CC BY
37
P.JI. Афанасьев, вед. инженер, (35146) 5-51-94, snow@vniitf.ru (Россия, Снежинск, РФЯЦ-ВНИИТФ), Д.Ш. Булатов, нач. группы, (35146) 5-52-07, snow@vniitf.ru (Россия, Снежинск, РФЯЦ-ВНИИТФ),
П.Г. Жиганов, канд. техн. наук, нач. отдела, (35146) 5-51-15, snow@ vniitfru (Россия, Снежинск, РФЯЦ-ВНИИТФ),
С.Ю. Кочнева, инженер-исследователь, (35146) 5 - 51 -94, snow@ vniitf ru (Россия, Снежинск, РФЯЦ-ВНИИТФ),
Т.А. Семиглазова, инженер-исследователь, (35146) 5-51-94, snow@vniitf.ru (Россия, Снежинск, РФЯЦ-ВНИИТФ)
ЗАВИСИМОСТЬ ТОКОПОТРЕБЛЕНИЯ РУЛЕВОГО ПРИВОДА ОТ ВИДА УПРАВЛЯЮЩЕГО СИГНАЛА
Рассмотрена зависимость токопотребления электромеханического рулевого привода по силовым цепям питания от вида аналогового управляющего сигнала. Проанализирован один из способов снижения токопотребления с помощью обработки управляющего сигнала фильтром нижних частот Баттерворта.
Ключевые слова: рулевой привод, токопотребление, управляющий сигнал, фильтр нижних частот.
В настоящем докладе рассматривается зависимость токопотребления рулевого привода (ПР) [1] по силовым цепям питания (54 В) от вида аналогового управляющего сигнала. Цель проведенных работ - уменьшить токопотребление рулевого привода. Значимость этой проблемы связана с ограниченной емкостью используемых источников питания.
ПР предназначен для перемещения рабочего органа по сигналам системы управления (СУ) и представляет собой систему с непрерывным линейным управлением, обеспечивающую преобразование входных электрических сигналов (±10 В) в механическое перемещение выходных звеньев электромеханизмов (МПР).
ПР состоит из 4 МПР и блока управления приводами (БУППР).
Для реализации следящего режима работы в БУППР имеются 4 слаботочных канала управления и контроля привода, силовые блоки транзисторных коммутаторов двигателей, вторичный источник питания и устройство связи с системой телеметрии.
Аналоговый входной сигнал управления каждого канала сравнивается с сигналом с датчика обратной связи (ДОС) по положению выходного звена МПР, их разность преобразуется в процессоре в цифровой код.
С выхода процессора выдается широтно-импульсный модулированный сигнал (ШИМ), который в транзисторном коммутаторе преобразуется в регулируемое напряжение электродвигателя.
Российские электроприводы трубопроводной арматуры.
_Разработка, испытания и эксплуатация_
МПР состоит из вентильного электродвигателя, силового редуктора, шарико-винтовой передачи, редуктора привода датчика положения, ДОС (потенциометр), шатуна и жгута с соединителем типа СНЦ23.
Для экспериментальной отработки ПР был разработан испытательный стенд, состоящий из системы управления и контроля (СУиК), выполненной на базе промышленной ЭВМ, с использованием цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП); трех источников питания (ИП) и четырех устройств нагружения привода (УНП). Структурная схема стенда представлена на рис. 1. ПР является объектом испытания и в состав стенда не входит.
Рис. 1. Структурная схема стенда: а - управляющий сигнал на входе в ПР; а* - ШИМ сигнал
Для удобства изложения далее будет обсуждаться только один канал управления. При отработке типового сигнала «а» наблюдались броски тока по силовой цепи питания до 35 А на МПР не только при отработке быстро изменяющегося управляющего сигнала большой амплитуды, но и когда управляющий сигнал практически не менялся. На рис. 2 показаны фрагменты типового управляющего сигнала и сигнала ДОС, на рис. 3 -ток, потребляемый МПР.
Причина такого токопотребления - работа ПР в режиме «старт-стоп». При разгоне и торможении ротора электромеханизма возникают пусковые токи, предельная величина которых (до 35 А) определяется наличием токоограничения в БУППР. В качестве причин возникновения такого режима работы рассматривались следующие виды помех, присутствующие в управляющем сигнале:
- пилообразное изменение сигнала;
- «ступеньки» на медленно меняющемся сигнале (результат работы
ЦАП);
-15 _I_I_
О 0,5 1,0
Время, с
Рис. 2. Фрагмент типового управляющего сигнала и сигнала ДОС
О 0,5 1,0
Время, с
Рис. 3. Ток, потребляемый МПР
Для расчетного и экспериментального исследования токопотребле-ния был смоделирован «идеальный» сигнал управления (без помех, указанных выше).
Этот сигнал управления будем называть «исходный управляющий сигнал». Фрагмент данного сигнала представлен в виде графика 1 на рис. 4.
Была разработана математическая модель одного канала ПР. Математическая модель реализована в виде компьютерной программы. По данной модели было рассчитано токопотребление по силовой цепи питания (54 В).
Для имитации реального сигнала, поступающего в ПР из СУ, «исходный управляющий сигнал» был представлен в виде ступенек частотой 100 Гц (график 2 на рис. 4). Этот сигнал будем называть «имитация ЦАП». Полученное в расчете по математической модели токопотребление при отработке этого сигнала в 4,5 раза больше токопотребления при отработке
Российские электроприводы трубопроводной арматуры.
_Разработка, испытания и эксплуатация_
«исходного управляющего сигнала», что в 3 раза превышает токопотреб-ление, обеспечиваемое источником питания.
Отработка сигнала «имитация ЦАП» сопровождалась режимом «старт-стоп». При слабо меняющемся управляющем сигнале сигнал ДОС успевает «догнать» управляющий сигнал, ротор электромеханизма останавливается (в режиме торможения противовключением), а на следующей ступеньке происходит «старт». А при отработке крутого фронта управляющего сигнала режима «старт-стоп» нет, так как сигнал ДОС не успевает «догнать» управляющий сигнал.
--<-1-1"- ,111 1 1 1 1 1 1 1 , , , |— -4
1 1 1 1 1 1 1 1 1 , , , 1 1 1 4-4-4 -
1 1 1 - 1 1 О 1 Э 1 -V ' ■ 1 1 ■ 5 1 X ■ | | .............■ —н Р*-
| Л | V ^Л л* 1 \ 1 \ \ |" 1 \ 1 \ У \ 11 1 > 1 У"^ V | у 1 4-^-1 -И 4 Я J
I V У) \ 1 \ . 1 и -1 X ,'1 1 г
...........1 "I" V-1" Л 1 _.-- • 1 1 .-:___________1I
------ ---- _ 7 1 1 1 , , 1 1 1 1 I I г Ч т-^
50,02 50,03 50,04 50,05 50,0о 50,07 50,03
Время, с
Рис. 4. Фрагменты управляющих сигналов
Одним из путей уменьшения токопотребления является фильтрация управляющего сигнала. На основе спектрального анализа сигнала «имитация ЦАП», было предложено несколько фильтров нижних частот (ФНЧ). Сигнал «имитация ЦАП» был обработан программным симулятором RC фильтра нижних частот с различными значениями частоты среза и ослабления. Фрагмент отфильтрованного сигнала показан в виде графика 3 на рис. 4.
Применение ФНЧ привело к значительному снижению токопотребления. При использовании RC фильтра с частотой среза 32 - 40 Гц и ослаблением 18 дБ/октаву токопотребление по сравнению с отработкой сигнала «имитация ЦАП» снизилось в 3,5 раза, что составляет около 130 % от токопотребления при отработке «исходного управляющего сигнала», но возникает задержка отработки управляющего сигнала на время порядка 15 мс. Для оценки приемлемости такой задержки по времени проводился
анализ устойчивости объекта управления с использованием передаточных функций предлагаемых ФНЧ и ПР.
В результате этих работ был выбран ФНЧ Баттерворта с частотой среза 63 Гц, ослаблением 12 дБ/октаву. Проведены расчеты токопотребле-ния и экспериментальная отработка с использованием программного си-мулятора выбранного фильтра. Были также проведены испытания по определению токопотребления при обработке управляющего сигнала «имитация ЦАП» с использованием лабораторного образца ФНЧ Баттерворта. Уровни токопотребления, полученные при расчетах по математической модели, при экспериментальной отработке с использованием программного симулятора ФНЧ Баттерворта и при испытаниях с использованием лабораторного образца ФНЧ Баттерворта совпадают в пределах погрешности и не превышают токопотребление, обеспечиваемое источником силового питания.
Список литературы
1. Каталог продукции ОАО «Аэроэлектромаш» М.: Аэроэлектро-маш, 2012. 64 с.
R.L. Afanasyev D.Sh. Bulatov, P.G. Zhiganov, S.Yu. Kochneva, T.A. Semiglazova
THE DEPENDENCE OF STEERING LINKAGE CURRENT DRAIN ON CONTROL SIGNAL TYPE
The dependence of current drain of an electromechanical drive through power circuits on the type of control signal is considered. One of the methods to decrease current drain by means of signal processing by Butterworth low-frequency filter is analyzed.
Key words: steering linkage, current drain, control signal, low-frequency filter.
Получено 3.12.12
