Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики (технический университет) (СПбГИТМО(ТУ))

_________________________________________________________________

ГРНТИ : 45.41.33, 50.33.31, 50.41.25.

(заключительный за 2002 г.)

_____________________ В.А. Синицын (1, 3 главы)

_____________________ В.А. Гурьянов (2, 3 глава)

_____________________ М.В. Никитина ( 3 глава)

Разработаны концептуальные положения комплекса лабораторных установок "Системы приборного электропривода с полупроводниковыми преобразователями и компьютерным управлением", удовлетворяющих требованиям к подготовке дипломированных специалистов в рамках направления 654500 "Электротехника, электромеханика и электротехнологии". Сформулированы требования к энергетической и информационной подсистемам, программно-аппаратному комплексу микропроцессорного управления электроприводами, позволяющему создавать и отлаживать в интерактивном режиме программное обеспечение, реализующее различные алгоритмы управления; осуществлять сбор и компьютерную визуализацию данных лабораторного эксперимента; организовывать виртуальные пульты управления лабораторной установкой.

Для реализации задач создания и отладки в интерактивном режиме программного обеспечения, реализующего различные алгоритмы управления электроприводами, сбора и компьютерной визуализации данных лабораторного эксперимента, изучения структур и принципов функционирования микропроцессорных систем управления и организации виртуальных пультов управления лабораторными установками создан программно-аппаратный комплекс микропроцессорного управления. Написаны тексты программ, реализующие различные алгоритмы управления электроприводом и организацию виртуальных пультов управления лабораторной установкой.

Введение

1. Функциональная схема электропривода головного стенда

2. Общие сведения о программно-аппаратном комплексе микропроцессорного управления лабораторным стендом

3.2.1. Пусковой ток в системе "ШИП-ДПТ-ИЭДС"

3.2.2. Время спада пускового тока ДПТ до нуля и выбор параметров режима измерения ИЭДС

3.2.3. Среднее значение пускового тока и момента системы "ШИП-ДПТ-ИЭДС"

3.4.2. Эквивалентная линейная модель системы регулирования скорости с измерителем ЭДС вращения

Курс "Основы электропривода" является основополагающим для специальностей электромеханического профиля: "Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов", "Электромеханика", "Электрооборудование летательных аппаратов" и др. Этот курс достаточно сложен для изучения, так как базируется на ряде разнопрофильных дисциплин: ТОЭ, Электрические машины, Электроника, Преобразовательная техника, Теория автоматического управления и т.п. Для изучения излагаемых в нем вопросов необходимо хорошее владение математическим аппаратом и глубокие знания физических процессов в статике и особенно в динамике электромеханических систем [1]. Очень часто только экспериментальные исследования позволяют студенту познать причины отклонения процессов от их упрощенного характера, который обычно кладется в основу расчетов и математического моделирования, и выявить степень влияния не учитываемых явлений.

Разрабатываемый головной стенд: "Исследование цифровых систем электропривода постоянного тока с широтно-импульсными транзисторными преобразователями", кроме изготовленного электромеханического блока, состоящего из испытуемой и нагрузочной электромашин типа ДРВ- 20Д, тахогенератора на базе машины постоянного тока типа ДПМ - 35 Н1 - 04 и цифрового датчика положения типа IRO - 111, включает в себя следующие основные блоки и устройства:

Модуль сопряжения предназначен для преобразования сигналов обратной связи по току и скорости, к виду и величине, удобным для ввода в контроллер управления. Кроме того, этот модуль решает задачу индикации основных режимов работы электроприводов.

Конструктивно все модули и блоки системы головного стенда выполнены в стандарте "PROJET " и размещены в корпусе высотой 3U и шириной 84HP. Размеры устанавливаемых съемных блоков согласно DIN 41 494. Верхняя и нижняя части и боковые панели выполнены из окрашенного в нежно-зеленый цвет пластика (дизайн по RAL 2007010), поперечины: алюминий, угловая окантовка: штампованный цинк, верхние и нижние внутренние панели субблока: тонколистная перфорированная сталь. Настольный корпус головного образца лабораторного стенда обеспечивает защиту от радиочастотных излучений и имеет отличный дизайн.

Для реализации задач создания и отладки в интерактивном режиме программного обеспечения, реализующего различные алгоритмы управления электроприводами НМ и ИМ, сбора и компьютерной визуализации данных лабораторного эксперимента, изучения структур и принципов функционирования микропроцессорных систем управления и организации виртуальных пультов управления лабораторными установками создан программно-аппаратный комплекс микропроцессорного управления [2-4, 9 ].

Программа Labor (далее просто Labor или LABOR) является частью комплекса, предназначенного для организации автономного управления цифровыми электроприводами лабораторного комплекса и их настройки. В этот комплекс помимо Labor'а входят микропроцессорное устройство, расположенное внутри компьютера, и собственно сама система электроприводов. Labor предназначен для наглядного и простого описания требуемых задающих сигналов, отображения и контроля работы системы. С помощью Labor'а можно описывать различные режимы работы электропривода, сохранять их в файле, запускать на выполнение, контролировать процесс отработки заданных режимов, производить отладку контуров управления и сохранять результаты работы в отдельных файлах для дальнейшей обработки.

В целом ряде случаев, когда в аналоговых и цифроаналоговых системах электропривода постоянного тока исключена возможность использования в качестве датчиков скорости тахогенераторов, импульсных или других датчиков, выполненных в виде электромеханических устройств и требующих их стыковки с валом исполнительного двигателя, для формирования сигнала обратной связи по скорости вращения наиболее приемлемым является способ, основанный на измерении напряжения на якоре двигателя при периодическом (с периодом) обрыве цепи якоря на время (1-)[14, 15, 17]. Применение этого способа особенно удобно в системах электропривода, где двигатель постоянного тока управляется по цепи якоря от транзисторного широтно-импульсного преобразователя [14 - 17]. Упрощенная функциональная схема устройства, реализующего указанный способ, и временные диаграммы, иллюстрирующие его работу, приведены соответственно на рис.3.1,а,б.

На интервале времени периода измерения напряжение на якоре ДПТ представляет собой последовательность импульсов постоянной амплитуды с периодом следования << и относительной длительностью , пропорциональной входному сигналу ШИП U, ток якоря является пульсирующим знакопеременным или знакопостоянным.

На интервале времени (1-) периода все транзисторы VT1-VT4 силового моста ШИП заперты сигналом uблока 2 и ток якоря падает, замыкаясь через обратные диоды моста VД1,VД4 (или VД2, VД3) встречно ЭДС Е_п источника питания.

Если ток успевает упасть до нуля к концу интервала времени (1-) от любых начальных значений вплоть до пусковых, то напряжение на якоре к концу каждого периода измерения равно ЭДС вращения е_я ДПТ. Зафиксированный в блоке 3 на весь последующий период измерения (n+1) сигнал напряжения на якоре U_я(nT_и) используется в качестве дискретного сигнала обратной связи по скорости вращения ДПТ w _д*.

1. Устройство для измерения ЭДС указанным способом не является пассивным по отношению к системе ШИП-ДПТ, оно снижает жесткость ее механических характеристик. Однако, при значениях , удовлетворяющих условию 0,9, жесткость механических характеристик рассматриваемой системы ШИП-ДПТ с ИЭДС в диапазоне моментов нагрузок M незначительно ниже жесткости соответствующих характеристик обычной системы ШИП-ДПТ.

2. ИЭДС обладает моментной ошибкой, поскольку за время (1-), в течение которого силовые транзисторы ШИП заперты, имеет место уменьшение скорости вращения вала под действием статического момента нагрузки. Следовательно, сигнал на выходе блока 3, соответствующий значению скорости вращения в конце интервала времени (1-), отличается от среднего за период измерения значения скорости тем больше, чем выше момент нагрузки.

3. Наконец, информация на выходе ИЭДС остается неизменной практически в течение всего периода измерения и, следовательно, устройство обладает динамической ошибкой, зависящей от длительности периода .

Если на интервале времени рабочего состояния ключей входное напряжение U схемы управления СУ составляет величину UU, то транзисторный ШИП находится в насыщении, относительная продолжительность включения якоря в цепь питания , напряжение на якоре ДПТ постоянно и составляет величину E. Эквивалентная схема замещения силовой цепи представлена на рис.3.2.

При величине интервала времени 3T ток якоря достигает пусковых значений

На интервале времени запертого состояния ключей (1-) ток якоря ДПТ спадает до нуля, замыкаясь через обратные диоды моста встречно источнику питания Е.

При ,

К моменту окончания интервала времени (1-) ток якоря ДПТ должен быть равен нулю, т.е. . С учетом выражения (3.2, в) имеем

Выбор величины интервала времени запертого состояния ключей ШИП, гарантирующей спад пускового тока якоря ДПТ до нуля к концу указанного интервала и нормальное функционирование ИЭДС, и величины периода измерения следует осуществлять с учетом (3.3) и (3.2) на основании соответственно соотношений

при этом величина относительной длительности интервала рабочего состояния ключей ШИП определится на основании соотношения

В таблице 3.1 приведены значения параметра, соответствующие различным величинам периода измерения

	3Тя	4Тя	5Тя	8Тя	10Тя
	0,77	0,82	0,86	0,91	0,93

	3Тя	4Тя	5Тя	8Тя	10Тя
	0,77	0,82	0,86	0,91	0,93
Iпср1	0,57 Iп	0,65 Iп	0,72 Iп	0,82 Iп	0,86 Iп
Мпср1	0,57 Мп	0,65 Мп	0,72 Мп	0,82 Мп	0,86 Мп

На рис.3.4, а, б представлены процессы в цепи якоря заторможенного двигателя при значении среднего напряжения на якоре соответственно величиной U_яср1 =Е_п и U_яср2=0,5Е_п.

Структурная схема системы "ШИП-ДПТ-ИЭДС", представленная на рис.3.5, содержит ДПТ, ШИП и генератор Г, формирующий режим измерения ЭДС.

На рис. 3.6, а,б приведены процессы изменения тока якоря i_я и скорости при пуске двигателя в режиме измерения ЭДС с параметрами Т_и=5Т_я и Т_м =2Т_и соответственно для случаев замкнутой и разорванной связи по противоЭДС в модели двигателя. Здесь же изображены процессы изменения тока i_яэ и скорости _э при пуске этого же двигателя в обычном режиме.

где К_1max - коэффициент, учитывающий уменьшение пускового момента двигателя в режиме измерения ЭДС и определяемый на основании (3.5) как

На рис.3.7 представлена эквивалентная линейная модель системы "ШИП-ДПТ" в режиме измерения ЭДС вращения Эта модель содержит ДПТ с эквивалентными механической постоянной Т_ми1 и электромагнитной постоянной цепи якоря Т_яи и усилитель мощности непрерывного типа с коэффициентом передачи на линейном участке статической характеристики К_ст =Е_п / U₀ и насыщением выходного сигнала на уровне Е_п , наступающим при превышении входным сигналом U_у некоторого напряжения U₀ .

Анализ представленных процессов показывает весьма удовлетворительное совпадение переходных процессов по скорости в исследуемой системе "ШИП-ДПТ-ИЭДС" и поставленной ей в соответствие эквивалентной линейной модели. Процессы пуска двигателя при относительной продолжительности включения якоря в цепь источника питания 1 представлены на рис. 3.9, а. Там же приведены процессы в линейной эквивалентной модели с параметрами двигателя, режима измерения ЭДС и эквивалентной модели , соответствующими рис.3.8.

Рис. 3.9

Анализ представленных процессов показывает, что нарастание скорости _э в эквивалентной линейной модели выше, чем в реальном двигателе. Указанное отличие объясняется тем, что выбор эквивалентной механической постоянной Т_ми1 в эквивалентной модели осуществлялся на основании соотношения (3.7), учитывающего среднее значение пускового момента. Среднее за период измерения Т_и значение пускового момента при <1 ниже среднего расчетного пускового момента, определяемого на основании соотношений (3.5) и (3.6) при напряжении на якоре U_ср = Е_п . Это снижение объясняется уменьшением времени существования тока якоря на интервале времени при <1, как показано на рис.3.4,б.

Минимальное среднее за период измерения Т_и значение тока системы "ШИП-ДПТ-ИЭДС" при <<1 может быть определено следующим образом

где .

На рис.3.9, б представлены процессы изменения тока якоря i_я и скорости при пуске двигателя с относительной продолжительностью включения якоря в цепь источника питания <1 и процессы в линейной эквивалентной модели при скорректированной на основании (3.10) и (3.11) величине эквивалентной механической постоянной . Анализ представленных процессов показывает, что в момент времени t=Т_и скорость двигателя и эквивалентная скорость равны.

В табл.3.3 приведены значения коэффициентов К_max1 и К_min1, соответствующие различным величинам периода измерения Т_и .

	3Тя	4Тя	5Тя	8Тя	10Тя
	0,77	0,82	0,86	0,91	0,93
Кmax1	0,57	0,65	0,72	0,82	0,86
Кmin1	0,46	0,58	0,66	0,785	0,83

С учетом Т_яи 0 эквивалентная модель двигателя в режиме измеренияЭДС может быть представлена структурными схемами, приведенными на рис.4.10, а,б соответственно при М_с 0 и М_с=0.

На рис.3.11 представлена структурная схема одноконтурной системы регулирования скорости ДПТ с дискретным датчиком вращения. Система содержит ДПТ, транзисторный ШИП, генератор Г, формирующий сигналом U1 режим измерения ЭДС вращения, фиксирующий элемент ФЭ, в котором осуществляется под воздействием сигнала U2 генератора Г фиксация ЭДС вращения в дискретные моменты времени nT_и и ПИ-регулятор скорости с коэффициентом передачи К_рс и временем изодрома Т_рс .

На рис.3.12, а представлены процессы изменения координат электропривода при пуске двигателя в режиме измерения ЭДС с параметрами Т_и = 5Т_я , Т_{м =} 2Т_и , =0,86 с относительной продолжительностью включения якоря двигателя в цепь источника питания при разорванной в модели обратной связи по противоЭДС. К их числу относятся: ток якоря i_я и скорость w ; ток i_э и скорость в эквивалентной линейной модели при , Т_ми = Т_м/К_max1 = Т_м/0,72; - сигнал на выходе измерителя ЭДС; f₁ - периодический сигнал, учитывающий пульсации скорости в режиме измерения ЭДС и удовлетворяющий условию ; - эквивалентная скорость, запаздывающая относительно на время ; f₂ - периодический сигнал, моделирующий работу измерителя ЭДС согласно условию , среднее за период Т_и значение которого равно нулю.

С учетом введенных координат и f₂ эквивалентная линейная модель измерителя ЭДС может быть представлена изображенной на рис.3.13 структурной схемой, содержащей звено чистого запаздывания с выходным сигналом , суммируемым далее с сигналом f₂. Суммарный сигнал на выходе эквивалентной линейной модели измерителя при этом равен сигналу измерителя ЭДС.

На рис.3.12, б представлены процессы, аналогичные изображенным на рис.3.12,а, и кроме того:- эквивалентная скорость на выходе апериодического звена первого порядка с постоянной времени/2, входным сигналом которого является ; f₂ - периодический сигнал, моделирующий работу измерителя ЭДС согласно условию , среднее за период Т_и значение которого в установившемся режиме работы равно нулю.

С учетом введенных координат и f₂ эквивалентная линейная модель измерителя ЭДС может быть представлена изображенной на рис.3.14 структурной схемой, содержащей апериодическое звено первого порядка с постоянной времени /2 и выходным сигналом , суммируемым далее с сигналом f₂ . Суммарный сигнал на выходе эквивалентной линейной модели измерителя при этом равен сигналу измерителя ЭДС.

где К_фэ= U_осмах /Е_п и U_осмах - соответственно коэффициент передачи фиксирующего элемента ФЭ и максимальное значение сигнала на его выходе.

Последняя структурная схема при Т_яи 0 и при отсутствии сигнала помехи f₂ может быть приведена к виду, показанному на рис.3.16.

где = Т_дс = Т_и /2.

Если принять амплитуду опорного напряжения ШИП U₀ и величину максимального сигнала на выходе фиксирующего элемента U_0max равными 10 В, то статический коэффициент передачи ШИП К_ст , коэффициент передачи ФЭ К _фэ и эквивалентный коэффициент передачи датчика скорости К_дс могут быть рассчитаны по формулам соответственно

На рис. 3.17 представлена структурная схема одноконтурной системы регулирования скорости с измерителем ЭДС и входным сглаживающим фильтром. На рис. 3.18, а представлены кривые, характеризующие переходные процессы по скорости (, ) и току якоря ( i_я , i_э) при реакции системы на скачек задающего воздействия для случаев Т_ф 0. Параметров регуляторов К_рс и Т_рс в исследуемой системе с измерителем ЭДС получены на основании расчета эквивалентной системы по соотношениям (3.17-3.21). Величина коэффициента К₁ , учитывающего режим измерения, была при расчете системы принята минимальной, т.е. К₁ = К_1min .

В табл.3.4 приведены параметры переходных процессов в исследуемой системе и эквивалентной ей линейной системе при Т_ф 0.

На рис.3.18, б представлены переходные процессы по скорости и току якоря i_я при отработке исследуемой системой скачка задающего воздействия для Т_ф = 0. Как видно, переходный процесс в исследуемой системе заканчивается за один период измерения Т_и .

Сигнал обратной связи на выходе фиксирующего элемента ФЭ в момент времени t=Т_и при Т_рс и К_рс , рассчитанных по формулам соответственно (3.14) и (3.21), можно с учетом (3.18)и (3.20) определяется выражением

.

С учетом соотношений (3.18)-(3.20), определяющих статический коэффициент передачи ШИП К_ст , коэффициент передачи ФЭ К_фэ и эквивалентный коэффициент передачи датчика скорости К_дс передаточная функция замкнутой системы может быть представлена следующим выражением

.

, .

Полагая , определяем коэффициент К_рс :как

Из условия с учетом (3.24а) определяем коэффициент Т_рс :

,

где Т .

На рис.3.19,а представлены переходные процессы по скорости (, ) и току якоря (i_{я ,}i_э )в настроенной на "симметричный оптимум" системе при отработке скачка задающего воздействия для случая Т_ф =0. Величины параметров регуляторов К_рс и Т_рс в исследуемой системе с измерителем ЭДС получены на основании расчета эквивалентной линейной системы по соотношениям (3.25, а), (3.25, б) и (3.18)-(3.20), причем величина коэффициента К₁, учитывающего режим измерения, выбиралась минимальной, т.е. К₁ ==К_1min .

На рис.3.19, б представлены переходные процессы в настроенной на "симметричный оптимум" системе при отработке скачка задающего воздействия для случая Т_ф .

Основные результаты проекта, такие как: программно-аппаратный комплекс микропроцессорного управления и интерактивного интерфейса ввода, вывода для систем управления и снятия необходимых характеристик исследуемых электроприводов, требования к составу оборудования, варианты индивидуальных домашних заданий для расчета и моделирования процессов в исследуемых системах из условия возможности экспериментальной проверки результатов на стенде, методические указания к выполнению цикла работ на каждом лабораторном стенде, включающие основы теории, описание лабораторной установки, программы работ, методики снятия статических и динамических характеристик, опросные тесты и т.п.; позволят перевести процесс создания лабораторного оборудования начала XXI века в практическую плоскость. Особую перспективу результаты данного проекта будут иметь при создании лабораторного оборудования для высших и средних учебных заведений электромеханического и приборостроительного профиля. Создание макетного головного стенда вентильного электропривода на основе двигателя постоянного тока, содержащего исследуемую и нагрузочную электромашины и PC IBM, позволит внедрить и использовать в учебном процессе перспективную технологию на уровне мировых стандартов.

1. Ю.А.Сабинин. Позиционные и следящие электромеханические системы: Учебное пособие для вузов. - . СПб.: Энергоатомиздат.2001. - 208 с.: с ил.
2. Денисов К.М., Томасов В.С., Усольцев А.А. Использование компьютерных технологий в учебных курсах на кафедре электротехники и прецизионных электромеханических систем. Сборник статей. Современные образовательные технологии. / Под ред. В.Н.Васильева. СПб: СПбГИТМО (ТУ), 2001. С.79 - 88.
3. С.Г.Герман - Галкин. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0.: Учебное пособие. - СПб: "Корона принт", 2001, 340 С.
4. Томасов В.С., Денисов К.М., Усольцев А.А. Разработка и использование электронных учебно - методических пособий при выполнении комплексных лабораторных работ. Труды научно-практической конференции "Учебные и справочные электронные издания: опыт и проблемы" СПб. 2001. С. 127 - 135.
5. В.С.Томасов, В.А.Толмачев, К.М.Денисов Разработка учебного лабораторного комплекса: "Системы приборного электропривода с полупроводниковыми преобразователями и компьютерным управлением". Индустрия образования: Сб. статей. Выпуск 3. - М.:МГИУ, 2002 с. 78-82
6. Томасов В.С., Гурьянов В.А., Серебряков С.А. ((аспирант). Моделирование электромагнитных процессов в энергоподсистеме электропривода постоянного тока. Труды III Международной (XIY Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу. Нижний Новгород , 12-14 сентября 2001 года. С.77-78.
7. Борисов П.А. (аспирант), Томасов В.С. Расчет и моделирование электромагнитных процессов в силовой цепи замкнутой системы электропривода постоянного тока. Труды XXIX НЕДЕЛИ НАУКИ СПбГТУ. СПб.2001.С.112-113.
8. Жданов И.Н. (аспирант), Денисов К.М. Виртуальный пульт управления лабораторным стендом. Труды XXIX НЕДЕЛИ НАУКИ СПбГТУ. СПб.2001.С.113-114.
9. Лукичев Д.В. (аспирант), Денисов К.М. Микропроцессорная система обработки данных СКВТ в системе электропривода. Труды XXIX НЕДЕЛИ НАУКИ СПбГТУ. СПб.2001.С.114-115.
10. Опрокидывание асинхронного двигателя с векторным управлением. / А.А. Усольцев, Д.В. Лукичев // Изв. вузов. Приборостроение. 2002. Т.45, N8.
11. Проектирование автоматических систем на основе обобщенного симметричного оптимума / В.В. Власенко, В.А. Толмачев// Изв. вузов. Приборостроение. 2002. Т.45, N8.
12. Электрические комплексы и системы с полупроводниковыми преобразователям., В.С. Томасов, В.А. Толмачев // Изв.вузов. Приборостроение, 2000. Т.43, №1-2. С.70-75
13. Организация канала связи внутри контура регулирования прецизионных комплексов слежения / К.М. Денисов, В.А. Синицын // Изв. вузов. Приборостроение. 2002. Т.45, N8.