Содержание к диссертации
Введение
1 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ 12
1.1 Шаговый двигатель как элемент системы управления 12
1.1.1 Краткая характеристика свойств шагового двигателя 12
1.1.2 Особенности применения шаговых двигателей в системах управления 13
1.1.3 Основные принципы управления движением шагового двигателя... 15
1.1.4 Схема управления шаговым двигателем и возможности исследования её свойств 16
1.2 Принцип действия и конструктивные особенности шагового двигателя 19
1.2.1 Основные принципы работы шагового двигателя 19
1.2.2 Основные типы шаговых двигателей 20
1.2.3 Шаговый двигатель гибридной конструкции 22
1.3 Проблемы и методы построения математических моделей
электрических машин 24
1.3.1 Модель обобщённой электрической машины 24
1.3.2 Электромагнитный момент шагового двигателя 26
1.3.3 Требования к математической модели шагового двигателя 29
1.4 Анализ существующих подходов к управлению шаговым двигателем 31
1.4.1 Режимы работы шагового двигателя в зависимости от способа управления ротором 31
1.4.2 Режимы работы шагового двигателя в зависимости от способа коммутации обмоток 35
1.4.3 Рабочие характеристики шагового двигателя 38
1.4.4 Схемы включения обмоток шагового двигателя 39
1.5 Анализ известных способов увеличения быстродействия шагового двигателя 41
1.5.1 Сущность повышения быстродействия с помощью напряжения импульсов управления 42
1.5.2 Способы ограничения тока, применяемые на практике при повышенном коммутируемом напряжении источника электропитания 44
1.5.3 Анализ возможных путей построения квазиоптимального управления шаговым двигателем на основе существующей методики увеличения быстродействия 47
1.6 Выводы по первому разделу 49
2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ 51
2.1 Построение математической модели шагового двигателя на основе модели обобщённой электрической машины 51
2.1.1 Математическая модель обобщённой двухфазной двухполюсной синхронной электрической машины 51
2.1.2 Допущения и упрощения, использованные при составлении уравнений модели шагового двигателя 54
2.1.3 Уравнения математической модели шагового двигателя 55
2.1.4 Математическая модель шагового двигателя с учётом электронной схемы управления 57
2.1.5 Пример численного решения уравнений модели 62
2.2 Идентификация параметров математической модели на основе экспериментальных данных 64
2.2.1 Общая постановка задачи идентификации динамики исследуемого объекта 64
2.2.2 Идеологические предпосылки решения задачи идентификации математической модели шагового двигателя 65
2.2.3 Техническая и информационная схема исследования и обработки данных в рамках решения задачи об идентификации параметров модели шагового двигателя 66
2.2.4 Статистическая идентификация модели на основе измеренных данных 70
2.3 Поиск наилучших параметров математической модели 75
2.3.1 Поиск на основе методики планирования экспериментов 76
2.4.6.2 Случайный поиск. 95
2.4.6.3 Общий поиск 99
2.4.3 Результаты идентификации параметров 103
2.5 Аппроксимация динамических свойств шагового двигателя линейной математической моделью 104
2.5.1 Линейная модель 3-его порядка 105
2.5.2 Линейная модель 4-ого порядка 107
2.6 Выводы но второй главе 109
3 КВАЗИОПТИМАЛЬНОЕ ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ УПРАВЛЕНИЕ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ 111
3.1 Постановка задачи квазиоптимизации быстродействия полно шагового режима работы шагового двигателя за счет управление 111
3.1.1 Концептуальная оценка возможного результата оптимизации по быстродействию управления полношаговым движением ротора 111
3.1.2 Ограничения по форме управляющих сигналов 112
3.1.3 Ограничения по полярности управляющих сигналов 113
3.1.4 Ограничения по структуре управляющих сигналов 115
3.1.5 Ограничения по характеру нагрузки, действующей в период шагового управления 120
3.1.6 Возможности и целесообразность аналитического, имитационного и экспериментального решения задачи оптимизации быстродействия управления 121
3.1.7 Формулировка понятия квазиоптимизации применительно к задаче управления позиционированием 123
3.2 Решение задачи оптимизации быстродействии позиционировании ШД для аппроксимациоииои модели 124
3.2.1 Аппроксимационная модель ШД 124
3.2.2 Постановка задачи оптимизации быстродействия решения для аппроксимациоииои модели 125
3.2.3 Необходимые условия оптимальности быстродействия для аппроксимациоииои модели 126
3.2.4 Качественное исследование структуры решения задачи оптимизации быстродействия для аппроксимациоииои модели 127
3.3 Постановка задачи для нелинейной модели 129
3.4 Вспомогательные оценки качества управления 131
3.5 Квазионтималыюе но быстродействию управление шаговым двигателем на базе полношагового режима работы 132
3.5.1 Структурный синтез векторного управления 132
3.5.2 Проверка решения с помощью нелинейной модели 135
3.5.3 Поиск параметров управляющих штульсов с помощью модели 137
3.5.4 Анализ решения задачи с помощью математической модели 140
3.5.5 Экспериментальная проверка решения 144
3.6 Результаты исследования 147
4 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ КВАЗИОПТИМАЛЫЮГО ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ 149
4.1 Экспериментальная оценка влияния механической нагрузки на динамику шагового двигателя 149
4.2 Методика исследования электрических двигателей с целью улучшения динамических характеристик с помощью управления 152
4.3 Оценка возможности практической реализации разработанного
управления 156
4.3.1 Изменяемая часть в системе управления 156
4.3.2 Элементная база систем управления шаговыми двигателями 159
4.4 Выводы но четвёртой главе 161
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 162
ЛИТЕРАТУРА 164
ПРИЛОЖЕНИЕ А 167
Описание лабораторной установки 167
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 173
Выделения полезного сигнала из измеренных данных 173
ПРИЛОЖЕНИЕ В 175
Измеренное перемещение ротора 175
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 178
Программа для статистической обработки экспериментальных данных 178
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 180
ПРИЛОЖЕНИЕ Е 183
- Шаговый двигатель как элемент системы управления
- Построение математической модели шагового двигателя на основе модели обобщённой электрической машины
- Постановка задачи квазиоптимизации быстродействия полно шагового режима работы шагового двигателя за счет управление
- Экспериментальная оценка влияния механической нагрузки на динамику шагового двигателя
Введение к работе
Актуальность темы. Шаговый двигатель (ШД) является одни?.: из наиболее эффективных и перспективных видов электрических машин, которые позволяют добиться высокой точности позиционирования и повторяемости перемещений, что обусловливает его широкое применение в системах автоматического управления (САУ) перемещением исполнительного органа. В задачах, связанных с позиционированием, к исполнительному устройству системы управления предъявляются требования по двум важнейшим технологическим показателям: по точности и по времени выполнения задания.
Точность позиционирования ШД является основным технологическим требованием для САУ позиционированием исполнительного устройства, но для ШД она определяется в наибольшей степени конструктивным его исполнением, и повышение точности — задача для конструкторов двигателей и технологов, их изготавливающих. Увеличение точности позиционирования, привода может быть достигнуто и системно — с помощью организации микрошагового режима работы (дробных шагов) ШД. Но для этого требуется более сложная система управления и большие затраты времени на перемещение по сравнению с полношаговым режимом работы.
Быстродействие же, как показали проведённые в работе исследования динамических характеристик шагового' двигателя, зависит не только от конструкции, но и от способа формирования управления. При этом быстродействие исполнительного устройства во многом определяет производительность технической системы (например, при механической, лазерной обработке и т. п.). Производительность является важным экономическим показателем и её повышение всегда желательно. Следует заметить, что конструкции современных электрических машин имеют параметры, близкие к предельным по технологическим возможностям изготовления. Поэтому центр тяжести перспективных исследований следует перенести на повышение быстродействия шаговых двигателей системными методами, то есть с помощью управления
Такие системные решения сопровождаются неизбежным повышением интенсивности воздействия, что приводит к повышенной колебательности ротора и стимулирует увеличение динамических ошибок. Это ориентирует на поиск компромисса между динамической ошибкой позиционирования ШД и его быстродействием. Следовательно, как задача повышения собственно быстродействия1 шагового двигателя, так и задача снижения динамической
Здесь и далее в работе под термином «быстродействие» шагового двигателя понимается оценка времени движения ротора шагового двигателя на один шаг при нулевой начальной скорости и допустимой ошибке 5%.
ошибки при его позиционировании (в первую очередь, подавление колебаний) представляет большой интерес, как для научного исследования, так и для практического внедрения.
Из сказанного можно сделать вывод об актуальности темы защищаемой диссертации.
Цель и основные задачи диссертационной работы. Основной целью настоящей диссертации является разработка и исследование методов системного повышения быстродействия шагового двигателя за счёт обоснованного выбора специальной формы управления и его параметров. В связи с этим диссертационным исследованием предусмотрено решение следующих научных задач:
-
разработка математической модели (ММ) шагового двигателя, ориентированной на описание обобщённой машины, а также на полное исследование его динамических свойств, что должно помочь снизить нагрузку на экспериментальную часть работы с реальным двигателем;
-
разработка методики идентификации построенной модели на основе экспериментального сравнения её свойств с поведением реального ШД;
-
на основе анализа общей ММ ШД и результатов его натурных испытаний натурных испытаний синтезировать структуру закона управления, обеспечивающего существенное повышение быстродействия этого типа двигателей;
-
разработать, обосновать и реализовать на примере реального ШД методику параметрической оптимизации синтезированного закона управления;
-
проверить разработанные методики и уточнить результаты диссертационных исследований на реальном шаговом двигателе;
-
для корректного выполнения практической части диссертациии разработать и реализовать испытательную установку для оценки динамических характеристик ШД и результатов управления им.
Существенные научные результаты, полученные в диссертации.
-
Разработана структурно-адекватная нелинейная математическая модель шагового двигателя, которая учитывает основные законы протекания электромеханических процессов, как в электрической машине, так и в электронном управляющем устройстве, что обусловливает её пригодность для исследования свойств ШД в любых переходных режимах, в том числе и критических;
-
Разработана методика экспериментально-статистической идентификации аналитической модели с оптимизацией точностных оценок её решения, что позволяет получать и структурно, и параметрически функционально адекватную исследованному ШД математическую модель и переносить, при
необходимости, центр тяжести исследований ШД с реальных электрических машин на их математические модели;
3) Обоснована и исследована векторная структура и импульсная
форма управления, обеспечивающая повышенное быстродействие шаговых
переходных процессов в ШД и снижение степени их колебательности;
-
Теоретически разработана, обоснована, а также экспериментально подтверждена методика оптимизации предложенного в работе векторного закона управления позиционированием ротора шагового двигателя;
-
Проведена экспериментальная проверка разработанных методик на примере оптимизации быстродействия шагового двигателя с постоянными магнитами на специально разработанной для исследований испытател: гой установке;
-
Основным общим научным результатом диссертационного исследования следует считать научно-экспериментально-аналитическую методику исследования свойств шаговых двигателей и нахождения для них оптимальных или квазиоптимальных законов управления.
Научная новизна результатов диссертации определяется следующими отличительными признаками:
-
разработанная существенно нелинейная математическая модель шагового двигателя, в отличие от существующих и рекомендуемых в литературе к использованию, построена на основе минимальных допущений и упрощений, а, поэтому, структурно и параметрически учитывает как основные особенности шагового двигателя, так и работу выходного каскада электронной системы управления, что делает её пригодной для модельно-имитационного решения практических задач;
-
методика идентификация математической модели шагового двигателя по основным параметрам предложена, статистически обоснована и практически реализована насколько можно судить по литературным источникам, впервые;
-
аналоги решений по управлению шаговым двигателем двухвходр-выми воздействиями регулярной формы, дающими, согласно проведённому исследованию, не менее, чем двух кратный выигрыш по быстродействию, не обнаружены;
-
методика оптимизации быстродействия шаговых переходных процессов ротора ШД разработана, аналитически обоснована и экспериментально подтверждена для впервые предложенной формы управляющего воздействия, что подтверждает её оригинальность;
-
реализовано системное (за счёт формы и параметров управления) повышение быстродействия реального ШД примерно в 2 раза, и получен практически апериодический (с незначительным перерегулированием) характер перемещения ротора шагового двигателя.
Методы исследования. В работе использованы методы физики электромагнитных процессов, теоретической электротехники, классической теории управления, теории планирования и статистической обработки результатов экспериментов, теории оптимизации, а также современные методы математического анализа.
Достоверность результатов исследования определяется использованием фундаментальных законов и моделей электромагнитных явлений, проверенных многолетней научно-технической практикой методов планирования экспериментов, традиционных и многократно апробированных статистических критериев, признанных пакетов программ MALAB и Maple, а также натурными исследованиями реальных образцов шаговых двигателей и схем управления на специально разработанной испытательной установке.
Практическая значимость результатов диссертации. Предложенное в работе решение по организации квазиоптимального по быстродействию управления шаговым двигателем обеспечивает улучшение динамики работы привода на его основе за счёт динамического эффективного подавления колебаний ротора и снижения времени его позиционирования. Этот результат позволяет разработать модифицированный регулятор и систему настройки электронной системы управления, обеспечивающую более эффективную работу привода на основе шагового двигателя, с повышением его приёмистости.
Разработанная и обоснованная в диссертации методика исследования динамических характеристик шагового двигателя и синтеза закона кваэиоптимального управления им применима к широкому классу шаговых и синхронных двигателей. Поэтому эта методика может быть рекомендована для внедрения в научно-исследовательские и проектные институты и конструкторские бюро соответствующего профиля.
Внедрение результатов работы. Разработанные методики
идентификации модели и оптимизации управления ШД используются как в
научно-практической деятельности _ ^. «Орион» і. "- , так и в
учебном процессе на кафедрах «Информационные и управляющие системы» Ростовской-на-Дону государственной академии сельскохозяйственного машиностроения и «Автоматизация производственных процессов» Донского государственного технического университета. Акты внедрения и использования научных результатов прилагаются к диссертации.
Соответствие диссертации научному плану работ и целевым комплексным программам. Тема диссертационной работы сформулирована в связи с выполнением госбюджетных научных исследований 2002 года «Выявление закономерностей интервальной организации устойчивого управления в замкнутых автоматических системах», а тематика дальнейших диссертаци-
онных исследований определялась госбюджетными работами 2004 - 2006 гг. «Разработка теоретических основ интервально-аппроксимационной организации и оптимизации управления в замкнутых автоматических системах», выполняемых по тематическому плану Минобрнауки под руководством проф. Нёйдорфа Р.А. Также диссертационные исследования проводились при выполнении научно-исследовательских работ в рамках гранта АОЗ-3.16189 «Квазиоптимальное по быстродействию асиптотически устойчивое управление на основе нейросетевых технологий» для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов высших учебных заведений Минобразования России, а также федеральных госбюджетных научно-исследовательских работ в Ростовской-на-Дону государственной академии сельскохозяйственного машиностроения (РГАСХМ): «Теоретические посылки квазиоптимизации быстродействия автоматического управления», «Программное обеспечение имитационного моделирования квазиоптимальных по быстродействию систем».
Апробация диссертационной работы. Материалы диссертационной работы апробировались на следующих международных и региональных научных конференциях: XVI Международная научная конференция "Математические методы в технике и технологиях" ММТТ-16 (ММТТ-Дон) (РГАСХМ, Ростов-на-Дону, 2003); XVII Международная научная конференция "Математические методы в технике и технологиях" ММТТ-17 (КГТУ им. А.Н. Туполева (КАИ), Кострома, 2004); X Международная открытая научная конференция «Современные проблемы информатизации в технике и технологиях» (ВГТУ, Воронеж, 2005); XVIII Международная научная конференция "Математические методы в технике и технологиях" ММТТ-18 (КГТУ, Казань, 2005); XIX Международная научная конференция "Математические методы в технике и технологиях" (ВГТА, Воронеж, 2006)
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 9 работ, в которых вышли наиболее существенные её результаты. Все работы опубликованы в центральной печати: в журнале «Известия ТРТУ» (2 шт.), в сборниках научных трудов международных конференций ММТТ-19, ММТТ-18, ММТТ-17 и ММТТ-16 (7 докладов).
Шаговый двигатель как элемент системы управления
В технической литературе [1...11] шаговым двигателем называют синхронную электрическую машину, которая преобразует электрические импульсы напряжения, подаваемые от электронного коммутатора на фазы обмотки якоря, в дискретные механические перемещения ротора2. Шагом такого двигателя называют величину угла между двумя устойчивыми ближайшими положениями ротора. Шаг двигателя наряду с вращающим моментом и максимальной скоростью является основным параметром.
Преимущества шагового двигателя перед другими видами электрических машин можно сформулировать в следующих положениях [1,4, 5, 6,15]:
- угол поворота ротора шагового двигателя однозначно определяется управлением, которое представляет собой последовательность импульсов напряжения [1, 15];
- шаговый двигатель обеспечивает полный момент в режиме остановки при протекании тока через обмотки (на обмотки подано напряжение) [15];
- шаговый двигатель обеспечивает прецизионное позиционирование и повторяемость движения ротора, хорошие шаговые двигатели имеют точность позиционирования 3-5% от величины шага, причём погрешность позиционирования не накапливается от шага к шагу [4, 15];
- шаговый двигатель обладает возможностью быстрого старта, остановки и реверсирования; - шаговый двигатель характеризуется высокой надежностью, связанной с отсутствием щёток [15];
- при умеренных нагрузках шаговый двигатель обладает однозначной зависимостью положения ротора от числа управляющих импульсов, что позволяет производить позиционирование без обратной связи по положению [4, 6, 15];
- шаговый двигатель обеспечивает возможность получения очень низких скоростей вращения для нагрузки, присоединенной непосредственно к валу двигателя без промежуточного редуктора за счёт выбора двигателя с малым угловым шагом [15].
Однако, наряду с очевидными преимуществами для шагового двигателя характерны и недостатки [1, 3, 4, 5, 6, 15], из которых наиболее важными являются следующие:
- склонность к колебательности и выраженное наличие резонанса;
- при перегрузке возможен «пропуск» управляющего импульса, то есть нарушается синхронность движение ротора с поступающим управлением. Такое явление наблюдается в любой синхронной электрической машине. В системах позиционирования, использующих шаговые двигатели, без обратной связи по положению пропуск импульса приводит к необратимой потере точности позиционирования [4,15];
- потребление энергии не уменьшается даже при отсутствии нагрузки;
- затруднена работа на высоких скоростях, на которых резко падает электромагнитный момент [15];
- невысокая удельная мощность;
- относительно сложная схема управления.
Построение математической модели шагового двигателя на основе модели обобщённой электрической машины
Анализ, проведённый в первой главе диссертационной работы, показал, что многофазная многополюсная электрическая машина может быть приведена к двухполюсной двухфазной машине [1, 2, 3]. Потому в данной главе рассматривается построение математической модели двух фазного двухполюсного шагового двигателя на основе модели обобщённой электрической машины [3].
Рассмотрим простейшую синхронную электрическую машину, у которой двухфазная обмотка статора и однофазная обмотка ротора (рис. 2.1 и 2.2). Совместим систему координат ах, bs с осями обмоток статора и систему аг с осью обмотки ротора. Положительные направления векторов токов и магнитных потоков совпадают с осями обмоток. Угловое положение ротора р имеет ряд устойчивых положений отстоящих друг от друга на угол л/2 или один шаг. Начало отсчёта угла р совмещено с осью статора
На рис. 2.1, 2.2 и в приводимых далее уравнениях используются следующие обозначения: 44,,4 ,4/ - магнитные потоки обмоток статора (фазы А и В) и ротора (фаза А);
isa,isb,ira - токи в обмотках статора и ротора;
uso,usb,um - напряжения, прикладываемые к обмоткам;
rsa,rsb,rra - активные сопротивления обмоток;
Lsa,Lsb,Lra - индуктивности обмоток;
Msara - взаимная индуктивность обмотки ротора и фазы А статора;
Msb га - взаимная индуктивность обмотки ротора и фазы В статора;
Р - угловое положение ротора;
wr - угловая скорость ротора;
Мс - момент сопротивления;
Ме - электромагнитный момент;
к- коэффициент, учитывающий зависимость сопротивления окружающей среды движению ротора от скорости;
J - момент инерции ротора;
р - число пар полюсов.
На рисунке 2.2 изображена электрическая схема рассматриваемой электрической машины. Каждая обмотка двигателя является частью электрической цепи состоящей из источника напряжения, активного сопротивления и индуктивности обмотки. В качестве источника импульсного напряжения для обмоток статора шагового двигателя выступает коммутатор, построенный на основе полупроводниковых ключевых элементов. Обмотка ротора обычно подключается к источнику постоянного напряжения. В случае если электрическая машина выполнена с постоянными магнитами на роторе, то для построения математической модели необходимо магнит заменить обмоткой с источником тока с эквивалентной магнитодвижущей силой [3].
Постановка задачи квазиоптимизации быстродействия полно шагового режима работы шагового двигателя за счет управление
Если считать преодолимыми математические трудности решения вариационной краевой задачи при ограничениях тина неголономпых связей (2.9), и взять за основу традиционный способ разомкнутого управления перемещением ротора подачей некоего импульса, смещающего равновесное его положение на следующий по ходу движения полюс, то результатом оптимизации формы изменения амплитуды этого импульса во времени будет, в общем случае, некоторая кривая [40, 41]. Тогда технической проблемой реализации такого решения задачи будег построение электронного устройства, формирующего эту кривую, называемую экстремалью. Такое решение поставленной задачи принципиально возможно и кажется вполне логичным.
Однако при системном изучении энергетических, элементно-технических, структурных, параметрических возможностей реализации такого варианта повышения быстродействия выясняется, что на пути к его осуществлению имеются серьезные трудности и ограничения. Их целесообразно исследовать и, по возможности, учесть на этапе постановки задачи оптимизации, если такой учет уже на стадии реализации приведет к необходимости аппроксимации экстремали, допустимость, правомерность и эффективность которой всегда очень трудно обосновать.
Поэтому, в связи с выявленным феноменом, в данном параграфе делается попытка выявить и спроецировать на постановку оптимизационной задачи те существенные ограничения на возможности се реализации, которые влияют и на способ решения, и на его результат.
Шаговый двигатель является одним из наиболее эффективных и перспективных видов электрических машин, которые используются в системах автоматического регулирования различного назначения. Как правило, ШД применяют в системах, от которых требуется высокая точность позиционирования какого-либо механизма. При этом в таких системах не редко желательно высокое быстродействие исполнительных устройств, которое обеспечивает соблюдение заданной технологическим процессом точности позиционирования. Например, в задачах, связанных с перемещением лазерных и исполнительных электромагнитных устройств, от скорости зависит производительность оборудования. Для оценки быстродействия шаговых двигателей традиционно используется оценка максимального количества импульсов управления, отрабатываемых двигателем без потери шага в единицу времени. Данная оценка определяет зависимость необходимой для работы двигателя мощности управляющих сигналов с фиксированной амплитудой от длительности импульса управлення. Для установившегося режима работы шагового двигателя эта оценка называется частотой приёмистости.
Прямое использование результатов оптимизации быстродействия с ограничениями на энерговыделение в схеме управления и в самом двигателе с очевидностью приведет к необходимости реализации некоторой криволинейной зависимости изменения тока в управляющей обмотке. Применение такой (не прямоугольной) формы импульсов, например, синусоидальной (без модуляции) предполагает выделение тепловой энергии в системе управления двигателем, что существенным образом влияет па надёжность работы всей системы управления. Тепловая энергия, как правило, выделяется в силовых полупроводниковых приборах, работающих в линейном режиме [27, 29]. С ростом напряжения электропитания и мощности двигателя количество выделяемой теплоты резко возрастает, что требует применение мощных приборов с большой областью безопасной работы19 и принудительного охлаждения, что экономически не выгодно.
Экспериментальная оценка влияния механической нагрузки на динамику шагового двигателя
Практическое применение разработанного квазиоптимального по быстродействию способа управления шаговым двигателем обусловлено следующими факторами:
- устойчивость управления к влиянию внешних факторов (нагрузки);
- возможность применения разработанной в работе методики синтеза управления к другим электрическим двигателям;
- возможность реализации способа управления при использовании существующей элементной базы.
Проведём анализ указанных фактов по результатам предыдущего материала настоящего исследования.
4.1 Экспериментальная оценка влияния механической нагрузки на динамику шагового двигателя
В предыдущей главе настоящей работы получена форма и параметры векторного квазиоптималыюго по быстродействию шагового двигателя, которое представляет собой программное управление, то есть не рассчитанного на использование датчика положения. Системы программного управления обычно строятся для постоянной нагрузки, однако не исключается возможность её изменения из-за каких либо случайных событий, что требует оценки влияния нагрузки на динамику шагового двигателя с неизменными параметрами управления, найденного в предыдущей части работы.
Сформулированная задача требует проведения с помощью лабораторной установки исследования шагового перемещения ротора, к которому подсоединена механическая нагрузка. В качестве механической нагрузки целесообразно рассмотреть схему представленную на рисунке 4.1, так как такая механическая нагрузка обеспечивает непрерывное и однообразное влияние на характер перемещения ротора шагового двигателя, а также применяется в некоторых практических задачах позиционирования. В данной схеме в качестве нагрузки возможно применение любого электрического генератора (или двигателя в генераторном режиме), однако при этом необходимо учитывать особенности измерительного генератора, например, для двигателя постоянного тока необходимо иметь в виду дискретность переключения щётками обмоток якоря, которая сопоставима с шагом шагового двигателя.
В схеме исследования разработанного управления двигателем изменение нагрузки осуществляется с помощью массы т груза. Жёсткая нить натянута между двумя шкивами, что обеспечивает движение груза без проскальзывания нити в шкивах. Перемещение ротора шагового двигателя обеспечивается и ,1С-4.1-Схемаисследова-фиксируется с помощью лабораторной уста- иия переменной нагрузки новки, описание которой приведено в приложении Л. Момент внешней для двигателя нагрузки может быть оценен с помощью формулы где R - радиус шкива №1 в схеме на рисунке 4.1; т - масса груза; g- ускорение свободного падения.
В ходе проведённых экспериментов с различной величиной нагрузки было обнаружено, что разработанное векторное квазиоитималыюе но быстродействию управление обеспечивает улучшение динамики шагового двигателя, однако при имеющих место погрешностях изготовления двигателя и лабораторной установки такой эффект наблюдается не на каждом шаге ротора двигателя (рис. 4.2). При умеренной нагрузке (от 15 Нм до 45 Нм) наблюдается переходные процессы без перерегулирования, которые свидетельствуют о работе векторного управления, причём при увеличении нагрузки количество таких зафиксированных графиков уменьшается, то есть управление, рассчитанное на лёгкую нагрузку, не обеспечивает желаемого результата.
