Разработка и исследование методов улучшения точности и динамики прямого сервопривода Рассудов Лев Николаевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Прецизионный сервопривод с вентильным двигателем 14

1.1. Синхронная машина с постоянными магнитами 15

1.2. Датчик положения 16

1.3. Блок управления сервопривода

1.3.1. Силовая часть блока управления . 17

1.3.2. Информационная часть блока управления.

1.4. Математическое описание идеализированного ВД 23

1.5. Типовая СУ ВД 27

Глава 2. Идентификация параметров прецизионного сервопривода 29

2.1. Параметры прецизионного сервопривода 29

2.2. Требования к процедуре идентификации 31

2.3. Электромеханические параметры, определяемые компонентами сервопривода 32

2.4. Электромеханические параметры, определяемые компонентами сервопривода, а также конструкцией механической части установки.

2.4.1. Идентификация динамической механической добротности. 33

2.4.2. Механические возмущения

2.5. Определение тепловых ограничений. 42

2.6. Программное обеспечение для определения электромеханических параметров линейного электропривода ЭЛК. 46

2.7. Программное обеспечение для проектирования линейного электропривода ЭЛК 47

2.8. Заключение по главе 48

Глава 3. Совершенствование алгоритмов системы управления прецизионного сервопривода 49

3.1. Совершенствование задатчика тока вентильного двигателя 50

3.1.1. Определение задания продольного тока вентильного двигателя 51

3.1.2. Определение задания поперечного тока вентильного двигателя

3.2. Динамическая модель вентильного двигателя для расчета программных связей по напряжению 58

3.3. Совершенствование генератора траектории 59

3.4. Калибровка силы вентильного двигателя 62

3.5. Калибровка положения электропривода 64

3.6. Заключение по главе. 68

Глава 4. Использование системы на кристалле в прецизионном сервоприводе 4.1. Структура проекта на базе СнК 69

4.2. Разработка СУ ВД на базе ПЛИС 70

4.3. Пример использования Xilinx system generator for DSP для генерации программного кода ПЛИС . 72

4.4. Разработка системы управления вентильного двигателя на базе системы на кристалле. 75

4.5. Полоса пропускания контура тока сервопривода с ПЛИС 78

4.6. Модуль управления токами вентильного двигателя с многократным расчетом управляющего воздействия 82

4.7. Влияние задержек в контуре тока на динамические модели ВД 84

4.8. Экспериментальные результаты 86

Заключение 88

Литература 90

• Силовая часть блока управления
• Электромеханические параметры, определяемые компонентами сервопривода
• Определение задания поперечного тока вентильного двигателя
• Пример использования Xilinx system generator for DSP для генерации программного кода ПЛИС

Введение к работе

Актуальность темы исследования.

Машиностроение – основа технологической независимости государства.
Станкостроение – базовая отрасль машиностроения, которая в значительной
степени определяет конкурентоспособность национальной промышленности.
Обеспечение сильных рыночных позиций отечественного

машиностроительного оборудования требует его комплектования

современными отечественными наукоемкими компонентами с

характеристиками мирового уровня.

В прецизионном машиностроении для реализации быстрых и высокоточных перемещений в режиме воспроизведения траектории (лазерная резка, электроэрозионные, шлифовальные станки) нашли широкое применение электрические приводы с рабочим органом, жестко соединенным с электрической машиной – прямые (безредукторные) приводы. При этом обычно используются синхронные электрические машины с постоянными магнитами (СМПМ) работающие в режиме вентильного двигателя (ВД). Такие электроприводы обладают высокой точностью, плавным ходом, широкой полосой пропускания, высокими энергетическими и массогабаритными показателями, а также относительно простым математическим описанием, обеспечивающим удобство построения системы управления (СУ).

Получение высоких технических показателей достигается не только за
счет совершенствования конструкции станка и электромеханического
преобразователя привода, но и, в значительной мере, за счёт оптимального
построения СУ электропривода. Постоянное повышение эксплуатационных
характеристик становится возможным благодаря развитию цифровой
вычислительной техники. Появляются новые возможности для реализации
более сложных алгоритмов управления, позволяющих более полно
использовать ресурсы электропривода. Таким образом, в настоящее время
актуальна задача удовлетворения растущих требований к

производительности и точности машиностроительного оборудования не только за счет увеличения установленной мощности электроприводов, усложнения систем измерения положения (что требует значительных капитальных затрат), но и за счет построения более эффективной СУ.

Объект исследований: прямой (безредукторный) сервопривод для точного машиностроения на базе СМПМ в режиме ВД.

Предмет исследования: варианты реализации цифровой СУ прямого сервопривода на базе цифрового сигнального процессора (ЦСП), а также на базе программируемой логики (ПЛ).

Цель работы: повышение точностных показателей и производительности прецизионных станков за счет совершенствования СУ прямого сервопривода.

Для достижения цели в диссертации поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Анализ существующих структур СУ ВД и влияния ограничений координат ВД на показатели точности и производительности сервопривода.

2. Анализ причин возникновения статических ошибок позиционирования и динамических ошибок воспроизведения заданной траектории движения в прямом сервоприводе, а также способов их уменьшения за счет СУ.

3. Исследование возможности расширения полосы пропускания контура тока ВД за счет снижения задержек обработки и передачи информации при цифровой реализации СУ.

4. Разработка и исследование СУ прецизионного сервопривода с динамической моделью ВД, учитывающей ограничения на его координаты для достижения максимального быстродействия и производительности.

5. Обоснование и разработка методики идентификации параметров прецизионного сервопривода, необходимых для реализации предлагаемой цифровой СУ с динамической моделью ВД.

6. Экспериментальная оценка эффективности предложенных методик управления и идентификации прецизионного сервопривода на примере макетов прямого линейного сервопривода серии ЭЛК с СУ на базе ЦСП и прямого вращательного сервопривода с СУ на базе ПЛ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

7. Обосновано использование динамической модели ВД в расчетах СУ для снижения динамических ошибок воспроизведения заданной траектории движения сервопривода, а также для расширения скоростного диапазона работы сервопривода.

8. Предложен принцип организации вычислений цифровой СУ ВД с использованием параллельной многократной обработки алгоритмов СУ для уменьшения задержек в контуре тока и повышения его быстродействия.

9. Предложена методика учета ограничений на координаты ВД при формировании траектории движения, которая позволяет увеличить производительность оборудования с сервоприводом.

10. Предложена методика автоматизированной идентификации прецизионного сервопривода, основанная на отработке плавных перемещений, и не предполагающая изменений в структуре СУ и использование внешних источников силы.

Практическая ценность работы и ее реализация.

1. Разработанные методики управления позволяют поднять точность и
производительность оборудования с прецизионным сервоприводом.
Высокий экономический эффект достигается за счет возможности выбора
сервопривода с меньшей установленной мощностью и меньшими
массогабаритными показателями, а также более простой системы

измерения положения.

2. Результаты работы были использованы при разработке серии комплектных прямых линейных электроприводов (ЭЛК) в рамках совместной НИОКР шифр «Линия» ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ» и МГТУ «СТАНКИН»:

Результаты совершенствования СУ ЭЛК позволили существенно повысить его статическую и траекторную точность. Это позволило обеспечить необходимые точностные показатели разрабатываемых в МГТУ «СТАНКИН» станков с ЧПУ (прошивные электроэрозионные, раскройные и др.), оснащаемых ЭЛК.

Разработано программное обеспечение (ПО) для автоматизированной идентификации параметров ЭЛК с использованием предложенных методик идентификации сервопривода.

Разработано ПО для прототипирования ЭЛК, позволяющее верно выбрать и согласовать его компоненты, необходимые для решения конкретной задачи.

Методология и методы исследований.

Исследования базируются на теории электропривода, теории автоматического управления, теории электрических машин, теоретической электротехнике, теории цифровой обработки сигналов, алгебре логики, методах математического моделирования.

Положения, выносимые на защиту

11. Принцип управления токами ВД с использованием в расчетах СУ динамической модели, позволяющий расширить полосу пропускания по току и реализовать динамическое ослабление поля СМПМ.

12. Принцип построения СУ ВД, заключающийся в использовании параллельной обработки данных при расчетах алгоритмов цифровой СУ ВД, а также в многократном проведении расчетов этих алгоритмов, что позволяет существенно расширить полосу пропускания ВД по току.

13. Методика формирования траектории движения сервопривода с учетом предельных характеристик ВД, позволяющая увеличить производительность оборудования с сервоприводом.

14. Методика идентификации сервопривода на основе гладких путевых траекторий 3-го порядка без внешних нагрузок и без изменений в структуре управления электропривода.

15. Результаты внедрения предложенной методики автоматизированной идентификации сервопривода, а также методик повышения статической и траекторной точности на базе новых комплектных линейных электроприводов серии ЭЛК мощностью 1..8кВт.

16. Результаты экспериментальных исследований предложенной методики управления сервопривода с использованием динамической модели ВД, а также предложенной методики параллельного многократного расчета алгоритмов СУ ВД на макете вращательного сервопривода с управлением на базе системы на кристалле (СнК).

Достоверность результатов подтверждена результатами моделирования, а также исследований, выполненных на макетных образцах линейного и вращательного сервопривода.

Апробация.

Основные положения диссертации, ее отдельные решения и результаты обсуждались на ряде конференций, в том числе:

2015 International Siberian Conference, 21-23 мая 2015, Омск;

56th International Scientific Conference on Power and Electrical Engineering of Riga Technical University, 14 окт. 2015, Рига, Латвия;

2016 IEEE NW Russia Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference, 2-3 фев. 2016, Санкт-Петербург.

57^th Internationales Wissenschaftliches Kolloquium Ilmenau University of Technology, 07 - 11 сент. 2012, Ильменау, ФРГ;

11^th Students’ Science Conference, 03-06 окт. 2013, Бедлево, Польша;

VIII Междунар. (XIX Всеросс.) конф. по автоматизированному электроприводу АЭП-2014, 7-9 окт. 2014г, Саранск;

Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: 71 межрег. науч.-техн. конф., 22-26 апр. 2013г., Магнитогорск,

а также представлялись на выставках:

Станкостроение - 2013, Москва; ВУЗПРОМФЕСТ - 2014, Москва; ЭЛЕКТРО - 2015, Москва.

Соответствие паспорту специальности.

Диссертационная работа соответствует п.3 «Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления» паспорта специальности 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы».

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ, в т.ч. 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук и/или включенных в международные базы цитирования.

Структура и объем работы.

Силовая часть блока управления

Измерение может производиться как при помощи соответствующих встроенных периферийных устройств ЦСП (при их наличии), так и при помощи внешних интегральных схем, связь с которыми осуществляется обычно при помощи последовательного интерфейса. Для унификации и создания возможности быстрой модификации оборудования все более широкое применение находят перепрограммируемые логические устройства. В последние десятилетия их стоимость снизилась, а функциональность значительно расширилась, что позволило использовать этот класс устройств не только для реализации небольших интерфейсных схем, но и в качестве основного устройства для построения СУ ЭП. Для этого могут быть использованы ППВМ (программируемая пользователем вентильная матрица, англ. FPGA), являющиеся разновидностью ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема, англ. CPLD). В русском языке для названия устройств класса ППВМ традиционно используется термин «ПЛИС», и он будет далее использоваться для этих целей. Использование ПЛИС позволяет существенно повысить вычислительную мощность СУ за счет организации параллельной обработки данных, что может быть использовано для существенного повышения эксплуатационных характеристик прецизионного сервопривода [11].

Для поддержания эффективного обмена данными с внешними устройствами в информационной системе ЦСУ кроме ПЛИС необходимо также наличие процессорного ядра. Возможны следующие подходы к использованию ПЛИС для расчета алгоритмов СУ ЭП: 1) Использование ПЛИС с софт-процессором (один кристалл) (рис. 1.4,в); 2) Использование ПЛИС в сочетании с отдельным процессором (2 отдельных кристалла) (рис. 1.4,г); 3) Использование ПЛИС в сочетании с МК в составе одного чипа – системы на кристалле (СнК) (рис. 1.4,д).

Отличие приведенных подходов заключается производительности процессора и в степени его интеграции с ПЛИС. При этом все они предполагают, что ПЛИС используется для расчетов алгоритмов СУ, а процессор выполняет в первую очередь интерфейсные задачи.

Наиболее высокоинтегрированным решением является СнК, которая сочетает на одном чипе и мощный процессор, и ПЛИС, позволяя осуществлять быстрый, помехоустойчивый и энергоэффективный обмен информацией между ними. Благодаря этому появляется возможность значительно повысить качество движения: за счет применения более сложных алгоритмов управления, их быстрого расчета, использования технологии сигма-дельта АЦП и высокоскоростных протоколов реального времени.

В современных СнК, предлагаемых, например, XILINX [12] и ALTERA [13], используется двухъядерный процессор ARM Coretex A9 и программируемая логика -1 класса быстродействия (Zynq, Cyclone V). Они позиционируются как «расширяемые» процессорные платформы, в которых наиболее ресурсоемкие задачи перекладываются с процессора на ПЛИС. Устройства такого типа пока что редко используются в сервоприводе, т.к. являются относительно новым продуктом: были анонсированы в 2011г. [14] и появились на российском рынке в 2013г. Более того процесс разработки на базе СнК трудоемок и требует от разработчиков широкой компетенции – не только в сфере электротехники и микропроцессорной техники, но и в программируемой логике, построении многоядерных систем, и построении настраиваемой архитектуры СнК. СУ сервопривода на базе СнК строится следующим образом: одно процессорное ядро управляет ПЛИС, в которой реализованы аппаратные алгоритмы, а другое обеспечивает внешний обмен данными по протоколу реального времени (рис. 1.4,д). Управление ПЛИС при помощи процессора сводится к записи (и чтению) данных в её регистры, в результате чего изменяются параметры системы, уставки, а также режимы работы ЭП. Такая система может поддерживать время цикла промышленной сети (EtherCat, PowerLink и др.) в несколько десятков микросекунд, с расчетом СУ ВД за единицы микросекунд, а также управлять параллельно сразу несколькими (в зависимости от размера кристалла и сложности алгоритмов) ВД.

При необходимости использования одного из ядер в других целях - кроме управления ЭП (интерфейс человек-машина, машинное зрение и др.) - возможно возложить интерфейсные задачи и задачи управления приводом на одно ядро - в ущерб производительности.

При отсутствии необходимости в поддержке высоких частот обновления промышленной сети, возможно использование софт-процессора (Microblaze у Xilinx, NIOS у Altera), реализуемого на базе стандартной логики и блоков памяти ПЛИС. В такой ситуации вся система может быть реализована исключительно на ПЛИС, которая при прочих равных дешевле СнК, но обладает значительно меньшей производительностью [15].

При управлении ВД требуется учитывать совокупность ограничений на координаты ВД: максимально возможных для ВД скорости, ускорения, рывка и диапазона перемещений, а также ограничений по напряжению и току фаз (пиковый ток 1р), выделяемых тепловых потерь - длительный ток 1С, время пикового тока tp, стопорная скорость, тепловая постоянная времени (см. главу 3). Для определения этих ограничений необходимо получить математическое описание ВД. Его можно получить при следующих допущениях:

Электрические и механические уравнения идеализированного ВД в подвижной системе координат d-q на примере ВД с НЛСМ имеют вид [16]: где R, L - сопротивление и индуктивность фаз d и q; KTph - коэффициент силы; р -полюсное деление электрической машины; Т, Tcog, TL, ТCf, Tvf, - силы: электромагнитная, зубцовая, внешняя активная, сила сухого и сила вязкого трения; m-z - суммарная масса подвижной части; j, a, v, х - механические рывок, ускорение, скорость и положение; Id, Iq, Ud, Uq - продольные и поперечные компоненты векторов тока и напряжения; Um - максимальная амплитуда вектора напряжения; 1Р - пиковый ток.

Электромеханические параметры, определяемые компонентами сервопривода

Длительный ток электрической машины Ic и тепловая постоянная времени Tth подлежат прямой идентификации. Опыт проводится на холостом ходу в микрошаговом режиме при двунаправленном движении со скоростью, выше стопорной vстоп (2.20). Подбирается значение тока, при котором установившееся значение температуры будет ниже максимальной на величину запаса T, необходимого для обеспечения форсировки. По кривой нагрева определяется Tth.

Как правило, чем лучше отводится тепло от обмоток машины, тем ближе друг к другу значения её длительного и пикового токов. Для безжелезных электических машин, в контуре силы коэффициент форсировки по току может достигать значений 5..7 [33] и более, в то время как у машин с жидкостным охлаждением 2..3 и менее [34].

Часть тепловых параметров не подлежит идентификации и задается на этапе проектирования электрической машины. Определение этих параметров экспериментальным путем может привести к неработоспособности изделия – их можно только подтвердить. Так максимальная температура определяется термостойкостью электрической машины, а значение Ip получается из условий насыщения магнитопровода, условия полного или частичного размагничивания машины, условия сохранения целостности обмоток электрической машины в результате действия сил Ампера [35].

Для проверки заданного значения Ip он должен быть подан в течение tp на разогретую в номинальном режиме до установившейся температуры машину. В ходе опыта температура не должна превысить максимальную. Проверка считается пройденой, если не возникло никаких необратимых последствий: короткое замыкание, недопустимый перегрев, размагничивание магнитов.

При выборе и эксплуатации ЭП необходимы данные о tp и vстоп. Первый параметр характеризует возможности привода по форсировке момента (силы), а второй – диапазон скоростей, на которых привод может работать с Ic. Многие производители назначают их общими для целой серии машин. Таким образом многие машины могут оказаться значительно недоиспользованными. В работе предлагается методика расчета термически допустимого времени tp, а также vстоп с учетом неадиабатического нагрева. Идея учета неадиабатического нагрева предлагамого подхода схожа с подходом расчета термически допустимых токов короткого замыкания с учетом неадиабатического нагрева согласно ГОСТ Р МЭК 60949-2009 [36]. В работе СМПМ предлагается представить двухмассовой тепловой моделью, где первая масса – обмотоки якоря, а вторая – остальной конструктив якоря (рис. 2.7). Источник нагрева – ток, протекающий в проводниках обмотки якоря и рассеивающий в них удельную погонную мощность qн. Под погонной мощностью здесь подразумевается мощность на единицу длины проводника. Погонная мощность, отводимая от обмоток и передаваемая в остальной конструктив якоря q12. Погонная мощность, отводимая от якоря конвекционным или жидкостным охлаждением qотв. Рис.2.7. Двухмассовая тепловая модель. В длительном режиме при протекании Ic: (2.11) При кратковременной подаче Ip тепло из обмоток машины qн не успевает распределиться по всей массе якоря: q12 равно теплу qc, отводимому в длительном режиме при протекании Ic, т.к. повышение температуры обмоток незначительно. В результате за время tp происходит увеличение температуры проводника с удельной объемной теплоемкостью с сечением S, но не более, чем на T (2.12). Удельное электрическое сопротивление материала обмоток ЭЛ берется при максимальной температуре обмоток и максимальной рабочей частоте тока.

Допустимое время протекания пикового тока: Предложенная методика отличается простотой и учитывает особенности неадиабатического нагрева обмоток электрической машины.

Подход, использующий предложенную двухмассовую тепловую модель, универсален: по нему рассчитывается скорость для перехода в стопорный режим, когда действующее значение тока в обмотках необходимо уменьшать. Стопорную скорость можно определить из допустимых пульсаций температуры, которые не должны превышать T.

При движении ЭП с постоянной скоростью частота токов в обмотке постоянна. Пусть среднеквадратичное значение тока равно Ic. Проводник нагревается если модуль мгновенного значения тока

Известны производители использующие единое значение vстоп для серий электрических машин [34], и предлагающие при скоростях ниже vстоп снижать значение Ic в раз. Полученное выражение (2.20) для определения vстоп на основании допусимой пульсации температуры (T) обмотки фазы позволяет не только индивидуально определенить этот параметр, но и оценить, на сколько именно необходимо снижать Ic при движении на малых скоростях.

Результаты определения тепловых параметров в соответствии с приведенной методикой на примере линейного ЭП типа ЭЛК1 приведены в Приложении 5. 2.6. Программное обеспечение для определения электромеханических параметров линейного электропривода ЭЛК. Методика определения электромеханических параметров была автоматизирована – в результате проведения заранее подготовленного комплекса программ на движение привода серии ЭЛК производится автоматический анализ собранных данных на корректность и полноту. Далее из них рассчитывается KTph, m, TL, Tf (v), а также Tcog(x) и определяется её гармонический состав. Разработка ПО верхнего уровня (рис. 2.9) для осуществления описанного функционала производилась в среде MatLab.

В среде MatLab также было разработано также другое ПО, предназначенное для проектирования линейного ЭП (рис. 2.10). Идентифицированные параметры компонентов приводов серии ЭЛК были внесены в редактируемую библиотеку, которую можно дополнять компонентами различных производителей. При выборе несовместимых изделий выдается и локализуется ошибка. На основании выбранных компонентов ЭП – синхронной машины, блока управления, ДП и параметров технологической установки, задаваемых пользователем, отображается область статических механических характеристик отдельно электрической машины, электрической машины с блоком управления и датчиком положения, а также ЭП с учетом ограничений пользователя. Для последнего случая предусмотрена возможность расчета балластного резистора тормозной цепи. Так как точная циклограмма работы станочного ЭП обычно неизвестна, этот расчет производится с поиском наихудшего случая. Для этого анализируются циклограммы работы привода при постоянных двунаправленных перемещениях, когда между разгоном и торможением не происходит пауз. При малых ускорениях торможения значительная доля кинетической энергии будет рассеиваться за счет силы трения, а при больших – в сопротивлении обмоток электрической машины. Траектория торможения с максимальной средней мощностью рассеивания, а также точка максимальной пиковой мощности отображаются на графике механических характеристик. Кроме того отображается диапазон допустимых параметров сливного резистора.

Определение задания поперечного тока вентильного двигателя

Вектор напряжения, подаваемого на обмотки машины можно условно разделить на вектор статического напряжения ustat, поддерживающий вектор тока на текущем уровне, и вектор «динамического» напряжения udyn, позволяющего изменять вектор тока. По мере приближения к характеристике МП в результате разгона привода и/или роста Iq необходимо определить, в какой момент начинать ослаблять поле машины.

В случае, если ЭП дойдет до характеристики МП без ослабления поля при Id=0, то амплитуда ustat достигнет максимального значения, определяемого ограничением по напряжению питания. Но на уменьшение тока Id с целью достижения скоростей выше характеристики МП требуется дополнительное напряжение udyn, продольная компонента вектора которого определяется уравнением:

Из-за взаимосвязи Id и Iq в соответствии с (1.1) требование к уменьшению Id приведет к снижению Iq и, соответственно, T, что негативно повлияет на точность отслеживания сервоприводом заданной траектории движения.

Во избежание этого эффекта, определение момента начала ослабления поля можно производить, исходя из динамической модели ВД в соответствии с (3.13), с коэффициентом запаса по напряжению Kз, который уже учтен в уравнениях (3.11..3.13). Другим важным фактором, который необходимо учитывать, является увеличение требуемого uddyn по модулю при росте скорости. Качественно характер изменения Id от скорости показан на рис. 3.4 для сервопривода ЭЛК8 (см. Приложение 3) при Iq =1,5Ic в соответствии с (3.13).

Теоретически, uddyn , определяемое в соответствии с (3.14), может достигать минус-бесконечности и требование к уменьшению Id приведет также к снижению Iq и, соответственно, T, что негативно повлияет на точность воспроизведения ЭП заданной траектории движения.

Во избежание негативного эффекта можно ввести запас по напряжению таким образом, чтобы ослабление поля начиналось раньше, а для продольного тока ввести ограничение интенсивности нарастания некоторой константой, ограничив тем самым необходимое «динамическое» напряжение. Для корректной работы ВД нужно дополнительно предусмотреть ограничение uddyn, что означает ограничение интенсивности изменения Id (3.14). Ограничение на uddyn и K являются взаимосвязанными параметрами системы.

Они настраиваются в зависимости от требуемой скорости изменения Id , которая определяется другими параметрами ЭП (например, m, от которой зависят реализуемые ускорения), а также особенностями конкретного технологического процесса (требуемые траектории движения, циклограммы). Конкретные рекомендации по настройкам в настоящей работе не приводятся (см. Приложение 6). Некорректная настройка может с одной стороны сказаться на точности воспроизведения ЭП заданного , а с другой – на завышенном энергопотреблении при работе в области высоких скоростей (вблизи характеристики МП и выше).

Предложенная методика формирования задания вектора тока с учетом предельных характеристик, основанная на динамической модели ВД, эффективна в том случае, если задержка в контуре тока T не превышает период обновления управляющего воздействия Ts (см. раздел 4.7) В этом случае отработка задания происходит в том такте, на которое задание и было рассчитано.

Использование модели для расчета программных связей по напряжению Ud_FF и Uq_FF (рис. 3.1) поднимает быстродействие контура тока и повышает точность воспроизведения заданной траектории. В соответствии с задаваемыми компонентами вектора тока Id и Iq и заданным ГТ вектором механических координат (x ,v ,T )T, по модели рассчитывается требуемые Ud_FF и Uq_FF:

С использованием динамической модели (3.14) решается задача формирования такого программного вектора напряжения, что токи, заданные для следующего (k+1) такта квантования СУ, будут воспроизведены с высокой точностью и без задержек, вносимых регуляторами. В такой структуре регуляторы тока, скорости и положения необходимы для компенсации неточностей идеализированной модели [40].

Использование представленной модели возможно в случае, если задержка в контуре тока T не превышает периода квантования СУ ВД Ts. В противном случае заданное значение токов можно получить лишь через несколько тактов. В большинстве СУ с ШИМ-модуляцией выходного напряжения инвертора минимальное число тактов равно 2, в результате чего требуется дополнительная информация о задании токов на такт (k+2) и учет этих значений в динамических моделях ВД, что существенно усложнит модели (3.11) и (3.15). В главе 4 представлена разработанная на базе СнК система с T Ts. Уменьшение задержки уже само по себе повышает динамику контура регулирования тока ВД. Кроме того благодаря такой малой T (см. раздел 4.7) появляется возможность использовать динамические модели (3.11) и (3.15), что позволяет получить еще более высокие результаты. Повышается полоса пропускания контура тока ВД, точность работы в следящем режиме, появляется возможность динамического ослабления поля.

При работе прецизионного сервопривода для снижения возможностей проявления влияний механических «неидеальностей» обычно задаются гладкие путевые траектории (см. главу 2). Наиболее часто в точном машиностроении используются траектории 3-го порядка (по положению), т.н. S-образные траектории. Их плавность обеспечивается ограниченностью третьей производной положения по времени – рывка [1]. В некоторых случаях используются траектории более высоких [41] и низких [42] порядков.

«Классическая» S-образная траектория с постоянством силы при «мягкой» граничной электромеханической характеристике не позволяет достичь высоких скоростей при максимальной форсировке ЭП. Возможно либо достижение малых скоростей при высоких ускорениях, либо высоких скоростей при низких ускорениях [43]. Для максимального использования возможностей привода разработан специальный ГТ, учитывающий вид граничной характеристики. Это генератор S-образной траектории с моделью ЭП, из которой рассчитывается кусочно-линейная аппроксимация характеристики ОП. В соответствии с ней S-траектория «обрезается» в осях механических характеристик (рис. 3.5,г). Программа ГТ корректно учитывает динамику машины.

Структура с предложенными ГТ, ЗТ и динамической моделью расчета Ud_FF и Uq_FF была проанализирована на разработанной модели в MatLab (см. Приложение 6). Для «классической» СУ с программной связью по скорости и ускорению и статической компенсацией перекрестных связей в контуре тока, а также для системы с предлагаемыми совершенствованиями анализировалось: перемещение на 1,5 м с пользовательскими ограничениями скорости 10м/c, ускорения 7g и рывка 5км/c3 (рис. 3.5).

Пример использования Xilinx system generator for DSP для генерации программного кода ПЛИС

Период опорного сигнала составляет 2Ts. Измерение токов может производиться либо методом синхронного считывания (рис. 4.5,б) в моменты экстремумов опорного сигнала, либо нахождением интегрального значения токов за период опорного сигнала методом скользящего среднего (рис. 4.5, в). Оба метода направлены на измерение среднего значения тока в фазе, который пульсирует вследствие ШИМ выходного напряжения инвертора. Первый метод характеризуется высокой скоростью измерения тока и слабым шумоподавлением. Измерения производятся в отсутствие помех от коммутации ключей. Второй – более высоким уровнем подавления шумов, но вводит в контур тока дополнительную задержку, равную Ts.

На рис. 4.5 так же представлены временные диаграммы, иллюстрирующие синхронизацию расчетов СУ при реализации управление током на базе ЦСП (г), ПЛИС (д), а также квазинепрерывное управление током на базе ПЛИС (е) [56].

В «классической» СУ с ЦСП, алгоритмы рассчитываются последовательно и на их расчет отводится время, равное Ts. Время между активизацией новых уставок и их моментом выдачи управляющего воздействия составляет дополнительно в среднем 0,5Ts (показано стрелкой на рис.4.5,г). Таким образом, T составляет 1,5Ts. Использование ПЛИС позволяет рассчитать все алгоритмы контура тока быстрее, чем за 1мкс, и практически сразу же выдать управляющие воздействия. Благодаря этому T уменьшается в 3 раза – до 0,5Ts (рис. 4.5,д).

В работе предложена методика ещё большего снижения задержки СУ с ПЛИС. Для этого необходимо, чтобы момент захвата входных сигналов СУ был максимально близок к моменту выдачи управляющего воздействия. Это можно реализовать за счет многократного за время Ts циклического расчета управления. При этом уставки ШИМ постоянно обновляются. Переключение ключей происходит лишь один раз за полупериод опорного сигнала ШИМ в результате последнего расчета, предшествовавшего переключению. На рис. 4.5,е этот расчет, выделен черным.

Результаты исследований показали, что минимальная задержка СУ достигается при использовании ПЛИС и многократного расчета управляющего воздействия, при синхронном считывании тока. На рис. 4.6 приведены полученные в работе расчетные ЛАФЧХ контура тока при использовании ЦСП (график 1), ПЛИС (график 2), а также предлагаемого подхода (график 3) при частоте ШИМ /шим=8кГц. Система с фазочастотной характеристикой (график 2), проходящей через точки -45 и -90 при частотах соответственно fшим/8 и /шим/4 обладает максимальной теоретически возможной полосой пропускания при условии однократного проведения расчетов СУ с началом, синхронизированным по времени с вершинами треугольного опорного сигнала ШИМ. Достижение полосы пропускания 4кГц стало возможным в системе с ПЛИС за счет быстрого расчета управления с использованием динамической модели (см. раздел 3.2).Симуляция системы с многократным расчетом СУ на базе ПЛИС (график 3) показывает ещё более высокие результаты. Существенно уменьшилось фазовое запаздывание. Полоса пропускания контура тока по результатам симуляции составила 4,5кГц против 4кГц у других известных решений на базе ПЛИС [57] и 1,2кГц на базе ЦСП.

Теоретические результаты показали превосходство предложенной системы по динамике управления током, что говорит о перспективности её практической реализации (см. раздел 4.7).

Разработка управления токами ВД с многократным расчетом управляющего воздействия (рис 4.5,е) велась в MatLab с Xilinx system generator for DSP (см. раздел 4.3). Основной особенностью системы является необходимость реализации одновременной остановки конвейерных вычислений СУ, производящихся циклически. После остановки во всех регистрах должны сохраниться данные того расчета, по результатам которого было выдано примененное управляющее воздействие для коммутации ключей ИН (Рис 4.7). Данные всех более поздних и ранних расчетов не должны в дальнейшем учитываться. generator for DSP: 1 - ретрансляция сигналов с шины AXI в другие программные модули СУ; 2 - обработка сигналов обратной связи по току, поступающих от сигма-дельта АЦП установленных в фазах обоих ИН, которые имеются в макете, преобразование Кларк; 3 - преобразование Парка; 4 - ПИ-регулятор тока с функцией ограничения вектора напряжения и функцией антинасыщения; 5 - обратное преобразование парка; 6 - обратное преобразование Кларк; 7 - блок масштабирования сигнала напряжения; 8 - Предмодуляция сигнала напряжения; 9 - вывод данных о состоянии системы на шину AXI; 10 - защелка данных, соответствующих последнему расчету алгоритмов СУ, предшествовавших первой коммутации ключей ИН после обновления обратной связи по току в результате синхроного детектирования; 11 -формирование треугольного опорного сигнала ШИМ, синхронизация ТТТИМ с внешним сигналом; 12 - ШИМ-сигнал для управления 6 ключами ИН на базе БТИЗ с мертвым временем 2мкс; 13 - ШИМ-сигнал для управления 3 стойками ИН на базе МОП-транзисторов. 4.7. Влияние задержек в контуре тока на динамические модели ВД

На рис. 4.8 представлена временная диаграмма, иллюстрирующая задержки контура тока при реализации расчетов СУ на базе ЦСП аналогично рис 4.6,г. Г составляет примерно l,5Ts (см. раздел 4.5). И заданное значение тока можно получить лишь через два такта. Таким образом, управление по динамической модели (см. раздел 3.2) можно реализовать следующим образом: в момент времени к система получает обратную связь по току 1щ, а также задание на ток 1 [к+2]. Система должна сформировать такое управляющее воздействие, чтобы в момент времени к+2 обратная связь по току 1\к+г\ соответствовала заданию 7 +2] Главное затруднение здесь в том, что пока производятся вычисления СУ нового управляющего воздействия, применяется предыдущее управляющее воздействие, которое влияет на ток 1[к+ц, изменение которого уже не может быть вовремя учтено без использования наблюдателей [58,59], что ведет к существенному усложнению математических моделей (3.11) и (3.15), предлагаемых к использованию в СУ.

Временная диаграмма управления током по динамической модели на базе типовой системы с ЦСП. 1 – Опорный сигнал ШИМ; 2 – управляющий сигнал; 3 – захват обратной связи по току; 4 – расчет алгоритмов СУ. На рис 4.9. представлена временная диаграмма, иллюстрирующая задержки контура тока при реализации предлагаемой в работе СУ на базе ПЛИС. В этой системе T зависит от уровня выходного напряжения инвертораи лежит в пределах:

В момент времени k система получает обратную связь по току I[k], а также задание на ток I [k+1] и формирует такое управляющее воздействие, чтобы в момент времени k+1 обратная связь по току I[k+1] соответствовала заданию I [k+1]. Между моментами времени k и k+1 производится применение лишь одного управляющего воздействия, расчет которого основан на состоянии системы в момент времени k, что позволяет напрямую использовать в СУ модели (3.11) и (3.15).

Временная диаграмма управления током по динамической модели на базе разработанной СУ с ПЛИС. 1 – Опорный сигнал ШИМ; 2 – управляющий сигнал; 3 – захват обратной связи по току; 4 – расчет алгоритмов СУ; 5 – расчет алгоритмов СУ, предшествовавший коммутации ключей ИН. 4.8. Экспериментальные результаты

Предложенная СУ с многократным расчетом управляющего воздействия была реализована на макете вращательного сервопривода с СнК. В таблице 4.2 приведены некоторые свойства систем, рассмотренных в разделе 4.5. Видно, что наименьшая T достигается при использовании новой системы. Вычислительная мощность ПЛИС, входящей в состав СнК позволила реализовать расчет контура тока с динамической моделью для расчета прямых программных связей (см. раздел 3.2) за 0,34мкс. Задержку СУ удалось снизить с 93,75 до 031,25мкс (при fшим=8кГц; в зависимости от уровня выходного напряжения ШИМ-инвертора).