Введение к работе
Актуальность темы. Роль автоматизированного электропривода в современном промышленном производстве исключительно велика. Новы-' шение технического уровня металлорежущих станков, дозаторов, роботов, манипуляторов, антенных, астрономических, цифропечатащих и других технологических устройств определяется совершенствованием и расширением функциональных возможностей устройств управления электроприводами.
Широкое распространение регулируемых, электроприводов в 60-х...90-х годах выявило в большинстве практических случаев трудности в реализации плавности вращения в области низгаїх скоростей и широкого диапазона регулирования скорости. Реальные промьшшенные системы электропривода функционируют в условиях действия различных координатных и параметрических возмущений. Среди координатных воз-!«іущений - изменение нагрузки на валу двигателя, напряжения питающей сети, потока возбуждения, наличие упругостей и зазоров в механических передачах, изменения температуры окружающей среды. Параметрические возмущения обусловлены изменениями отдельных или группы параметров в процессе работы электропривода, к таким параметрам относятся: сопротивление якорной цепи двигателя вообще и сопрстив-аение коллекторно-щеточного контакта, в частности, коэффициенты /силения схемы управления. В связи с появлением новых технологий ргет влияния нестационарности параметров устройств и объектов управления все время нарастает.
В области низких скоростей в условиях однонаправленности движения в значительной мере проявляется нелинейный характер нагрузки, обусловленный силами трения. В системах малой мощности занимают юлыюе место узлы трения, среди которых наиболее распространенкы-т являются опоры трения скольжения и качения,зубчатые и винтовые іередачи. Узды трения встречаются также в различных контактных [атчиках, коллекторно-щеточных узлах двигателей постоянного тока, і золотниковых устройствах автопилотов. Момент трения на холостом :оду механизма электропривода может составлять значительную вели-гину (более половины номинального момента приводного двигателя, іапример в передачах "винт-гайка"), что приводит к значительному :нижению диапазона регулирования скорости, а также к снижению быстродействия электропривода в.нижней части диапазона регулировали, возникновению скачкообразного движения, и требует принятия специальных мер для компенсации указанного негативного влияния.
Поэтому научные и промышленные разработки направлены к тому, чтоС уменьшить воздействие трения на точность и устойчивость работ электропривода.
Сложность проблемы изучения влияния координатных и параметрі ческих возмущений на свойства электропривода заключается в тоь что характеристики таких возмущений, как изменение момента натруг ки, изменение сопротивления коллекторно-щеточного контакта опред< ляются экспериментально в отдельных случаях, но нельзя математі чески вычислить заранее. Характерным является тот факт, что сним.! емые в ходе эксперимента характеристики сильно зависят не толы от собственных свойств возмущений, но и от методики проведен; эксперимента.
Задача обеспечения заданных свойств объекта регулирования я: ляется одной из центральных в теории автоматического управлени: Функционирование реальной электромеханической системы в услови; действия на систему различных возмущающих воздействий, изменен параметров объекта управления, наличия нелинейностей вызывает н обходимость решения проблемы компенсаций этих воздействий - про лемы выбора такой структуры электропривода, при которой влияй произвольно изменяющихся внешних возмущений и собственных параме ров на режимы работы могут быть частично или полностью скомпенс рованы. Проблема компенсации этих воздействий в электропривс связана с неуклонным совершенствованием установок электромехан ческого преобразования энергии, качество работы которых в знач тельной степени определяется их динамическими возможностями.
Целью диссертации является создание устройства управлеї электроприводом постоянного тока, обеспечивающего расширенный д* пазон регулирования скорости в сторону низких скоростей.
Задача научного исследования состоит в разработке и исследої ний устройства управления разомкнутого по скорости шпульсне электропривода с коллекторным двигателем постоянного тока, упр; ляемого способом двойной модуляции, при работе на нагрузку ті сухого трения.
Для решения указанной задачи в диссертации рассматриваю' следующие вопросы:
- создание математической модели, позволяющей анализиров, динамические и статические режимы электропривода постоянного т с коллекторным двигателем, управляемого от широтно-импульсн преобразователя, при работе на нагрузку типа сухого трения с у том теплофизических свойств коллекторно-щеточного контакта дви 2
теля;
определение наиболее эффективных способов обеспечения расширения диапазона регулирования скорости электропривода в сторону низких скоростей;
определение особенностей схемной реализации устройства управления электроприводом способом двойной модуляции и разработка инженерной методики его проектирования;
решение задачи синтеза закона и устройства управления электроприводом способом двойной модуляции;
экспериментальное исследование и доказательство возможности обеспечения стабильной работы и расширения диапазона регулирования скорости электропривода в области низких скоростей;
разработка и внедрение в производство устройства управления электроприводом.
Основные методы исследования. При решении поставленных в работе задач использован следующий математический аппарат: методы общей теории дифференциальных уравнений с применением аппарата преобразования Лапласа и теории разностных уравнений, точные численные методы расчета на ЭВМ по линеаризованным математическим моделям и приближенные методы расчета Рунге-Кутта с применением ЭВМ. Экспериментальные исследования проводились на испытательном стенде и опытно-промышленных образцах электроприводов антенных установок и весовых дозаторов.
Научная новизна исследований представлена следующими результатами:
получены математические модели электропривода с широтно-импульсным управлением с учетом тешгофизических свойств коллектор-но-щеточного контакта двигателя при работе на нагрузку типа сухого трения;
показано, что при малых управляющих сигналах в электроприводе могут возникнуть электромеханические фрикционные автоколебания, вызванные нестационарностью сопротивления коллекторно-щеточного контакта;
разработана математическая модель электропривода, управляемого способом двойной модуляции в области низких скоростей;
теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что предлагаемое устройство управления электроприводом постоянного тока способом двойной модуляции.позволяет обеспечить расширение диапазона регулирования скорости в сторону низких скоростей;
решена задача структурно-параметрического синтеза устройства
управления электроприводом способом двойной модуляции, связывающая параметры нагрузки электропривода с параметрами устройства управления.
Достоверность результатов работы, корректность выполненного анализа предложенных математических моделей объекта исследования подтверждены результатами расчетов на ЭВМ с использованием предложенных рабочих алгоритмов и программ, а также сравнением полученных результатов с экспериментальными.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
разработаны методики, алгоритмы и программы расчета статических и динамических режимов работы для оценки характеристик и показателей качества электропривода постоянного тока, управляемого от широтно-импульсного преобразователя, при работе на нагрузку типа сухого трения;
разработано устройство управления электроприводом постоянного тока способом двойной модуляции, новизна и полезность которого подтверждена авторскими свидетельствами Госкомизобретений;
получены практические рекомендации по применимости разработанного электропривода;
разработана инженерная методика синтеза электропривода, управляемого способом двойной модуляции.
Внедрение результатов работы. В соответствии с конечными результатами, научными выводами и рекомендациями предложены и созданы на уровне изобретений, практически апробированы и внедрены образцы техники:
система позиционирования антенной спутникового непосредственного телевизионного вешания "Восток - Запад" в НПХТЦ "Интер-тап-Эласт" (г.Казань);
весовой дозатор "Идегей" в ПО "Казанская кондитерская фабрика "Заря"";
учебная лабораторная установка в лаборатории эле'ктроприводо: КГТУ им.А.Н.Туполева.
Материалы диссертационной работы использованы при проведении ' научно-технических и опытно-конструкторских работ.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывалис и обсуждались на научно-технических конференциях Казанского госу дарственного технического университета (КАИ) в 1985, 1986, 1987 1989, 1992, 1993 гг. (г.Казань); 1 Республиканском научно-техни ческом семинаре молодых ученых и специалистов "Актуальные вопрос использования достижений науки и техники в народном хозяйстве 4
г.Казань, май - июнь 1989 г.); Республиканской научно-технической конференции КамАЗ - КамПИ "Наука - производству" (г.Набережные [елны, март 1990 г.); II Всесоюзной научно-технической конференции го электромеханотронике (г.Санкт-Петербург, октябрь 1991 г.); 12-й іаучно-технической конференции Казанского высшего военного команд-ю-инженерного училища ракетных войск им.маршала артиллерии I.Н.Чистякова (г.Казань, ноябрь 1991 г.); XIX Всероссийской моло-,ежной научно-технической конференции "Гагаринские чтения" в Московском авиационно-технологическом институте (г.Москва, апрель 993г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных ра->от, в том числе 2 авторских свидетельства СССР и получено положи-'ельное решение по заявке на патент Российской Федерации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, че-'ырех разделов и заключения, содержит 117 страниц машинописного 'екста, 6 таблиц, 54 рисунка, списка литературы, включающего 118 аименований на 13 страницах и 2 приложения на 5 страницах. Общи бьем работы составляет 195 страниц.
