Контроллеры систем управления шаговыми двигателями электромеханических устройств специального назначения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Тарасов, Андрей Анатольевич

• Тарасов, Андрей Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тарасов, Андрей Анатольевич

Введение.

1. Общие принципы контроллерного управления электроприводами.

1.1 Современное состояние контроллерных систем управления.

1.2 Требования к системам управления электромеханических устройств ВГИ.

1.3 Анализ характеристик ШД.

1.4 Проблемы использования шагового электропривода в системах управления.

1.5 Вывод. Возникающие задачи исследования.

2. Специальные требования к алгоритму работы контроллера, методы реализации и анализ структур формирования электрических состояний ШД.

2.1 Учет в алгоритме управления контроллера статических и динамических погрешностей и условий устойчивости ШД в переходных процессах.

2.2 Синтез базового программного алгоритма управления для контроллера шагового электропривода.

2.3 Реализация базовых структур формирования электрических состояний контроллером на основе алгоритма.

2.4 Анализ особенностей базовых структур контроллера, требования к их схемным параметрам.

2.5 Энергетические оценки эффективности управления силовым инвертором контроллера и методы ее повышения.

2.6 Вывод.

3. Синтез контроллерной САУ, схемная реализация контроллера с учетом требований алгоритма работы

3.1 Анализ существующих функциональных и структурных схем САУ ШД. Классификация.

3.2 Общее описание функциональной и структурной схем контроллера САУ ШД в составе ЭМУ ВГИ.

3.3 Анализ и синтез блока управляющего электрическим дроблением шага. Исследование структурной схемы ФРИ в составе контроллера.

3.4 Схемная реализация контроллера с учетом особенностей алгоритма функционирования. Анализ внедрения в производство полезной модели контроллера в составе электромеханического устройства ВГИ.

3.5 Расчет усилителя мощности для базового силового модуля контроллера.

3.6 Вывод.

4. Математическое описание контроллера. Моделирование режимов работы ШД.

4.1 Обоснование идеализированной модели ШД.

4.2 Исследование требований к алгоритму контроллера для общего случая двухфазного ШД.

4.3 Методика определения рационального годографа электрических состояний фаз и угловых моментных характеристик ШД с учетом искажения реального момента.

4.4 Обобщенная модель и граничные оценки привода с электрическим дроблением шага.

4.5 Синтез эквивалентной структурной схемы ШД при управлении на уровне электрического дробления шага. Моделирование режимов работы ШД.

4.6 Вывод

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Контроллеры систем управления шаговыми двигателями электромеханических устройств специального назначения»

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.

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.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Тарасов, Андрей Анатольевич

- результаты работы применены в разработке схемы контроллерной САУ шаговым электроприводом планшетного графопостроителя СН, получен акт внедрения. Данное устройство соответствует группе устройств с тяжелыми условиями эксплуатации. Оно превосходит по характеристикам известные отечественные аналоги. Практическую значимость предложенной модели доказывает обеспечение характеристик ЭМУ на уровне лучших зарубежных аналогов, при использовании отечественной элементной базы и функциональной ориентации структурной схемы на перспективный шаговый электропривод. В сравнении с известными зарубежными аналогами она имеет существенный экономический эффект от внедрения.

Таким образом, диссертация представляется самостоятельной законченной работой, при этом дальнейшее развитие темы данной работы намечается лишь в более узком контексте, в части исследования специализированных САУ и конструкций ШД. Это не предполагает дополнительных исследований на уровне общих результатов работы, а также их пересмотра на настоящем уровне развития микропроцессорных технологий и шагового электропривода. 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

Заключение

Представленная работа является составной частью исследований, которые проводились ФГУП НПО "Марс" при разработке САУ электроприводом электромеханического устройства ВГИ специального назначения. Исследование и формирование теоретических основ и определение технических принципов создания контроллеров САУ ШД велось применительно к решению важных практических задач по улучшению характеристик и потребительских свойств ЭМУ специального назначения.

В результате проведенных исследований задача совершенствования САУ ШД и создания универсального контроллера шагового электропривода для систем управления ЭМУ специального назначения практически полностью решена, кроме того, основные результаты и выводы обладают новизной и подходят для использования в системах управления ЭМУ широкого применения.

Большое внимание в работе уделено формированию необходимых теоретических основ для создания универсального контроллера в том числе:

- в анализе статических и динамических ошибок управления ШД показано, что изменение величины электрического шага в сочетании с выбором частоты внешних команд можно осуществить точное позиционирование с назначенным значением угловой ошибки;

- установлено, что задача дробления шага сводится к построению годографа результирующего тока машины, при котором привод описывается уравнениями идеализированной синхронной машины;

- введение обратной связи по току в систему управления обеспечивает устойчивую работу привода в диапазоне частот выше частоты приемистости и позволяет управлять переходными процессами на всем диапазоне предельных механических характеристик;

- обосновано, что метод формирования управления и структура контроллера обеспечивают широкий диапазон характеристик шагового электропривода за счет учета особенностей свойств и достоинств ШД. Они обеспечивают относительную независимость от кинематики, устройства, при этом гибкость настроек параметров функционирования лежит в области программного алгоритма.

Основные задачи исследований, поставленные в работе были определены в виде:

- анализ ошибок, возникающих при управлении шаговым электроприводом, исследование особенностей электромеханической части ШД и его предельных возможностей по восприятию управляющей информации, обоснование общих 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 настройка функций контроллерной САУ электропривода ЭМУ к технологическому процессу;

- выбор элементной базы, оптимизация аппаратного состава контроллера и проектирование блочно-модульной контроллерной системы управления, которая рассчитана на тяжелые условия эксплуатации в составе специальных ЭМУ;

- определение математического аппарата, используемого для моделирования процесса управления ШД, анализ качества алгоритма управления и структурной схемы контроллера.

Анализ выводов, сделанных по результатам в работы, говорит, что все перечисленные задачи были рассмотрены, а содержащаяся в результатах работы практическая ценностью свидетельствует о грамотной постановке задач.

Практическая ценность основных результатов работы заключается в трех пунктах:

- предложена структурно-функциональная модель универсального контроллера САУ многокоординатным шаговым электроприводом. Данная модель предполагает создание унифицированной блочно-модульной конструкции с оптимизированным аппаратным составом, рассчитана на ШД с разным числом полюсов, обладает расширенными функциональными возможностями гибкой настройки к требованиям изменяющегося технологического процесса. Данная модель контроллера предназначена для широкого применения среди систем прецизионного управления многокоординатным шаговым электроприводом малой и средней мощности в гибких автоматизированных ЭМУ.

- предложена новая схема блока формирователя распределителя импульсов контроллера (ФРИ). В отличие от известных зарубежных аналогов, внедренный в производство контроллер позволяет увеличить разрешающую способность функции

ШИМ, реализуемую блоком ФРИ относительно базовой частоты микропроцессора-ядра контроллера, при сохранении требуемого уровня точности задания сигнала тока в фазах ШД. Блок ФРИ также позволил принципиально отказаться от прямого управления контроллером силовыми инверторами, что распространено в зарубежной практике, но при несущественном снижении цены ЭМУ СН увеличивает вероятность отказа САУ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тарасов, Андрей Анатольевич, 2004 год

1. A.c. 2061911 (ФРГ). Elektronische Speiseschaltung für einen Schrittmotor licentia Patent- Ver-walt. Gmb H. -Заявл. 16. 12.70; Опубл.25.08.73; МКИ H02 p 8/00.

2. А.с.474892 (СССР). Устройство для управления многофазным электродвигателей /Авт.изобрет. Ивоботенко Б.А., Ильинский И.О., Кожин С.С. и др.-3аявл.26.03.76; Опубл. в БИ, 1975, №23;МКИ Н02 р 7/00.

3. А.с.476286 (СССР). Линейный шаговый электропривод /Авт.изобрет. Ивоботенко Б.А.-Заявл. 12.02.73; Опубл. в БИ, №25, 30.04.74; МКИ Н02 к 33/18.

4. А.с.484495 (СССР). Следящий привод. /Авт.изобрет. Ивоботенко Б.А., Ильинский Н.Ф., Кожин С.С. и др.-Заявл. 18.06.73; Опубл. в БИ, №34, 1975.

5. А.с.499641 (СССР). Устройство для управления многофазным электродвигателем, /Авт.изобрет. Ивоботенко Б.А., Ильинский Н.Ф., Конин С.С, и др.-3аявл.28,05.73; Опубл. в БИ, №2, 1976.

6. А.с.555527 (СССР). Устройство для управления многофазным электродвигателем. /Авт.изобрет. Ивоботенко Б.А., Ильинский Н.Ф., Кожин С.С. И др.-Заявл.25.10.74; Опубл. в БИ, №15,1977.

7. А.с.817965 (СССР). Устройство для управления шаговым двигателем /Авт.изобрет. Ивоботенко Б.А., Мелкумов Г.А., Кожин С.С. и др.-3аявл.07.05.79; Опубл. в БИ, 1981, №12; МКИ НО 2 р 8/00.

8. A.c.888135 (СССР). Устройство для программного управления объектом. /Авт.изобрет. Рубцов В.П., Соколов С.А., Кожин С.С., Чемеричко Н.р.-3аявл.31.03.80; Опубл. в.БИ, №45,1981.

9. А.с.915200 (СССР). Способ управления шаговым двигателем с электрическим дроблением шага и устройство для его реализации. / Ивоботенко Б.А., Соколов Ю.А., Козин С.С. и др-Заявл.14.11.79; Опубл. в БИ, №11, 1982.

10. A.c.959214 (СССР). Устройство для управления шаговым двигателем с электрическим дроблением шага /Авт.изобрет. Ивоботенко Б.А. Мелкумов Г.А., Кожин С.С. и др.-Заявл. 12.12.80; Опубл. в БИ, 1982, №34; МКИ Н02 р 7/00.

11. А.с.964950 (СССР). Устройство для старт-стопного управления шаговым двигателем /Авт.изобрет. Кожин С.С., Кузьмин Г.Я., Прозоров Ю.Т. и др.-Заявл.06.03.81; Опубл. в БИ,1982, №37; МКИ Н02 р 8/00.

12. Аберман Л.Г., Консон Е.Д., Русаков С.Ю. Графопостроитель с микропроцессорным управлением // Приборы и системы управления. 1991.№1.

13. Автоматические системы и приборы с шаговыми двигателями Ш.Ю. Исмаилов Энергия М1968 с. 136

14. Алексеев-Мохов С.Н, Двигатели с катящимся и гибкий ротором: Докторская дисс.-М.:

15. Моск.энерг.ин-т, 1975, с.20.

16. Арутюнян В.Ш. Многорежимный универсальный коммутатор фаз m-фазного реверсивного шагового двигателя II Электротехника,-1974. №7 С.21-26.

17. Архангельский Н.Л., Чистосердов В.Л. Формирование алгоритмов управления в частотно-управляемом электроприводе // Электротехника. 1994. №3.

18. Афонин С.М. Статические и динамические характеристики шагового электродвигателя // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. -2003. №12.- С.14-15

19. Ахметов М. 8-разрядные RISK микроконтроллеры II Chip News. 1999. - №10 - С. 2-6

20. Ахунов Т.А., Макаров Л.Н., Ильинский Н.Ф., Бычков М.Г. Вентильно-индукгорный электропривод перспективы применения // ПРИВОДНАЯ ТЕХНИКА. - 2001. №2.

21. Балковой А., Петровичев С. Инвертор для прецизионного электропривода // CHIP NEWS. -1998. №8- С.37-38.

22. Барков А.Н. Исследование законов формирования движения рабочих органов промышленных роботов с шаговым приводом: Автореф. канд.дис.-М.: МЭИ, 1978.-20 с.

23. Бизиков В.А., Обухов С.Г., Чаплыгин Е.Е. Управление непосредственными преобразователями частоты М.: Энергоатомиздат, 1985.

24. Блейз Е.С., Данилов Ю.А., Казмиренко В.Ф., и др. Следящие приводы / Под ред. Б.К.Чемоданова, T.1-M.: Энергия, 1976.

25. Бородин В., Мальцев В., Петров С., Попов Ю. Одноплатный контролер на основе MCS-196 системой программирования // Chip News. -1997. №11- С. 10-15.

26. Бродовский В.Н., Иванов Е.С. Привода с частотно-токовым управлением- М.: Энергия, 1974.

27. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. М.: Высшая школа, 1990.

28. Бут Д.А. Модификация вентильно-индукторных двигателей и особенности их расчетных моделей // ЭЛЕКТРИЧЕСТВО, 2000. №7.

29. Бычков М.Г. Оптимизация режимов вентильно-индукторного электропривода средствами управления- Вестник МЭИ, 1998, №3.

30. Бычков М.Г. Основы теории, управление и проектирования ветильно-индукторного электропривода: Автореф.дис. д-ра техн.наук. М., МЭИ, 1999.

31. Бычкова Е.В. Обзор современного российского рынка преобразователей частоты для электропривода-Живая электроника России, 2001, т.2.

32. Волох Г. Микроконтроллеры семейства PICM1CRO фирмы MICROCHIP // CHIP NEWS.-1998. №6-7-С.66-69.

33. Высокочастотный шаговый привод с дроблением шага. /Ивоботенко Б.А., Садовский Л.А. и др.-Тр./Моск.энерг.ин-т, 1975, вып.220, С.24-33.

34. Голландцев Ю.А. Пульсации пускового момента вентильного индукторно-реактивного двигателя // ЭЛЕКТРИЧЕСТВО, -2003. №6- С.37-42.

35. Голубев А.Н., Лапин A.A. Математическая модель синхронного двигателя с многофазной статорной обмоткой // ЭЛЕКТРОТЕХНИКА, -1998. №9,- С.8-13.

36. Голубев А.Н., Субботин М.В. Математическая модель синхронного двигателя с т-фазной обмоткой для стационарных режимов // ЭЛЕКТРОТЕХНИКА, -№1/02- С.35-39.

37. Гольдфарб Л.С., Балтрушевич A.B., Круг Г.К. и др. Теория автоматического управления- М. Высшая школа, 1968.

38. Грибачев С., Казаченко В. Новые микроконтроллеры фирмы Texas Instruments TMS320x24x для высокопроизводительных систем встроенного управления электроприводами // Chip News. 1998. №11,№12.

39. Гумен В.Ф., Калининская Т.В. Следящий шаговый электропривод. -Л. :Энергия, 1980,- с.168.

40. Гумен В.Ф., Калининская Т.В. Принципы построения схем управления шаговыми двигателями в режиме электрического дробления основного шага. Электромашин, средства автоматики, Киев,1975, С.131-142.

41. Деменков Н.П., Матвеев В.А., Сенькин A.A., Суханов В.А. Методы, алгоритмы и программные средства проектирования интеллектуальных регуляторов для создания экологически безопасных и энергосберегающих систем // Экологические системы и приборы.2000. №8.

42. Деменков Н.П. Сенькин A.B. Настройка регуляторов методом уравнений синтеза.

43. Измышленные АСУ и контроллеры 2003. №4-С.32-34.

44. Долгий А. Разработка и отладка устройств на МК Радио 2001, N26, с.24-26, №7 с. 19-21, №5-1250