close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка и исследование методов улучшения точности и динамики прямого сервопривода

код для вставкиСкачать
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования.
Машиностроение – основа технологической независимости государства.
Станкостроение – базовая отрасль машиностроения, которая в значительной
степени определяет конкурентоспособность национальной промышленности.
Обеспечение
сильных
рыночных
позиций
отечественного
машиностроительного
оборудования
требует
его
комплектования
современными
отечественными
наукоемкими
компонентами
с
характеристиками мирового уровня.
В прецизионном машиностроении для реализации быстрых и
высокоточных перемещений в режиме воспроизведения траектории
(лазерная резка, электроэрозионные, шлифовальные станки) нашли широкое
применение электрические приводы с рабочим органом, жестко
соединенным с электрической машиной – прямые (безредукторные)
приводы. При этом обычно используются синхронные электрические
машины с постоянными магнитами (СМПМ) работающие в режиме
вентильного двигателя (ВД). Такие электроприводы обладают высокой
точностью, плавным ходом, широкой полосой пропускания, высокими
энергетическими и массогабаритными показателями, а также относительно
простым математическим описанием, обеспечивающим удобство построения
системы управления (СУ).
Получение высоких технических показателей достигается не только за
счет совершенствования конструкции станка и электромеханического
преобразователя привода, но и, в значительной мере, за счёт оптимального
построения СУ электропривода. Постоянное повышение эксплуатационных
характеристик становится возможным благодаря развитию цифровой
вычислительной техники. Появляются новые возможности для реализации
более сложных алгоритмов управления, позволяющих более полно
использовать ресурсы электропривода. Таким образом, в настоящее время
актуальна
задача
удовлетворения
растущих
требований
к
производительности и точности машиностроительного оборудования не
только за счет увеличения установленной мощности электроприводов,
усложнения систем измерения положения (что требует значительных
капитальных затрат), но и за счет построения более эффективной СУ.
Объект исследований: прямой (безредукторный) сервопривод для
точного машиностроения на базе СМПМ в режиме ВД.
Предмет исследования: варианты реализации цифровой СУ прямого
сервопривода на базе цифрового сигнального процессора (ЦСП), а также на
базе программируемой логики (ПЛ).
Цель работы: повышение точностных показателей и производительности
прецизионных станков за счет совершенствования СУ прямого сервопривода.
4
Для достижения цели в диссертации поставлены и решены следующие
основные задачи:
1. Анализ существующих структур СУ ВД и влияния ограничений координат
ВД на показатели точности и производительности сервопривода.
2. Анализ причин возникновения статических ошибок позиционирования и
динамических ошибок воспроизведения заданной траектории движения в
прямом сервоприводе, а также способов их уменьшения за счет СУ.
3. Исследование возможности расширения полосы пропускания контура тока
ВД за счет снижения задержек обработки и передачи информации при
цифровой реализации СУ.
4. Разработка и исследование СУ прецизионного сервопривода с
динамической моделью ВД, учитывающей
ограничения на его
координаты для достижения максимального быстродействия и
производительности.
5. Обоснование и разработка методики идентификации параметров
прецизионного сервопривода, необходимых для реализации предлагаемой
цифровой СУ с динамической моделью ВД.
6. Экспериментальная оценка эффективности предложенных методик
управления и идентификации прецизионного сервопривода на примере
макетов прямого линейного сервопривода серии ЭЛК с СУ на базе ЦСП и
прямого вращательного сервопривода с СУ на базе ПЛ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Обосновано использование динамической модели ВД в расчетах СУ для
снижения динамических ошибок воспроизведения заданной траектории
движения сервопривода, а также для расширения скоростного диапазона
работы сервопривода.
2. Предложен принцип организации вычислений цифровой СУ ВД с
использованием параллельной многократной обработки алгоритмов СУ
для уменьшения задержек в контуре тока и повышения его
быстродействия.
3. Предложена методика учета ограничений на координаты ВД при
формировании траектории движения, которая позволяет увеличить
производительность оборудования с сервоприводом.
4. Предложена методика автоматизированной идентификации прецизионного
сервопривода, основанная на отработке плавных перемещений, и не
предполагающая изменений в структуре СУ и использование внешних
источников силы.
Практическая ценность работы и ее реализация.
1. Разработанные методики управления позволяют поднять точность и
производительность оборудования с прецизионным сервоприводом.
Высокий экономический эффект достигается за счет возможности выбора
сервопривода с меньшей установленной мощностью и меньшими
массогабаритными показателями,
а также более простой системы
измерения положения.
5
2. Результаты работы были использованы при разработке серии комплектных
прямых линейных электроприводов (ЭЛК) в рамках совместной НИОКР
шифр «Линия» ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ» и МГТУ «СТАНКИН»:
 Результаты совершенствования СУ ЭЛК позволили существенно
повысить его статическую и траекторную точность. Это позволило
обеспечить необходимые точностные показатели разрабатываемых в
МГТУ «СТАНКИН» станков с ЧПУ (прошивные электроэрозионные,
раскройные и др.), оснащаемых ЭЛК.
 Разработано программное обеспечение (ПО) для автоматизированной
идентификации параметров ЭЛК с использованием предложенных
методик идентификации сервопривода.
 Разработано ПО для прототипирования ЭЛК, позволяющее верно
выбрать и согласовать его компоненты, необходимые для решения
конкретной задачи.
Методология и методы исследований.
Исследования базируются на теории электропривода, теории
автоматического управления, теории электрических машин, теоретической
электротехнике, теории цифровой обработки сигналов, алгебре логики,
методах математического моделирования.
Положения, выносимые на защиту
1. Принцип управления токами ВД с использованием в расчетах СУ
динамической модели, позволяющий расширить полосу пропускания
по току и реализовать динамическое ослабление поля СМПМ.
2. Принцип построения СУ ВД, заключающийся в использовании
параллельной обработки данных при расчетах алгоритмов цифровой
СУ ВД, а также в многократном проведении расчетов этих алгоритмов,
что позволяет существенно расширить полосу пропускания ВД по току.
3. Методика формирования траектории движения сервопривода с учетом
предельных
характеристик
ВД,
позволяющая
увеличить
производительность оборудования с сервоприводом.
4. Методика идентификации сервопривода на основе гладких путевых
траекторий 3-го порядка без внешних нагрузок и без изменений в
структуре управления электропривода.
5. Результаты внедрения предложенной методики автоматизированной
идентификации сервопривода, а также методик повышения
статической и траекторной точности на базе новых комплектных
линейных электроприводов серии ЭЛК мощностью 1..8кВт.
6. Результаты экспериментальных исследований предложенной методики
управления сервопривода с использованием динамической модели ВД,
а также предложенной методики параллельного многократного расчета
алгоритмов СУ ВД на макете вращательного сервопривода с
управлением на базе системы на кристалле (СнК).
6
Достоверность результатов подтверждена результатами моделирования,
а также исследований, выполненных на макетных образцах линейного и
вращательного сервопривода.
Апробация.
Основные положения диссертации, ее отдельные решения и результаты
обсуждались на ряде конференций, в том числе:
 2015 International Siberian Conference, 21-23 мая 2015, Омск;
 56th International Scientific Conference on Power and Electrical Engineering
of Riga Technical University, 14 окт. 2015, Рига, Латвия;
 2016 IEEE NW Russia Young Researchers in Electrical and Electronic
Engineering Conference, 2-3 фев. 2016, Санкт-Петербург.
 57th Internationales Wissenschaftliches Kolloquium Ilmenau University of
Technology, 07 – 11 сент. 2012, Ильменау, ФРГ;
 11th Students’ Science Conference, 03-06 окт. 2013, Бедлево, Польша;
 VIII Междунар. (XIX Всеросс.) конф. по автоматизированному
электроприводу АЭП-2014, 7-9 окт. 2014г, Саранск;
 Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: 71
межрег. науч.-техн. конф., 22-26 апр. 2013г., Магнитогорск,
а также представлялись на выставках:
Станкостроение – 2013, Москва; ВУЗПРОМФЕСТ – 2014, Москва;
ЭЛЕКТРО – 2015, Москва.
Соответствие паспорту специальности.
Диссертационная работа соответствует п.3 «Разработка, структурный и
параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их
оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления»
паспорта специальности 05.09.03 – «Электротехнические комплексы и
системы».
Публикации.
По теме диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ, в т.ч.
5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных
результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата
наук и/или включенных в международные базы цитирования.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка
литературы, включающего 59 наименований, и 6 приложений. Её содержание
изложено на 132 страницах, включая 12 таблиц и 59 иллюстраций.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дана общая характеристика диссертационной работы.
Обоснована актуальность её темы, сформулирована цель исследований,
определены основные задачи для достижения цели, отражена научная
новизна и практическая ценность.
7
В первой главе приведено краткое описание прецизионного сервопривода
и его компонентов, представлена идеализированная модель ВД в подвижной
системе координат. Анализируются существующие структуры СУ ВД и
влияние ограничений координат ВД на показатели точности и
производительности сервопривода.
Основными компонентами прецизионного сервопривода являются
синхронная машина (в режиме ВД), блок управления, датчик положения. При
управлении ВД требуется учитывать совокупность ограничений на его
координаты: максимально возможных скорости, ускорения, рывка и
диапазона перемещений, а также ограничений по напряжению (Um –
максимальная амплитуда фазного напряжения) и току фаз (пиковый ток Ip),
выделяемых тепловых потерь.
Электрические и механические уравнения идеализированного ВД в
подвижной системе координат d-q на примере ВД с неявнополюсной
линейной синхронной машиной (НЛСМ) имеют вид:
(
( )
)
( )
(1)
{
где R, L – сопротивление и индуктивность фаз d и q; KTph – коэффициент
силы;
– полюсное деление электрической машины; T, Tcog, TL, ТCf, Tvf, –
силы: электромагнитная, зубцовая, внешняя активная, сила сухого и сила
вязкого трения; m – суммарная масса подвижной части; j,a,v,x –
механические рывок, ускорение, скорость и положение; Id, Iq, Ud, Uq –
продольные и поперечные компоненты векторов тока и напряжения;
Из (1) можно получить (2). При скорости изменения T много большей
скорости изменения возмущений Tcog, TL, ТCf, Tvf рывок определяется
скоростью изменения тока Iq:
(2)
Предельные значения рывка зависят от параметров электропривода и от
текущих значений координат ВД: Id, Iq, v. Из (1) получаются также уравнения
8
граничной области динамических электромеханических характеристик ВД с
НЛСМ:
(
)
(3)
( √
(
)
(
))
На рис 1.а показана построенная по (3) область динамических
электромеханических характеристик ВД на примере НЛСМ MCЛ-2,0-4,6-В с
параметрами: длительная сила Tc=1820Н, длительный ток Ic=19,5А,
R=0,95Ом и L=6,68мГн, p=15мм, Um=305В, m=41кг при нейтральной
коммутации (Id=0):
(а)
(б)
Рис. 1. Электромеханические характеристики ВД на базе НЛСМ MCЛ-2,0-4,6-В при Id=0:
а – область динамических электромеханических характеристик, показаны сечения
граничных поверхности с шагом j=10км/с3; б – статические электромеханические
характеристики.
Ограничение на рывок определяет возможность электропривода по скорости
изменения T. На основе (3) строятся и статические электромеханические
характеристики – как сечения области при нулевом рывке. На рис. 1,б
представлено семейство статических граничных электромеханических
характеристик ВД при уменьшении максимальной амплитуды вектора
напряжения с шагом 0,1Um, Id=0 и с учетом ограничения амплитуды вектора
тока (ОТ) значением Ip. Ограничение на скорость здесь определяется
ограничением напряжения питания, это характеристика минимума потерь
(МП).
Расширение скоростного диапазона ВД в статических режимах
осуществляется ослаблением поля отрицательным током Id. На рис 2,а
представлены: характеристика МП, характеристика предельного ослабления
9
поля (ОП), определяемая ограничением на амплитуду вектора тока Ip и
ограничением по размагничиванию:
(4)
а также характеристика, при Id=Idразм/2 (ОП1). Соответствующие годографы
вектора тока представлены на рис. 2,б.
(а)
(б)
Рис. 2. Ослабление поля линейного ВД на базе неявнополюсной ЛСМ; а – статические
электромеханические характеристики; б – годограф вектора тока.
Учет ограничений в области электромеханических характеристик ВД
часто производится ограничением максимальной скорости значением vp,
достигаемым при любом допустимом значении тока Iq, вплоть до
максимальной форсировки Ip (рис 2,а). В этом случае диапазон работы
электропривода представляет собой лишь прямоугольную область,
определяемую выражением (|Iq|≤ Ip)&(|v|≤ vp). Задача расширения скоростного
диапазона без снижения возможностей по форсировке часто решается
выбором электропривода с большим значением vp. Недостатки –
существенное завышение установленной мощности, массогабаритных
показателей, капитальных затрат. Перечисленных
недостатков можно
избежать за счет создания СУ ВД, позволяющей расширить скоростной
диапазон работы электропривода вплоть до характеристики ОП. При этом
возрастают требования к точности требуемого математического описания ВД
(глава 2) и к алгоритмам СУ (глава 3).
В результате анализа статических ошибок позиционирования
сервопривода было выявлено существенное влияние на статическую
точность погрешностей сборки и установки оси движения. Для повышения
статической точности за счет СУ в работе используется калибровка позиции
привода (рассмотрено в главе 3).
Негативное влияние на динамическую точность воспроизведения
заданной траектории прямого сервопривода таких факторов, как внутренние
и внешние возмущения ВД, нежесткость основания электропривода - может
быть также ослаблено за счет СУ. Для этого в работе предлагаются
10
следующие решения: использование калибровки силы ВД (рассмотрено в
главе 3), расширение полосы пропускания контуров управления
(рассмотрено в главе 4), а также формирование гладких траектории
движения.
Вторая глава посвящена обоснованию и разработке методики
идентификации
прецизионного
сервопривода
для
составления
математического описания объекта и его последующего учета в алгоритмах
СУ. Приводятся результаты экспериментальной оценки эффективности
разработанной автоматизированной методики идентификации на базе
прецизионного линейного сервопривода ЭЛК. Методика была использована
в комплекте ПО сервопривода ЭЛК. Также указаны этапы изготовления и
эксплуатации
сервопривода,
на
которых
следует
производить
идентификацию перечисленных параметров.
В работе рассматривается идентификация следующих параметров:
1. Электромеханические параметры – m, KTph, TCf и Tvf.(v), Tcog(x), TL.
Определению R и L посвящено большое количество работ и здесь эти
вопросы подробно не рассматриваются.
2. Тепловые ограничения – Ic, Ip, время пикового тока tp, стопорная
скорость vстоп, тепловая постоянная времени Tth.
К процедуре идентификации предъявляются следующие требования:
1. Плавность перемещений.
2. Простота проведения:
a. Отсутствие изменений в структуре СУ на время проведения опытов.
b. Отказ от использования внешних источников силы.
3. Точность.
4. Автоматизация.
При работе прецизионного сервопривода для ослабления влияний
механических «неидеальностей» (ограниченность массы основания,
неабсолютные жесткости) обычно задаются гладкие путевые траектории 3-го
порядка
(S-образные
траектории).
В
работе
для
проведения
автоматизированной
идентификации
сервопривода
предлагается
использовать только такие траектории, т.к. риск выхода строя прецизионного
оборудования при гладких траекториях практически отсутствует. При таком
подходе не требуются изменения в структуре цифровой СУ сервопривода и
не предъявляются дополнительные требования к сервоприводу.
Адекватность получаемого математического описания определяется
схожестью условий его получения с условиями последующей работы
установки.
Для определения электромеханических параметров в работе
предлагается использовать типовые симметричные S-образные траектории
движения. При оценке различных параметров этой группы и их
нелинейностей устанавливаются необходимые для данного опыта
ограничения на ускорение, скорость и рывок. В результате анализа участков
11
траектории с постоянством ускорения при разгоне и торможении
определяется соотношение KTph и m – динамическая добротность Ddyn:
(5)
При эксплуатации станка часто изменяется m и её можно рассчитать, если
известны KTph и Ddyn. При этом необходимость в повторном определении KTph
появляется относительно редко. Если определению подлежит также KTph, то
предлагается проводить дополнительный опыт определения Ddyn, когда к
подвижной массе электропривода добавляется эталонная масса M. По
результатам проведения обоих опытов определяются значения m1 и
m2=m1+M, а также KTph.
При отрабатывании сервоприводом аналогичных траекторий движения, но
с выходом на малую постоянную («ползучую») скорость определяются
Tcog(x), ТCf и TL. А при выходе электропривода на различные скорости
определяется зависимость силы вязкого трения от скорости Tvf(v).
Определение тепловых ограничений. Тепловые ограничения делятся на
подлежащие идентификации (Ic, Tth) и задаваемые на этапе проектирования
(Ip, tp, vстоп).
Опыт определения Ic, Tth проводится при двунаправленном движении в
микрошаговом режиме. Находится такое значение тока Ic, при котором
установившееся значение температуры электрической машины будет ниже
максимальной θmax на величину запаса по температуре Δθ, необходимого для
обеспечения форсировки. Tth определяется по кривой нагрева.
θmax и Ip задаются при проектировании электрической машины. Для
проверки значения Ip он должен быть подан в течение времени tp на
разогретую в номинальном режиме до установившейся температуры машину.
В ходе опыта температура не должна превысить максимальную.
При выборе и эксплуатации электропривода необходимы данные о tp и
vстоп. Первый параметр характеризует возможности привода по форсировке, а
второй – минимальную скорость, на которой привод может работать с
паспортным значением Ic. Часто производители назначают их общими для
целой серии машин. Таким образом, многие машины могут оказаться
значительно недоиспользованными. В работе предлагается методика расчета
термически допустимого времени пикового тока, а также стопорной скорости
с учетом неадиабатического нагрева. Для этого СМПМ представляется
двухмассовой тепловой моделью, где источник нагрева – обмотки якоря,
первая масса – медь обмоток, вторая – остальной конструктив якоря. Отвод
тепла производится конвекционным или жидкостным охлаждением. При
протекании Ip тепло из обмоток машины не успевает распределиться по всей
массе якоря. Отводимое от обмоток тепло приблизительно равно теплу,
отводимому в длительном режиме при протекании длительного тока Ic. В
результате происходит увеличение температуры проводника с удельной
объемной теплоемкостью
, сечением S на величину Δθ. Удельное
12
электрическое сопротивление материала обмоток
берется при
максимальной температуре обмоток и максимальной рабочей частоте тока.
Допустимое время протекания пикового тока:
(6)
(
)
Предложенный способ отличается простотой и учитывает особенности
неадиабатического нагрева обмоток электрической машины.
Подход, использующий предложенную двухмассовую тепловую модель,
универсален: в соответствии с ним также предлагается рассчитывать
скорость vстоп для перехода в стопорный режим, когда действующее значение
тока в обмотках необходимо уменьшать. Скорость vстоп определяется исходя
из допустимых пульсаций Δθ температуры обмотки фазы:
(7)
Процесс определения электромеханических параметров электропривода
серии ЭЛК был автоматизирован. Разработана надстройка к его
комплектному программному обеспечению «Серводрайв», предназначенная
для анализа экспериментальных данных. По результатам обработки данных
определяются KTph, m, TL, ТCf, Tvf(v), зависимость Tcog(x) и её гармонический
состав. Разработка интерфейса пользователя производилась в среде MatLab.
В среде MatLab было разработано также ПО для прототипирования
линейного сервопривода. Идентифицированные параметры компонентов
привода вносятся в библиотеку, которую можно дополнять компонентами
различных производителей. На основании выбранных компонентов
сервопривода – синхронной машины, блока управления, датчика положения
и параметров нагрузки наглядно отображается область статических
механических
характеристик
отдельно
электрической
машины,
электрической машины с блоком управления и датчиком положения, а также
всего сервопривода с учетом ограничений пользователя. Для последнего
случая предусмотрена возможность расчета балластного резистора
тормозной цепи с поиском наихудшего случая. Для этого анализируются
циклограммы работы привода при двунаправленных перемещениях без пауз.
При малых ускорениях торможения значительная доля кинетической энергии
будет рассеиваться за счет силы трения, а при больших – в сопротивлении
обмоток. Траектория торможения с максимальной средней мощностью
рассеивания, а также точка максимальной пиковой мощности отображаются
на графике механических характеристик. Кроме того отображается диапазон
допустимых параметров балластного резистора.
Третья глава посвящена вопросам совершенствования СУ сервопривода
на базе ЦСП. Предложены средства повышения точности и
производительности электропривода. Приведены результаты моделирования,
а также внедрения отдельных компонентов СУ.
13
На рис. 3 представлена типовая каскадная структура СУ ВД, дополненная
моделью для расчета прямых программных связей по напряжению Ud_FF и
Uq_FF, калибровочными таблицами силы (Tcog(x)) и положения (xcorr(x)), а также
усовершенствованным задатчиком тока (ЗТ), позволяющим реализовать
динамическое ослабление поля, и генератором траектории (ГТ),
учитывающим вид граничных характеристик при формировании задания на
движение.
Генератор
Траектории
x*
Регулятор
положения
v*
Регулятор
скорости
ЗТ
v
Наблюдатель
скорости
xcorr(x)
Модель
T*
(Ud_FF; Uq_FF)
Инвертор, СМПМ,
датчики,
координатные
преобразования
(I*d; I*q)
Регулятор
тока
(Id; Iq)
Tcog(x)
x
Рис. 3. Предлагаемая структура СУ ВД
Рост производительности и динамической точности воспроизведения
заданной траектории получен за счет следующих решений:
1. Расширение скоростного диапазона работы ВД с МП до ОП. Новый ЗТ
позволяет реализовать динамическое ослабление поля за счет введения тока
Id таким образом, что обеспечивается высокая точность поддержания Iq, а
амплитуда вектора тока минимальна. Задача определения необходимого тока
Id решена на основе уравнений (1), из которых получается задача Коши (8),
дискретное решение которой приведено в диссертации и реализовано в ЗТ.
Для корректной работы ВД нужно дополнительно предусмотреть
⁄ .
ограничение на производную
{
(
[
]√
)
(8)
( )
(
где
).
2. Использование модели для расчета программных связей по
напряжению позволяет поднять быстродействие контура тока и повысить
точность воспроизведения заданной траектории. В соответствии с
задаваемыми компонентами вектора тока и заданным ГТ вектором
механических координат, по модели рассчитывается требуемые сигналы
Ud_FF и Uq_FF:
[
[
]
[
]
]
[ ]
[ ]
[
]
(9)
(
)
[
]
[
]
{
В такой структуре регуляторы тока, скорости и положения необходимы для
компенсации неточностей идеализированной модели.
14
Предложенная структура была проанализирована на модели в MatLab. Для
«классической» СУ с программной связью по скорости и ускорению и
статической компенсацией перекрестных связей в контуре тока, а также для
системы с предлагаемыми совершенствованиями анализировалось:
перемещение на 1,5 м с пользовательскими ограничениями скорости 10м/c,
ускорения 7g и рывка 5км/c3 (рис. 4).
Рис. 4. Результаты моделирования ВД на базе НЛСМ MCЛ-2,0-4,6-В.
Для «классической» S-образной траектории (без ослабления поля), был
произведен предварительный расчет для определения, при какой форсировке
перемещение будет произведено за минимальное время. Минимальное время
перемещения 420мс достигается при задании ограничении ускорения
46,9м/c2 и скорости 4,9м/с. Новая СУ с динамическим ослаблением поля
позволяет выполнить перемещение с максимальным заданным ускорением и
достичь существенно большей скорости. Перемещение с теми же
ограничениями отрабатывается за 324мс (рис. 4,а).
3. «Классическая» S-образная траектория с постоянством силы при
«мягкой» граничной электромеханической характеристике не позволяет
достичь высоких скоростей при максимальной форсировке электропривода.
Возможно либо достижение малых скоростей при высоких ускорениях, либо
высоких скоростей при низких ускорениях. Для максимального
использования возможностей привода разработан специальный ГТ,
учитывающий вид граничной характеристики. Это генератор S-образной
15
траектории с моделью электропривода, из которой рассчитывается кусочнолинейная аппроксимация характеристики ОП. В соответствии с ней Sтраектория «обрезается» в осях механических характеристик (рис. 4,г).
Годограф вектора обратной связи по току приведен на рис. 4,в. Траекторная
ошибка существенно ниже, чем в исходной системе (рис. 4,б). Программа ГТ
корректно учитывает динамику машины.
4. С целью снижения пульсаций скорости и повышения точности были
внедрены соответственно калибровка силы ВД и калибровка положения
электропривода.
Процесс получения калибровочной таблицы Tcog(x) ВД был
автоматизирован и реализован в качестве программного модуля для серии
электроприводов ЭЛК. В таблицу заносятся данные идентификации,
включающие в себя не только Tcog, но и высшие гармоники
электромагнитной силы T. В работе показано, что для электроприводов ЭЛК
высшие гармоники T пренебрежимо малы по сравнению с Tcog. При помощи
лазерного
интерферометра
Renishaw XL80 производились
измерения пульсаций скорости
при движении с постоянной
скоростью с калибровкой и без. В
результате пульсации скорости
после
калибровки
силы
понизились в несколько раз –
существенно
улучшилась
плавность хода (рис.7). Кроме того
снизился
акустический
шум,
вызванный резонансами гармоник
Рис.7. Пульсации скорости сервопривода
зубцовой силы в нежестком
ЭЛК8 с калибровкой силы и без неё.
основании механической части.
Аттестация точности электропривода производилась интерферометром
Renishaw XL80 в соответствии со стандартом ГОСТ 27843-2006. Точность
двухстороннего позиционирования с калибровкой привода возросла с 8,7
мкм до 5,5мкм.
Возможности реализации перечисленных новых средств повышения
эксплуатационных характеристик сервопривода ограничены вычислительной
мощностью ЦСП, обычно используемых для расчетов алгоритмов СУ. Так,
блок управления электропривода серии ЭЛК содержит в себе два ЦСП типа
TI F2812, ресурсов которых не хватает для полной реализации алгоритмов
подп. 1-3, описанных выше. Для реализации предложенных алгоритмов в
работе предложено использовать СнК.
Четвертая глава посвящена разработке и исследованию СУ ВД на базе
СнК, обеспечивающей максимально широкую полосу пропускания контура
тока сервопривода.
16
Известно, что использование аппаратного ускорения на базе ПЛИС
(программируемая логическая интегральная схема) позволяет на порядки
сократить время расчета алгоритмов управления прецизионного
сервопривода по сравнению с классическими системами с ЦСП за счет
параллельной обработки данных. В то же время, для работы системы в
составе промышленной сети реального времени с частотой обновления
порядка нескольких килогерц необходим мощный процессор. СнК сочетает и
мощный процессор, и ПЛИС в одном чипе, что позволяет осуществлять
быстрый и помехоустойчивый обмен информацией между ними. Качество
движения повышается за счет применения более сложных алгоритмов
управления, их быстрого расчета, поддержки высокоскоростных
промышленных сетей реального времени. Для непосредственно расчета
алгоритмов
СУ
привода
используется
вычислительная
мощность
ПЛИС.
Процессор
выполняет
коммуникационные
функции, а также управляет ПЛИС.
Последнее сводится к записи (и
чтению) данных в регистры ПЛИС,
в результате чего изменяются
параметры
системы,
уставки,
режимы движения.
На
рис.
8
представлены
временные
диаграммы,
иллюстрирующие синхронизацию
расчетов СУ и измерения токов с
ШИМ при различных вариантах
построения контура тока. На рис. 8,а
показан
треугольный
опорный
сигнал
ШИМ.
Измерение
пульсирующего
тока
можно
производить либо в вершинах этого
сигнала (рис. 8,б), либо методом
скользящего среднего (рис. 8,в).
В «классической» СУ с ЦСП,
Рис.
8.
Временные
диаграммы,
рассчитываются
иллюстрирующие задержки контура тока; а – алгоритмы
принцип ШИМ-модуляции; б – синхронное последовательно и на их расчет
считывание тока; в - считывание токов отводится
время,
равное
Ts
методом скользящего среднего; г – (половина периода опорного сигнала
управление током на базе ЦСП; д – ШИМ). Время между активизацией
управление током на базе ПЛИС; е –
новых уставок и их реальным
квазинепрерывное управление током на базе
ПЛИС; 1 – Импульсы управления стойкой влиянием составляет дополнительно
транзисторов; 2 – уставка ШИМ; 3 – в среднем 0,5Ts (показано стрелкой
треугольный опорный сигнал ШИМ.
на
Рис.8,г).
Таким
образом,
17
некомпенсируемая постоянная времени преобразователя – суммарная
задержка контура тока TΣ – составляет 1,5Ts. Использование аппаратного
ускорения на базе ПЛИС позволяет рассчитать все алгоритмы контура тока
быстрее, чем за 1мкс, и сразу же выдать управляющие воздействия.
Благодаря этому суммарная задержка TΣ уменьшается до 0,5Ts (рис. 8,д).
В работе предложена методика ещё большего снижения задержки СУ с
ПЛИС. Для этого необходимо, чтобы момент захвата входных сигналов СУ
был максимально близок к моменту выдачи управляющего воздействия. Это
можно реализовать за счет многократного за время Ts циклического расчета
управления. При этом уставки ШИМ постоянно обновляются. Коммутация
ключей происходит лишь один раз за полупериод пилы в результате
последнего расчета, предшествовавшего переключению. На рис. 8,е этот
расчет, выделен черным.
Результаты исследований показали, что минимальная задержка СУ
достигается при использовании ПЛИС и многократного расчета
управляющего воздействия, при синхронном считывании тока. На рис. 9
приведены полученные в работе расчетные ЛАФЧХ контура тока при
использовании ЦСП (график 1), ПЛИС (график 2), а также предлагаемого
подхода (график 3) при частоте ШИМ fшим=8кГц. Система с фазочастотной
характеристикой (график 2), проходящей через точки -45º и -90º при частотах
соответственно fшим/8 и fшим/4 обладает максимальной теоретически
возможной полосой пропускания при условии однократного проведения
расчетов СУ с началом, синхронизированным по времени с вершинами
треугольного опорного сигнала ШИМ. Полоса пропускания контура тока
зависит от TΣ. Достижение полосы пропускания 4кГц стало возможным в
системе с ПЛИС за счет возможности быстрого расчета управления с
использованием динамической модели, описанной в предыдущей главе.
Моделирование системы с многократным расчетом СУ на базе ПЛИС
(график 3) показывает ещё более высокие результаты. Существенно
уменьшилось фазовое запаздывание. Экспериментальные результаты (график
4), полученные с использованием СнК типа Xilinx XC7Z020, хорошо
соотносятся с результатами моделирования. Вычислительная мощность
ПЛИС, входящей в состав СнК позволила реализовать расчет контура тока с
динамической моделью за 0,34мкс. Задержку СУ удалось снизить с 93,75 до
0÷31,25мкс (в зависимости от уровня выходного напряжения ШИМинвертора).
Превосходство предложенной системы над системой с ЦСП по динамике
управления током говорит о перспективности применения СнК в сочетании с
разработанными методиками управления. Полоса пропускания контура тока
составила 4,5кГц против 4кГц у других известных решений на базе ПЛИС и
1,2кГц на базе ЦСП.
18
Рис. 9. ЛАЧХ контура тока ВД на базе машины с длительным моментом 1,3Н·м,
Ic=3,2А, R=0,85Ом и L=1,3мГн, числом пар полюсов 4, напряжением звена
постоянного тока 310В, 1 – система с ЦСП, моделирование; 2 – система с ПЛИС,
моделирование; 3 – разработанная система с ПЛИС, моделирование, 4 – разработанная
система с ПЛИС, экспериментальные результаты.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате исследований и разработок, направленных на
совершенствование СУ прямого сервопривода с целью повышения его
точностных показателей и производительности, получены следующие
основные результаты:
1. Произведен анализ влияния ограничений координат ВД на показатели
точности и производительности сервопривода при использовании
существующих структур СУ ВД и предложена методика учета предельных
характеристик ВД при формировании траектории движения, позволяющая
поднять производительность сервопривода при отработке отдельных
технологических циклов на десятки процентов (+30% в рассмотренном
случае).
2. Разработана методика определения параметров, возмущений и предельных
электромеханических характеристик сервопривода на основе гладких
путевых траекторий 3-го порядка без использования дополнительных
внешних нагрузок и без изменений в структуре СУ электропривода.
3. Для автоматизированной идентификации сервоприводов серии ЭЛК на
основании предложенной методики было разработано специальное ПО.
4. Для быстрого прототипирования прецизионных линейных сервоприводов
серии ЭЛК было разработано ПО, помогающее в подборе компонентов
электропривода.
5. Реализована калибровка силы ВД, позволяющая повысить плавность
движения. В рассмотренном случае при движении с постоянной скоростью
её пульсации понизились в 3 раза.
19
6. Реализована калибровка положения электропривода, позволяющая поднять
точность сервопривода.
7. Предложены новые алгоритмы управления током ВД, с реализацией на
программируемой логике, позволяющие в несколько раз расширить полосу
пропускания контура тока типового сервопривода (с 1,2кГц до 4,5кГц в
рассмотренном случае) за счет использования динамической модели ВД и
уменьшенной задержки в контуре тока.
Результаты экспериментальных исследований показали эффективность
разработанных методик идентификации и управления прямого сервопривода,
которые позволяют более полно использовать возможности силовой части
электропривода, расширяя спектр и диапазон его возможных применений.
При разработке высокоточных станков значительное снижение капитальных
затрат возможно
за счет использования сервопривода с меньшей
установленной мощностью и меньшими массогабаритными показателями, с
более простой системой измерения положения. Результаты работы были
использованы при создании опытных образцов отечественных комплектных
электроприводов серии ЭЛК для точного машиностроения.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
В изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных
результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата
наук и/или включенных в международные базы цитирования.
1. Рассудов Л.Н. Разработки прецизионной мехатроники в ФГБОУ ВПО
«НИУ «МЭИ» / Балковой А.П., Рассудов Л.Н., Сливинская Г.А., Толстых
О.А., Тяпкин М.Г., Цаценкин В.К. // Электротехника – 2015 №1 – С. 9-12.
2. Rassudov L.N. Dynamic model exact tracking control of a permanent magnet
synchronous motor / Rassudov, L.N.; Balkovoi, A.P. // 2015 International
Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), 21-23 May
2015, Omsk, Russia. IEEE, 2015.
3. Rassudov L.N. System on Chip in modern motion control systems. / Rassudov,
L.N.; Anuchin, A.S. Briz, F.; Gulyaev I.V. // 56th International Scientific
Conference on Power and Electrical Engineering of Riga Technical University,
October 14, 2015. IEEE, 2015.
4. Rassudov L.N. FPGA based Broadband Current Control for a Servodrive/
Rassudov L.N.; Balkovoi A.P. // Proceedings of the 2016 IEEE North West
Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering
Conference 2-3 February 2016, St-Petersburg, Russia. P703-706.
5. Рассудов Л.Н. Использование аппаратного ускорителя на базе плис в
системах управления электроприводов / Рассудов Л.Н., Анучин А.С.,
Балковой А.П., Гуляев И.В. //Промышленная энергетика.– 2016 – №3. – C.
40-43.
20
Другие издания.
6. Rassudov, L. Exact tracking of a PMSM in the extended speed range. /
Rassudov, L.; Balkovoy, A. // 57th Internationales Wissenschaftliches
Kolloquium Ilmenau University of Technology 07 – 11 September 2012.
7. Рассудов Л.Н. Новые разработки линейного сервопривода на кафедре
АЭП НИУ МЭИ / Рассудов Л.Н., Балковой А.П., Головин А.О.,
Сливинская Г.А., Толстых О.А. Тяпкин Г.М. // Вестник НТУ «ХПИ» Сб.
Науч.тр.Серия: Проблемы автоматизированного электропривода. Теория
и практика. – Х.:НТУ «ХПИ» Украина, Харьков.2013.
8. Rassudov, L. DYNAMIC MODEL CONTROL OF A PERMANENT
MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR. / Rassudov, L. // 11th Students’
Science Conference 03-06 October 2013 Bedlewo, Wroclaw2013 p.121-126.
9. Рассудов Л.Н. Системы на кристалле: Новые возможности управления
сервоприводом. / Рассудов Л.Н, Балковой А.П. //Труды VIII
международной
(XIX
Всероссийской)
конференции
по
автоматизированному электроприводу АЭП-2014. – Саранск, 07-09 окт
2014г. – Т.1 стр. 384-388.
10. Рассудов Л.Н. Новые разработки линейного электропривода на кафедре
АЭП НИУ «МЭИ». / Балковой А.П., Рассудов Л.Н., Сливинская Г.А.,
Толстых О.А., Тяпкин М.Г., Цаценкин В.К. // Труды VIII международной
(XIX
Всероссийской)
конференции
по
автоматизированному
электроприводу АЭП-2014. – Саранск, 07-09 окт 2014г. – Т.2 стр. 13-17.
11. Рассудов Л.Н. Калиброванное управление силой вентильного двигателя /
Рассудов Л.Н., Балковой А.П., Сливинская Г.А., Капитонец В.К.,
Морозова Т.Н., Иноземцев Г.И. // Электротехника: сетевой электронный
научный журнал. 2015. Том 2, №2 С. 3-6
12. Рассудов
Л.Н.
Система
управления
прямого
прецизионного
электропривода / Рассудов Л.Н. Балковой А.П. // Актуальные проблемы
современной науки, техники и образования: матер. 71-й межрег. науч.техн. конф. - Магнитогорск: ФГБОУ ВПО "МГТУ", 2013. - Т.2. – стр. 52 56.
13. Рассудов Л.Н. Прецизионный линейный электропривод / Рассудов Л.Н.,
Балковой А.П., Сливинская Г.А., Толстых О.А. // Труды МЭИ – 2012
№688 – стр. 30-38.
14. Рассудов Л.Н. Определение коэффициента силы и подвижной массы
прямого линейного электропривода. / Рассудов Л.Н. // Труды МЭИ – 2013
№689, Стр.36-41.
15. Рассудов
Л.Н.
Калибровка
силы
прецизионного
линейного
электропривода / Рассудов Л.Н., Капитонец В.К., Сливинская Г.А.//
Труды МЭИ – 2014 №690, Стр.10-18.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
17
Размер файла
1 294 Кб
Теги
динамика, прямого, методов, точности, разработка, улучшении, сервоприводом, исследование
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа