Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Системи точного електроприводу малої потужності на основі вентильних двигунів з постійними магнітами

Заровський Руслан Владиславович

Київ - 2008

Анотації

Заровський Р.В. Системи точного електроприводу малої потужності на основі вентильних двигунів з постійними магнітами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - "Електротехнічні комплекси та системи". - Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2008.

Дисертація присвячена подальшому розвитку систем прецизійного вентильного електроприводу малої потужності на основі вентильних двигунів з постійними магнітами, розробці дослідних зразків електроприводів з покращеними динамічними характеристиками та засобів їхнього налагодження, розробці методів аналізу і мінімізації помилки регулювання в подібних системах та їх практичній реалізації на основі традиційних і нечітких регуляторів.

На основі запропонованої моделі широтно-імпульсного перетворювача "у великому" з використанням математичного апарату багатомірного Z-перетворення і рядів Вольтерра розроблено новий метод аналізу систем із глибокою широтно-імпульсною модуляцією, який характеризується підвищеною точністю та дозволяє в загальному вигляді оцінити вплив сукупності параметрів системи на якість її процесів. При цьому встановлено, що облік третього коефіцієнта апроксимуючого поліному Ермітта дозволяє отримати точність аналізу процесів в системі таку ж, як і при чисельних розрахунках.

Запропоновано загальну методику оптимізації параметрів регулятора за мінімумом сумарної помилки регулювання, яка дозволяє забезпечити високі показники точності в системі електроприводу при його налагодженні. Розроблено нові зразки точного електроприводу з високими техніко-економічними показниками.

Ключові слова: система стабілізації швидкості, вентильний двигун з постійними магнітами, похибка регулювання.

Заровский Р.В. Системы точного электропривода малой мощности на основе вентильных двигателей с постоянными магнитами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - "Электротехнические комплексы и системы". - Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2008.

Диссертация посвящена дальнейшему развитию систем прецизионного вентильного электропривода малой мощности на основе вентильных двигателей с постоянными магнитами, разработке опытных образцов электроприводов с улучшенными динамическими характеристиками и средств их наладки, разработке методов анализа и минимизации ошибки регулирования в подобных системах и их практической реализации на основе традиционных и нечетких регуляторов.

В работе средствами математического моделирования исследованы режимы работы вентильных двигателей и установлены способы повышения качества стабилизации скорости с учетом конкретных возмущений.

На основе разработанной модели вентильного двигателя, учитывающей специфику блока датчиков положения ротора, найдены условия устойчивого перевода двигателя в синхронный режим, а также установлены пределы устойчивой работы двигателя в этом режиме при воздействии возмущающих факторов - по питанию и по нагрузке. Исследовано влияние указанных возмущений на процесс установления скорости и величину фазового рассогласования, что позволяет оценить динамическую точность систем электропривода. С помощью разработанной модели двигателя установлена степень влияния технологических погрешностей, допущенных при изготовлении и установке блока датчиков положения ротора, на показатели точности электропривода.

В результате моделирования установлено, что посредством введения угла перекрытия фаз коммутатора в пределах 15-20 градусов можно существенно снизить пульсации скорости вентильного двигателя в установившемся режиме. Чрезмерное же его увеличение из-за нелинейности объекта управления может привести к обратному результату.

В работе предложен вариант модифицированной модели ШИП "в большом", в которой, в отличии от известной многоконтурной модели, более точно аппроксимированы нелинейности модуляционных характеристик контуров Уолша. На основе предложенной модели широтно-импульсного преобразователя "в большом" с использованием математического аппарата многомерного Z-преобразования и рядов Вольтерра разработан новый метод анализа систем с глубокой широтно-импульсной модуляцией, который обладает повышенной точностью и позволяет в общем виде оценить влияние совокупности параметров системы на качество ее процессов. При этом установлено, что учет третьего коэффициента аппроксимирующего полинома Эрмитта позволяет получить точность анализа процессов в системе такую же, как и при численном расчете. Установлено, что с увеличением полосы пропускания системы увеличивается влияние третьего приближения на точность анализа процесса. В системах инерционных это влияние можно не учитывать. Результаты теоретических исследований показали, что на точность полученных результатов значительное влияние оказывает величина дисперсии, выбор которой должен производиться с учетом реальных значений амплитуды сигнала на входе нелинейных элементов.

Предложено общую методику оптимизации параметров регулятора по минимуму суммарной ошибки регулирования, которая позволяет обеспечить высокие показатели точности в системе электропривода при его настройке. Предложенная методика оптимизации параметров регулятора обладает недостатком, состоящим в увеличении громоздкости решения при повышении порядка системы. Однако, применение на промежуточных этапах вычислений стандартных математических программ, позволяет этот недостаток предложенной методики свести к минимуму.

Установлено, что комплексный характер возмущающих воздействий и нелинейность электропривода с широтно-импульсным регулированием не позволяют реализовать регулятор системы на основе традиционных решений, позволяющий обеспечить заданную точность. Обоснована возможность решения этой задачи на основе нечеткого регулятора, который способен формировать управляющее воздействие с учетом характера нелинейной системы. Однако моделирование и эксперимент показали, что его эффективная работа возможна в комбинации с обычным регулятором, который способен обеспечить необходимый порядок астатизма системы.

Построены фазовые портреты ошибки систем стабилизации с ШИМ с учетом возмущений по питанию и по нагрузке, на основании которых предложена методика настройки нечетких регуляторов для различных способов их включения в состав систем стабилизации. Установлено, что наилучший результат с точки зрения достижимой точности стабилизации обеспечивается при использовании в контуре скорости корректирующего включения нечеткого и интегрального регуляторов.

В результате теоретических исследований и моделирования разработано универсальное отладочное устройство, которое позволяет осуществлять практическую настройку режимов работы ВД в прецизионных системах стабилизации скорости с целью достижения предельно возможной точности стабилизации. Комплекс проведенных экспериментальных исследований на основе отладочного устройства позволил для конкретных условий эксплуатации установить тип регулятора, который обеспечивает наилучшие динамические параметры системы.

По результатам работы созданы новые образцы точного электропривода с высокими технико-экономическими показателями, получившие практическое внедрение.

Ключевые слова: система стабилизации скорости, вентильный двигатель с постоянными магнитами, ошибка регулирования.

Zarovsky R.V. Precision low power electric drive systems with brushless permanent magnets motor. - Manuscript.

The dissertation for a candidate's degree on speciality 05.09.03 - "Electrotechnical Complex and Systems". - Institute of Electrodynamics of Ukrainian National Academy of Sciences, Kyiv, 2008.

Dissertation is devoted to further development of the precision low power electric drive systems with brushless permanent magnets motor, development of pre-production models of electric drives with the improved dynamic characteristics and means of their adjustment, development methods of analysis and minimization of the error of regulation in similar systems and their practical realization on the basis of traditional and fuzzy regulators.

In work basis of the offered model of the pulse-width converter "in big" with the use of the mathematical device of multidimensional Z-transformation and numbers of Volterra the new method of analysis systems with deep pulse-width modulation which possesses increased accuracy has been developed. It allows in common view estimate influence of system parameters set on quality of its processes. Thus it is established that the account of the third factor of Hermit's approximating polynom allows receiving the same accuracy of processes analysis in the system as in numerical calculation.

It is offered common technique of optimization regulator parameters on a minimum total error of regulation which allows provide high parameters of accuracy in electric drive systems at its adjustment. New samples of the exact electric drive with high technical and economic parameters have been developed.

Key words: system of speed stabilization, brushless motor with permanent magnets, error of control.

1. Загальна характеристика роботи

вентильний електропривод регулятор

Малопотужні електроприводи високої точності на основі вентильних двигунів (ВД) широко застосовуються в пристроях точного магнітного запису, електронної та іонної технологій, системах робототехніки, точної механіки та оптики, а також ряді інших областей.

Розробка таких систем вимагає вирішення комплексних задач, пов'язаних із визначенням їх оптимальних структур для забезпечення високої точності стабілізації та якісної енергетики. Необхідно забезпечити високий рівень коефіцієнта корисної дії, стійкість системи до електромагнітних завад, що виникають в процесі комутації, низькі системні затрати, високі питомі характеристики, електромагнітну сумісність з мережею електроживлення.

При розробці структури точного електроприводу необхідно враховувати специфіку механічних і регулювальних характеристик вентильних двигунів, встановити вплив динаміки комутатора на рівень і характер помилки регулювання прецизійної системи.

Дослідження впливу перерахованих факторів на якість динамічних характеристик прецизійної системи та її практична реалізація становлять основний зміст дисертації, оскільки на даний час ці питання вирішені частково.

Актуальність теми. Актуальність теми дисертації підтверджується тією важливою роллю, яку відіграють системи електроприводів високої точності в сучасних наукомістких технологіях, у наукових дослідженнях, а також постійно зростаючими вимогами до їх точністних характеристик.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в Чернігівському державному технологічному університеті за пріоритетним напрямком розвитку науки і техніки України в рамках науково-дослідної роботи "Дослідження теоретичних і прикладних проблем перетворювачів електроенергії з обмеженим впливом на живлячу мережу" № 60/03 (№ ДР 0103U000470) відповідно до рішення науково-експертної ради МОН України, протокол № 633 від 05.11.2002, в якій автор дисертації проводив розробку алгоритму керування процесом стабілізації постійної напруги з використанням принципів нечіткої логіки на базі програмованих логічних інтегральних схем (ПЛІС).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертації є підвищення точності стабілізації швидкості прецизійного вентильного електроприводу малої потужності, розробка дослідних зразків електроприводів та засобів їхнього налагодження; розробка методів аналізу і мінімізації помилки регулювання в системах точного електроприводу та їх практична реалізація на основі традиційних і нечітких регуляторів.

Зміст науково-технічної задачі, яка поставлена в дисертації, містить у собі вирішення наступних завдань:

- визначення раціональних шляхів підвищення якості стабілізації швидкості в системах точного електроприводу на основі вентильних двигунів (ВД) та перевірка знайдених рішень засобами математичного моделювання;

- створення універсальної моделі ВД із перебудовою та налагодженням режимів роботи двигуна за мінімумом помилки стабілізації швидкості;

- знаходження умов надійного переведення двигуна в синхронний режим і перебування в ньому при впливі збурень;

- створення моделі широтно-імпульсного перетворювача (ШІП) “у великому” яка, дозволяє більш точно врахувати вплив нелінійності ШІП на помилку регулювання системи електроприводу;

- розробка загального методу аналізу помилки в системі із глибокою широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ) на основі запропонованої моделі перетворювача;

- оптимізація параметрів регуляторів систем прецизійного електроприводу за мінімумом сумарної динамічної помилки;

- розробка структурних схем систем точного електроприводу малої потужності, аналіз їхньої помилки регулювання;

- розробка систем прецизійної стабілізації швидкості з традиційними та нечіткими регуляторами, а також засобів їхнього налагодження;

- дослідження та аналіз систем стабілізації швидкості з різними типами регуляторів з метою забезпечення прецизійної тичності.

Об'єктом дослідження є системи високоточного вентильного електроприводу, до складу яких входять: регулятори, силовий перетворювач, система керування та вентильний двигун з відповідним навантаженням.

Предметом досліджень є динамічні процеси в системах високоточного електроприводу з широтно-імпульсною модуляцією та шляхи поліпшення їх якості, пов'язані з підвищенням точності стабілізації, розширенням динамічного діапазону стійкості, досягненням максимальної швидкодії при мінімальному значенні перерегулювання.

Методи дослідження. При розв'язанні поставлених у дисертації задач використовувалась теорія електричних кіл, положення фундаментальної теорії лінійних та нелінійних імпульсних систем, функціонального аналізу, метод фазової площини, операторний метод, метод Z-перетворення, теорія нечітких множин, нечітка логіка, математичне і фізичне моделювання.

Математичне моделювання та розрахунки процесів у досліджуваних системах проводились з використанням пакетів програм MATLAB, Maple; розробка, моделювання і трасування проекту на ПЛІС - пакету MAX+PLUS II. При написанні програм для мікроконтролера AVR використовувались середовища розробки AVR Studio та WinAVR. Для отримання даних із цифрового осцилографа Tektronics TDS320 застосовувалося комп'ютерне програмне забезпечення фірми Tektronix WaveStar for Oscilloscope. Створення програмного забезпечення для організації зв'язку з розробленим налагоджувальним стендом проводилося в середовищі Delphi.

Наукова новизна одержаних результатів:

- запропонована нова модель ШІП “у великому” відрізняється більш точною апроксимацією нелінійностей амплітудних характеристик в кожному контурі з модуляцією функцій Уолша, що на відміну від відомої багатоконтурної моделі дозволяє точніше врахувати вплив нелінійності ШІП на помилку регулювання системи електроприводу;

- розроблений новий метод аналізу систем із глибокою ШІМ характеризується підвищеною точністю та базується на використанні математичного апарату багатомірного Z-перетворення і рядів Вольтерра, застосування якого дозволяє в загальному вигляді оцінити вплив сукупності параметрів на помилку системи і мінімізувати її;

- розроблена нова модель вентильного двигуна з врахуванням специфіки блоку датчиків положення ротора дозволяє: одержати статичні та динамічні характеристики двигуна; знайти умови усталеної роботи в режимі машини постійного струму та в синхронному режимі з урахуванням комплексу збурюючих впливів; встановити ступінь впливу на динаміку електроприводу технологічних похибок, які виникають при виготовленні та розміщенні датчиків положення ротора, кутів перекриття при комутації секцій обмоток, кутів випередження комутації транзисторів комутатора;

- встановлено залежність помилки регулювання від збурень по керуванню і навантаженню за рахунок запропонованої чисельно-аналітичної методики розрахунків систем стабілізації із глибокою ШІМ;

- одержав подальший розвиток метод настроювання нечітких регуляторів, який базується на використанні фазових портретів системи з урахуванням впливу на помилку системи збурень по живленню і навантаженню;

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблені прецизійні системи стабілізації швидкості із традиційними та нечіткими регуляторами рекомендовані для використання в розробках ВАТ "Хімтекстильмаш" м. Чернігів;

- розроблений універсальний стенд для налагодження режимів роботи прецизійних електроприводів впроваджено у виробництво на ВАТ «НДІ електромеханічних приладів» м. Київ з очікуваним економічним ефектом 30 тис. грн.;

- розроблені модель вентильного двигуна, універсальний налагоджувальний стенд та системи електроприводу з традиційними і нечіткими регуляторами використовуються в лабораторному практикумі кафедри промислової електроніки Чернігівського державного технологічного університету. Методика аналізу нелінійних імпульсних систем з глибокою широтно-імпульсною модуляцією використовується в лекційних і практичних заняттях з дисциплін "Системи перетворювальної техніки", "Сучасні напрями електроніки", "Електронно-промислові пристрої", а також у дипломному проектуванні та роботах магістрів.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення і результати, викладені в дисертації, отримані автором особисто.

У друкованих працях за темою дисертації, опублікованих у співавторстві, особисто здобувачеві належить: в [4] - Matlab-модель безколекторного двигуна постійного струму, в [5] - модель імпульсної системи стабілізації та отримані для неї фазові портрети помилки регулювання, у роботах [3, 7] - автором виконаний аналіз помилки системи стабілізації із широтно-імпульсною модуляцією при глибокому регулюванні та отриманий її загальний аналітичний вираз, в [1] - виконано оптимізацію системи з глибокою широтно-імпульсною модуляцією за мінімумом сумарної помилки, в [8] - модель системи стабілізації швидкості вентильного двигуна з нечітким регулятором, [6, 2] - реалізація експериментального стенду для дослідження процесів у системах з вентильними двигунами.

В науково-технічному звіті, виконаному за результатами держбюджетної науково-дослідної роботи, здобувачеві належить розробка алгоритму керування процесом стабілізації постійної напруги з використанням принципів нечіткої логіки на базі ПЛІС.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на Міжнародній конференції "Силова електроніка і енергоефективність" (Алушта, 2007 р.), на наукових семінарах Національної академії наук України "Методи та засоби керування якістю енергетичних і динамічних характеристик напівпровідникових перетворювачів" при кафедрі промислової електроніки Чернігівського державного технологічного університету (Чернігів, 2004 - 2007 р.р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 9 наукових робіт, в тому числі 8 статей в фахових наукових виданнях і 1 звіт з науково-дослідної роботи, який має державний обліковий номер.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаної літератури і додатків. Загальний обсяг роботи становить 172 сторінки, у тому числі 119 сторінок основного тексту, 56 рисунків, 4 таблиці, список використаної літератури з 91 найменування та 4 додатки.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність та доцільність проведення подальших досліджень, приведено зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, сформульовано мету і задачі досліджень, викладено наукову новизну, практичне значення і реалізацію результатів дисертаційних досліджень, зазначено особистий внесок здобувача в друкованих працях з співавторами та апробацію отриманих результатів і публікацій.

В першому розділі наведено характеристику існуючих підходів до побудови високоточних електроприводів малої потужності, сформульовано суть науково-технічної проблеми та існуючі шляхи її вирішення. Зазначено, що сучасне наукомістке виробництво характеризується постійно зростаючими вимогами до точнісних характеристик систем електроприводу, що вимагає їхнього постійного вдосконалення, розробки нових зразків електроприводів з покращеними характеристиками, розробки методів аналізу і мінімізації помилки регулювання для таких систем.

Сучасний досвід розробки високоточних електроприводів малої потужності підтверджує перспективність застосування в такому приводі вентильних двигунів (ВД) з постійними магнітами, переваги яких можуть бути реалізовані при комбінуванні режимів їх роботи. Однак, незважаючи на велику кількість публікацій по тематиці вентильного приводу, питання які стосуються дослідження властивостей такого двигуна як об'єкта високоточного керування вивчені недостатньо. В зв'язку з цим в першому розділі дисертаційної роботи засобами математичного моделювання проведено дослідження ВД як об'єкта керування. Модель складається із трьох основних блоків: власне електричної машини, комутатора та датчиків положення ротора (ДПР). За основу моделі електричної машини прийнята модель синхронного двигуна з постійними магнітами (Permanent Magnet Synchronous Machine), що входить до складу стандартних моделей електричних двигунів бібліотеки SimPowerSystems. Модель базується на системі електричних та механічних рівнянь, записаних у просторі станів.

Особливість розробленої моделі полягає в тому, що вона дозволяє досліджувати вплив на роботу двигуна датчиків положення ротора, та встановити ступінь впливу на динаміку системи таких факторів, як: технологічні похибки, допущені при виготовленні та розміщенні датчиків положення ротора, кути перекриття при комутації секцій обмоток двигуна, а також кути випередження комутації транзисторів комутатора.

На основі розробленої моделі отримано сімейства регулювальних, механічних та кутових характеристик вентильного двигуна, які дозволили визначити коефіцієнти його передачі по керуванню та збуренню, встановити раціональне розміщення ДПР на статорі машини та амплітуду пульсацій обертаючого моменту, зумовлену похибками позиціювання ДПР.

Головні переваги ВД як об'єкта керування системи прецизійного електроприводу можна реалізувати, використовуючи його можливості працювати у двох режимах, які реалізуються найбільш повно, якщо ефективно вирішено проблему запуску та переведення двигуна з одного режиму в іншій. У режимі безколекторної машини постійного струму можна здійснювати регулювання швидкості в широкому діапазоні, а переведення у синхронний режим дозволяє отримувати високостабільну швидкість при збереженні високої якості пускових та механічних характеристик двигуна. Слід зауважити, що комбінований режим роботи ВД є менш дослідженим.

Для практичного дослідження умов переведення та налагодження режимів роботи ВД розроблено його модель зі схемою зміни режимів. Вона реалізована на базі наведеної вище моделі ВД, яка доповнена схемою задаючого генератора та блоками, які здійснюють контроль поточної швидкості двигуна і комутацію сигналів керування. За результатами моделювання встановлено, що умовою надійного переведення ВД у синхронний режим є наявність додаткових стрибків напруги живлення двигуна, що подаються в момент входження в синхронізм. Вірний вибір їхньої величини сприяє зменшенню часу синхронізації.

Проведене моделювання синхронного режиму роботи ВД дозволило вирішити завдання оцінки показників точності роботи ВД та встановити межі стійкості цього режиму при впливі збурюючих факторів - по живленню та по навантаженню. Рівні збурюючих впливів задавались з урахуванням умов роботи приводів апаратів точного магнітного запису. Досліджено їхній вплив на процес встановлення швидкості, а також на величину фазової розбіжності, що необхідно для оцінки точності систем у динамічних режимах.

Отримані результати в подальшому були використані при перевірці результатів теоретичних досліджень та налагодженні режимів роботи дослідних електроприводів з вентильними двигунами.

Другий розділ присвячено аналізу та мінімізації помилки регулювання систем прецизійного електроприводу із ВД. Головним показником таких систем є точність стабілізації і регулювання швидкості, яку можна оцінити, аналізуючи помилку системи. Якщо завдання полягає лише в знаходженні помилки регулювання системи, то воно порівняно просто вирішується чисельним методом або ж моделюванням. Однак, як правило, найбільший інтерес становить одержання виразу помилки регулювання в загальному вигляді аналітичним методом з наступною оптимізацією системи по мінімуму інтегральної квадратичної помилки при детермінованих і випадкових впливах.

В системах стабілізації з широкою смугою пропускання або ж системах високої точності поряд з постійною складовою необхідно враховувати вплив на помилку регулювання і пульсаційної складової, яка складним чином залежить від рівня збурень. Загальне рішення для цього випадку можна знайти на основі багатоконтурної моделі широтно-імпульсного перетворювача (ШІП), яку отримано за результатами апроксимації широтно-модульованих сигналів функціями Уолша.

За результатами апроксимації функціями Уолша широтно-модульованих сигналів на виході імпульсного перетворювача його представлено еквівалентною багатоконтурною моделлю з амплітудно-імпульсною модуляцією функцій Уолша, де К_Р(р), К_ДПС(р), К_ФЕ(р) - відповідно передаточні функції регулятора, ВД із постійними магнітами, формуючого елемента; К_ДШ - коефіцієнт передачі датчика швидкості. Знайдені в результаті апроксимації кусочно-лінійні амплітудні характеристики окремих каналів моделі ШІП надалі розкладалися в ряд по системі поліномів Эрміта, вагова функція яких повторює нормальний закон розподілу випадкової величини. При цьому m-тий коефіцієнт ряду Эрміта

,

де - поліном Эрміта,

- дисперсія,

Размещено на http://www.allbest.ru/

- функція нелінійності імпульсного елемента, яка є його амплітудною характеристикою.

В роботі запропоновано модифіковану модель ШІП "у великому", відмінною рисою якої є більш точна апроксимація нелінійностей амплітудних характеристик контурів Уолша, при цьому в подальшому аналізі враховувалися два поліноми - першого й третього ступенів.

В результаті послідовних апроксимацій в моделі системи із глибокою ШІМ (рис. 2) враховано чотири функції Уолша - по числу каналів, у кожному з яких амплітудна характеристика містить лінійну та нелінійну складові. Вихідний сигнал кожного з паралельних каналів у схемі рис. 2 представлено функціональним рядом Вольтерра, що містить дві складові - лінійну та кубічну. Лінійна складова отримана в результаті згортки вхідного сигналу і ядра Вольтерра першого порядку, а кубічна складова є тривимірною згорткою вхідного сигналу та відповідного ядра Вольтерра третього порядку.

Загальний вираз для знаходження зображень ядер Вольтерра досліджуваної системи має вигляд

,

де - номер складової у функціональному розкладанні. У нашому випадку він може приймати значення 1 або 3;

- відносна комплексна змінна;

- період спрацьовування імпульсних елементів ІЕ0-ІЕ3;

- передатні функції системи керування, формуючого елемента та двигуна відповідно;

- постійні коефіцієнти при x та x³ у виразах для апроксимованих амплітудних характеристик окремих каналів моделі.

На підставі цього виразу отримано зображення ядер першого та третього порядків для окремих каналів багатоконтурної моделі.

На основі апарату багатомірного дискретного перетворення Лапласа виконано аналіз помилки регулювання системи та отримано аналітичні вирази помилок для різних типів регуляторів.

В другому розділі дисертації вирішено завдання мінімізації помилки регулювання в системах точного електроприводу малої потужності з урахуванням дискретності процесу глибокої ШІМ. Необхідність такого врахування існує в системах із широкою смугою пропускання, а також у системах високої точності, де припустима похибка стабілізації вимірюється четвертими та п'ятими порядками малості.

На основі отриманих результатів розроблено загальну методику оптимізації параметрів регулятора за критерієм мінімуму сумарної помилки. Ця методика випробувана на прикладі системи першого порядку із пропорційним регулятором, однак принципових обмежень на порядок системи для запропонованої методики не існує. Із зростанням порядку системи збільшується обсяг обчислень, що вимагає застосування швидкодіючих комп'ютерів.

Розроблені метод аналізу помилки регулювання і подальша методика ії мінімізації дозволяють в загальному вигляді врахувати вплив пульсацій перетворювача із ШІМ "у великому" на показники точності замкнутої системи електроприводу, що має велике практичне значення при настроюванні регуляторів систем прецизійної стабілізації.

У третьому розділі розглянуто вплив основних дестабілізуючих факторів на точність стабілізації швидкості електроприводу апаратів точного магнітного запису (пульсації джерел живлення, збурення по навантаженню, технологічний розкид параметрів вентильного двигуна тощо) та шляхи по зниженню цього впливу; сформульовано основні вимоги до регулятора системи точного електроприводу.

Встановлено, що комплексний характер збурюючих впливів та нелінійність електроприводу із широтно-імпульсним регулюванням не дозволяють реалізувати регулятор системи, здатний забезпечити задану точність на основі традиційних рішень. Це завдання в роботі вирішено за допомогою нечіткого регулятора, який здатен формувати керуючий вплив з урахуванням характеру нелінійної системи. Однак, як засвідчила практика, його ефективна робота можлива лише в комбінації зі звичайним регулятором, який здатен забезпечити необхідний порядок астатизму системи.

З урахуванням зазначеної специфіки в роботі запропоновано структурні побудови системи точного електроприводу на основі вентильних двигунів.

Для забезпечення нечіткого регулятора вихідною інформацією і настроювання режимів роботи необхідно виконати аналіз помилки регулювання та скласти таблицю правил його роботи, що істотно полегшується з використанням фазового портрету системи. Для того, щоб точно врахувати вплив на помилку системи збурень по керуванню, живленню і навантаженню та, як результат, виконати точну побудову фазових портретів, розроблено точний чисельно-аналітичний метод аналізу помилки системи з урахуванням реальної нелінійності амплітудних характеристик моделі ШІП „у великому“.

В результаті аналізу отримано фазові портрети помилки з урахуванням збурень по живленню і навантаженню, на основі яких розроблено таблиці правил для настроювання нечіткого регулятора, працюючого як у прямому так і у коригувальному включенні, з метою компенсації впливу збурень на точність системи стабілізації.

Четвертий розділ присвячено розробці та реалізації спеціалізованої налагоджувальної системи для настроювання робочих режимів вентильних електроприводів високої точності. Наведено результати експериментальних досліджень впливу збурюючих факторів на точність прецизійного вентильного електроприводу.

За результатами теоретичного аналізу та моделювання розроблено універсальний налагоджувальний стенд, який дозволяє реалізовувати більшість відомих структурних схем систем керування ВД із включенням до їхнього складу різних типів регуляторів, що дало можливість в процесі налагодження систем досягти граничних значень показників якості їхніх динамічних характеристик.

Експериментально досліджено функціональні можливості стенда та розробленого програмного забезпечення для персонального комп'ютера, яке дозволяє приймати і обробляти дані з налагоджувального стенда. Наведено структурні схеми систем прецизійної стабілізації частоти обертання ВД, які реалізовано в складі ПЛІС, та опис особливостей реалізації окремих блоків.

Особливу увагу приділено структурній побудові детекторів швидкості, у яких виключається вплив на точнісні характеристики технологічних похибок, допущених при виготовленні магнітної системи ротора та похибок, пов'язаних з неточністю розміщення датчиків положення ротора. Запропоновано структури детекторів, що дозволяють вимірювати тривалість одного оберту, а також багаторазово вимірювати миттєву швидкість на протязі оберту при використанні сигналів ДПР, встановлених на статорі електричної машини.

На основі розробленого налагоджувального стенду виконано настроювання режимів роботи ВД, досліджено умови переведення ВД у синхронний режим та встановлено межі стійкості цього режиму при впливі збурюючих факторів - по живленню і по навантаженню. Отримані експериментальні результати підтвердили результати математичного моделювання. Експериментально встановлено, що зі збільшенням додаткової напруги живлення ефективність входження ВД у синхронізм підвищується, однак, при цьому збільшується тривалість перехідного процесу і перерегулювання. Зменшенню часу синхронізації сприяє правильний вибір величини стрибка напруги живлення ВД, а також застосування демпфуючих ланцюгів, параметри яких можна оперативно встановити на налагоджувальному стенді.

Проведено експерименти по дослідженню впливу та ефективності відпрацьовування збурень по живленню системою стабілізації із застосуванням різних регуляторів. Встановлено, що найкращий результат з погляду досяжної точності системи забезпечується в результаті спільного (коригувального) включення нечіткого та інтегрального регуляторів.

Проведені експериментальні дослідження дозволили підтвердити, а в окремих випадках і уточнити теоретичні результати аналізу та електронного моделювання по дослідженню режимів роботи вентильних двигунів.

В додатках наведено побудовані за допомогою розробленої моделі діаграми роботи вентильного двигуна, електричні принципові схеми плат налагоджувального стенду та його зовнішній вигляд, схеми внутрішньої структури мікросхеми ПЛІС для розроблених прецизійних систем стабілізації швидкості та акти впровадження.

Висновки

1. На основі аналізу поточного стану систем точного електроприводу малої потужності обґрунтовано необхідність подальшого підвищення його точнісних характеристик, що продиктовано реальними потребами сучасного високотехнологічного виробництва.

2. Досліджено можливі режими роботи вентильних двигунів, показана ефективність їхнього використання в конкретних умовах. Зокрема встановлено, що в перехідних режимах (пуск, гальмування, реверс) доцільно використовувати режим безколекторного двигуна постійного струму, в якому забезпечується регулювання швидкості в широкому діапазоні, а переведення ВД в режим синхронної машини дозволяє отримати високостабільну швидкість.

3. Розроблено нову модель вентильного двигуна з врахуванням специфіки блоку датчиків положення ротора, яка дозволяє: одержати статичні та динамічні характеристики двигуна; знайти умови усталеної роботи в режимі машини постійного струму та в синхронному режимі з урахуванням комплексу збурюючих впливів; встановити ступінь впливу на динаміку електроприводу технологічних похибок, які виникають при виготовленні та розміщенні датчиків положення ротора, кутів перекриття при комутації секцій обмоток, кутів випередження комутації транзисторів комутатора.

4. Встановлено, що введення кута перекриття фаз комутатора в межах 15-20 електричних градусів дозволяє знизити пульсації швидкості вентильного двигуна в усталеному режимі. Надмірне збільшення величини кута перекриття через нелінійність об'єкту керування призводить до зворотнього ефекту.

5. Шляхом математичного моделювання та експерименту знайдено умови стійкого переведення ВД у синхронний режим. Встановлено, що задля цього необхідно забезпечити додаткові стрибки напруги живлення двигуна в момент його входження в синхронізм. Правильний вибір величини стрибка напруги сприяє зниженню часу синхронізації.

6. Встановлено межі усталеної роботи ВД у синхронному режимі при впливі збуруючих факторів - по живленню й по навантаженню. Досліджено їхній вплив на процес встановлення швидкості та величину фазової розбіжності, що дозволяє оцінити динамічну точність систем електроприводу.

7. На основі запропонованої моделі ШІП "у великому" з використанням математичного апарату багатомірного Z-перетворення і рядів Вольтерра розроблено новий метод аналізу систем із глибокою ШІМ, який характеризується підвищеною точністю та дозволяє в загальному вигляді оцінити вплив сукупності параметрів системи на якість її процесів. При цьому встановлено, що облік третього коефіцієнта апроксимуючого поліному Ермітта дозволяє отримати точність аналізу процесів в системі таку ж, як і при чисельних розрахунках.

8. Розроблено загальну методику оптимізації параметрів регулятора за мінімумом сумарної помилки регулювання, що дозволяє забезпечити високі показники точності в системі електроприводу при його налагодженні.

9. На підставі розробленої чисельно-аналітичної методики розрахунків встановлено залежність помилки регулювання "у великому" від збурень по керуванню і по навантаженню.

10. Побудовано фазові портрети помилки для системи стабілізації із ШІМ при впливі збурень по живленню і по навантаженню, на підставі яких виконано настроювання нечіткого регулятора.

11. Встановлено, що найкращий результат з погляду досяжної точності стабілізації забезпечується при використанні в контурі швидкості спільного (коригуючого) включення нечіткого та інтегрального регуляторів.

12. На основі теоретичних досліджень розроблено прецизійні системи стабілізації швидкості з нечіткими регуляторами (нестабільність швидкості за один оберт не вище 0,001-0,0001%), які рекомендовано для використання в розробках ВАТ "Хімтекстильмаш" м. Чернігів. Також розроблено універсальний стенд налагодження режимів роботи прецизійних електроприводів з вентильними двигунами, який впроваджено у ВАТ «НДІ електромеханічних приладів» м. Київ з очікуваним економічним ефектом 30 тис. грн.. Теоретичні і практичні результати дисертаційної роботи впроваджено в навчальний процес на кафедрі промислової електроніки Чернігівського державного технологічного університету.

13. Отримані в роботі результати можуть бути використані при проектуванні і створенні систем прецизійного вентильного електроприводу на наступних підприємствах: ІЕД НАНУ (м. Київ), Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона (м. Київ) НАНУ, ВАТ "Хімволокно" (м. Чернігів), ДП "НДІ ХЕМЗ" (м. Харків) Мінпромполітики України; а також в навчальних програмах кафедр промислової електроніки НТУ "КПІ", НТУ "ХПІ" МОНУ.

Размещено на Allbest.ru