Содержание к диссертации
Введение
ОБЗОР ШАГОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ РЕГУЛИРОВАНИЯ10
1.1. Классификация режимов работы ШЭП 10
1.2. Анализ методов управления локально-замкнутым ШЭП 14
1.3. Динамические характеристики ШД 22
1.4. Выводы и постановка задач исследования . 32
2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУР ЛОКАЛЬНО-ЗАМКНУТОГО ШЭП ДЛЯ ПРОГРАММНЫХ И СЛЕДЯЩИХ СИСТЕМ 33
2.1. Режим пропорционального регулирования . 34
2.2. Режим релейного регулирования 38
2.3. Режим регулирования, квазиоптимального по быстродействию 41
2.4. Программное регулирование угла коммутации . 47
2.5. Структурные схемы следящих приводов 49
2.6. Выводы 55
3. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И РАСЧЁТ ЛОКАЛЬНО-ЗАМКНУТОГО ШЭП 56
3.1. Расчёт параметров регулирования пропорционального следящего привода 56
3.2. Исследование релейного следящего привода методом гармонической линеаризации 61
3.3. Исследование квазиоптимального следящего привода методом гармонической линеаризации . 68
3.4. Обработка результатов исследования методом планирования эксперимента 75
3.5. Выводы 79
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ НА ЭШ 83
4.1. Режим пропорционального регулирования 83
4.2. Резким фиксации двигателя 93
4.3. Исследование релейного следящего привода . 98
4.4. Исследование квазиоптимального следящего привода 118
4.5. Исследование пропорционального следящего привода 128
4.6. Сравнительная оценка и рекомендации по проектированию следящих приводов 144
4.7. Исследование программной системы с регулируемым углом коммутации 156
4.8. Выводы 159
5. РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
И РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМ С ЛОКАЛЬНО-ЗАМКНУТЫМ ШЭП . 160
5.1. Разработка элементов привода 160
5.2. Экспериментальное исследование методов регулирования 164
5.3. Практическая реализация ШЭП 175
5.4. Выводы 183
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 184
ЛИТЕРАТУРА 186
ПРИЛОЖЕНИЯ
- Классификация режимов работы ШЭП
- Режим пропорционального регулирования
- Расчёт параметров регулирования пропорционального следящего привода
- Режим пропорционального регулирования
- Разработка элементов привода
Введение к работе
Решения ХШ съезда КПСС и последующих пленумов ЦК направлены на кардинальное повышение производительности труда в народном хозяйстве страны. Одним из направлений успешного решения экономических задач, стоящих перед нашим обществом, является создание высокопроизводительного оборудования, о высоким уровнем автоматизации.
Современный электропривод не только увеличивает энерговооруженность труда, но и является главным средством автоматизации рабочих машин и производственных процессов. Постоянно растущие требования к техническим характеристикам приводов могут быть удовлетворены путем разработки новых способов и устройств управления приводами с использованием современной элементной базы. Одним из направлений технического прогресса является разработка электроприводов с цифровым управлением, использующим возможности вычислительной техники. Логическое развитие принципа цифрового управления привело к созданию дискретного шагового электропривода, непосредственно преобразующего импульсные сигналы в пропорциональное числу этих сигналов механическое перемещение.
Дискретный электропривод с шаговыми двигателями (ПЩ) имеет следующие положительные свойства: однозначное соответствие между числом импульсных команд ж количеством отработанных элементарных перемещений вала; частотно-импульсное кодирование скорости двигателя; наличие фиксированного останова после отработки заданного перемещения, величина момента при этом сохраняется максимальной; высокая надежность двигателя; работа всех электронных узлов привода в ключевом режиме, что облегчает их настройку и эксплуатацию; - построение системы управления привода на дискретных элементах максимально упрощающее стыковку с вычислительными устройствами.
Динамические особенности шагового электропривода наилучшим образом проявляются при формировании сложных траекторий движения исполнительного органа (программные /54,86/ и следящие /46/ системы) .
Область использования шагового электропривода необычайно широка /25,45/. Он эффективно применяется в металлорежущих станках с программным управлением /6,52/, в комплексах автоматизации технологических процессов Д5,6І/, в точных измерительных устройствах /4,35/, в рабочих органах различных прецизионных приборов /34/.
Интенсивное развитие современного шагового электропривода началось 15*20 лет назад и велось как в направлении конструирования новых типов ЩД, так и схем управления ими. Наибольшее распространение благодаря своей очевидной простоте получили структуры разомкнутого шагового электропривода. При этом основу исследовательских задач составили оптимизация параметров двигателя, импульсных источников питания, применения старт-стопного управления.
Первые успехи, достигнутые в шаговом электроприводе привлекли к нему ещё большее внимание разработчиков систем автоматического регулирования, что соответственно сказалось на усложнении технических требований, связанных с увеличением статической точности, повышением производительности, улучшением качества движения. Это вызвало поиск новых методов управления двигателем.
Увеличить статическую точность позволил способ электрического дробления шага ОД, разработанный в первой половине семидесятых годов почти одновременно в СССР и за рубежом. Принцип электрического дробления шага основан на управлении вектором результирующе- - 6-го поля машины внутри основного периода коммутации, что позволяет в несколько раз уменьшать величину основного шага, получать сверхнизкие скорости при высокой плавности движения.
Однако у шагового двигателя оставался ещё один недостаток -невысокий верхний предел скорости, определяемый частотой приемистости, т.е. той частотой, перепад которой не вызывает выпадения двигателя из синхронизма. Особенно этот недостаток проявлялся при отработке протяженных участков перемещения исполнительного механизма.
Повысить скорость отработки перемещений в разомкнутом приводе позволяет программирование частоты подачи на двигатель управляющих импульсов. Программа включает в себя участок разгона и торможения с изменяющейся частотой и участок непрерывного вращения с постоянной частотой. Эффективность использования ЩЦ в таком режиме снижается из-за случайных отклонений параметров двигателя и нагрузки.
Гарантией надежной работы на высоких скоростях служит установка датчика шагов на валу двигателя, что позволяет очередную коммутацию фаз Щ производить только после отработки предыдущего шага. Этот режим носит название локально-замкнутого. Напише контура обратной связи по положению сообщает шаговому приводу основные свойства двигателя постоянного тока: быстродействие в переходных режимах, высокий КПД, подавление автоколебаний. Одновременно сохраняются преимущества шагового привода: отсутствие выбега ротора и его надежная фиксация в конце движения, отсутствие накопленных ошибок. Дополнительное преимущество локально-замкнутого привода заключено в возможности использования инверторов тока независимо от характера нагрузки на валу двигателя, что расширяет рабочий диапазон скорости /67/. Количественная оценка повышения быстродействия, достигаемого в локально-замкнутом приводе по срав- нению с разомкнутым, может быть получена при сравнении времени Т прохождения некоторого интервала пути в /V шагов: т> '&ЗОМК- = 0,625\1^: (м) где: /2 - число тактов коммутации ВД ( /Vp/2 ) /45/.
Но в локально-замкнутом приводе возникли следующие проблемы: во-первых, трудоемкость регулирования и стабилизации скорости, на которую влияют параметры нагрузки и питающего напряжения, а во-вторых, сложность реализации тормозного режима при неизвестной конечной точке траектории движения. Поэтому работы советских и иностранных специалистов в области локально-замкнутого шагового электропривода (ШЭП) были направлены на поиски новых структур, обеспечивающих позиционирование по программе, слежение по углу /67,68,87/, стабилизацию и регулирование скорости /54,60,61,81/, а также вопросам теоретического обоснования оптимального по быстродействию управления ОД /63/.
Однако перечисленные работы не дают обобщенного подхода к структурной реализации локально-замкнутого ШЭП, который заключается прежде всего в выборе управляющего воздействия, обеспечивающего регулирование. Принципиальная возможность регулирования скорости в локально-замкнутом ШЭП имеется. Она осуществляется путем изменения угла коммутации фаз ВД, эквивалентного сдвигу щеток в двигателе постоянного тока. Но известные технические решения, реализующие данный метод усложнены из-за большой ёмкости памяти /70/ или из-за увеличения разрешающей способности датчика шагов /59/. Возможность качественного и простого регулирования в локально-замкнутом ШЭП заложена в самой мяогоэлемеятности структуры шагового электропривода, позволяющей проводить анализ его состояния и замыкать дополнительные внутренние и внешние обратные связи.
Автором данной работы были выявлены способы регулирования скорости в программном и следящем локально-замкнутом ШЭП, основанные на пространственно-временном управлении вектором результирующего поля двигателя. Структурное воплощение этих принципов регулирования было защищено авторскими свидетельствами на изобретения Я№ 481823, 494725, 547726, 584474, 1046893. Предлагаемые структуры реализуют различные законы регулирования, практически не усложняя схемную часть привода, благодаря многофункциональному использованию имеющейся в наличии элементной базы Щ. Всестороннее теоретическое исследование этих структур, выявляющее их предельные возможности и качественные различия, позволило дать рекомендации по практическому применению локально-замкнутого ШЭП в конкретных установках.
Предметом рассмотрения в диссертации являются вопросы разработки, исследования и технической реализации методов управления локально-замкнутым ШЭП для программных и следящих систем автоматического регулирования.
Основные научные результаты, выносимые на защиту следующие: первый научный результат - на основании проведенного анализа существующих схемных реше ний локально-замкнутого ШЭП разработаны новые структуры програм много и следящего ШЭП с улучшенными предельными динамическими по казателями быстродействие, плавность, качество переходных процес сов); второй научный результат - проведена классификация структур локально-замкнутого ШЭП (существующих и вновь предлагаемых) и рекомендованы области их применения в зависимости от требований, предъявляемых к качеству движения исполнительными механизмами; третий научный результат~~ - разработана методика сравнительного анализа структур шагового электропривода по обобщенным динамическим показателям и инженерная методика выбора и расчёта широкого класса систем автоматического регулирования с ПЩ.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на районных научно-технических конференциях НТО (1972 г., 1974 г., 1979 г.) на конференциях БНййэлектромаш, посвященным годовым итогам научно-исследовательских работ института (1970 г., 1974 г.) и на У научно-технической конференции Алма-Атинского института (1980 г.). Результаты работы использовались при создании комплексов по производству интегральных микросхем и при создании автоматического цифрового микроденситометра АМД-І, выпускаемого серийно.
Классификация режимов работы ШЭП
Шаговые двигатели получили преимущественное использование в следящем электроприводе, отрабатывающем перемещение исполнительного органа в соответствии с произвольно меняющимся задающим сигналом, и позиционном электроприводе, работающем по заданной про - II грамме. Задачи позиционирования полностью решаются следящим приводом, поэтому более широко вопросы синтеза и исследования структур ШП могут быть выполнены в следящем режиме, за исключением тех случаев, когда использование ШЭП только для позиционирования приводит к существенной минимизации структуры.
Функционирование программных и следящих систем автоматического управления поясняется схемой, изображенной на рисІ.І. Блок формирования сигнала управления (БФСУ) вырабатывает управляющий сигнал, зависящий в общем случае от отклонения регулируемой величины, её производных и интегралов, а также от иных величин, характеризующих состояние системы и внешних возмущений.
Задачей блока формирования управляющего воздействия (БФУБ) является преобразование управляющего сигнала в соответствии с законом регулирования, принятым в системе (непрерывное, релейное, импульсное). БФУВ является составной частью ШЭП, взятого на рис. І.І в пунктирную рамку, и его реализация производится с учётом характера работы ЩД и совмещением различных функций электронными блоками управления. В связи с этим комплексный подход к классификации ШЭП включает в себя не только рассмотрение различных методов управления ЩД, но и возможность реализации законов регулирования, базирующихся на этих методах.
В работе рассматриваются пропорциональный, релейный и квазиоптимальный по быстродействию законы регулирования, реализуемые ШЭП. Подробное обоснование использования различных режимов работы ВЩ в следящих системах приведено в /20/. Здесь же приведены результирующие данные по классифакации ШЭП в зависимости от режима работы и закона регулирования (таблица І.І).
Режим пропорционального регулирования
При данном регулировании скорость ЩЦ пропорциональна величине ошибки системы. Для установившегося состояния замкнутой системы при задающем воздействии u&x COl7S L пропорциональный регулятор обеспечивает постоянство средней скорости на шаге двигателя. Это означает, что при разбиении участка движения на интервалы, соответствующие шагу двигателя, характер движения системы достаточно рассмотреть только на одном интервале, т.к. дальнейшее движение будет периодической функцией.
На рис.2.1,а представлена функциональная схема следящего привода с пропорциональным законом регулирования. Локально-замкнутый режим работы ВД создается с помощью импульсного, посылающего импульсы отработки шагов на коммутатор (К) через соответствующие логические элементы. Пороговое устройство (ПУ) задает зону нечувствительности и выбирает направление вращения в зависимости от знака усиленного сигнала рассогласования. Дифференцирующие цепочки (ДЩ) и (ДЦ2) служат для первоначального запуска двигателя. Регулирование скорости обеспечивается чередованием на каждом шаге двигательного режима и режима торможения про-тивовключением. Начало торможения задается сигналом с ДЩ. Длительность существования режима торможения определяется величиной текущей ошибки системы. Чем меньше ошибка в системе, тем большее время двигатель находится в состоянии торможения и наоборот. В свою очередь, время торможения оказывает влияние на скорость двигателя, снижая её при малых ошибках системы и увеличивая при больших. Таким образом осуществляется пропорциональная зависимость между ошибкой в системе и скоростью объекта регулирования (QP). Временной интервал торможения формируется методом развертывающего уравновешивания в преобразователе напряжение - частота (ПНЧ), на вход которого поступает напряжение сигнала ошибки. Работа ПНЧ синхронизируется ключом (КИ) и триггером (ТГ) с частотой поступления импульсов с ДТП.
Функционирование привода поясняется рис.2,1,6, где показана последовательность во времени управляющих импульсов ЩЦ и угловые характеристики синхронизирующего момента четырехфазного двигателя при отработке первых шагов (кривые а,б,в,г). Штриховыми линиями показаны оси пространственного положения импульсов ДШ. На каждом шаге двигателя на коммутатор поступают три импульса: пер-вый(с ДШ) сдвигает поле статора на JL/Z /эл.рад./ назад, переводя двигатель в режим торможения противовключением, второй и третий (с ШЧ и 13) сдвигают поле статора еще на Ж /эл.рад./ назад. В итоге результирующий сдвиг поля статора будет равен JL/2 /эл.рад./ по направлению вращения и оставшуюся часть шага ротор проходит в ускоряющем поле. При тактности двигателя, отличной от четырех, импульс, снимаемый с ЯПЇЇ, должен быть преобразован в пачку из Л1 -2 импульсов, где ЛЬ - число тактов коммутации.
Если задающее воздействие изменяется с постоянной скоростью, то система, имея главную отрицательную обратную связь, производит отработку входного воздействия с этой же установившейся скоростью. При уменьшении скорости входного сигнала время торможения увеличивается и скорость двигателя снижается. При увеличении скорости входного сигнала рассогласование увеличивается, и время торможения соответственно уменьшается. В итоге скорость вращения двигателя является функцией энергии, графически равной разности площадей, ограниченных кривой синхронизирующего момента для разгона и торможения (на рис.2.1,6 отмечены штриховкой). При этом диапазон скорости меняется в широких пределах, а именно, начиная от сверхнизких частот, когда площади, определяющие энергию разгона (выше оси Q ) и торможения (ниже оси 0 ) мало отличаются друг от друга, и кончая максимальной рабочей скоростью двигателя, когда энергия торможения практически равна нулю.
Расчёт параметров регулирования пропорционального следящего привода
Соотношение между длительностью разгона и торможения на каждом шаге определяет среднюю скорость двигателя в пропорциональной системе (рис.2.1). Регулирование скорости осуществляется узлом системы, функциональная схема которого приведена на рио.ЗД. Работа узла поясняется диаграммами, номера которых соответствуют точкам с идентичными номерами функциональной схемы.
Узел регулирования скорости двигателя работает следующим образом. Напряжение U (диаграмма I), пропорциональное величине сигнала рассогласования системы (j , подается через ключ на интегратор преобразователя напряжения в частоту следования импульсов (ПНЧ). Ключ (Кл) управляется триггером (ТГ) и замкнут на период торможения 7т в интервале следования импульсов с ДШ (диаграмма 2) и импульсов с выхода ПНЧ (диаграмма 5). На диаграмме I участки, соответствующие замкнутому состоянию Кл, заштрихованы. Выходное напряжение интегратора Uu (диаграмма 3) сравнивается с напряжением ПУ преобразователя ШЧ (диаграмма 4).
В момент равенства напряжений Uu и Un Ш срабатывает и за пускает формирователь импульсов (ФИ). Импульс с ФИ поступает на вход "вперед" (точка 6) коммутатора К шагового двигателя, устанавливает в нуль интегратор и закрывает Кл. Время разгона двигателя Тр (диаграмма 6) занимает промежуток между срабатыванием ФИ и поступлением очередного импульса с ДШ. Очередной импульс с ДШ переводит двигатель в режим торможения (диаграмма 7) и запускает ПНЧ /9/.
Режим пропорционального регулирования
В САР с пропорциональным законом регулирования время торможения на шаге является функцией рассогласования. Ротор двигателя в такой системе подвергается двум управляющим воздействиям на интервале каждого шага. Эти воздействия представляют собой некоторые результирующие напряжения, соответствующие определенной комбинации включенных обмоток управления. На схеме пространственной электромеханической модели привода (рис.4.1) они обозначены как Ц-и Uz Поворот ротора на угол оСш имеет две фазы: торможение (угол оСт ) и разгон (угол dp), обусловленные соответственно напряжениями (У/ и Uz с угловыми координатами J/ и У% . Угловая координата вектора результирующего напряжения (Ус , соответствующего положению ротора после отработки предыдущего шага, обозначена через Qo Ротор проходит в тормозящем поле ста - 84 Стр.84 Рис.4.I. Пространственная электромеханическая модель привода тора участок поворота от оси ( до линии переключения (ЛИТ), а участок от ЛИГ до линии переключения (.ГО) - в опережающем поле. После достижения ротором 1П2 обмотки статора переключаются таким образом, чтобы на ротор воздействовал тормозящий момент. Положение ЛЩ определяется временем торможения, а ЛП2 - появлением импульса с датчика шагов. Управляющее воздействие U/ существует с момента поступления импульса с ДШ на протяжении времени торможения V » которое при исследовании изменялось в пределах от 0 до Імакс .
class5 РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
И РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМ С ЛОКАЛЬНО-ЗАМКНУТЫМ ШЭП . class5
Разработка элементов привода
Высокие требования, предъявляемые к системам управления, определяют технические характеристики используемых в них элементов. Диапазон этих требований, как правило, невозможно реализовать в одном универсальном устройстве, поэтому существует множество коммутаторов Щ /25,45/, датчиков шагов /37,45/, которые наряду с двигателями являются элементами локально-замкнутого ШЭП.
Здесь приведены только две нетривиальные конструкции (коммутатора и датчика шагов, которые используются в народном хозяйстве и отмечены медалями ВДНХ СССР /20/. Для равномерного дробления шага разработан коммутатор ЩЦІІ-І, представленный на рис.5.1. Коммутатор выполнен на основе двоичного реверсивного счётчика с дешифратором и усилителями мощности, использующими токовые ключи работающие по принципу преобразования кодовой величины в аналоговую.
Схема управления отличается простотой организации воех известных режимов работы ШЭП (самокоммутация, старт-стоп), а также эффективностью использования в приводах как с серийными двигателями, так и с машинами, специально спроектированными для режима дробления шага.
КДШ-І имеет следующие технические характеристики:
- степень дробления основного шага - 16;
- статическая ошибка отработки шага в режиме искусственного дробления, % 5;
- число выходных каналов - 2-4;
- наибольший ток в фазе, А I;
- потребляемая мощность, Вт - 25.
Схема управления выполнена на унифицированных транзисторных функциональных узлах. Наличие сменного функционального узла магнитной памяти в конструкции коммутатора позволяет использовать его для ряда двигателей, отличающихся характеристиками статического синхронизирующего момента.
Датчики шагов /37,40/, построенные по принципу многократного использования конструктивных элементов, позволяют удовлетворить противоречивые требования увеличения разрешающей способности и снижения инерционности непроизводительной нагрузки.
