Введение к работе
Актуальность темы. Синхронно-синфазный электропривод (ССЭ) реализуется на основе принципа фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), который позволяет обеспечить высокие динамические и точностные показатели и установку начального углового положения вала электродвигателя (фазирование) в широком диапазоне регулирования угловой скорости.
Синхронно-синфазные электроприводы широко применяются в обзорно-поисковых и информационно-измерительных системах, в аэрокосмической технике, робототехнике, технике приема, передачи и воспроизведения информации. Применение ССЭ в узлах оптико-механической развертки (ОМР) оптико-механических и лазерных сканирующих систем позволяет обеспечить высокое качество и быстродействие получения изображений.
Актуальной является задача повышения быстродействия и расширения диапазона регулирования электроприводов для сканирующих и обзорно-поисковых систем, осуществляющих автоматический обзор пространства с целью получения информации о расположенных в нем объектах, что позволит уменьшить потери информации в переходных режимах работы систем.
Основу ССЭ составляет построенный на основе принципа ФАПЧ электропривод с фазовой синхронизацией (ЭПФС), обладающий высокими точностными и динамическими показателями в широком диапазоне регулирования угловой скорости (реализуется астатизм по частоте вращения, ошибка по углу не превышает единиц угловых секунд в диапазоне изменения угловой скорости 100:1).
В электроприводе сканирующих систем момент инерции определяется конструкцией узла ОМР, расположенного на валу исполнительного электродвигателя, и практически остается постоянным во время работы ССЭ; а момент нагрузки, в основном, зависит от заданной угловой скорости и проявляется в статической ошибке по углу, которая может быть уменьшена путем корректного выбора параметров и структуры корректирующего устройства.
Бесконтактные двигатели постоянного тока (БДПТ) широко используются в качестве управляемых электродвигателей систем автоматики, так как наиболее полно удовлетворяют требованиям по электромеханическим и энергетическим характеристикам, массогабаритным показателям, надежности и широкому диапазону угловых скоростей.
Целью работы является разработка синхронно-синфазного электропривода узла оптико-механической развертки сканирующей системы с улучшенными динамическими показателями в режимах синхронизации и фазирования.
Для достижения цели поставлены следующие научные задачи:
-
Провести обзор литературных и патентных источников по построению прецизионного синхронно-синфазного электропривода для сканирующих систем, разработать классификации известных способов и средств регулирования ЭПФС и ССЭ, а также алгоритмов работы логического устройства сравнения (ЛУС) для выбора направления научных исследований.
-
Усовершенствовать многофункциональное логическое устройство сравнения (МЛУС) для обеспечения возможности реализации современных высокоэффективных систем управления ЭПФС и ССЭ.
-
Разработать и исследовать эффективные способы управления ЭПФС с квазиоптимальным по быстродействию регулированием угловой скорости.
-
Усовершенствовать способ фазирования ССЭ с квазиоптимальным по быстродействию регулированием.
5. Для проверки достоверности полученных результатов провести компьютерное
моделирование ЭПФС и ССЭ, построенных на основе предложенных алгоритмов работы
МЛУС и способов управления электроприводом, в среде MATLAB.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является синхронно-
синфазный электропривод. Предметом исследования являются способы и средства управления электроприводом в режимах синхронизации и фазирования.
Методы исследований
При теоретическом исследовании режима синхронизации ЭПФС использовался метод фазовой плоскости. При расчете параметров корректирующего устройства был использован модальный метод синтеза систем автоматического управления. Разработка способов регулирования и технических решений по построению функциональных узлов ССЭ проводилась с применением методов: теории автоматического управления, теории электрических цепей, схемотехнического проектирования цифровых устройств, теории электрических машин, математического моделирования.
Основные расчетные соотношения были получены с использованием
дифференциального и интегрального исчисления и на основе преобразования Лапласа. Полученные теоретические результаты были проверены на достоверность в среде программирования MATLAB.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности
Рассматриваемая область исследования соответствует паспорту специальности 05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы», а именно: п.3 «Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления».
Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами и планом работы университета
Настоящая работа выполнена в рамках:
- гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 14-08-31109 МОЛ_А
«Улучшение динамических показателей качества регулирования прецизионного
электропривода» (2014 – 2015 гг.),
- гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 16-08-00325а
«Разработка и исследование способов управления синхронно-синфазным электроприводом,
реализованных на основе комплексного подхода к обеспечению высоких показателей
качества регулирования в широком диапазоне угловых скоростей в режимах стабилизации и
слежения» (2016-2018 гг.).
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработаны алгоритмы работы логического устройства сравнения, отличающиеся
тем, что:
позволяют реализовать дополнительную функцию принудительной установки импульсного частотно-фазового дискриминатора (ИЧФД) в требуемый режим работы,
позволяют реализовать дополнительную функцию расширения линейной зоны импульсного частотно-фазового дискриминатора в режиме фазового сравнения,
2. Усовершенствованы технические решения по построению логического устройства
сравнения, реализующие дополнительные функции:
- индикации режимов работы импульсного частотно-фазового дискриминатора и
моментов времени изменения режима,
- определения ошибки по углу, угловой скорости и ускорения;
3. Разработан способ управления электроприводом в режиме синхронизации,
позволяющий повысить быстродействие электропривода за счет организации
квазиоптимального по быстродействию регулирования в импульсной системе
автоматического управления (САУ).
4.Усовершенствованы способы квазиоптимального по быстродействию фазирования:
до синхронизации (предварительное фазирование),
после синхронизации электропривода.
Практическая ценность.
Практическое значение работы состоит в создании научно-обоснованных технических решений для построения синхронно-синфазного электропривода узла оптико-механической развертки сканирующих систем и его основных узлов:
1. Разработанные технические решения по построению логического устройства
сравнения позволяют реализовать на его основе более эффективные способы управления
электроприводом в режимах синхронизации и фазирования, а также могут применяться в
других системах автоматического управления, построенных на основе принципа фазовой
автоподстройки частоты (ФАПЧ).
2. Использование квазиоптимальных по быстродействию способов синхронизации и
фазирования электропривода позволит повысить быстродействие синхронно-синфазного
электропривода и уменьшить потери информации в переходных режимах работы
сканирующей системы.
3. Разработанные компьютерные модели электропривода в приложении Simulink
программного пакета MATLAB могут быть использованы при исследовании динамических
процессов в электроприводах, построенных на основе принципа фазовой автоподстройки
частоты.
Реализация и внедрение результатов работы
Разработанные в ходе выполнения диссертационной работы алгоритмы работы многофункционального логического устройства сравнения, реализующего функции индикации режимов работы и моментов времени изменения режима, косвенного определения частотного рассогласования сигналов задания и обратной связи и методика проектирования систем, реализующих принцип фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) используются на предприятии АО «Сибирские приборы и системы» при разработке систем, реализованных на основе принципа ФАПЧ, что позволяет сократить время их проектирования и упростить схемную реализацию разрабатываемых систем управления.
Результаты исследований, отраженные в диссертации, используются при подготовке студентов по направлению бакалавриата 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»:
- алгоритм работы и предложенные технические решения по построению ЛУС,
реализующие функции измерения фазового рассогласования импульсов сравниваемых
частот, разности частот, а также угловой ошибки, ошибки по частоте вращения и ускорения
электропривода, используются при выполнении компьютерных лабораторных работ при
изучении дисциплины «Промышленная электроника»,
- компьютерная модель ССЭ, реализуемая в программе для исследования
динамических процессов в электроприводе (№ 50201351219 ВНТИЦ, 2013 г.) используется
при выполнении компьютерных лабораторных работ при изучении дисциплины
«Автоматизированный электропривод»,
- результаты исследований, полученные в диссертационной работе, используются при
выполнении студенческих научно-исследовательских, курсовых и выпускных
квалификационных работ.
Основные положения выносимые на защиту:
1. Алгоритмы работы логического устройства сравнения позволяющие:
реализовать дополнительную функцию принудительной установки импульсного частотно-фазового дискриминатора в требуемый режим работы,
реализовать дополнительную функцию расширения линейной зоны импульсного частотно-фазового дискриминатора в режиме фазового сравнения.
2. Технические решения по построению логического устройства сравнения,
реализующие дополнительные функции:
- индикации режимов работы импульсного частотно-фазового дискриминатора и
моментов времени изменения режима,
- определения ошибки по углу, угловой скорости и ускорения электропривода.
3. Способ управления электроприводом в режиме синхронизации, позволяющий
повысить его быстродействие за счет организации квазиоптимального по быстродействию
регулирования в импульсной системе автоматического управления.
4. Усовершенствованные способы квазиоптимального по быстродействию
фазирования:
до синхронизации (предварительное фазирование),
после синхронизации электропривода.
Достоверность результатов подтверждается корректным применением
математического аппарата, качественным совпадением результатов компьютерных исследований и теоретического анализа; апробацией результатов диссертационной работы на Всероссийских и Международных научно-технических конференциях, полученными патентами на изобретения и полезные модели.
Апробация работы Материалы работы докладывались и обсуждались на:
1. Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов
и машин» (г. Омск, 2012 г., 2016 г., 2017 г.)
2. Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Россия молодая:
передовые технологии – в промышленность!» (г. Омск, 2015 г., 2017 г.)
-
Всероссийской научно-практической конференции «Культура, наука, образование: проблемы и перспективы» (г. Нижневартовск, 2014 г., 2015 г., 2016 г., 2017 г.)
-
Всероссийской научно-практической конференции «Наука и молодежь в XXI веке» (г. Омск, 2016 г.)
-
Международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы энергетики» (г. Омск, 2017 г.)
-
Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные вопросы энергетики» (г. Омск, 2018 г.)
Полнота изложения материалов диссертации в опубликованных работах.
По теме диссертации опубликована 41 научная работа (из них 8 в периодических издания, рекомендованных ВАК РФ, 5 работ в изданиях, входящих в международные системы цитирования Scopus и WoS), 13 патентов на изобретения и полезные модели, 12 докладов на конференциях, 1 свидетельство о регистрации программных продуктов для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, 5 глав, основные выводы по результатам научных исследований, заключение, библиографический список и приложение. Общий объм диссертации составляет 238 страниц, в том числе 199 рисунка, 5 таблиц, 134 литературных источника.