Исследование и разработка частотно-регулируемых сервоприводов для высокоточных систем позиционирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат наук Йе Наунг

• Йе Наунг
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Йе Наунг

Введение

Глава.1 Анализ структур и исследования режимов работы частотно-регулируемых сервоприводов для систем точного позиционирования

1.1 Структурная схема управления скоростью серводвигателя постоянного тока

1.1.1 Система управления двигателем постоянного тока с использованием симметричного оптимального настройщика ПИ-регулятора

1.2 Структурная схема управления сервоприводом переменного тока

1.2.1 Датчик положения

1.2.2 Синтез преобразователя регулируемого тока

1.2.3 Синтез регулятора скорости

1.2.4 Синтез регулятора положения

Выводы по главе

Глава 2. Разработка математической модели сиситемы автоматического управления частотно-регулируемого сервопривода

2.1 Математическое моделирование двигателя постоянного тока

2.1.1 Двигатель постоянного тока с независимым возбуждением

2.1.2 Двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением

2.2 Структура асинхронного двигателя переменного тока

2.3 Разработка уравнения физической модели асинхронного двигателя переменного тока

2.3.1 Векторное представление уравнения асинхронного двигателя

2.3.2 Представление уравнения в системе а( координат

2.3.3 Представление уравнения в системе дд координат

2.3.4 Механическая модель асинхронного двигателя переменного тока

2.4 Линеаризация производной модели

2.5 Утверждение математической и имитационной модели

2.5.1 Математическая модель

2.5.2 Имитационная модель

2.5.3 Результаты сравнения

Выводы по главе

Глава 3. Математическое моделирование и отработка режимов управления. Разработка алгоритмов и программного обеспечения

3.1 Методы управления двигателем постоянного тока по положению с использованием датчиков углового поворота

3.1.1 Реализация точности квадратурного инкрементального энкодера в электроприводах

3.1.2 Микропроцессорная система управления двигателем постоянного тока

3.1.3 Реализация системы управления сервоприводами с использованием протокола CAN

3.2 Сравнительный анализ моделирования проектирования физической системы Simscape и математического моделирования системы управления арматурой двигателя постоянного тока

3.3 Система управления двигателем постоянного тока с использованием процесса идентификации

Вывод по главе

Глава 4. Разработка структурной и функциональной схемы системы управления частотно-регулируемым сервоприводом

4.1 Применение нейронной сети в системе управления

4.1.1 ПИД-регуляторы и методы настройки параметров

4.1.2 Нейро-сетевой настройщик ПИД регулятора

4.2 Разработка методы управления и результаты моделирования сервоприводов с помощью нейро-сетевого настройщика ПИ регулятора

4.2.1 Методы управления двигателем постоянного тока с помощью нейро-сетевого настройщика ПИ регулятора

4.2.2 Методы управления асинхронным двигателем с помощью нейро-сетевого настройщика ПИ регулятора

4.3 Разработка системы управления скоростью и положениием трехфазного асинхронного двигателя на основе программируемой пользователем вентильной матрицы (ППВМ)

Выводы по главе

Заключение

Литература

Приложение 1. Програмный модуль управления положением и скорости двигателя постоянного тока с использованием ПИД регулятора

Приложение 2. Функция командной строки для управления двигателем постоянного тока с помощью нейро-сетевого настройщика ПИ- регулятора

Приложение 3. Функция командной строки для управления асинхронным двигателем с помощью нейро-сетевого настройщика ПИ- регулятора

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка частотно-регулируемых сервоприводов для высокоточных систем позиционирования»

Введение

Технологии развития силовой электроники и электропривода являются очень сложной и многопрофильной областью, и за последние несколько десятилетий они претерпели динамичную эволюцию благодаря многочисленным изобретениям в области силовых преобразователей и регуляторов электрической энергии, методов управления, электрических машин, приводов двигателей, силовых полупроводниковых приборов, а также развитию методов усовершенствованного управления и моделирования. В последние годы границы силовой электроники продвинулись еще дальше с появлением методов искусственного интеллекта (ИИ), таких как экспертные системы, системы нечеткой логики, нейронные сети и генетические алгоритмы (или эволюционные вычисления). Среди всех методов искусственного интеллекта нейронные сети стали наиболее важной областью для идентификации, управления и оценки сложных систем в силовой электронике и двигательных приводах. В будущем они, как ожидается, получат широкое применение в промышленности.

Их основные преимущества: высокий параллелилизм структуры, способность к обучению, отказоустойчивость и эффективная реализация СБИС для приложений реального времени в значительной степени мотивируют использование нейронных сетей в идентификации и управлении нелинейными системами. Во многих реальных приложениях существует множество нелинейностей, не моделируемой динамики, шумов, многоконтурности и т. д., которые создают проблемы при реализации стратегий управления.

При применении таких методов, разработка математических моделей является приоритетной задачей, решение которой позволит моделировать и реализовывать высокоточные системы управления положением и скоростью при создании электромеханических систем нового поколения.

В системах управления использование технологий искусственных нейронных сетей (ИНС) относится к разработкам со сложной структурой, которые можно использовать в качестве построения интеллектуальных контроллеров и идентификации любого объекта. Во многих промышленных приложениях наиболее часто используется пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) регуляторы, которые широко используются в управлении с обратной связью в промышленных процессах. Очень важным фактором в промышленных применениях ПИД регуляторов, является выбор коэффициентов при реализации функций нелинейного управления и управления объектами с изменяющимися параметрами. Для сокращения времени настройки и улучшения характеристик регуляторов могут применяться традиционные контроллеры, реализующие функции самонастраивающихся ПИД - регуляторов, однако в настоящее время представляет большой исследовательский интерес искусственная нейронная сеть из-за её способности к параллелизации и способности к обучению, позволяющая строить интеллектуальные регуляторы.

Таким образом, разработка структур, исследование режимов работы частотно-регулируемых сервоприводов для систем точного позиционирования, анализ методов управления при использовании различных типов электродвигателей, разработка математических моделей, новых алгоритмов управления режимами работы серводвигателей и реализация систем управления на основе скалярного и векторного методов с использованием нейро-сетевых регуляторов и реализация управления с прогнозирующими моделями, позволят обеспечить повышение точности, производитеьности, эффективности и качественно новые характеристики устройств.

Эти вопросы, составляющие предмет данной работы, вполне актуальны.

Цель и задачи диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка структур и алгоритмов управления режимами серводвигателей, обеспечивающих повышение эффективности и надежности работы частотно-регулируемых сервоприводов.

Поставленная цель достигается благодаря решению следующих основных задач:

1) анализ характеристик и особенностей сервоприводов постоянного и переменного тока;

2) анализ структур управления серводвигателями постоянного и переменного тока;

3) разработк методов управления, с целью повышения точности, эффективности и надежности работы частотно-регулируемых сервоприводов;

4) создание математических моделей систем управления асихронным двигателем с использованием векторных методов;

5) разработка и анализу алгоритмов и особенностей регулирования скорости и положения вала серводвигателей;

6) создание математических моделей систем управления серводвигателями с использованием нейро-сетевых регуляторов;

и и

7) синтез регуляторов серводвигателей на основе нейро-сетевого регулятора;

Методы исследований. Поставленные задачи решались путем теоретических и

экспериментальных исследований. Для решения поставленных задач в диссертации использованы: методы математического анализа, математического моделирования, методы векторого управления, теория автоматического регулирования и методы управления серводвигателями на основе нейро-сетевых регуляторов.

Научная новизна диссертации состоит в создании, проведении и реализации следующих научно-обоснованных разработок:

1. Предложены математические модели, алгоритмы управления и структурные схемы систем управления двигателями постоянного и переменного тока с обратной связью по скорости и по положению, которые обеспечивают постоянство скорости и положение в заданном диапазоне моментов, применяемые для высокоточных системах позиционирования.

2. Разработана структурная схема нейро-сетевого настройщика ПИД регулятора с использованием адаптивного управления с эталонной моделью в системе

управления, которая позволяет оптимизировать время настройки ПИД регулятора и повышает эффективность и надежность частотно-регулируемых сервоприводов.

3. Разработана система управления положением вала двигателя постоянного тока и асинхронного двигателя с использованием нейро-сетевого настройщика пропорционально-интегрального регулятора (ПИ) для высокоточных систем позиционирования, обеспечивающая по сравнению с классическим регулятором повышение точности положения, уменьшение перерегулирования и время установления.

4. Разработана структурная схема микропроцессорной системы управления сервоприводами с использованием программируемой пользователем вентильной матрицы (ППВМ), в результате чего ППВМ позволяют проектировать сложные приводные системы управления двигателями на основе нейронной сети.

Практическую значимость работы имеют:

1. Разработаны математические модели систем управления режимами работы двигателей постоянного и переменного тока при различных нагрузках.

2. Результаты моделирования и алгоритмы управления режимами двигателей постоянного и переменного тока для высокоточных систем позиционирования металлообрабатывающих станков.

3. Разработаны структурные и функциональные схемы системы управления с использованием векторного управления двигателем для высокоточных систем позиционирования.

4. Разработана математическая модель систем управления двигателем постоянного и переменного тока на основе нейро-сетевого регулятора.

5. Разработана микропроцессорная система управления двигателем постоянного тока с использованием ПИД регулятора.

6. Разработана микропроцессорная система управления асинхронным двигателем с использованием программируемой пользователем вентильной матрицы (ППВМ).

Достоверность новых научных результатов подтверждена математическим обоснованием полученных результатов и компьютерным моделированием, а также высокой степенью совпадения результатов математического и физического моделирования.

Личный вклад автора. Все основные научные результаты, а именно математические модели, структурные схемы, алгоритмы и результаты численных расчетов получены и исследованы автором лично.

На защиту выносятся:

1. Реализация нейро-сетевого настройщика ПИД регулятора.

2. Методы управления положением вала двигателя постоянного тока и асинхронного двигателя с помощью нейро-сетевого настройщика ПИ регулятора.

3. Функциональная схема и микропроцессорная система управления современным сервоприводом

4. Модель и результаты моделирования управления положением вала двигателя постоянного тока и асинхронного двигателя с использованием нейро-сетевого настройщика ПИ-регулятора для высокоточных систем позиционирования.

5. Сравнительные результаты моделирования двигателя постоянного тока и асинхронного двигателя с использованием ПИ-регулятора и нейро-сетевого настройщика ПИ-регулятора.

Публикации по работе. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 17 печатных работах, в том числе 4 работы в журналах, входящих в список, утвержденный ВАК и 6 работ в международной реферативной базе данных

SCOPUS, а также 5 - тезисов докладов на российских и международных конференциях, входящих в систему цитирования РИНЦ. Получены 2 авторские свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 71 наименований, 3 приложений и 1 акта использования результатов диссертационной работы. Работа содержит 160 страниц, из них -144 страницы основного текста и 10 страниц приложения, 95 рисунков и 8 таблиц.

Глава.1 Анализ структур и исследования режимов работы частотно -регулируемых сервоприводов для систем точного позиционирования.

т~ч и и _

В современной приводной технике во многих случаях предъявляются высокие требования к погрешности позиционирования, погрешности стабилизации скорости, широкому диапазону регулирования, стабилизации момента вращения, перегрузочной способности и высокой динамике. Одним из решений этих требования и сокращения потребления энергии двигалелями является использование частотных регулируемых сервоприводов (ЧРП) на основе микроконтроллеров с современными алгоритмами, т.е. такая система сервопривода, которая в широком диапазоне регулирования скорости обеспечивает динамичные, высокоточные процессы и обеспечивает хорошую их повторяемость. Это система, предназначенная для отработки момента, скорости и

и U T-v

позиции с заданной точностью и динамикой. В системе сервопривода используется двигатель, датчики для обратной связи по положению и скорости, специальный контроллер, являющийся самой сложной частью сервопривода [1].

Серводвигатели на самом деле не являются особым классом двигателей, но представляют собой комбинацию конкретных деталей, которые включают в себя двигатель постоянного или переменного тока и подходят для использования в замкнутой системе управления. Сервопривод представляет собой замкнутый сервомеханизм,

который использует обратную связь по чтобы контролировать скорость и положение. Аналоговый или цифровой входной сигнал представляет собой команду окончательного положения для вала. Энкодер служит в качестве датчика, обеспечивающего обратную связь по скорости и положению. Соответствующее положение сообщается контроллеру, и сравнивается с исходным положением. Сервоприводы для промышленного использования реализуют пропорционально-интегрально-дифференциальные методы и алгоритмы управления, а также современные алгоритмы адаптивного управления на основе нейроной сети или нечетких множеств, которые позволяют быстро и точно доводить двигатель до своего положения без перерегулирования, так как можно контролировать скорость и положение вала двигателя.

Решающим фактором успеха сегодняшней сервотехники стало стремительное развитие в области полупроводниковой техники и современных микроконтроллеров. Высокоинтегрированные и мощные вычислительные системы, как и соответствующие модули памяти позволили перейти на цифровое регулирование. Это дало возможность существенно расширить объем функций приводной системы. Благодаря этому развитию современные сервосистемы все чаще применяются в качестве основных приводов и в меньшей степени - для вспомогательных задач нижнего уровня [2].

Сервоприводы прежде всего используются для автоматизации в области разработки и производства машин и оборудования таких как:

• станки с ЧПУ;

• изготовление металлического листа;

• 3D принтеры;

• робототехника;

• обработка материалов;

• производство строительных материалов;

• изготовление бумаги;

• упаковка;

• подъемно-транспортное оборудование;

• деревообработка и.др.

Семейство серводвигателей можно разделить на следующие группы:

Рис 1.1 Обзор серводвигателей

Шаговые двигатели - простые и недорогие устройства, используемые для позиционирования - обычно предлагают до 2 л.с, хотя некоторые конструкции обеспечивают до 5 л.с. Основные конструкции включают зубья ротора (иногда встроенные с магнитами) с обмотками на статоре в сборе. Когда обмотки находятся под напряжением, зубья ротора притягиваются, что приводит к перемещению или индексации с фиксированными угловыми приращениями, такими как, например, 2,8, 1,8 или 0,8 градусов. Обычно работающие в конфигурации с разомкнутым контуром, степперы могут пропускать шаги и неправильно позиционировать при условии нагрузки. Шаговые двигатели конкурируют с небольшими серводвигателями постоянного тока: типичные постоянные и пиковые моменты вращения шагового двигателя равны; крутящий момент снижается от значения сваливания до 50% при 1000 об / мин; нет необходимости в настройке шагового двигателя с разомкнутым контуром. Напротив, пиковые крутящие моменты типичного серводвигателя постоянного тока непрерывно изменяются в три-

четыре раза; крутящий момент является относительно плоским, пока не будет достигнут предел напряжения привода; необходима настройка.

Выбор между шаговыми двигателями и сервоприводами постоянного тока в первую очередь зависит от требований к скорости и вращающему моменту, предпочтительно с максимальной эффективностью. Следует учитовать, что мощность шагового двигателя 100 Вт достигает 800 об мин; пиковая мощность серводвигателя постоянного тока 100 Вт при 3000 об/мин. Шаговые двигатели предназначены для обеспечения максимальной мощности при низких оборотах, а серводвигатель постоянного тока обеспечивает максимальную мощность при более высоких скоростях. Некоторые из недостатков серводвигателя постоянного тока связаны с самими щетками. Щетки находятся под большой токовой нагрузкой, производя электрический шум. Они также изнашиваются, отбрасывая в процессе угольную пыль, и должны регулярно заменяться.

Бесщеточные серводвигатели работают в замкнутой конфигурации. Бесщеточные двигатели требуют больше силовых устройств и больше проводки. А из-за своих контроллеров они более дорогие в реализации, особенно при более низких номинальных значениях мощности, когда на управление приходится большая часть стоимости системы. Иногда бесщеточные двигатели не выдают крутящий момент так же плавно, как щеточные, главным образом потому, что ошибка смещения, характерная для датчиков тока, вызывает пульсацию крутящего момента. Поэтому они находят применение в компьютерных вентиляторах, дисках, беспилотниках, электромобилях и др.

Затем посмотрим серводвители переменного тока. Статоры асинхронного и синхронного серводвигателей имеют принципиально одинаковую конструкцию, а их роторы существенно различаются. Асинхронный серводвигатель имеет ротор с короткозамкнутой обмоткой, в котором магнитное поле создается за счет индукции. Основными элементами конструкции синхронного серводвигателя являются ротор с постоянными магнитами, статор с соответствующей обмоткой, элементы для

подключения в виде штекерного разъема или клеммной коробки. Конструкция синхронного двигателя является более сложной, чем асинхронный двигатель. Не запускается самостоятельно, для возбуждения ротора требуется отдельный источник постоянного тока.

На примере асинхронного серводвигателя рассмотрим подробнее основные данные для проектирования с соответствующей механической характеристикой. Обычно известны следующие данные двигателя, например:

• Тип двигателя : СУ100М4

• Номинальная частота вращения NN : 2100 об/мин

• Номинальный вращающий момент MN : 15 Нм

• Номинальный ток ГЫ : 8,1 А

• Базовая частота вращения пбаз : 1760 об/мин (в комбинации с сервоусилителем на 3 кВт)

При проектировании следует уделить особое внимание базовой частоте вращения. Базовой называется частота вращения, при достижении которой создается максимальный вращающий момент при использовании максимального пикового тока сервоусилителя. Если двигатель работает на частоте вращения выше базовой, его вращающий момент существенно снижается. Это отчетливо видно по следующим графикам.

СУ 100М4 п= 2100 об/мин 150 % 1ном СУ 100М4 п = 2100 об/мин 100%1

(об/мин) [об/мин]

{а) (б)

Рис 1.2 Характеристики скорости и вращающего момента асинхронного серводвигателя

при разных токах.

• Mmax : Максимальный вращающий момент двигателя

• 0075 : Механическая характеристика с сервоусилителем на 7,5 кВт при 150 % / 100 % номинального тока сервоусилителя

• 0055 : Механическая характеристика с сервоусилителем на 5,5 кВт при 150 % / 100 % номинального тока сервоусилителя

• 0040 : Механическая характеристика с сервоусилителем на 4 кВт при 150 % / 100 %номинального тока сервоусилителя

• S1 (VR) : S1-характеристика (продолжительный режим) с вентилятором принудительного охлаждения

• S1 : S1-характеристика (продолжительный режим) nbase : Базовая частота вращения на примере сервоусилителя на 4 кВт

Мощность сервоусилителя выбирается по величине необходимого вращающего момента. Допустимые комбинации двигателя с сервоусилителями различной мощности дают в результате различные механические характеристики.

Тем не менее, Асинхронный двигатель может обеспечить высокую точность с соответствующей обратной связью. Кроме того, они имеют значительно большую инерцию. Краткий анализ показывает, что серводвигатели постоянного тока и асинхронные двигатели подходят для реализации приложений позиционирования. Асинхронные двигатели лучше подходят для перемещения очень тяжелых инерционных нагрузок, а серводвигатели постоянного тока больше подходят для быстрого позиционирования более легких инерционных нагрузок.

1.1 Структурная схема управления скоростью серводвигателя постоянного тока

Наиболее распространенная структура высокопроизводительной сервосистемы постоянного тока показана на рис. (1.3). Существует практически универсальное соглашение о том, что каскадная структура управления является наиболее эффективным подходом к высокопроизводительным сервосистемам. Каскадная структура управления включает в себя регулятор тока (регулятор момента), регулятор скорости и регулятор положения. Система управления выполняется, как правило, по принципу подчиненного регулирования, т. е. контуры регулирования, перекрываются [15].

• Внутренний контур регулирует ток. При наличии одного только этого регулятора возможно регулирование момента.

• Перекрывание регулятора тока с регулятором частоты вращения обеспечивает регулирование частоты вращения.

• Следующее перекрывание с позиционным регулятором обеспечивает регулирование положения.

Блок питания с четырьмя квадрантами означает, что преобразователь мощности может управлять работой двигателя для всех комбинаций крутящего момента (тока) и скорости (напряжения). Каскадная структура управления будет работать правильно, только если полоса пропускания различных регуляторов имеет заданное соотношение. В каскадном управлении регулятор тока имеет самую высокую полосу пропускания, затем регулятор скорости и, наконец, регулятор положения имеет самую низкую полосу пропускания. Поэтому система должным образом отрегулирована, начиная с самого внутреннего регулятора тока и работая наружу с регулятором положения. Каскадная

структура управления также имеет преимущество в том, что легко ограничивает каждую переменную, ограничивая только командное значение для этой переменной.

14

Рис 1.3 Структура высокопроизводительной сервосистемы постоянного тока

1. Желаемое значение

2. Регулятор положения

3. Регулятор скорости

4. Регулятор тока

5. Преобразователь

6. Датчик тока

7. Двигатель постоянного тока

8. Энкодер (датчик положения)

9. Реальный ток

10. Реальная скорость

11. Реальное положение

12. Редуктор

13. Нагрузка

14. Источник питания

1.1.1 Система управления двигателем постоянного тока с использованием

симметричного оптимального настройщика ПИ-регулятора

Общая замкнутая система управления двигателем постоянного тока с преобразователем показана на рис. 1.4. Проектирование контура управления начинается с самого внутреннего контура и продолжается до самого внешнего контура. Причина перехода от внутреннего к внешнему контуру в процессе проектирования заключается в том, что решаются константы усиления и времени только одного контроллера за раз, а не решаются для констант усиления и времени всех контроллеров одновременно. В дополнение к этому, производительность внешнего контура зависит от внутреннего контура, поэтому настройка внутреннего контура должна предшествовать проектированию и настройке внешнего контура [34].

Рис 1.4 Схема управления двигателем постоянного тока

Контур управления током двигателя с питанием от преобразователя показан на рис1.5. Коэффициент усиления:

ОИг (s) J WÄ

(1 + sTc )(1 + sTm )

Tc s(1 + sTi)(1 + sT2)(1 + sTr)

(1.1)

Рис 1.5 Контур управления током

Где,

• Kc - Коэффициент усиления регулятора тока

• Kr - Коэффициент усиления преобразователя V/V

• Hc - Коэффициент усиления преобразователя тока V/A

• Tc - Постоянная времени регулятора тока

• Tm - Механическая постоянная времени

• T1, T2 - Электрические постоянные времени двигателя, сек

• Tr - Время задержки преобразователя, сек

• s - Оператор Лапласа

Уравнение (1.1) дает представление четвертого порядка, и для синтеза регулятора необходимо уменьшение порядка со следующим приближением:

(1 + зТт) - зТт

(1.2)

Уравнение (1.2), уменьшает функцию усиления контура

ОН, (в) -

К (1 + вТс)

(1 + вТ1)(1 + вТ2К + вТг)

(1.3)

Где,

К = К1КсКгНсТт

(1.4)

Постоянные времени в знаменателе имеют следуюшее отношение:

Тг < т < т

(1.5)

Выбрав Тс=Т2, уравнение (1.3) можно сократить до общей функции контура второго порядка:

ОН, (в) -

К

(1 + вТх)(1 + вТг)

(1.6)

Из уравнения (1.6), характеристическое уравнение системы соотнесения ia(s) и 1а*($) становится

(1 + вТ1)(1 + вТг)+К = 0

(1.7)

Стандартная форма уравнения (1.7):

ТТ V + в

ГТ1 + Тг \ К + 1' V ТТ Г ТТ ,

= 0

(1.8)

с

Из уравнения (1.8), собственная частота равна

К +1

И коэффициент демпфирования:

гт + тг л

4 = -

тт

V Г У

1

К +1

тт

(1.10)

Для обеспечения хороших динамических характеристик коэффициент демпфирования принимается равным 0,707. Следовательно, приравнивая коэффициент демпфирования к 0,707 в уравнение (1.10), получим

К +1 =

Т + тг V ТТ У

V ТТ У

(111)

Понимая, что

К >> 1

Т1 >> Тг

(1.12) (1.13)

К аппроксимирован

Т2 Т

2ТТ 2Т.

(1.14)

Приравнивая уравнения (1.4) и (1.14), коэффициент усиления регулятора тока оценивается как

2

1 тт

к = -.тт

2 Т

Г V

к-кгистп

т у

Для разработки контура управления скоростью модель второго порядка токового контура заменяется приближенной моделью первого порядка. Это помогает уменьшить порядок общей функции усиления контура скорости. Контур тока второго порядка аппроксимируется добавлением временной задержки в блоке преобразователя к Т1 электродвигателя, результирующий контур регулирования тока показан на рис. 1.6.

Рис 1.6 Упрощенный контур управления током Передаточная функция системы, относящаяся к 1а^) и 1а*^), равна

1

ККТТт

!д ( * ) Тс

1*( * ) 1 + К1КЛгНсТт

(1 + 5Т3)

1

(1 + *Тз)

(1.16)

Где Т3 = Т + Тг

Уравнение (1.16) можно представить так

ад = к

/» (1+Т)

(1.17)

Где

с

т

т = 13

(1+К,)

Кп 1 К = —.-

Нс (1 + К,)

(119)

(1.20)

Полученная модель контура тока представляет собой систему первого порядка, подходящую для использования при проектировании контура скорости. Контур скорости с приближением первого порядка токового контура управления показан на рис. 1.7.

1.7 Представление внешнего контура скорости в приводе двигателя постоянного тока Функция усиления контура равна:

(1 + в1)

ОН (в) = ^ в ю

ВТ

в(1 + втг )(1 + вТт )(1 + вТш)

(1.21)

Где,

Кв = Усиление регулятора скорости

Кь = Индуцированное напряжение эдс У/рад/сек

Тю = Постоянная времени фильтра скорости, сек

Тв = Постоянная времени постоянной скорости, сек

• Ег = Общий коэффициент трения, Нм/рад/с

• Тш = Механическая постоянная времени, сек

Уравнение (1.21) является системой четвертого порядка. Чтобы уменьшить четвертый порядок системы аналитического проектирования регулятора скорости, приближение должно соблюдаться.

(1 + ЗТ8) - зТт

(1.22)

Приближая Т4 = Т + Тш, функция усиления контура скорости равна

0И8 (В) = ^2^-Г . 2

К (1+ВТ)

Т в2(1 + ВТ4)

(1.23)

Где

К = К1КЪИа

2 ЕТт

(1.24)

Передаточная функция замкнутого контура фактической скорости к своей команде:

®т (=

И

(1+Т)

8% + В2 + КК 1 К К

Т

1

(а + а в)

И (а + а5+а8 + а5)

(1.25)

Где,

а - КК / Т

а = К2К5

а2 = 1

«3 = Т4

(1.26)

(1.27)

(1.28) (1.29)

Эта передаточная функция оптимизирована таким образом, чтобы иметь более широкую полосу пропускания частотном диапазоне, Рассматривая частотную характеристику, ее можно определить как:

с ('с) 1

2 , 2 2 а0 + с а°

\а1 + С(а° -0а0а2) + а4(а° -0ахаъ) + а>6а11

(1.30)

Это выражение оптимизируется, если коэффициенты со1 и со4 равны нулю, чтобы получить следующие условия:

а/ = 2ао ао

а0 = 2а1аз

(1.31)

(1.32)

Подстановка этих условий в терминах параметров двигателя и контроллера, приведенных в уравнении (1.06), в уравнение (1.09) дает:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Йе Наунг, 2020 год

Литература

1. Исследование синхронного следящего электропривода на базе сервопривода «MINAS A4» и контроллера движения «PCI-Servo-4». "Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов". -Томск: Изд. ТПУ, 2009. - 44 с.

2. SEWEURODRIVE. Практика приводной техники - Сервоприводы. Издание 09/2006. 11322853/RU. url: www.sew-eurodrive.com.

3. Yadong Chen, Zhifeng Li, Design and implementation of the single closed loop DC speed control system based on PID algorithm, Micro machine andapplication,32, 2013, c 77-79.

4. Ходжиев Т.Г. Разработка системы автоматизированного управления электроприводом постоянного тока. ДВГУПС, г. Хабаровск, Хабаровский край, Россия, 2014г. 49с.

5. Евстигнеев Д.В. Проектирование роботов и робототехнических систем в среде Dyn-Soft RobSim 5. ЧАСТЬ 2. 2012. 145 c.

6. Г.С. ЗИНОВЬЕВ. Основы силовой электроники: Учебник. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. - Ч. 2 - 197 с.

7. Васильковский А., Зиновьев Г.С. Силовая электроника. Ч. 3: Метод. Руководство к лабораторным работам. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. - 35 с.

8. Усольцев, А. А. Векторное управление асинхронными двигателями / А. А. Усольцев. - С.-Пб: СПбГИТ-МО(ТУ), 2002. - 43 с.

9. Соколовский, Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием / Г. Г. Соколовский. - М.: Академия, 2006. - 272 с.

10. Терехов, В. М. Системы управления электроприводов / В. М. Терехов, О. И. Осипов. - М.: Академия, 2006. - 304 с.

11. Шрейнер, Р. Т. Электромеханические и тепловые режимы асинхронных двигателей в системах частотного управления / Под ред. Р. Т. Шрейнера. -Екатеринбург: Рос. гос. проф.-пед. ун-т, 2008. - 361 с.

12. Ключев, В. И. Теория электропривода / В. И. Ключев. - М.: Энергоатомиздат, 2001. - 704 с.

13. Фираго, Б. И. Теория электропривода / Б. И. Фираго, Л. Б. Павлячек. - Минск: Техноперспектива, 2004. - 527 с.

14. Усынин ю. С. Системы управления электроприводов: Учеб. Пособие для вузов. - Челябинск: Изд-во ЮУРГУ, 2001. - 358 с.

15. Щагин А.В, Чжо Ту. Двигатель постоянного тока в цифровом контуре. Сборник нучных трудов по материалам, Международной заочной научно-практической конференции 31 мая 2012 г. Чась 1, С.145-149.

16. A.M. Trzynadlowski. Control Of Induction Motors. Academic Press, 2000.

17. B. Drury. The Control Techniques drives and controls handbook. IET, 2nd edition, 2001.

18. M. El-Hawary. Induction Motors and Their Control. Wiley-IEEE Press, 1st edition, 2002

19. G. Stephenson. Worked Examples in Mathematics for Scientists and Engineers. Longman, 1985.

20. Mohan, N. (2001) Electric Drives an Integrative Approach, 2nd edn, MNPERE, Minneapolis.

21. Bose, B. K. (2006) Power Electronics and Motor Drives: Advances and Trends. Amsterdam, Academic Press, Elsevier.

22. Leonhard, W. (2001) Control of Electrical Drives. Berlin, Springer.

23. Krishnan, R. (2001) Electric Motor Drives: Modeling, Analysis and Control. Prenctice Hall.

24. Chiasson, J. (2005) Modeling and High-Performance Control of Electric Machines. Chichester, John Wiley & Sons.

25. Mohan, N. (2001) Advanced Electric Drives Analysis, Control, and Modeling using Simulink. MNPERE, Minneapolis.

26. Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. - М.: ДМК Пресс, 2007. - 288 с.

27. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург: УРО РАН, 2000. 654 с.

28. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем Matlab 6.0: Учебное пособие. - Спб.: Корона принт. 2001. - 320с.

29. Емельянов А.А., Клишин А.В., Медведев А.В. Математическая модель АД в неподвижной системе координат с переменными [Текст] / Молодой ученый. -2010. -№4. - С. 8-24.

30. Шрейнер Р.Т. Электромеханические и тепловые режимы асинхронных двигателей в системах частотного управления. Екатеринбург: ГОУ ВПО «Рос. гос. проф.-пед. ун-т», 2008. 361 с.

31. Емельянов А. А., Медведев А. В., Медведев А. В., Кобзев А. В., Шепельков А. В., Зарубин Е. А., Воробьев А. Н. Математическая модель асинхронного двигателя во вращающейся системе координат c переменными // Молодой ученый. — 2011. — №5. Т.1. — С. 7-15.

32. Йе Наунг, Щагин А.В, Зо Мин Кхаинг. Режимы управления двигателям постоянного тока с замкнутым контуром в высокоточных системах позиционирования. «Известия вузов. Электроника» Т.23, № 3, июнь-июль 2018. С. 304-308

33. Petrella, R., Tursini, M., Peretti, L., Zigliotto, M.., Speed measurement algorithms for low resolution incremental encoder equipped drives: a comparative analysis, Proceedings of International Aegean Conference on Electrical Machines and Power Electronics, ACEMP '07, pp.780-787, 2007

34. National Instruments, "Encoder measurements: how-to guide" Mar 27, 2012, http://www.ni.com/white-paper/7109/en/ (accessed 06-08-2013)

35. National Instruments, "Quadrature encoder fundamentals" Aug 27, 2008, http://www.ni.com/white-paper/4763/en/ (accessed 06-08-2013)

36. Тихонов А.О., Лиханов П.С. Средства диагностики и настройки СЧПУ СервоКон. Автоматизация в промышленности. 2011. № 5, стр. 19-22.

37. Мартинов Г.М., Нежметдинов Р.А., Никишечкин П.А. Разработка средств визуализации и отладки управляющих программ для электроавтоматики, интегрированных в систему ЧПУ. Вестник МГТУ «Станкин», №4 (23), 2012, стр. 134-138

38. Рыбаков В.К., Исмоилов М.И. (МАДИ) Шины передачи данных в электронных системах современных автомобилей. Учебное пособие.2008.

39. Промышленные сети и интерфейсы. URL: http://www.bookasutp.ru/Chapter2_6.aspx

40. CAN - шина, CAN - интерфейс. URL: http://embeddedsystem.ru/index.php?page=can-bus-can-interface

41. http://www.mathworks.com/products/simscape/

42. Babu^ska, Stefano Stramigioli, "Matlab and Simulink for Modeling and Control", P.O. Box 5031, 2600 GA Delft, The Netherlands.

43.http://ctms.engin.umich.edu/CTMS/index.php?example=MotorSpeed&section=Simul inkModeling

44. https://www.mathworks.com/help/nnet/ug/design-time-series-narx-feedback-neural-networks.html

45. Zhongsheng Hou, Huijun Gao, Frank L. Lewis.Data-Driven Control and Learning Systems. IEEE transaction on industrial electronics, VOL.64, NO.5, MAY2017.Page.4070-4074

46. 'IEEE Transactions on neural networks', IEEE Press

47. 'Neural networks', Pergamon Press

48. 'Neural computation', MIT Press

49. 'IEEE International Conference on Neural Networks'

50. 'International Joint Conference on Neural Networks'

51. Ruano, A., 'Application of neural networks to control systems: current trends', Internal Report, S.E.E.S., U.C.N.W., Dec. 1988

52. Astrom, K., Hagglund, T., 'Automatic tuning of simple regulators with specifications on phase and amplitude margins', Automatica, Vol. 20, No 5, 1984, pp. 645-651

53. Astrom, K., Hagglund, T., 'A frequency domain method for automatic tuning of simple feedback loops', Proceedings of the 23rd Conference on Decision and Control, Las Vegas, U.S.A., 1984, pp. 299-304

54. Rumelhart, D., McClelland, J. & the PDP Research Group, 'Parallel distributed processing', Vols. 1 and 2, MIT Press, 1986

55. Ziegler, J., Nichols, N., 'Optimum settings for automatic controllers', Transactions ASME, 65, 1942, pp. 759-768

56. Farid Golnaraghi, Benjamin C.Kuo; Automatic Control Systems; Ninth Edition

57. Norman S.Nise; Control Systems Engineering; Sixth Edition

58. Richard C.Dorf, Robert H.Bishop; Modern Control Systems; Twelfth Edition.

59. Astrom, K. J. and B. Wittenmark (1995). Adaptive Control, 2nd ed. Addison-Wesley. Reading, Mass.

60. Pirabakaran, K. and V. M. Becerra (2001). Automatic tuning of PID controllers using model reference adaptive control techniques. In: IEC0N'01 27th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. Denver, Colorado, USA. pp. 736-740.

61. Rad, A. B., T. W. Bui, Y. Li and Y. K. Wong (2000). A new on line PID tuning method using neural networks. In: IFAC Digital Control, Past, Present and Future. Terrassa, Spain. pp. 443-448.

62. Ye Naung, Schagin Anatolii, Ye Htet Lin. Speed control of DC motor by using neural network parameter tuner for PI-controller Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (2018 EIConRus), 2019 IEEE Conference of Russian. C. 2152-2156

63. Йе Наунг, Щагин А.В, Зо Мин Кхаинг. Модель нейрорегулятора для управлнеия синхронным двигателем с постоянными магнитами // «Электронные и информационные системы» Номер: 4 (19), 2018, С. 59-66

64. Йе Наунг, Щагин А.В. Особенности использования двигателей постоянного и переменного тока в металлообрабатывающих станках // «Электронные и информационные системы» Номер: 1 (20), 2019, С. 33-43

65. Building your own drive. / [электронный ресурс] / © 1994-2018 The MathWorks, Inc. URL: https://www.mathworks.com/help/physmod/sps/powersys/ug/building-your-own-drive.html

66. Ken Johnson, Teledyne LeCroy, Chestnut Ridge. A pratical primer on motor drives (part 12): Variable frequency motor drives. January, 2017. URL: http://www.how2power.com/motor-drive/index.php

67. Ken Johnson, Teledyne LeCroy, Chestnut Ridge. A pratical primer on motor drives (part 13): Motor drive control architectures and algorithms. February 2017. URL: http://www.how2power.com/motor-drive/index.php

68. Ahmed M.T. Ibraheem. Speed Control of Three-Phase Induction Motor Based on V/F Technique. Al-Kitab Journal for Pure Science. Volume:1, Issue:1, Dec-2017.

69. Р.А Мичурин. Моделирование работы сихронного двигателя с постоянными магнитами в среде Simulink. Электронные информационные системы. №3, (14), 2017. Стр. 23-32.

70. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока. Иваново: ИГЭУ, 2008. 298с.

71. Зо Мин Кхаинг. Нейросетевые системы управления прецизионным физико-термическим оборудованием. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. НИУ МИЭТ. 2018.

Приложение 1. Програмный модуль управления положением и скорости двигателя постоянного тока с использованием ПИД регулятора

#include <Wire.h> #include <FastЮ.h> #include ^2™^ #include <LCD.h> #include <LiquidCrystal.h> #include <LiquidCrystal_I2C.h> #include <LiquidCrystal_SR.h> #include <LiquidCrystal_SR2W.h>

#include <LiquidCrystal_SR3W.h> #include <Keypad.h> #include <LiquidCrystal.h>

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 2, 1, 0, 4, 5, 6, 7, 3, POSITIVE); // Set the LCD I2C address

/////////////// Position control variables////////////////////////////////////////////// int SampleTime2=1000; // Sampling time Found in microseconds float Ref2=0; // reference

double error22, errorPass22=0,errorAnt22=0; // error

double U2; //Control signal

// Controller constants position double Kp2=20; double Ki2=0.000000003; int long Kd2= 200000; double degree; double errorD2;

unsigned long timep22=0, ttime22=0, etime22=0;

/////////////// Speed control variables////////////////////////////////////////////// float Kp=0.01,Ki=0.0025,Kd=1;

int SampleTime=100; // Sampling time Found in milis float Ref=0; // reference

double error, errorPass=0,errorAnt=0; // error

double errorD;

double U; // Señal control

// Controller constants const int Clockwise=11; const int Counterclockwise=10; int sense=1;

///////////////7variable two-channel encoder////////////////////////////////////// double long count2=0; long count;

unsigned long timep=0, ttime=0, etime=0; unsigned long timep2=0, ttime2=0, etime2=0; boolean A,B;

float rpm;

byte state, statep, indexx;

int QEM[16]= {0,-1,0,1,1,0,-1,0,0,1,0,-1,-1,0,1,0};

////////////keypad///////////////////////////////////////////////////// const byte Rows = 4; //4-row KeyPad const byte Cols = 4; //And 4 columns

byte Pins_Rows[] = {13, 12, 9, 8}; //Arduino pins to which we count the rows. byte Pins_Cols[] = { 7, 6, 5, 4}; // Arduino pins to which we count the columns. int selec=1, k=1; char pulsation;

String PIN_Key = ""; // Typed keys

float velocity; // Data string typed through keyboard

char string[6]; //To be able to convert to number

char Keys [Rows][Cols] = { {'1','2','3','A'}, {'4','5','6','B'}, {'7','8','9','C'},

{'.','0','E','-'} };

Keypad Keypad1 = Keypad(makeKeymap(Keys), Pins_Rows, Pins_Cols, Rows,Cols);

void setup() {

Serial.begin(230400);

pinMode(2,INPUT);

pinMode(3,INPUT);

pinMode(Clockwise,OUTPUT);

pinMode(Counterclockwise,OUTPUT);

attachInterrupt(0,Achange,CHANGE);

attachInterrupt(1,Bchange,CHANGE);

lcd.begin(16, 2);

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("Speed & Position");

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print("PID controller");

delay(2000); lcd.clear();

}

void loop() {

key();

if(selec==1) {

control_velocity();

showVel_lcd(); }

Else {

control_position();

showPos_lcd(); }

}

void showVel_lcd() {

ttime2 = millis(); etime2 = ttime2 - timep2;

if(etime2 >= 500) {

lcd.clear();

lcd.print("RPM DES: "); lcd.print(Ref); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("RPM ACT: "); lcd.print(rpm);

timep2=ttime2; }

}

void showPos_lcd() {

ttime2 = millis();

etime2 = ttime2 - timep2;

if(etime2 >= 500) {

lcd.clear();

lcd.print("POS DES:");

lcd.print(Ref2);

//lcd.print("Degee");

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print("POS ACT:");

lcd.print(degree);

//lcd.print((char)223);

timep2=ttime2; }

}

void key()

{

pulsation = Keypad1.getKey();

switch (pulsation) {

case '.': // Decimal point delay(30);

case '-': delay(30);

case '0' ... '9': // digital, delay(30);

PIN_Key += pulsation; //We add them to the string break;

case 'E': // We will take it as enter delay(30);

PIN_Key.toCharArray( string,6); velocity = atof (string);

if(selec ==1) {

Ref= velocity; }

Else {

Ref2= velocity; }

if(Ref>=0) {

sense=1;

}

Else

{

sense=0; }

PIN_Key = ""; break;

case 'A' : delay(30); //Ref=0; sense=1; break;

case 'B':

delay(30);

//Ref=0;

sense=0;

break;

case 'C':

delay(30);

count=0;

Ref=0; error=0; errorPass=0; errorD=0; Ref2=0; error22=0; errorPass22=0; errorD2=0; selec= selec*(-1);

if(selec <0)

{

analogWrite(Clockwise,0);

analogWrite(Counterclockwise,0); }

Else {

analogWrite(Clockwise,0);

analogWrite(Counterclockwise,0); }

break; }

}

void Achange()

{

A = digitalRead(2); B= digitalRead(3);

if ((A == HIGH)&&(B == HIGH))state = 0; if ((A == HIGH)&&(B == LOW))state = 1; if ((A == LOW)&&(B == LOW))state = 2; if ((A == LOW)&&(B == HIGH))state = 3;

indexx = 4*state + statep;

if ((count >=3072) || (count <= -3072)) count =0;

count = count + QEM[indexx];

count2 = count2 + QEM[indexx];

statep = state;

}

void Bchange() {

A = digitalRead(2); B= digitalRead(3);

if ((A == HIGH)&&(B == HIGH))state = 0; if ((A == HIGH)&&(B == LOW))state = 1; if ((A == LOW)&&(B == LOW))state = 2; if ((A == LOW)&&(B == HIGH))state = 3;

indexx = 4*state + statep;

if ((count >= 3072) || (count <= -3072)) count =0;

count = count + QEM[indexx];

count2 = count2 + QEM[indexx];

statep = state;

}

void control_velocity() {

ttime = millis(); etime = ttime - timep;

if(etime >= SampleTime) {

rpm = (count2/3072)*600;

error = abs(Ref) - abs(rpm); // error (Closed loop) - Feedback errorPass=error*SampleTime + errorPass; errorD =(error-errorAnt)/SampleTime; // derivative calculation float P=Kp*error; // proportional calculation

float I=Ki*errorPass; // Integral calculation

float D=Kd*errorD;

U= P + I + D; // Control signal + offset voltage

if (U < 0) // saturation limits of the control signal {

U=0;

}

if (U > 255) // saturation limits of the control signal {

U=255;

}

Serial.println(U);

if(sense == 1) {

analogWrite(Clockwise,U);

analogWrite(Counterclockwise,0); }

if(sense == 0) {

analogWrite(Counterclockwise,U); analogWrite(Clockwise,0);

}

timep=ttime; errorAnt = error; count2=0;

} }

void control_position() {

ttime22 = micros(); etime22 = ttime22 - timep22;

if(etime22 >= SampleTime2) {

degree = count*0.1171875;

error22 = Ref2 - degree; // Control signal + offset voltage

errorPass22=error22*SampleTime2 + errorPass22; errorD2 =(error22-errorAnt22)/SampleTime2; // derivative calculation float P2=Kp2*error22; // proportional calculation

float I2=Ki2*errorPass22; // Integral calculation

float D2=Kd2*errorD2;

U2= P2 + I2 + D2; // Control signal + offset voltage

timep22= ttime22; errorAnt22 = error22;

}

if (U2 <= -255) // saturation limits of the control signal {

U2=-255;

}

if (U2 > 255) // saturation limits of the control signal {

U2=255;

}

Serial.println(U); Serial.println("rpm"); Serial.println(rpm); int returns =0;

if (U2>=0) {

analogWrite(Clockwise,U2); digitalWrite(Counterclockwise,LOW);

}

if (U2<0) {

returns =abs(U2);

analogWrite(Counterclockwise,returns); digitalWrite(Clockwise,LOW);

}

}

Приложение 2. Функция командной строки для управления двигателем постоянного тока с помощью нейро-сетевого настройщика ПИ- регулятора

options=simset('solver','ode45','srcWorkspace','Current','DstWorkspace','Current');

sim('MaxonDCX22L',[0,0.1],options);

a=RPM.signals.values(:,1);

b=in.*ones(numel(a),1);

net = newff(minmax(a'),[2,1],{'tansig','purelin'},'trainlm'); net.trainParam.epochs=10;

net.trainParam.lr = 0.3;

[net,tr]=train(net,a',b');

x=sim(net,a');

Ki=abs(net.b{1,1}(1));

Kp=abs(net.b{1,1}(2));

Приложение 3. Функция командной строки для управления асинхронным двигателем с помощью нейро-сетевого настройщика ПИ- регулятора

options=simset('solver','ode45','srcWorkspace','Current','DstWorkspace','Current');

sim('position_ac3kw',[0,0.1],options);

a=out(:,1);

b=in.*ones(numel(a),1);

net = newff(minmax(a'),[30,1],{'tansig','purelin'},'trainlm');

net.trainParam.epochs=100;

net.trainParam.lr = 0.3;

[net,tr]=train(net,a',b');

x=sim(net,a');

Kp=abs(net.b{1,1}(1));

Ki=abs(net.b{1,1}(2));