Введение к работе
Актуальность темы. Синхронно-синфазные электроприводы (ССЭ) находят широкое применение в обзорно-поисковых и сканирующих системах и устройствах, в системах технического зрения современных робототехнических комплексов, установках фототелеграфной и видеозаписывающей аппаратуры, копировальных установках, что обусловлено их высокими точностными показателями и широким диапазоном регулирования угловой скорости.
Основы теории построения прецизионных синхронно-синфазных электроприводов заложены в работах Р. М. Трахтенберга. Экспериментальные и теоретические исследования в этой области проводились различными научными коллективами. Значительный вклад в решение вопросов проектирования ССЭ внесли И. В. Булин-Соколов, В. И. Стребков, Б. А. Староверов, А. В. Ханаев, А. А. Киселев, В. П. Галас, М. В. Фалеев, Л. М. Осипов, Вл. В. Андрущук, Вас. В. Андрущук, В. Н. Зажирко, А. М. Сутормин, Б. М. Ямановский, В. Г. Кавко, А. В. Бубнов и др. На этой основе спроектировано значительное количество электроприводов для различных областей применения, разработаны новые способы регулирования и новые технические решения построения ССЭ.
Однако вопросы анализа динамики и разработки следящего синхронно-синфазного электропривода, обеспечивающего переход с одной заданной частоты вращения на другую без размыкания системы автоматического управления (САУ), рассмотрены недостаточно полно.
Настоящая работа выполнена в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 08-08-00372-а «Анализ и синтез прецизионного синхронно-синфазного электропривода функционирующего в широком диапазоне регулирования скорости» и Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы», проекты № 2.1.2/4475 и № 2.1.2/11230 «Исследование динамики и разработка новых способов регулирования синхронно-синфазного электропривода для обзорно-поисковых систем».
Цель диссертационной работы – разработка способа комбинированного управления синхронно-синфазным электроприводом обзорно-поисковой системы, позволяющего осуществлять регулирование в переходных режимах электропривода без размыкания системы автоматического управления.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать усовершенствованные алгоритмы работы логического устройства сравнения (ЛУС).
2. Продолжить исследование влияния уровня токоограничения электродвигателя и алгоритмов работы системы управления на динамику электропривода.
3. Разработать быстродействующий фазирующий регулятор с пошаговым доворотом вала электродвигателя.
4. Разработать способ регулирования ССЭ без размыкания системы автоматического управления в переходных режимах при изменении задающего сигнала.
5. Осуществить проверку разработанных алгоритмов и способов путем компьютерного моделирования синхронно-синфазного электропривода.
Методы исследования. При теоретическом исследовании режима синхронизации электропривода 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.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Разработаны алгоритмы работы импульсного частотно-фазового дискриминатора (ИЧФД) с расширенными функциональными возможностями (индикация режимов работы и определение угловой ошибки электропривода).
2. Разработан способ фазирования с пошаговым доворотом вала электродвигателя, позволяющий уменьшить время фазирования за счет автоматического определения момента разблокировки ИЧФД в каждом цикле фазирования.
3. Разработан способ комбинированного управления по задающему воздействию синхронно-синфазного электропривода при изменении сигнала задания частоты вращения, позволяющий повысить качество регулирования в переходных режимах работы ССЭ за счет осуществления перехода с одной угловой скорости на другую без размыкания системы автоматического управления.
Практическая ценность работы.
1. Разработаны и подтверждены патентами на полезную модель схема ИЧФД с расширенными функциональными возможностями и схема демодуляции выходного ШИМ-сигнала ИЧФД с расширенным диапазоном рабочих частот.
2. Использование результатов сравнительного анализа способов регулирования ЭПФС и алгоритмов работы его отдельных узлов позволяет в зависимости от предъявляемых к электроприводу технических требований выбрать наиболее подходящие схемные решения.
3. Разработана схема фазирующего регулятора, реализующего алгоритм пошагового доворота вала электродвигателя, позволяющая уменьшить время фазирования за счет автоматического определения момента разблокировки ИЧФД в каждом цикле фазирования.
4. Разработанный алгоритм работы блока задания частоты, реализующий способ комбинированного управления по задающему воздействию синхронно-синфазным электроприводом при изменении сигнала задания частоты вращения, позволит повысить качество регулирования в переходных режимах работы ССЭ за счет осуществления перехода с одной угловой скорости на другую без размыкания системы автоматического управления и, соответственно, уменьшить потери информации в обзорно-поисковых и сканирующих системах.
Реализация результатов работы
Учебное пособие «Системы прецизионного электропривода» авторов Бубнова А. В., Бубновой Т. А., Федорова В. Л. и электронный учебник по дисциплине «Электрический привод» авторов Федорова В. Л., Бубновой Т. А. используется студентами специальности 210106.65 «Промышленная электроника» и специальности 140211.65 «Электроснабжение» при изучении дисциплин «Основы теории автоматического управления», «Электрический привод», «Автоматизированный электропривод», «Системы прецизионного электропривода».
Алгоритмы работы импульсного частотно-фазового дискриминатора, позволяющие расширить его функциональные возможности (индикация режимов работы, возможность определения угловой ошибки электропривода); алгоритм функционирования блока задания частоты при работе синхронно-синфазного электропривода в переходных режимах; рекомендации по выбору основных узлов синхронно-синфазного электропривода использовались в ОАО «Центральное конструкторское бюро автоматики» при разработке прецизионных электроприводов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
– VII Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин», г. Омск, в 2009 г.;
– I, II и III Всероссийских научно-технических конференциях «Россия молодая : передовые технологии – в промышленность», г. Омск, в 2008, 2009 и 2010 гг;
– II Региональной научно-технической конференции «Омский регион – месторождение возможностей», г. Омск, в 2011 г.;
– научных семинарах кафедры.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 23 научные работы, в том числе: статья в журнале «Известия вузов. Электромеханика», статья в журнале «Электротехника», 4 статьи в журнале «Омский научный вестник», монография, 2 патента на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, выполнена на 161 странице основного текста, содержит 73 рисунка и 4 таблицы, список используемой литературы из 84 наименований и приложение на 3 страницах. Общий объем диссертации – 164 страницы.
