Содержание к диссертации
Введение 7
-
Объект исследований 7
-
Цель и задачи диссертационной работы 10
-
Краткое содержание разделов 11
Глава 1. Компоненты прецизионного прямого электропривода
с вентильным двигателем 13
1.1. Состав комплектного электропривода 13
1.1.1 Прототип поворотного стола 13
-
Синхронная машина с постоянными магнитами 16
-
Блок управления поворотным столом 18
1.2. Математическое описание СМПМ 20
-
Координатные преобразования 20
-
Математическая модель идеализированной СМПМ 21
1.2.3. Математическая модель СМПМ с учетом высших
гармоник потокосцепления возбуждения 23
-
Базовые и относительные величины 25
-
Модель СМПМ в подвижных координатах 27
-
Анализ компонентов вращающего момента 30
1.3. Вентильный двигатель 33
Глава 2. Управление вентильным двигателем с учетом ограничений
электропривода 37
-
Структура токового управления вентильным двигателем. Ограничения электропривода 37
-
Управление с учетом ограничений по току
(критерий «максимума момента на ампер») 39
2.3. Управление с учетом ограничений по току и напряжению 41
-
Общий вид механических характеристик вентильного двигателя с токовым управлением 41
-
Характеристики минимума потерь и ослабления поля 42
2.3.3. Вентильный двигатель с расширенным диапазоном
постоянства момента 45
Глава 3. Управление электроприводом с вентильным двигателем 47
3.1. Система с подчиненным регулированием 47
-
Постановка задачи синтеза системы управления 47
-
Структура системы управления с подчиненным регулированием 50
3.2. Синтез цифрового контура тока 52
-
Цифровой ПИ-регулятор тока 52
-
Расчет цифрового ПИ-регулятора тока 54
3.2.2. Автоматическая настройка цифрового
ПИ-регулятора тока 60
3.3. Синтез цифрового контура скорости 64
-
Расчет цифрового ПИ-регулятора скорости 64
-
Наблюдатель скорости 68
3.4. Синтез цифрового контура положения 71
-
Расчет цифрового П-регулятора положения 71
-
Прямая связь в контуре положения 72
-
Генератор траектории электропривода с кусочно--постоянным рывком 74
Глава 4. Концепция калиброванного управления 77
4.1. Калиброванное управление током вентильного двигателя 78
4.1.1. «Эффект мертвого времени» при управлении
инвертором напряжения 78
-
Измерение ошибки инвертора напряжения 80
-
Анализ ошибки напряжения в а(3 и dq координатах 82
-
Компенсация ошибки инвертора напряжения 87
4.2. Калиброванное управление электроприводом с вентильным
двигателем 91
-
Структура калиброванного электропривода с корректором момента возмущений 91
-
Идентификация компонентов корректора момента возмущений 92
-
Компенсация момента возмущений 98
-
Режим стабилизации скорости 100
4.3. Калибровка датчика положения 103
-
Структура калиброванного электропривода с корректором датчика положения 103
-
Принцип построения калибровочной таблицы редуктосина 105
-
Путевое отклонение и точность позиционирования калиброванного электропривода 107
Заключение 111
Литература 113
Приложение 116
П. 1. Основные обозначения 116
П. 2. Основные индексы 117
П. 3. Основные сокращения 118
Введение к работе
В.1. Объект исследований.
Объект исследований диссертационной работы — прецизионный прямой электропривод с вентильным двигателем. Принципиально, термин "вентильный двигатель" относится к любой синхронной машине с синхронно-синфазным движением полей статора и ротора, которое обеспечивается токовым питанием в функции положения, или самокоммутацией. Наибольшее распространение получили следующие разновидности вентильных двигателей: двигатели с синусоидальным токовым питанием в функции положения, или вентильные двигатели переменного тока (ВДПТ), которые подразделяются на: вентильные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов (ВДПМ), которые строятся на базе синхронных машин с постоянными магнитами (СМПМ); реактивные вентильные двигатели (РВД) на базе реактивных синхронных машин; двигатели с несинусоидальным токовым питанием в функции положения, которые подразделяются на: бесконтактные двигатели постоянного тока (БДПТ) с возбуждением от постоянных магнитов и трапециевидным токовым питанием; вентильно-индукторные двигатели (ВИД) - с трапециевидным токовым питанием.
Вентильный двигатель включает в себя электромеханический преобразователь (синхронную машину - СМ), задатчик тока (ЗТ) и электрический преобразователь (ЭП) с контроллером тока1, датчики электрических и механических переменных (в том числе датчики тока и положения). Вентильный двигатель вместе с контроллером привода, а также рабочим органом (РО) образуют электропривод с вентильным двигателем. Назначение контроллера привода - формирование управляющего воздействия и функциональной связи между заданиями и оценками механических координат электропривода (положения, скорости, ускорения). В такой системе электропривода 1 Здесь имеется в виду электрический преобразователь или инвертор напряжения с регулятором тока и обратной связью по току (далее инвертор тока - см. раздел 1.3). вентильный двигатель рассматривается как источник момента (или усилия). Управляющим воздействием для вентильного двигателя является задание момента, которое в ЗТ преобразуется в задание вектора тока. Прецизионный прямой электропривод с вентильным двигателем (рис. В.1) можно классифицировать как высокоточный электропривод с безредукторной (прямой) связью между приводным устройством (вентильным двигателем) и рабочим органом.
Вентильный двигатель
Рис. В.1. Прецизионный прямой электропривод с вентильным двигателем.
По структуре рис. В.1 реализован электропривод поворотного стола (рис. В.2), который рассматривается в данной работе. В состав исследуемого электропривода входит блок управления и прототип поворотного стола с прямым приводом. "Слаботочная" часть блока управления содержит контроллер, реализующий считывание и обработку сигналов задания и обратной связи, расчет траектории движения электропривода, связь с внешними управляющими устройствами. "Сильноточная" часть - электрический преобразователь, или инвертор. Прототип поворотного стола содержит приводную синхронную машину с постоянными магнитами и датчик положения ротора - абсолютный редуктосин. В состав прототипа входит также специальное калибровочное устройство — высокоточный оптический датчик положения - энкодер (более подробно в разделе 1.1.1).
Область применения поворотных столов с прямым приводом достаточно широка (рис. В.З). Такие столы применяются для организации поворотных осей движения в сборочных центрах. Типичный пример использования поворотного стола с прямым приводом — основание робота-манипулятора. В металлообрабатывающих центрах поворотные столы используются непосредственно для подачи заготовки. Пример использования поворотного стола в прецизионных технологиях — установки для инспекции и испытания оборудования.
В зависимости от области применения меняются общие требования к приводу поворотного стола. В области прецизионных технологий основными требованиями становятся высокие характеристики качества движения - высокие точность позиционирования и повторяемость (единицы угловых секунд), минимальная ошибка отработки траектории слежения (траєкторная, или путевая ошибка), высокая плавность хода (минимальные колебания скорости).
(а) (б)
Рис. В.2. Комплектный электропривод поворотного стола, (а) — блок управления, (б) - прототип поворотного стола.
(в)
Рис. В.З. Некоторые области применения поворотных столов с прямым приводом, (а) - инспекция и испытание оборудования (источник - Heidenhain). (б) - роботы и манипуляторы (источник - Кика, Kawasaki), (в) - металлообрабатывающие центры (источник - Fanuc). (г) - сборочные центры (источник -Hiwin).
Производители современных прецизионных поворотных столов - компании LUST (Германия), ETEL (Швейцария), Danaher Motion (США), NSK (Япония). Эти производители, в основном, одинаково решают проблему разработки комплектного прецизионного привода. Типичные решения - оптимизация конструкции поворотного стола, оптимизация конструкции синхронной машины, использование высокоточных датчиков обратной связи. Такие решения дают результат, но приводят к серьезному удорожанию комплектного электропривода.
Альтернативой может быть использование алгоритмов управления, учитывающих нелинейности элементов и внутренние возмущения электропривода, оказывающие существенное влияние на качество его движения. Таким образом, коррекция нелинейных свойств электропривода и улучшение его характеристик происходит не с помощью дорогостоящих компонентов, а за счет специальных алгоритмов управления. Это направление было выбрано при разработке комплектного прецизионного электропривода поворотного стола и его системы управления и определило цель диссертационной работы.
В.2. Цель и задачи диссертационной работы.
Цель работы - разработка и реализация системы управления для конкурентоспособного комплектного электропривода поворотного стола. Понятие «конкурентоспособный» определяет требования к электроприводу — невысокая стоимость электропривода, высокая динамическая жесткость, плавность и точность хода. Удовлетворить требованию невысокой стоимости можно за счет использования относительно недорогих компонентов при разработке. Использование оптимальной по цене синхронной машины с большим воздушным зазором и упрощенной конструкцией и недорогих датчиков обратной связи может существенно снизить цену комплектного электропривода. Такой привод будет иметь, однако, существенные возмущения в виде пульсации момента из-за неидеальности конструкции синхронной машины. Возмущения будут вносить также нелинейности электрического преобразователя и погрешности датчиков электрических и механических переменных. Все эти факторы отрицательно влияют на характеристики движения электропривода. Исправить ситуацию и удовлетворить остальным требованиям можно за счет синтеза системы управления с возможностью коррекции нелинейных свойств компонентов электропривода и компенсации возмущающих воздействий, а также оптимальным выбором алгоритмов работы, параметров и настроек внутренних структур управления.
Реализовать такую систему управления можно путем решения следующих задач. Основная задача - придание вентильному двигателю и электроприводу на его основе свойств линейного объекта управления, т.е. компенсация внутренних нелинейностей и возмущающих воздействий. Для решения основной задачи необходимо: уточнить математическое описание синхронной машины и вентильного двигателя на ее основе (точная математическая модель позволит произвести анализ нелинейностей и возмущающих воздействий электропривода на базе вентильного двигателя и станет основой для их компенсации); определить структуру управления вентильным двигателем и алгоритмы его оптимального управления в различных режимах работы; выбрать структуру управления электроприводом с вентильным двигателем, произвести синтез компонентов системы управления, определить процедуру расчета и настройки параметров контроллеров;
4. реализовать на практике разработанные алгоритмы управления электроприводом. Решение перечисленных задач позволит получить высокие динамические и статические показатели движения, синтезировать действительно прецизионный прямой электропривод и достичь цели работы.
В.З. Краткое содержание разделов.
В главе 1 приводится описание компонентов прецизионного прямого электропривода. Коротко описываются: конструкция синхронной машины с сосредоточенными обмотками и постоянными магнитами, конструкция, а также состав поворотного стола, приводятся описание и параметры блока системы управления. Существенная часть главы посвящена описанию математической модели синхронной машины: приведены как математическое описание идеализированной синхронной машины, так и математическая модель синхронной машины с учетом высших гармоник потокосцепления возбуждения. Модель приводится к обобщенному виду в относительных величинах с использованием неподвижной и подвижной систем координат. Кроме того, в главе проводится анализ компонентов момента синхронной машины, и классифицируются составляющие момента возмущений. В заключение главы приводится определение и описание структуры вентильного двигателя на базе синхронной машины.
В главе 2 анализируется управление вентильным двигателем с учетом ограничений. Рассмотрена структура управления в подвижных координатах. Показано, что управление характеризуется ограничениями: по току — на низких скоростях, по току и напряжению -на средних скоростях и по напряжению - на высоких скоростях. Рассмотрены оптимальные законы управления для первых двух зон в зависимости от параметров двигателя и инвертора. Проводится оценка вида механических характеристик вентильного двигателя и дается описание метода управления с постоянством момента вентильного двигателя в широком диапазоне скоростей.
В главе 3 рассмотрено управление прецизионным электроприводом с вентильным двигателем. Ставится задача выбора структуры и синтеза цифровой системы управления. Даются рекомендации по синтезу контуров управления выбранной структуры с каскадным регулированием, настройке параметров цифровых регуляторов и наблюдателей.
В главе 4 предложен метод усовершенствования выбранной в главе 3 структуры управления. Предлагаемая структура калиброванного управления рассматривает вентильный двигатель как нелинейный объект управления и использует для его идеализации ряд нелинейных корректоров. В частности, анализируются причины ошибок выходного напряжения силового инвертора в составе вентильного двигателя и их влияние на качество формирования токов. Приводится метод линеаризации выходной характеристики инвертора, основанный на применении заранее построенных калибровочных таблиц. Реализуется структура калиброванного управления током вентильного двигателя с корректором инвертора напряжения. На основе проведенного в главе 1 анализа компонентов вращающего момента строится корректор момента возмущений. Этот метод компенсации внутренних возмущающих воздействий также использует калибровочные таблицы с заранее идентифицированными возмущениями. В заключение предлагается методика повышения точности датчика положения поворотного стола за счет калибровки датчика положения с помощью прецизионного энкодера. В главе приводятся результаты сравнения основных характеристик движения при использовании обычной каскадной структуры управления и структуры калиброванного электропривода, а также результаты сравнения параметров синтезированного электропривода и комплектных электроприводов некоторых иностранных производителей.
В заключении содержатся выводы по проделанной работе.
