Содержание к диссертации
Введение
1. Общие принципы контроллерного управления электроприводами . 10
1.1 Современное состояние контроллерных систем управления. 10
1.2 Требования к системам управления электромеханических устройств ВГИ . 12
1.3 Анализ характеристик ШД. 23
1.4 Проблемы использования шагового электропривода в системах управления. 34
1.5 Вывод. Возникающие задачи исследования. 39
2. Специальные требования к алгоритму работы контроллера, методы реализации и анализ структур формирования электрических состояний ШД . 42
2.1 Учет в алгоритме управления контроллера статических и динамических погрешностей и условий устойчивости ШД в переходных процессах. 42
2.2 Синтез базового программного алгоритма управления для контроллера шагового электропривода . 55
2.3 Реализация базовых структур формирования электрических состояний контроллером на основе алгоритма. 59
2.4 Анализ особенностей базовых структур контроллера, требования к их схемным параметрам. 63
2.5 Энергетические оценки эффективности управления силовым инвертором контроллера и методы ее повышения. 80
2.6 Вывод. 106
3. Синтез контроллерной САУ, схемная реализация контроллера с учетом требований алгоритма работы . 109
3.1 Анализ существующих функциональных и структурных схем САУ ШД. Классификация. 109
3.2 Общее описание функциональной и структурной схем контроллера САУ ШД в составе ЭМУ ВГИ . 135
3.3 Анализ и синтез блока управляющего электрическим дроблением шага. Исследование структурной схемы ФРИ в составе контроллера. 145
3.4 Схемная реализация контроллера с учетом особенностей алгоритма функционирования. Анализ внедрения в производство полезной модели контроллера в составе электромеханического устройства ВГИ. 173
3.5 Расчет усилителя мощности для базового силового модуля контроллера. 180
3.6 Вывод. 183
4. Математическое описание контроллера. Моделирование режимов работы ШД . 187
4.1 Обоснование идеализированной модели ШД. 187
4.2 Исследование требований к алгоритму контроллера для общего случая двухфазного ШД . 191
4.3 Методика определения рационального годографа электрических состояний фаз и угловых моментных характеристик ШД с учетом искажения реального момента. 195
4.4 Обобщенная модель и граничные оценки привода с электрическим дроблением шага. 199
4.5 Синтез эквивалентной структурной схемы ШД при управлении на уровне электрического дробления шага. Моделирование режимов работы ШД. 205
4.6 Вывод 209
Заключение 210
Список литературы 213
- Требования к системам управления электромеханических устройств ВГИ
- Синтез базового программного алгоритма управления для контроллера шагового электропривода
- Общее описание функциональной и структурной схем контроллера САУ ШД в составе ЭМУ ВГИ
- Исследование требований к алгоритму контроллера для общего случая двухфазного ШД
Введение к работе
Современное конкурентоспособное производство требует применения гибкой и быстро настраиваемой технологии, которая обеспечивает точное планирование объемов выпуска продукции и частую смену ассортимента моделей. Эти требования приводят к тому что, расширяется номенклатура технологических установок, электромеханических устройств (ЭМУ) и станков, которые должны быть задействованы.
В это же время все большее число электроприводов ЭМУ малой и средней мощности прецизионного типа, комплектуется шаговыми электродвигателями (ШД). ШД как частный случай синхронной машины обладает рядом достоинств: надежность конструкции, минимум затрат для реализации цифрового дискретного управления и контроля [33,26,126]. Однако наилучших характеристик управления электроприводом на базе ШД можно добиться при определенном и достаточно сложном управлении.
Учитывая, что применение микропроцессорного управления позволяет повысить гибкость и производительность производственных мощностей[125,129], а также необходимость унификации систем управления на уровне групп ЭМУ, важной проблемой современного этапа научно-технического развития является исследование и создание универсальных контроллерных систем автоматического управления (САУ) шаговым электроприводом.
Исходя из того, что контроллерное управление шаговым электроприводом остается пока наиболее малоосвоенным, но открывающим большие перспективы для систем управления ЭМУ, решение указанной проблемы обеспечит:
- расширение функциональных возможности и повышение эффективности систем управления шаговым электроприводом;
- удобство модернизации САУ существующих ЭМУ;
- научную базу для синтеза структуры контроллера шагового электропривода специального назначения, уровень характеристик которых сравним с зарубежными аналогами.
Последний из указанных пунктов определен как наиболее значимый в рамках темы диссертации, поэтому отдельную часть исследовательской работы занимают вопросы создания универсального цифрового контроллера на базе отечественной аппаратуры и ЭРИ, входящих в межотраслевой ограничительный перечень.
т Структура данного контроллера реализует эффективный метод управления ШД и соответствует тяжелым условиям эксплуатации ЭМУ специального назначения.
Целью работы является совершенствование САУ ШД и улучшение их характеристик, создание структурно-функциональной модели универсального контроллера, которая реализует эффективный метод управления ШД и соответствует условиям эксплуатации ЭМУ специального назначения.
В качестве базы для создания структурно-функциональной модели универсального контроллера выбран, синтез современной контроллерной САУ электромеханического устройства вывода графической информации (ЭМУ ВГИ). Такого рода САУ по реализуемым функциям сопоставима с универсальной, синтез которой требует проведения комплексных научных исследований в разных аспектах, связанных со свойствами электропривода, структурой САУ, алгоритмом управления и выбором аппаратуры.
Основными задачами исследований в работе являются:
- анализ ошибок, возникающих при управлении шаговым электроприводом, исследование особенностей электромеханической части ШД и его предельных возможностей по восприятию управляющей информации, определение требований к структуре контроллерного управления;
- исследование методов формирования управления током в фазах статора ШД и соответствующих им структурных схем, формулирование требований к базовому программному алгоритму управления контроллера;
- определение структуры контролера, обеспечивающей универсальные свойства: управление ШД с разным числом полюсов, реализация сложного вида движений многокоординатного электропривода, исключение узлов кинематического преобразования движения и реализация функций контроллерной САУ электропривода с учетом технологического процесса выполняемого ЭМУ;
- выбор элементной базы, оптимизация аппаратного состава контроллера и проектирование блочно-модульной контроллерной системы управления, которая рассчитана на условия эксплуатации в составе специальных ЭМУ;
- определение математического аппарата, используемого для моделирования процесса управления ШД, анализ качества алгоритма управления и структурной схемы контроллера.
Научная новизна, исследований связанных с темой данной работы состоит в следующем:
- предложена базовая стуктурно-функциональная модель контроллера САУ ШД, на ее основе разработана структурная схема универсального цифрового контроллера шагового электропривода для САУ электромеханических устройств СН. Оригинальность данной модели контроллера подтверждена патентом на полезную модель;
- исследован ряд математических алгоритмов для формирования годографа результирующего тока фаз ШД. Определен базовый алгоритм задания тока в фазах ШД, который обеспечивает квазинепрерывный годограф результирующего тока. Данный алгоритм отличается от традиционных тем, что позволяет учесть ошибки, вносимые аппаратурой САУ ШД, конструкцией электропривода, параметрами управляющего сигнала (частота, коэффициент дробления элементарного шага);
- предложен графоаналитический метод определения динамической составляющей момента ШД на основе предельных динамических характеристик. Данный метод, в отличие от других, более эффективен в практике синтеза САУ, которые используют в алгоритме управления переходными процессами ШД функциональную связь между частотой управления и током его фаз;
- определены требования к программному алгоритму управления ШД в переходных процессах на базе разработанного графоаналитического метода определения динамической составляющей момента ШД. Эти требования обеспечили расширение диапазона управления ШД по частоте выше частоты приемистости, что позволило уменьшить массогабаритные характеристики и стоимость шагового электропривода в ЭМУ, сократить состав аппаратуры управления ШД;
- предложена классификация структур управления ШД, которая по сравнению с традиционными классификациями основана на параметрах САУ, влияющих на качественные свойства шагового электропривода. Данная классификация позволяет свести синтез САУ ШД к нескольким основным типам САУ. На основе классификации были проанализированы эквивалентные схемы описания ШД в структурных схемах САУ, реализующих разные способы управления;
- разработана подробная структурная эквивалентная схема модели ШД на основе математических уравнений, описывающих электромеханические процессы формирования тока в отдельных фазах ШД. Данная математическая модель позволила исследовать функциональные зависимости характеристик САУ ШД от режимов управления, формируемых различными методами электрического дробления шага;
- определены практические рекомендации по реализации электрических схем, конструкции и аппаратному составу контроллеров САУ электропривода для ЭМУ различного назначения.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.
В первой главе проводится анализ технических требований, предъявляемых к ЭМУ ВГИ, рассматривается состояние разработок современных САУ электромеханических устройств ВГИ в том числе специального назначения. В главе также анализируются характеристики ШД как объекта управления, формулируются проблемы использования ШД в контроллерных САУ, проводится анализ перспектив развития контроллерного шагового электропривода.
Формулируются задачи для дальнейших исследований диссертационной работы:
- определение наиболее эффективных методов формирования управления ШД для синтеза структурно-функциональной модели универсального контроллера;
- определение природы ошибок, возникающих в САУ ШД, факторов, влияющих на характеристики контроллерной САУ, а также - функциональных зависимостей устойчивости управления ШД от этих факторов, формирование на вышеуказанной основе дополнительных требований к организации базового алгоритма контроллера для управления ШД, и определение требуемых режимов работы контроллерной САУ;
- синтез структурной схемы контроллера и определение его аппаратного состава, который должен обеспечить контроллерной САУ ШД соответствие требованиям группы ЭМУ СН, имеющих тяжелые условия эксплуатации;
- решение проблемы применения в ЭМУ ВГИ универсальной контроллерной САУ ШД, при синтезе которой важно выполнить эргономические требования к результатам функционирования ЭМУ ВГИ. Эти требования должны быть обеспечены в комплексе структурой САУ и математическим алгоритмом управления контроллера для достижения необходимых характеристик управления ШД по точности и быстродействию.
Вторая глава посвящена исследованию ошибок, возникающих в САУ управления ШД, определению функциональных зависимостей величины статических и динамических ошибок от режимов работы от электромеханических процессов в обмотках фаз ШД, параметров управляющей аппаратуры, электропривода и других факторов, а также определяются требования к управлению САУ ШД по устойчивости их в переходных процессах. С целью уменьшения или полного исключения влияния исследованных зависимостей ошибок в САУ ШД проводится синтез базового программного алгоритма формирования управляющих сигналов для ШД, который учитывает полученные зависимости и требования. В главе обосновывается применение электрического дробления шага в качестве основы процесса формирования управляющих сигналов для ШД.
Исследуются методы формирования электрических состояний фаз ШД, анализируются инженерные подходы к формированию электрических состояний фаз ШД и эффективность предлагаемых технических решений структуры для контроллера. Определяется рациональный метод формирования управления ШД с использованием электрического дробления шага и базовая структура универсального контроллера.
В третьей главе на основе проведенных исследований базового характера проводится синтез структурно-функциональной модели универсального контроллера для САУ ШД, предлагается разработанная схема контроллера для системы автоматического управления ЭМУ ВГИ специального назначения, анализируется результаты ее внедрения в производство. Большая часть главы посвящена решению двух основных задач исследования:
- уточнение метода и структуры управления с учетом особенностей электромеханической части ШД;
- синтез структуры контроллера на основе метода управления и выбор аппаратуры, характеристики которых соответствуют требованиям алгоритма работы САУ и обеспечивают гибкую настройку функционирования САУ к условиям изменяющегося технологического процесса.
В рамках создания эффективной структуры универсального контроллера САУ ШД с оптимизированным аппаратным составом были исследованы принципы управления существующих функциональных схем САУ шаговым двигателем разомкнутого и замкнутого типов.
В третьей главе проводится сравнительный анализ структур многоканального и одноканального цифрофазового управления ШД, обосновывается применение метода широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для управления ШД в режиме электрического дробления шага. Проводится анализ структурных схем САУ ШД, на основе чего, предлагается классификация САУ ШД, проводится синтез общей функциональной и структурной схемы контроллера в составе САУ ШД, исследуются эквивалентные схемы ШД применяемые в синтезе структурной схемы « контроллерной САУ. Предлагается принципиальная схема контроллера САУ ШД для ЭМУ специального назначения, содержащая блок формирователя распределителя (ФРИ) с нестандартной структурой и блок усилителя мощности (УМ). Эти блоки служат для реализации в схеме контроллера, предложенной структурно-функциональной модели, обладающей улучшенными характеристиками;
Проводится анализ результатов внедрения данного контроллера и теоретических выводов сделанных в диссертации.
В четвертой главе исследуются прикладные вопросы, вытекающие из теоретической части работы, проводится моделирование контроллерного управления ШД и оценка практических результатов полученных в диссертации. Предлагаются методы и средства моделирования для определения параметров математического алгоритма контроллера, требуемых для обеспечения заданного качества управления САУ ШД:
- метод определения алгоритма равномерного дробления шага, в том числе, обосновано применение в качестве его базы идеализированной математической модели двухфазного ШД;
- метод вычисления параметров годографа электрических состояний и угловых моментных характеристик двигателя;
- обобщенная модель и граничные оценки привода с электрическим дроблением шага;
- построение подробной эквивалентной структурной схемы новой модели ШД на базе уравнений в осях d, q. Проведено моделирование на ЭВМ режимов работы ШД.
Требования к системам управления электромеханических устройств ВГИ
Как было отмечено выше, для наиболее эффективного управления ЭМУ ВГИ целесообразно использовать контроллерную систему управления электроприводом, что обусловлено требованиями этого класса устройств к выполняемым функциям. Данные, приведенные в табл. 1.1 и табл. А1 приложения А, служат аргументами, обосновывающими использование контроллера в ЭМУ ВГИ. Общего универсального перечня требуемых технических параметров для систем управления, где применяется контроллерная САУ электропривода, не существует. Состав этого перечня зависит от специализации конкретного устройства, что делает обоснованным применение перенастраиваемых контроллеров для создания гибких перенастраиваемых систем управления ЭМУ специального назначения [126]. При разработке новых систем управления многокоординатных ЭМУ ВГИ идет процесс оптимизации технических решений, главными целями которого являются: увеличение точности и производительности при уменьшении мощности потребления; уменьшения массы, габаритов электропривода и системы управления устройства и увеличения размеров поля при усложнении реализуемых функций управления электроприводом. Эта тенденция видна из анализа характеристик САУ контроллерных устройств ВГИ, приведенных в табл. А1 (приложение А).
В данной работе исследуется эффективность контроллерных САУ шаговым приводом по сравнению с системами управления других типов приводов и перспективы их развития для решения задач увеличения точности и производительности ЭМУ.
Характерным примером САУ современного устройства ВГИ является графический плоттер HP 7470А. Как утверждается в литературе [139,166,174,130] устройства с такого типа структурой характеризуются как не дорогостоящие и обладающие широким набором функциональных возможностей табл. 1.2. Основным принципом данной разработки было базирование всех электронных систем на одной плате для уменьшения занимаемого места и площадей охлаждения и применение перенастраиваемой электроники с наилучшим показателями цена-возможности.
В устройстве использованы два привода показанные на рис.1.1, один привод подачи бумажного носителя, ось X, другой привод перемещения каретки, ось Y. Электронная часть приводов состоит из общего микропроцессора, который генерирует и передает цифровые команды движения к контроллерам привода посредствам программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) высокого уровня интеграции. Две ПЛИС содержат достаточно каналов обмена информации для управления приводами и остальным электронными частями.
В функции ПЛИСа А входят: поддержка внешнего интерфейса, формирование таймера прерываний, управление устройством питания и выполнение следящего управления приводом оси У. Функции ПЛИСа Б: управление соленоидом пишущего органа, диагностика напряжений источника питания, управление кнопочной панелью управления, управление устройством питания и выполнение следящего управления приводом оси X. Контроллер каждой из осей электропривода формирует широтно-импульсный (ШИП) сигнал обратной связи и сигнал направления вращения для ПЛИС электропривода сооствествующей оси. ПЛИС принимает этот сигнал и генерирует прямой сигнал управления привода. В дополнение ПЛИС модулирует ШИП-сигнал для компенсации колебаний напряжения питания и дрейфа нуля. Оптический датчик вмонтирован в конструкцию двигателя постоянного тока, выдает импульсы на контроллер привода. Логика ПЛИС запрограмирована на регулирование ширины импульсов потребляемых приводом, с учетом изменения уровня выпрямленного напряжения подаваемого от источника питания. Постоянными времени двигателя нельзя пренебрегать, поэтому система привода смоделирована с двумя обратными связями по положению и по скорости. Контроллер привода поддреживает интерфейс обмена с процессором, кодирует и раскодирует сигналы управления и обратной связи, вычисляет ошибку перемещения и ошибку системы по скорости и пребразует ее в ШИП-сигнал. К достоинству данной схемы можно отнести два момента: во-первых, из сигнала оптического датчика формируется аппаратными средстами два сигнала -скорость и перемещение, во-вторых выбран, ШИП-закон управления, что позволяет достаточно простым способом формировать линейный график управления напряжения на двигателе с малой погрешностью. Из отрицательных моментов отметим, что коллекторные ДПТ имеют большой коэффициент потерь, не обладают высокой надежностью, их применение обусловлено стремлением уменьшить стоимость. Из описания функциональной схемы становится очевидно, что система имеет излишнее число блоков, не обладает оптимизацией аппаратного состава, не обладает универсальными возможностями применения для своего класса устройств. Для увеличения эффективности структурной схемы данной САУ целесообразно уменьшить количество блоков, служащих для преобразования информации из одного вида в другой и применить блочномодульную компановку аналогичных узлов.
Синтез базового программного алгоритма управления для контроллера шагового электропривода
Использование современных вычислительных средств в электроприводе позволяет рассматривать, задачу управления движением в общем случае, как слежение за некоторым информационным процессом. Годограф 1(у) считается непрерывным при постоянном изменении фазных токов (2.43) с высокой частотой и большой дискретностью состояний, т.е. число различных электрических состояний бесконечно. При использовании цифрового управления число состояний должно быть конечным. Это означает, что, выбрав интервал квантования токов (2.42) по углу или по времени (2.43), мы закрепляем некоторое число п электрических состоянии.
Массиву чисел ставится в соответствие массив электрических состояний, число которых равно п, а каждому электрическому состояние соответствует р механических состояний. Для однозначного соответствия чисел геометрических координат и реального пространства перебор чисел и вызов очередных электрических состояний должен производиться с ограничениями по числу и частоте задания шагов, что сводится к соблюдению общих условий сохранения устойчивости движения. Если программа движения синтезирована, как было указано выше, то выдерживаются автоматически не только условия устойчивости, но и условия ограничения возникающих ошибок их предельными значениями (2.18), которые зависят от шага квантования величин Лу годографа состоящего из массива дискретных электрических состояний.
Таким образом, задача программного построения движения с заданной точностью технически сводится к формированию дискретного годографа результирующего тока ШД 1(у) и требований к числу его состояний п, которое должно не зависеть или слабо зависеть от конструкции двигателя.
При обычном управлении обмотки ШД просто подключаются электронным коммутатором к источнику питания в определенной последовательности и сочетании. В зависимости от типа ШД, числа его обмоток и вида питания различают однополярную и разнополярную коммутацию, симметричную и несимметричную[80]. При этом уровни сигнала питания фаз ШД могут быть (0,+TJy), (+U„,-Un) и (+U„, 0, -Uy), Соответствующие этим уровням состояния (0,+1), (+1,-1) и (+1, О, 1) могут быть в произвольной комбинации сообщены обмотками. Если обозначить число уровней или состояний тока каждой фазы через Пф, то полное число различных состояний [60,76] т -фазного ШД будет равно: nz=n p. (2.46) Некоторые из получаемых при этом состояний ШД, хотя и возможны, но лишены физического смысла. Выделенные с учетом этих ограничений в [55] циклы коммутации образуют частные годографы 1(у) с числом состояний п п а именно: п=т - для симметричной однополярной коммутации; п=2т - для несимметричной однополярной коммутации или симметричной разнополярной коммутации; п=4т -для несимметричной разнополярной коммутации. Можно видеть, что при ограниченном число фаз т=(2-5) и двух или трех уровнях питания Пф годограф получается разреженным с явно выраженной дискретностью: обычно п 12. Его насыщение числом возможных состояний достигается увеличением числа уровней пф. По аналогии с простой несимметричной однополярной коммутацией, где п=2т, т.е. сигнал управления каждой из фаз имеет два состояния (+1,0), для коммутации с большим числом щ уровней тока в каждой фазе число состоянии годографа 1(у) будет равно: п = пф-т. (2.47 а)
Синтезировав регуляторы тока в фазах, обеспечивающие изменение тока по уровням п, на практике для управления логично будет выделить из общего массива состояний (2.46) физически целесообразнее циклы электрических состояний. Получаемое при этом число (2.47) состояний результирующего тока за счет возможности изменения числа уровней тока в фазе Пф практически не зависит от числа фаз, тогда как при обычной коммутации, наоборот, число фаз ШД всегда являлось определяющим, что препятствовало получению малого электрического шага.
На практике при совершенствовании шагового привода внесенный в технический паспорт двигателя шаг, сравнивается с шагом, получаемым при электрическом дроблении. Отношение исходного шага к получаемому при дроблении новому шагу называется коэффициентом дробления шага.
На постоянной частоте входных команд, имеет такой же смысл, как и передаточное число механического редуктора, поэтому его часто называют коэффициентом электрической редукции.
Таким образом, техническая реализация принципа электрического дробления шага состоит в том, чтобы обеспечить в рабочих обмотках известный набор уровней токов в соответствия с дискретным годографом результирующего вектора тока. Эта задача решается путем подключения каждой фазы к отдельному регулятору тока (напряжения), обеспечивающему независимое регулирование выходного параметра в заданном диапазоне. Известны два типа регуляторов: аналоговый и импульсный.
В процессе деления частоты имеют место две последовательности частот/; и /г, фазовый сдвиг между которыми может изменяться при вписывании, например, единичных импульсов в один или несколько разрядов одного из делителей. Число взаимных фазовых состояний определяется объемами делителей и теоретически не ограничено. На практике, из-за того, что величина периода ШД имеет ограничение (Ту 10 с) связанное с некоторыми специальными вопросами электромеханического преобразования, которые будут рассмотрены ниже, величина коэффициента деления, а значит число уровней или электрических состояний фазы ШД, определится максимальной реализуемой частотой тактового генератора.
Общее описание функциональной и структурной схем контроллера САУ ШД в составе ЭМУ ВГИ
Как было показано выше оптимизации переходных процессов ЭМУ и для исключения пропуска шагов из-за нестабильности питания, предпочтительным типом САУ ШД является замкнутые системы. Было определено, что разрабатываемый универсальный контроллер имеет цифровую структуру, таким образом, следует использовать кодовую обратную связь. В этом параграфе будет проведен синтез контроллерной САУ ШД для ЭМУ ВГИ и анализ ее практической реализации.
Выбор обратной связи по току был основан на рассмотренных в второй главе и предыдущем параграфе вопросах, где был проведен анализ возникающих ошибок в шаговом приводе и показано, что задача точности позиционирования может успешно решаться за счет дробления шага при программном построении движения. Анализ критериев устойчивости, приведенных в параграфе 2.1, обосновывает выбор обратной связи по току для контроллерной САУ ШД.
При этом необходимо отметить, что универсальный контроллер САУ способен создавать обратную связь по положению по нескольким координатам и формировать внутри себя алгоритм обработки подчиненного регулирования с возможностью настройки по любому известному оптимуму. Но по соображениям оптимизации аппаратного состава, в условиях небольших моментов статический нагрузки и обеспечения стабильного питания ЭМУ ВГИ специального назначения, достаточным является один контур обратной связи по току по каждой управляемой координате электропривода. Данная практика подробно описывается в [97, 69].
Тем самым САУ ШД с обратной связью по току, обеспечивает высокую точность, достигаемую методом электрического дробления шага и повышенную производительность отрабатывать команды управления перемещением. Повышение производительности происходит за счет обеспечения стабильности переходных процессов ШД в диапазоне частот выше частоты приемистости путем контроля потребляемой мощности в данных режимах.
Основанная на сигнале обратной связи по току структура контроллера следит за тем, чтобы работа ШД проходила в области ограниченной предельным механическим моментом. При этом система получает возможность гибкой настройки параметров "оптимизации" переходных процессов и возможность работы с аналогичными типами приводов дискретно регулируемых токами в фазах обмоток.
Точность САУ будет постоянна в пределах диапазона момента нагрузки ШД, от нуля до максимально допустимого паспортного, а ее уровень зависит от погрешности изготовления двигателя и программного алгоритма работы. Таким образом, при синтезе контроллерной САУ ШД первым шагом должен идти выбор привода по его характеристикам: мощности, приемистости, габаритам и, в меньшей степени, величине элементарного шага.
Отличительным достоинством синтезируемой контроллерной САУ ШД, с алгоритмом управления, основанным на результатах, описанных в параграфе 2.1, будет возможность работы электропривода на частотах больше частоты приемистости [32]. Таким образом будет обеспечена возможность увеличения относительного коэффициента использования по мощности ШД при тех же габаритах и улучшаться показатели цена качество за счет применения менее дорогих и более надежных не прецизионных двигателей, с теми же показателями мощности в режиме дробления шага, обеспечивающих требуемую точность системы в целом.
Отличительными особенностями контроллера от традиционных конструкций САУ является то, что, он выполнен в виде печатной платы и осуществляет связь через интерфейс с внешней управляющей ЭВМ, имеет входы и выходы ТТЛ уровня, входы и выходы с опторазвязкой для организации управления специальными узлами и датчиками устройства на уровне потенциальных сигналов, имеет входы с функцией АЦП [92,105]. Основными функциями контроллера являются формирование электрических состояний фаз двигателя с учетом законов линейной и круговой интерполяции и требований устойчивой работе ШД.
Можно выделить основные блоки, входящие в логический модуль контроллера: - блок интерфейса, служит для связи с управляющей с ЭВМ; - процессорный модуль, осуществляющий связь и управление всеми компонентами контроллера, реализующий программный алгоритм работы привода, представляет собой микро ЭВМ и набор логических микросхем, отвечающих за его работу; - буфер данных представляет собой совокупность ОЗУ, ПЗУ, регистров программно доступных процессорному модулю, в которых содержатся данные с программой общего алгоритма функционирования и некоторых автоматизированных сложных функций управления привода (разгон, интерполяция, стандартные последовательности перемещений); - арбитр шины обмена отвечает за соблюдение очередности доступа к шине данных при обмене информацией внутри контроллера, реализуется на программируемых логических матрицах или ПЛИС; - выходной порт передает информацию, управляющую движением от процессорного модуля к базовым модулям, принимает сигналы обратной связи от базовых модулей, принимает потенциальные сигналы от датчиков устройства; - блок синхронизации координат помогает процессорному модулю синхронно управлять базовыми модулями, определяет приоритетную координату путем аппаратно реализованной логики.
Из анализа существующих отечественных ШД специального назначения очевидно, что величина их элементарного шага недостаточно мала для обеспечения требуемой точности, а редукторный способ уменьшения элементарных перемещение электродвигателей не подходит из-за снижения выходного момента. Поэтому функциональной схема приведенная на рис.3.21 эффективно повысила точность шагового электропривода специального назначения, благодаря реализации электрического дробления шага. Управление электрическим дроблением шагг реализовано на уровне аппаратных средств, в составе блока формирователя распределителя импульсов (ФРИ).
Исследование требований к алгоритму контроллера для общего случая двухфазного ШД
Рассмотрим 2-фазный шаговый двигатель (рис.4.1а). Примем традиционные идеализирующие допущения: 1) насыщение отсутствует; 2) зубчатость статора не учитывается; 3) неявнополюсный ротор возбужден постоянным магнитом или обмоткой Ws с питанием от источника тока I3=Ieo36=const; 4) пространственное распределение потоков и намагничивающей силы синусоидально; 5) сопротивления и числа витков фаз одинаковы Яг Л; Wi=W2=W.
Если рассматриваемый двухфазный ШД получен в результате а и /3 -преобразования, то X - собственная индуктивность фазы исходного т - фазного ШД; Lj - максимальная взаимная индуктивность фазы и контура возбуждения; тах=ЬіІз - максимальное потокосцепление контура возбуждения с фазой.
Искомые токи ii и i2 по-прежнему будут определяться через определители (4.18 а), причем определитель системы уравнений остается неизменным Л=1, а видоизменяются частные определители Л1 и Л2 , в которые вместо чисел /лн и К необходимо подставлять функции угла в - члены в правой части уравнений (4.20). Для численного решения уравнений (4.20) была создана программа расчета в пакете Matlab 6.1, приложении Simulink и проведен расчет на ЭВМ Pentium4,. Задача цифрового моделирования - получить законы изменения фазных токов ij(0) и і2 (в) , результирующий годограф электрических состояний I(y)— ij(9)+ji2(6) и угловые мо-ментные характеристики на интервале 0 в ж, последовательно сдвинутые на шаг квантования, электрического угла А6=а %/20.
Уравнения (4.35,) записаны в относительных единицах, зависят от трех обобщенных параметров % д Мн и управления вида у[1]. К сожалению, этими хорошо изученными и удобными уравнениями в задачах точного позиционирования прямым образом пользоваться нельзя [52,75], так как они строго справедливы только для привода с идеализированным ШД. Особенности электромеханического преобразования энергии реального m-фазного ШД и специфику коммутационных процессов при ШИМ - регулировании напряжений и токов эти уравнения не учитывают. Положение коренным образом изменяется, если с приводом проведена предварительная работа: осуществлена коррекция токовых состоянии и найден годограф электрических состояний, реализующий равномерное дробление электрического шага. В задачах позиционирования без ограничений по времени и в задачах медленного вращения с равномерной скоростью векторы 1(у) и U(y) можно отождествить как это сделано в [107]. Тогда, для реального m-фазного привода с токовой коррекцией его магнитной геометрии и при известной нагрузке Мн(д)=Мнср+АМн(6) справедлива строго эквивалентная замена идеальным двухфазным приводом с несинусоидальным питанием обмоток и добавлением в уравнение механического равновесия члена ЛМэ(в), учитывающего искажение синусоидальной формы электромагнитного момента ШД.
Заметим, что обобщенные параметры %, 8, JUH , зависящие от базисных величин, могут заметно измениться по сравнению с обычным управлением, где Щ берется согласно (4.9). Единственным, но очень существенным ограничением при использовании уравнений (4.35) и (4.38) является величина возникающей динамической ошибки {у-в). Она не должна выходить за пределы зоны, внутри которой угловые характеристики ШД аппроксимируются синусом, т.е. М(у-в} Mmsin(y-6), что уже отмечалось в параграфе 4.3. Величина возникающей динамической ошибки является контролем корректности применения уравнений. Практически это ограничивает лишь допустимые пределы изменения частоты управляющих команд и не позволяет работать с большим электрическим шагом.
Таким образом, все известные идеализированные уравнения пригодны для описания привода с дроблением шага. Более того, они строго применимы только при дроблении шага. Уравнения (4.35) с представлением управляющего сигнала в форме (4.40) были использованы для моделирования на ЭВМ в пакете Mathlab 6.1 характерных режимов работы привода с двухчастотным управлением для дробления шага при позиционировании и движении. Параметры варьировались в следующих пределах:
Сложность системы дифференциальных уравнений, описывающих поведение шагового электропривода, и многообразие параметров возможных режимов его работы приводит к чрезвычайно большому объему вычислений. Применение ЭВМ освобождает от этих трудностей и при правильном сочетании с аналитическими и топологическими методами исследования позволяет получить достоверные результаты на уровне моделирования.
Анализ, согласно классификации предложенной в параграфе 3.1, существующих моделей ШД в САУ релейного типа когда Т ТУ, режим электрического дробления, выявил их недостатки. Они связанны с тем, что метод построения модели ШД базируется на модели ШД с пошаговым управлением, что обеспечивает моделирование общего вида характеристик САУ ШД, но не отражает динамики изменения характеристик сигналов в электромеханической части ШД на уровне элементарных приращений внутри базового шага [41,42]. Для решения чего предлагается структурная схема модели ШД (рис.4.10), полученная на базе уже известных дифференциальных уравнений, но отражающая процессы внутри элементарного шагах[128].
Моделирование проводилось с целью сравнительного анализа вида характеристик изменения в \А со для вариантов ШИМ-регулятора рис.Н1 (приложение Н) и непрерывного аналогового регулятора рис.Н2, которые управляют формированием сигналов электрического дробления шага с разными коэффициентами дробления. Данные для модели были взяты от двигателя марки ДВШ используемого в серийном образце ЭМУ ВГИ специального назначения.
Различие структурных схем для указанных вариантов одной модели, заключается в изменениях эквивалентной структуры базовой модели, блока №4 (рис.4.17), его внутренний состав приведен на рис.Шб и в передаточном звене№ 5 на рис.Н2. В результате моделирования для ШИМ и аналогового непрерывных методов определены зависимости вида динамических ошибок от коэффициента дробления, а также от частоты управления (рис.НЗ-рис.Нб). В результате моделирования получены диаграмму ступенчатого изменение шага перемещения с небольшими затухающими колебаниями и ступенчатое изменение скорости с колебаниями затухающими в установившемся режиме. При соблюдении условия о том, что синусоиды сигналов управления годографом тока должны быть сдвинутыми относительно друг друга на 120 электрических градусов колебательный характер изменения скорости исчезает.
