводом с фазовой синхронизацией освещены в литературе недостаточно полно, при анализе процессов в электроприводе используются упрощенные модели ЛУС, отсутствуют достаточно простые, пригодные для инже-
мерной практики методики проектирования, что сдерживает более широкое использование ССЭ в различных областях техники.
Таким образом, развитие теории прецизионных систем синхронно-синфазного электропривода постоянного тока является актуальной проблемой, 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 является частью комплексных научных исследований по теме «Исследование и разработка прецизионных систем электропривода специального назначения», которые проводились в Омском государственном техническом университете (ОмГТУ) на основе хоздоговорных работ с научно-производственным объединением «Полюс» г. Томск.
Цель диссертационной работы. Целью работы является выполнение комплекса теоретических обобщений, конструкторских и экспериментальных исследований, направленных на совершенствование способов и средств управления прецизионными системами синхронно-синфазного электропривода постоянного тока.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи:
1) разработать обобщенную функциональную схему синхронно-
синфазного электропривода постоянного тока;
-
разработать полную математическую модель импульсного частотно-фазового дискриминатора (входящего в состав ЛУС), адекватно отражающую его нелинейности;
-
определить условия линеаризации полной математической модели электропривода с фазовой синхронизацией, адекватно отражающей нелинейности импульсной системы ФАПЧВ, в пропорциональном режиме работы и исследовать влияние уровня реального токоограничения электродвигателя на динамику электропривода;
-
исследовать влияние алгоритмов работы регулятора в контуре ФАПЧВ на динамику электропривода;
-
разработать способы и средства регулирования электропривода с фазовой синхронизацией с улучшенными динамическими характеристиками в режимах втягивания контура ФАПЧВ в синхронизм со входным частотным сигналом;
-
провести сравнительный анализ способов фазирования систем ССЭ по быстродействию и разработать фазирующие регуляторы с улучшенными динамическими характеристиками;
-
провести сравнительный анализ алгоритмов работы и средств построения основных элементов электромеханического узла ССЭ и разработать новые более совершенные алгоритмы работы и технические решения по их построению;
-
на основе сравнительного анализа алгоритмов работы и средств построения основных функциональных узлов системы управления синхронно-синфазного электропривода сформировать рекомендации по их выбору (в зависимости от характеристик проектируемых ССЭ) и разработать новые алгоритмы работы и технические решения по построению узлов с улучшенными точностными, динамическими и надежностными показателями. Разработать методику инженерного проектирования ССЭ;
-
экспериментально подтвердить выдвинутые теоретические положения путем компьютерного моделирования и проведения исследований на опытных образцах электропривода.
Основные методы научных исследований. В работе использован комплексный подход к решению рассматриваемой проблемы, включающий обобщение и анализ литературных источников и дальнейшее развитие теории построения прецизионных синхронно-синфазных электроприводов постоянного тока. При теоретическом исследовании режимов втягивания контура ФАПЧВ в синхронизм со входным частотным сигналом и режимов фазирования 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 MATLAB и экспериментально на макетных образцах синхронно-синфазного электропривода.
Научная новизна работы. Решение поставленных задач определило научную новизну диссертационной работы, которая заключается в следующем.
-
Впервые на основе комплекса выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны основные принципы формирования математической модели синхронно-синфазного электропривода, использования математического аппарата при проведении теоретических исследований и проектирования подсистем ССЭ.
-
Разработана полная математическая модель импульсного частотно-фазового дискриминатора (входящего в состав ЛУС), адекватно отражающая его нелинейности.
-
На основе разработанной модели ИЧФД построены полные структурные схемы контура ФАПЧВ при различных способах демодуляции выходного сигнала фазового дискриминатора и определены условия их линеаризации в пропорциональном режиме работы электропривода с фазовой синхронизацией.
-
На основе метода фазовой плоскости проведен анализ динамических процессов в электроприводе с фазовой синхронизацией с учетом реального то-коограничения электродвигателя. Получены уравнения линий переключения и определены области начальных условий для пропорционального режима работы
электропривода. Исследовано влияние значения коэффициента усиления регулятора на качество переходных процессов в системе управления и сформулированы рекомендации по его практическому выбору.
-
Предложена классификация способов регулирования электропривода с фазовой синхронизацией в зависимости от места введения дополнительных корректирующих сигналов в основной контур регулирования, и на основе метода фазовой плоскости проведен их сравнительный анализ. Для различных алгоритмов регулирования получены уравнения линий переключения из режима насыщения в режим фазового сравнения ЛУС и определены области начальных условий по угловой ошибке и ее производной.
-
Разработаны: а) эффективный способ коррекции электропривода с фазовой синхронизацией, основанный на введении дополнительного корректирующего сигнала в основной канал регулирования в режимах насыщения ИЧФД при малых частотных рассогласованиях контура ФАПЧВ; б) способ регулирования угловой скорости электропривода с фазовой синхронизацией с опережающей разблокировкой ИЧФД (при повторном совпадении во времени его входных импульсов). В результате обеспечивается сокращение времени переходных процессов и снижение перерегулирования по угловой скорости в контуре ФАПЧВ.
-
Усовершенствованы широко используемые при построении ССЭ способы фазирования: а) с пошаговым доворотом вала электродвигателя; б) квазиоптимального по быстродействию фазирования электропривода.
-
Предложены новые алгоритмы работы узлов ССЭ и разработаны на уровне изобретений новые технические решения по их построению.
Практическая ценность работы.
1. Предложена методика проектирования прецизионного синхронно-
синфазного электропривода постоянного тока.
-
Использование результатов сравнительного анализа способов построения ССЭ и его отдельных узлов позволяет в зависимости от предъявляемых к электроприводу технических требований выбрать наиболее подходящие схемные решения.
-
Разработаны и подтверждены авторскими свидетельствами на изобретения варианты основных узлов прецизионного синхронно-синфазного электропривода постоянного тока с улучшенными точностными, динамическими и надежностными показателями.
-
Результаты анализа динамических процессов в электроприводе с фазовой синхронизацией и разработанные на уровне изобретений структурные схемы основных узлов системы регулирования могут быть также использованы при проектировании систем фазовой автоподстройки частоты различных управляемых генераторов импульсов.
Реализация результатов работы.
Результаты теоретических исследований, обобщенные в монографии «Вопросы анализа и синтеза прецизионных систем синхронно-синфазного электро-
привода постоянного тока» используются в ОмГТУ при проведении занятий по дисциплине «Системы прецизионного электропривода».
Результаты теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы использованы при разработке прецизионного синхронно-синфазного электропривода постоянного тока ПС-10, что позволило существенно снизить амплитуду угловых качаний ротора электродвигателя, а также сократить время переходных процессов синхронизации и фазирования в экспериментальных образцах электропривода. Работа проводилась на основе хоздоговоров ОмГТУ с научно-производственным объединением «Полюс», г. Томск.
Методика проектирования прецизионного синхронно-синфазного электропривода и рекомендации по построению узлов электропривода с фазовой синхронизацией использовались при проектировании прецизионных электроприводов в ФГУП «Центральное конструкторское бюро автоматики» и Омском НИИ приборостроения, г. Омск.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывалась и обсуждались на:
Всесоюзной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии»: Вторые Бенардосовские чтения, г. Иваново, 1985;
Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы повышения эффективности и качества систем синхронизации», г. Львов, 1985;
Всесоюзных семинарах «Системы управления, следящие приводы и их элементы», г. Москва, 1986, 1987;
XIII научно-технической конференции «Системы электроснабжения автономных объектов», г. Томск, 1987;
Всесоюзной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии»: Третьи Бенардосовские чтения, г. Иваново, 1987;
Всесоюзной научно-технической конференции «Микропроцессорные системы автоматизации технологических процессов», г. Новосибирск, 1987;
I Всесоюзной научно-технической конференции по электромехано-тронике, г. Ленинград, 1987;
Всесоюзной научно-технической конференции «Современное состояние, проблемы и перспективы энергетики и технологии в энергостроении»: Четвертые Бенардосовские чтения, г. Иваново, 1989;
- Ї, IV, V Международных научно-технических конференциях «Динамика
систем, механизмов и машин», г. Омск, 1995, 2002, 2004;
- научно-практической конференции «Энергетика на рубеже веков»
г. Омск, 2003;
- II, III Всероссийских научно-практических конференциях «Автоматизи
рованный электропривод и промышленная электроника в металлургической и
горно-топливной отраслях», г. Новокузнецк, 2004, 2006.
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 60 печатных работах, в том числе 15 авторских свидетельствах и 1 патенте на изобретения.
Результаты теоретических исследований обобщены в монографиях «Вопросы анализа и синтеза прецизионных систем синхронно-синфазного электропривода постоянного тока» и «Вопросы теории и проектирования прецизионных синхронно-синфазных электроприводов постоянного тока». Основные научные результаты опубликованы в журналах «Электричество», «Электротехника», «Известия вузов. Электромеханика», «Известия Томского политехнического университета», «Омский научный вестник».
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, девяти основных глав и заключения, выполнена на 268 страницах основного текста, содержит 130 рисунков и 3 таблицы, список используемой литературы из 152 наименований и приложения на 15 страницах. Общий объем диссертации - 283 страницы.
