Пряме мікропроцесорне керування імпульсним перетворювачем в системах точного позиціювання

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ПРЯМЕ МІКРОПРОЦЕСОРНЕ КЕРУВАННЯ ІМПУЛЬСНИМ ПЕРЕТВОРЮВАЧЕМ В СИСТЕМАХ ТОЧНОГО ПОЗИЦІЮВАННЯ

Спеціальність: Електротехнічні комплекси та системи

Войтенко Володимир Павлович

Київ, 2000 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Впровадження в народне господарство новітніх технологій, що базуються на передових наукових та технічних досягненнях і пов'язана з цим комп'ютеризація практично всіх сфер людської діяльності залучає до взаємодії з персональним комп'ютером величезну кількість користувачів - фахівців в різноманітних галузях. Концепція розробки високоякісного людино-машинного інтерфейсу, зручного будь-якій людині-оператору ЕОМ, а також створення баз даних та систем підтримки прийняття рішень неможливі без пристроїв енергонезалежної зовнішньої пам'яті ЕОМ підвищеної ємності. Подібні пристрої пройшли тривалий еволюційний цикл, і в даний час набули широкого поширення накопичувачі на магнітних та оптичних дисках. Доступ до інформації в дисковому накопичувачі провадиться шляхом лінійного механічного переміщення (позиціювання) активного елемента (магнітної або оптичної голівки) до потрібного фрагменту поверхні обертового диска. Внаслідок високої щільності запису (що дозволяє зменшити габарити пристрою і заощадити носій), а також швидкого доступу до доріжок запису (що підвищує пропускну спроможність інформаційного каналу) у дискових накопичувачах мають місце жорсткі вимоги щодо точності і швидкодії позиціювання.

Актуальність теми дисертації підтверджується необхідністю створення науково-обґрунтованої інженерної методики проектування прецизійних систем лінійного переміщення, що базуються на прямому мікропроцесорному керуванні широтно-імпульсним перетворювачем, який навантажений на лінійний електродвигун постійного струму (ЛД). Відомі роботи за цією тематикою, в основному, присвячені рішенню окремих питань аналізу і проектування прецизійних систем і не враховують зростаючі вимоги до їхніх якісних показників і можливості сучасної елементної бази, а також останні досягнення теорії керування силовими перетворювачами засобами мікропроцесорної техніки. Мова йде про точність позиціювання, що сягає одиниці мікрометрів при часі позиціювання, який дорівнює десяткам мілісекунд. Актуальним є і вирішення питань енергетичної ефективності пристроїв силової електроніки, оскільки вони помітно впливають на техніко-економічні показники систем, матеріалоємність і енергоємність технологій, у яких вони використовуються. Виконання цих вимог у комплексі можливе за рахунок застосування відповідних алгоритмів керування, що ефективно реалізуються за допомогою засобів мікропроцесорної техніки. Сфера застосування систем прецизійного лінійного переміщення - комп'ютерна периферія і енергонезалежна пам'ять (накопичувачі на жорстких магнітних дисках), автоматичні сканери, робототехніка, вимірювальна і медична техніка, мікроелектроніка, астрофізика та ін.

Промислове освоєння подібних систем дозволить розмістити в Україні високотехнологічні виробництва в зазначених галузях, що, окрім рішення суто економічних задач (зростання виробництва і підвищення рівня життя населення), дасть можливість пом'якшити гостроту таких соціальних проблем, як зниження зайнятості висококваліфікованої робочої сили, еміграція інженерно-технічних працівників. Велике значення має також посилення технологічної незалежності України від закордонних постачальників, особливо актуальне для державних структур, вихід на передові, сприятливі позиції в міжнародному розподілі праці, тобто - наукомісткі виробництва.

Зв'язок роботи з науковими програмами планами, темами. Основні теоретичні і практичні результати, наведені в дисертації, отримано в ході виконання робіт відповідно до координаційних планів НАН України на 1991-1995 р. (комплексна програма “Наукові основи електроенергетики”, п. 1.9, 2.2, 3.3), а також відповідно до державної науково-технічної програми по пріоритетних напрямках науки і техніки 1995-2000 р., п. 04-00, 04-11 комплексного проекту Держкомітету України з питань науки, техніки і промислової політики (“Високоефективні енергозберігаючі електротехнічні та енерготехнологічні системи”).

Мета і задачі дослідження.

Метою роботи є розробка алгоритмів і апаратна реалізація прямого мікропроцесорного керування лінійним двигуном для пристроїв точного позиціювання на основі аналізу динамічних процесів у системі широтно-імпульсний перетворювач - об'єкт керування. Виходячи з поставленої мети в роботі вирішувались наступні задачі:

- систематизація і формулювання основних характеристик, технічних параметрів і вимог, висунутих до пристроїв позиціювання, що застосовуються в блоках зовнішньої пам'яті та периферії ЕОМ, а також дослідження перспективних методів побудови структурних вузлів системи;

- аналіз архітектури, схемотехнічних рішень і параметрів сучасної елементної бази цифрових систем керування та імпульсних перетворювачів;

- дослідження та доробка відомих моделей лінійних електродвигунів, а також розробка чисельного уявлення та фізичної моделі цифрового датчика переміщення;

- аналіз чинників, що впливають на якість позиціювання, синтез цифрового регулятора та вибір параметрів, що забезпечують задану якість;

- розробка та дослідження алгоритмів і програм роботи системи позиціювання, що базуються на прямому мікропроцесорному керуванні лінійним двигуном;

- виконання моделювання на фізичному рівні й експериментальна перевірка результатів теоретичних досліджень.

Наукова новизна роботи полягає в наступному:

- вперше розроблено практичні рекомендації щодо вибору тривалості кроку дискретизації та скорочення часу обчислення в системі позиціювання на однокристальному мікроконтролері;

- дістала подальший розвиток методика синтезу цифрового регулятора системи позиціювання з урахуванням специфіки динамічних процесів у комплексі перетворювач - лінійний двигун - мікропроцесорний цифровий регулятор;

- вперше науково обґрунтовано доцільність застосування методів часово- і широтно-імпульсної модуляції для керування лінійним двигуном у сервосистемі позиціювання;

- запропоновано оригінальну методику врахування впливу дестабілізуючих чинників на якість позиціювання, яка, на відміну від існуючих методик, враховує силу сухого тертя;

- вперше запропоновано та досліджено застосування стрибкоподібно-лінійних імпульсів для керування лінійним двигуном в цифровій системі позиціювання;

- розроблено нову структуру алгоритму і програму прямого мікропроцесорного керування системи позиціювання для серворайтера, що дозволяє підвищити точність та зменшити час позиціювання;

- розроблено, виготовлено і впроваджено в практику нові пристрої налагодження програмного забезпечення систем на базі однокристальних мікроконтролерів, а також супутнє програмне забезпечення.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що розроблені автором на основі теоретичних та експериментальних досліджень методики дали можливість спроектувати систему позиціювання з високими показниками. Отримані в роботі результати дозволяють:

- підвищити точність, малогабаритні, енергетичні і часові характеристики системи позиціювання;

- прискорити процес проектування прецизійних систем позиціювання за допомогою застосування розробленого відлагоджувального комплексу.

Результати теоретичних і експериментальних досліджень використані в розробках НДІ електромеханічних приладів (м. Київ) у вигляді сервосистемі позиціювання в складі комплексу для розмітки жорстких магнітних дисків.

Створений експериментальний зразок передано на це підприємство для підготовки до виробництва.

Крім того, методику розробки відлагоджувальних пристроїв, мікропроцесорних регуляторів, програмне забезпечення, а також експериментальний стенд використано в навчальному процесі в Чернігівському державному технологічному університеті.

Основні результати дисертаційної роботи доцільно використовувати в наукових установах та навчальних закладах, діяльність яких пов'язана з розробкою та використанням систем прецизійного електроприводу з напівпровідниковими перетворювачами електроенергії та цифровими системами управління, а також підготовкою фахівців з електронних спеціальностей.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення та прикладні результати, що містяться в дисертації, отримані здобувачем самостійно. Роботи (3, 4) написані особисто.

У роботах, що опубліковані в співавторстві, особисто автору належать: у роботі (1) - визначення передатної функції цифрового регулятора, аналіз дестабілізуючих чинників, висновки, у роботі (2) - аналіз структури системи, визначення структури і коефіцієнтів цифрового регулятора, у роботі (5) - розробка апаратного, програмного забезпечення і методики налагодження системи керування вентильними перетворювачами, у роботі (6) - розробка функціональної схеми системи позиціювання, одержання аналітичних залежностей, у роботі (7) - розробка функціональної схеми та програми роботи системи автоматичного керування, моделювання двигуна, експериментальні дослідження, у роботі (8) - розробка структури системи електроживлення, у роботах (9, 10) - розробка принципових схем пристроїв, аналіз їхньої роботи, виявлення аналогів, у роботі (11) - розробка принципової схеми комутатора й експериментальна перевірка.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на семінарах Наукової ради НАН України по комплексній проблемі "Наукові основи електроенергетики", 1993-1999 р., на 11 і 13 науково-технічних конференціях молодих вчених і спеціалістів НПО "Маяк" (м. Київ, 1988 та 1990 р.), на Всерадянській науково-технічній конференції "Сучасні методи і засоби швидкодіючого перетворення режимних параметрів енергосистем" (м. Челябінськ, 1990 р.), на 5 Всерадянській науково-технічній конференції з перетворювальної техніки (м. Київ, 1991 р.), на 2 науково-технічній конференції з електромеханотроніки (м. Санкт-Петербург, 1991 р.), на Міжнародній науково-технічній конференції з проблем перетворення електроенергії (м. Москва, 1993 р.), на Міжнародній науково-технічній конференції “Силова електроніка і енергоефективність” (м. Алушта, 1999 р.).

Публікації результатів наукових досліджень.

Основні результати дисертації опубліковано в 11 роботах, із котрих статей - 5, у тому числі, - 3 статті у фахових наукових виданнях, тез доповідей - 3, авторських свідоцтв - 3.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'ятьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи складає 194 сторінки, у тому числі на 49 сторінках розміщено 10 малюнків, список використаних джерел із 114 найменувань та 7 додатків.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету й основні задачі роботи, наведено отримані наукові результати, зазначено їхню наукову новизну і практичне значення, подано інформацію про публікації по темі дисертації, апробації результатів і особистий внесок автора. Відзначено, що полегшення для людини умов взаємодії з комп'ютером ставить задачу розробки програмного забезпечення, що потребує великої інформаційної ємності зовнішніх запам'ятовуючих пристроїв (ЗЗП). Найбільш надійними ЗЗП великої ємності є накопичувачі з незйомним інформаційним модулем типу "вінчестер". Один із методів збільшення інформаційної ємності накопичувачів на магнітних дисках (НМД) - це підвищення поперечної щільності запису за рахунок зменшення ширини доріжки запису, а також кроку між доріжками, тобто - за рахунок підвищення точності позиціювання. Швидке і точне переміщення каретки з магнітними голівками по циліндрах можливе при використанні систем позиціювання, що містять сервоповерхню, або інші типи датчиків зворотного зв'язку по положенню каретки. З метою організації масового виробництва НМД, що містять сервоповерхню, потрібне створення високоточних інструментальних систем, які забезпечують розмітку сервоповерхонь - серворайтерів. В даний час відсутній систематизований науковий підхід до проектування прецизійних систем позиціювання, що ґрунтується як на відомих досягненнях в галузі теорії керування, автоматизованого електропривода, перетворювальної техніки, так і на можливостях сучасної елементної бази. Подано узагальнену схему системи позиціювання і коротко схарактеризовано складові ланки, перераховано основні дестабілізуючі чинники. Підкреслено, що сфера застосування прецизійних систем позиціювання не обмежується НМД, проте з метою наочності аналізу в роботі зроблено акцент на конкретну область використання, для якої характерні найвищі вимоги до якості позиціювання.

У першому розділі розглянуто концепцію побудови системи прямого мікропроцесорного керування. Підкреслено, що сучасна система керування практично для будь-якого класу задач неможлива без використання цифрових методів керування і засобів мікропроцесорної техніки. Перевага цифрових методів - принципова можливість виключення інструментальної похибки при обчисленнях і оперативна зміна алгоритмів опрацювання інформації. Проте більшість реальних об'єктів керування та регульованих параметрів, у тому числі, і більшість електродвигунів - аналогові об'єкти, що створює специфічні проблеми взаємодії з ними цифрових систем керування. Використання паралельно працюючих (взаємодіючих) програмно-керованих цифрових, аналогових і цифро-аналогових пристроїв опрацювання даних дозволяє підвищувати техніко-економічні показники систем керування, а в ряді випадків - домогтися такої точності керування, яка недосяжна для аналогових систем. Поставлені в дисертації задачі забезпечення точності і малогабаритних характеристик системи позиціювання можна вирішити лише на основі цифрових методів обробки інформації та керування.

В роботі доведено доцільність побудови прецизійної системи позиціювання за багатоканальним принципом: для дискового накопичувача - це система пошуку інформації (доріжки) та система спостереження за доріжкою. В цьому випадку можна використовувати один датчик переміщення для визначення швидкості і положення активного елемента з наступним обчисленням таких параметрів руху, як прискорення та ривок. Встановлено пріоритет використання оптичного муарового датчика, імпульсний вихідний сигнал якого добре адаптований до особливостей цифрової системи позиціювання порівняно з іншими типами датчиків переміщення. На основі аналізу структур цифрових систем керування встановлено, що найкращим варіантом реалізації пристрою керування прецизійним лінійним переміщенням із високою швидкістю є автономна система прямого цифрового керування лінійним двигуном, в якій відсутні проміжні ланки аналого-цифрового та цифро-аналогового перетворення, та найбільш ефективно виявляються можливості сучасних універсальних мікроконтролерів.

Огляд силової елементної бази показав, що в розроблюваній системі позиціювання реверсивний широтно-імпульсний перетворювач (РШІП) доцільно виконати на польових транзисторах, що включені по мостовій схемі. Внесено пропозиції по уточненню термінології мікропроцесорного керування, що дозволяють схарактеризувати спосіб вирішення часткової задачі алгоритму роботи системи. Дано оцінку цих способів із погляду прямого мікропроцесорного керування комплексом РШІП - ЛД і відзначено, що в найбільшій мірі варто спиратися на програмно-апаратну реалізацію функцій керування. Апаратну реалізацію відрізняють підвищені схемні й енергетичні витрати, а для чисто програмного вирішення задач керування характерна низька швидкодія. Апаратно-програмний спосіб може не забезпечити вимоги щодо малогабаритних характеристик.

Другий розділ присвячено аналізу особливостей лінійного двигуна постійного струму як об'єкта керування. Розглянуто різноманітні методи формування траєкторії лінійного переміщення, а також специфічні вимоги до двигунів, висунуті системами позиціювання для комп'ютерної периферії. Встановлено, що для підвищення інформаційної ємності серворайтера необхідна розробка замкнутої по положенню магнітних голівок системи на основі лінійного двигуна електромагнітного типу постійного струму, постійні магніти якого містять металеві сполуки кобальту з рідкоземельними елементами.

Показано, що координату переміщення рухомого елемента лінійного двигуна в першому наближенні можна описати диференціальним рівнянням третього порядку. Лінійний двигун являє собою ланку третього порядку, для якої характерний астатизм по координаті позиціювання (1):

Де:

Ce - коефіцієнт проти ЕРС;

Tm, Te - електромеханічна й електрична постійні часу.

Перехідна характеристика координати носить аперіодичний характер. Вплив сухого тертя може бути врахований за допомогою уповільнення, що пропорційне силі тертя. Розроблено схему моделювання ЛД у часовій області, яка може бути використана для аналізу замкненої системи позиціювання методом простору станів.

На основі схеми розроблено програму розрахунку перехідних процесів прискорення, швидкості і положення каретки, струму обмоток, проти ЕРС при різноманітних видах напруги живлення ЛД. Отримані рівняння вирішено на ЕОМ з кроком дискретизації h0 << Te. У розділі 3 визначено структуру цифрової системи позиціювання і спосіб керування об'єктом регулювання. Подано структурну схему цифрової системи позиціювання (ЦСП), що містить ідеальний імпульсний елемент з періодом перемикання h, цифровий регулятор із передатною функцією D(z), фіксатор, а також об'єкт регулювання - ЛД із передатною функцією W(p).

Прийнято такі припущення: керований процес лінійний, описується трьома змінними стану x, v, y, початкові умови нульові, сигнал завдання необхідної координати x0 являє собою східчасту функцію виду:

Цифровий регулятор необхідний для забезпечення кінцевого часу перехідного процесу без перерегулювання. У процесі синтезу передатної функції цифрового регулятора (3) використано метод перемінного коефіцієнта підсилення, запропонований Юліусом Ту:

Де:

Коефіцієнти передатної функції цифрового регулятора можуть бути визначені з урахуванням параметрів ЛД та кроку дискретизації h. Зменшення кроку дискретизації h скорочує повний час регулювання Tр=3h. Проте, відповідно до (3), одночасно з цим зростають коефіцієнти підсилення регулятора K0, K1, K2, що призводить до зростання напруги, яка прикладається до ЛД на відповідних кроках. При достатньо великих кроках дискретизації h амплітуда впливу на ЛД максимальна на першому кроку дискретизації. Для забезпечення надійної роботи ЛД необхідно, щоб напруга на обмотках не перевищувала максимально допустимої величини E, що реалізується при виконанні умови:

З (3) отримуємо:

Графік функції (h) за заданою координатою позиціювання x0 дозволяє знайти тривалість кроку дискретизації h, при якій забезпечуються необхідні рівні напруги, що прикладаються до ЛД.

Результати моделювання процесу позиціювання показують, що процес встановлення координати каретки x(t) закінчується практично за два такти h без перерегулювання. Для спрощення програмної й апаратурної реалізації прямого мікропроцесорного керування без помітного зниження точності ЛД запропоновано подавати ланкою другого порядку.

Для цього випадку отримано спрощену передатну функцію цифрового регулятора, вихідний сигнал якого:

Цей вираз дозволяє скласти алгоритм роботи ЦСП, а також програму для мікропроцесора й зобразити регулятор у вигляді рекурсивного фільтра.

Розглянуто різноманітні методи регулювання напруги, що подається на ЛД, - амплітудноімпульсну, комбіновану, часово- і широтно-імпульсну модуляцію. Розроблено методику вибору параметрів регулятора і запропоновано алгоритм розрахунку відносного виграшу за часом установлення системи з нерівномірним кроком порівняно з АІМ. Встановлено, що, зважаючи на енергетичну ефективність, регулювання напруги живлення ЛД у системі з однокристальним мікроконтролером доцільно здійснювати за допомогою часово- або широтно-імпульсної модуляції. Розроблено практичні рекомендації щодо вибору періоду роботи реверсивного широтно-імпульсного перетворювача. На основі порівняльного аналізу АІМ-ШІМ та за результатами чисельного моделювання показано ефективність лінійної ШІМ у забезпеченні точності позиціювання. Розроблено методику порівняльного аналізу АІМ-ШІМ на основі чисельного дослідження реакції ЛД на відповідні позиціонуючи впливи і показано ефективність лінійної ШІМ у забезпеченні точності позиціювання, що особливо важливо при синтезі алгоритмів роботи цифрового регулятора з урахуванням характеру збурюючих впливів.

У розділі 4 для системи з АІМ напруги живлення розроблено загальну методику розрахунку параметрів координати позиціювання (7), що необхідно для практичної реалізації поставленої в роботі задачі:

Де:

E1 - амплітуда впливу на першому кроку дискретизації;

h0 - тривалість кроку дискретизації.

Для системи з ШІМ напруги живлення, як істотно нелінійної, аналогічні результати отримано на основі чисельних розрахунків. Для цього випадку зображення координати позиціювання на другому кроку дискретизації:

Де:

E - амплітуда впливу на обох кроках дискретизації;

1 і 2 - шпаруватості ШІМ-сигналів на обох кроках дискретизації.

Розроблено рекомендації по урахуванню сухого тертя, що дозволяє знизити помилку позиціювання, пов'язану з затримкою зміни механічних координат на відповідну величину. Інтервал наростання тяги двигуна до величини сили тертя спокою, що визначає затримку зрушення рухомої частини при подачі на обмотку керуючого імпульсу напруги (момент зрушення рухомої частини), може бути обчислений згідно з формулою (9):

Де:

L і R - індуктивність і активний опір кола ЛД;

k - коефіцієнт сили ЛД;

F - сила сухого тертя;

E - амплітуда імпульсу напруги.

Показано, що недостатня швидкість обчислень кроку дискретизації і висока дискретність квантування тривалості імпульсів у широко застосовуваних мікроконтролерах визначає необхідність пошуку простих законів залежності керуючих впливів у функції від координати позиціювання. Дано рекомендації з підвищення швидкодії мікропроцесорних систем позиціювання, проаналізовано виникаючі похибки і сформульовано вимоги до системи слідкування.

Встановлено, що на точність системи позиціювання у значній мірі впливають конструктивні параметри двигуна. Час позиціювання можна знизити за рахунок спрощення регулюючого впливу шляхом відмови від третього кроку і прискорення процесу його розрахунку запропонованими способами. Це ефективно реалізується в замкненій системі з широкою зоною захоплення.

Встановлено, що керування ЛД найбільш ефективне, якщо в якості напруги живлення обмоток використовувати стрибкоподібно-лінійні імпульси (СЛІ). Виконано аналіз похибок, що виникають у реальному ЛД, для котрого неможливе формування ідеальних прямокутних імпульсів струму обмоток.

У діаграмах перехідних процесів, які розраховані для того випадку, коли цифровий регулятор забезпечує подачу стрибкоподібно-лінійної напруги на обмотки ЛД, який розглядається ланкою третього порядку (тобто з урахуванням індуктивності обмоток).

При програмно-апаратній реалізації за допомогою мікроконтролера можлива компенсація нелінійності закону зміни зусилля, що розвиває ЛД. При цьому зростає точність і швидкість позиціювання шляхом формування імпульсного прискорення рухомої частини. Стрибкоподібно-лінійні імпульси в часовій області можна подати у вигляді:

Тоді перехідний процес зміни координати каретки:

Проаналізовано помилку встановлення і зроблено висновок про те, що застосування лінійно-стрибкоподібної напруги живлення дозволяє спростити процедуру аналізу системи та алгоритм керування при позиціюванні на “великі” відстані у випадку використання струмової моделі. Розглянуто характерні особливості керування ЛД за допомогою стрибкоподібно-лінійних імпульсів і запропоновано способи їхньої реалізації.

Розділ 5 присвячено практичній реалізації прецизійної системи позиціювання з прямим мікропроцесорним керуванням комплексом РШІП - ЛД на базі універсального однокристального мікроконтролера (ОМК). Результати аналітичних досліджень, що отримані у попередніх розділах, справедливі за таких припущень:

1) модель ЛД не враховує нелінійну залежність зусилля, що розвивається, від координати позиціювання і покладається лінійною;

2) точно визначені і незмінні параметри ЛД;

3) сила сухого тертя постійна, грузле тертя (демпфіювання), можливість механічного резонансу в системі каретка - кронштейн - активний елемент (магнітні голівки) не враховуються;

4) статичні і динамічні характеристики РШІП, системи живлення, елементів узгодження із системою керування є лінійними;

5) прохідна характеристика датчика переміщення лінійна.

Внаслідок цього отримані в роботі аналітичні результати потребують експериментальної перевірки й уточнення.

Для цього було спроектовано та налагоджено експериментальний стенд для дослідження систем позиціювання СРПС-96. Стенд містить реверсивний широтно-імпульсний перетворювач із схемами живлення й схемами узгодження силових ключів з ОМК, а також вузол однокристального мікроконтролера. ОМК включено за схемою роботи з зовнішньою пам'яттю програм, що особливо зручно на етапах розробки мікропроцесорних систем і налагодження їхнього програмного забезпечення. Програмну пам'ять розбито на два фізично розділених блоки: зовнішню оперативну пам'ять і зовнішню постійну пам'ять. У постійній пам'яті зберігається програма підтримки послідовного інтерфейсу RS-232, що дозволяє організувати взаємодію з джерелом інформації (персональним комп'ютером), для якого розроблено відповідне програмне забезпечення - програма “MONITOR-96”.

Досягнення необхідної точності і часу позиціювання за допомогою ОМК багато в чому залежить від адекватної апаратної підтримки інтерфейсу мікроконтролера з РШІП (ІШІП), а також - із датчиком зворотного зв'язку по положенню. Цю задачу вирішено в СРПС-96 шляхом пошуку і практичної перевірки оптимальності схемотехнічних, програмно-апаратних і програмних рішень, що реалізують функції керування вентилями РШІП.

Програмна частина СРПС-96 містить у собі програмне забезпечення для персонального комп'ютера, програму-диспетчер, що розміщено резидентне в постійній пам'яті стенду, а також сукупність прикладних програм користувача, що завантажуються в оперативну пам'ять. Унікальні відлагоджувальні можливості стенду дозволяють розробляти апаратне і програмне забезпечення різноманітних систем керування, заснованих на однокристальних мікроконтролерах родини MCS-96 фірми Intel. Більшість функцій керування реалізується програмно або програмно-апаратно за рахунок внутрішніх ресурсів ОМК. Ці функції легко можуть бути змінені шляхом завантаження відповідного програмного модуля (bin-файла).

Розроблено електричні моделі комплексу ЛД - оптичний муаровий датчик переміщення (МДП), що дозволяють скоротити час і вартість розробки систем позиціювання. мікропроцесорний перетворювач цифровий

Запропоновано концепцію автоматизованого робочого місця для дослідження електромеханотронних систем, що відкриває широкі можливості автоматизації процесів проектування й експериментальної перевірки перспективних методів керування перетворювачами електричної енергії для електропривода з урахуванням силової елементної бази.

У ході експериментальних досліджень використано запропоновані рекомендації щодо принципів побудови прецизійних систем позиціювання із прямим мікропроцесорним керуванням. Результати теоретичних досліджень, фізичного моделювання й випробувань на експериментальному стенді дозволили виконати розробку апаратного та програмного забезпечення системи автоматичного позиціювання магнітних голівок САП-МГ, використовувану в складі комплексу для розмітки жорстких магнітних дисків. При довжині робочого ходу 25,4 мм. помилка позиціювання складає 1.2, 10-4, а середній час позиціювання - 14,2 мс.

Розроблена САП-МГ має більш високі характеристики в порівнянні з прототипом і в значній мірі відповідає концепції прямого мікропроцесорного керування, оскільки містить мінімальну кількість зовнішніх стосовно ОМК вузлів, що підтримують функції керування перетворювачем. Встановлено можливість алгоритмічної компенсації важко врахованих особливостей ЛД у системі зі зворотнім зв'язком по положенню при використанні запропонованих алгоритмів.

У додатках наведено техніко-економічні характеристики деяких однокристальних мікроконтролерів, параметри моделі системи позиціювання, програму чисельного розрахунку перехідних процесів у ЛД, програму розрахунку відносного виграшу КІМ у порівнянні з АІМ, програму розрахунку перехідних процесів у ЛД при ШІМ для моделі 3 порядку, програму “MONITOR-96” для конвертування obj-файла у виконуваний bin-файл та керування відлагоджувальним пристроєм на базі ОМК 80XC196KX, програму позиціювання магнітних голівок для серворайтера, акти впровадження і використання результатів дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

Таким чином, представлена робота спрямована на розв'язання важливої наукової задачі встановлення алгоритмів керування імпульсним перетворювачем і розробки системи позиціювання для комп'ютерної периферії з високими техніко-економічними характеристиками. Сукупність науково-обґрунтованих теоретичних і практичних результатів має істотне значення для розвитку електротехнічних систем:

1. Аналіз стану питання показав доцільність дослідження, оскільки відсутні науково-обґрунтовані рішення, які враховують зростаючі вимоги до високоточних пристроїв позиціювання, можливості сучасної елементної бази, а також досягнення теорії керування силовими перетворювачами засобами мікропроцесорної техніки;

2. Показано, що поставлена мета досягається найбільш ефективно, якщо в якості об'єкта керування використовувати лінійний двигун постійного струму, живлення якого здійснюється від реверсивного широтно-імпульсного перетворювача, керованого мікропроцесором;

3. Застосування ЛД призвело до необхідності урахування його специфіки, що впливає на динамічні процеси в цифровій системі позиціювання. Запропоновано модель ЛД, зручну для аналізу методом змінних стану, програму розрахунку перехідних процесів, а також чисельне уявлення та фізичну модель цифрового датчика переміщення;

4. Синтезовано цифровий регулятор, для якого розроблено методику визначення кроку дискретизації та досліджено різноманітні методи регулювання напруги живлення ЛД, доведено доцільність використання часово- та широтно-імпульсної модуляції для регулювання напруги;

5. З урахуванням особливостей прямого мікропроцесорного керування лінійним двигуном вироблено рекомендації по підвищенню швидкодії цифрової системи позиціювання із збереженням заданої точності та врахуванням сили сухого тертя;

6. Зроблено практичний висновок про доцільність використання однокристальних мікроконтролерів у контурі керування системи точного позиціювання для комп'ютерної периферії, який підтверджено в результаті експериментальних досліджень і комп'ютерного моделювання. Основними аргументами на користь цього висновку є висока точність, що досягається в результаті використання відповідних алгоритмів керування перетворювачем, що враховують не ідеальність моделі ЛД, а також наявність вмонтованих програмно-керованих пристроїв підтримки інтерфейсу як із перетворювачем, так і з датчиком зворотного зв'язку по положенню;

7. Розроблено прецизійну систему позиціювання магнітних голівок, використовувану в складі комплексу для розмітки магнітних дисків і рекомендовану до впровадження в дослідне виробництво НДІ Електромеханічних приладів (м. Київ);

8. Теоретичні і практичні результати роботи впроваджено в навчальний процес Чернігівського державного технологічного університету на кафедрі промислової електроніки;

9. Основні результати дисертаційної роботи доцільно використовувати в вищеназваних та інших наукових установах та навчальних закладах, діяльність яких пов'язана з розробкою та використанням систем прецизійного електроприводу з напівпровідниковими перетворювачами електроенергії та цифровими системами управління, а також підготовкою фахівців з електротехнічних та електронних спеціальностей.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Войтенко В.П., Сорокин А.Ю. Оценка возможности прямого микропроцессорного управления прецизионным позиционным электроприводом // Техн. електродинаміка. - Тематичний випуск: Системи керування та контролю напівпровідникових перетворювачів. - Київ, 1999. - С. 6-9.

2. Денисов О.І., Войтенко В.П. Синтез цифрового регулятора для системи позиціювання магнітних голівок // Вісник Чернігівського державного технологічного університету. Серія: Технічні науки. -1999. - №9. - С. 179-184.

3. Войтенко В.П. Вибір параметрів регулятора для системи точного лінійного переміщення // Вісник Чернігівського технологічного інституту. Машинобудування, електроніка. - 1996. - №1. - С. 53-61.

4. Войтенко В.П. Микропроцессорный контроль качества энергопроцессов в вентильном преобразователе // Энергетика. - 1990. - №12. - С. 22-26.

5. Денисов А.И., Войтенко В.П., Гордиенко В.В., Шмаров А.А., Канюка И.В. Микропроцессорная реализация систем управления вентильными преобразователями для электроприводов аппарата магнитной записи // Техника средств связи. - Серия общетехническая. - 1990. - №4. - С. 79-92.

6. Денисов А.И., Войтенко В.П. Влияние пульсаций питающего напряжения на точность системы позиционирования. - В кн.: Проблемы преобразовательной техники // Тр. 5-й Всесоюз. конф. - Киев: Ин-т электродинамики. - 1991. - ч. 4. - С. 35-37.

7. Войтенко В.П., Гордиенко В.В., Савенко А.В., Канюка И.В. Система автоматического управления линейным электроприводом // Тр. ХIII конф. молодых ученых и специалистов НПО "Маяк". - Киев, 1990. - С. 46-48.

8. Денисов А.И., Сиренко С.М., Войтенко В.П., Шмаров А.А., Гордиенко В.В., Величко Н.А., Савенко А.В. Система электропитания для линейного двигателя. - В кн.: Проблемы преобразовательной техники // Тр. 5-й Всесоюз. конф. - Киев: Ин-т электродинамики. - 1991. - ч.4. - С. 34-35.

9. А.с. 1552290 (СССР), H 02 P 7/48. Устройство для управления и стабилизации параметров выходного напряжения преобразователя / А.И. Денисов, В.В. Гордиенко, В.П. Войтенко, А.А. Шмаров (СССР). - №4382773/24-07, Заявлено 25.02.88, - Опубл. 23.03.90, Бюл. №11. - 4 с.

10. А.с. 1525596 (СССР), МКИ G 01 R 19/02. Устройство порогового контроля среднеквадратического значения переменного напряжения / В.П. Войтенко, А.М. Первак (СССР). - №4219254/24-21, Заявлено 01.04.87, Опубл. 30.11.89, Бюл. №44. - 4 с.

11. А.с. 1319269 (СССР), H 03 K 17/56, 17/60. Многоканальный коммутатор / А.М. Архипов, В.П. Войтенко, В.Г. Лазаренко, В.К. Липницкий (СССР). - №3998034/24-21, Заявлено 2.01.86, Опубл. 23.06.87, Бюл. №23. - 3с.

Размещено на Allbest.ru