CC BY
13
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.313.3
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ И КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ОРУЖИЯ ИЗДЕЛИЙ СПЕЦТЕХНИКИ
Е.В. Александров, Д. Д. Чудаков, Ю.А. Меркулов, А.И. Кочановская
Приведены обеспечивающие системы, стендовое и испытательное оборудование, особенности использования и технической реализации таких систем для исследований, экспериментальной отработки и испытаний приводов при проведении предъявительских и приемосдаточных испытаний.
Ключевые слова: привод, испытания, оборудование, стенд.
Изменившийся облик современных электроприводов (ЭП) потребовал от разработчиков пересмотреть подход к процессам их проектирования, исследования и испытаний. Параллельно с разработкой приводов на базе асинхронных и синхронных машин необходима системная работа по созданию и развитию ряда обеспечивающих систем и испытательного оборудования [1,4]. В статье рассматриваются автоматизированный комплекс для исследования приводов и стенд для проведения настройки и испытаний серийных образцов приводов.
1. Автоматизированный комплекс для исследования ЭП
Автоматизированный испытательно-исследовательский комплекс (АИК) предназначен для решения широкого круга задач по отработке, испытаниям, отладке приводов и их элементов. Функциональная схема АИК, представляющего собой единый комплекс аппаратных и программных средств, объединенных на базе ПЭВМ, приведена на рис. 1.
В состав АИК входят:
1) ПЭВМ с устройствами ввода-вывода информации (монитор, клавиатура, мышь, FDD, CD-ROM, сетевая карта, принтер);
2) источник бесперебойного питания UPS;
3) расширитель шины PCI (слоты расширения системной шины
ISA);
4) стенд-имитатор реальных объектов управления.
355
u> un
o\
Локальная вычислительная сеть
Сетевой концентратор
ПЭВМ
Ethernet
~TJ
клавиатура
coml PSi
z_ь»
МЫШЬ
com2
LTi
принтер
Устройство сопряжения (расширитель шины РБ1)
нестандартные
прием и обработка сигн.датчк.
релейные сигналы
аналоговые сигналы
Объект управления
Стенд-имитатор
МП
Нагрузка
ИД
дг, Дпр
X M -^нагр KB
\ /
дс
ДО
у_у
\/
V
V у Mil
JL RS
релейные команды
Цифровой блок управления ПН
Ethernet
I
Рис.1. Функциональная схема комплекса для исследований и испытаний приводов ИД - Исполнительный двигатель; МП - механическая передача; ДС - датчик скорости; ДП - датчик положения; КВ - концевой выключатель; ДТ- датчики тока; ДПР - датчик положения ротора ИД
1.1. Расширитель шины PCI
Предназначен для наращивания аппаратной мощности персонального компьютера. Выполняемые функции:
- обмен информацией с системами управления верхнего уровня;
- прием информации от аппаратуры датчиков координат;
- обработка принятой информации с обеспечением:
а) технического состояния ПН и его элементов;
б) выявления неисправного состояния систем и выработки необходимых управляющих воздействий;
в) запуска, регулирования параметров ПН;
г) при неисправном состоянии элементов и систем осуществления защитных операций и выключении ПН;
д) выдачи сигналов управления на блок управления ПН;
е) выдачи телеметрической информации в систему измерений;
ж) самопроверки и проверки сопряжения с датчиковой аппаратурой на этапе предварительной подготовки.
Состав аппаратуры расширителя шины:
- модуль сопряжения;
- модуль приема аналоговых высокочастотных сигналов;
- модуль приема аналоговых низкочастотных сигналов;
- модуль преобразования нестандартных сигналов;
- модуль приема релейных сигналов;
- модуль выдачи релейных сигналов;
- модуль питания.
Функциональная схема расширителя шины РС1 приведена на рис. 2.
Внешние интерфейсы расширителя шины:
- интерфейс с системой управления внешнего уровня (СУ ВУ):
а) 8 входных разовых команд СУ ВУ (включения/выключения);
б) 8 выходных разовых команд (сигналы прохождения команд СУ
ВУ);
- интерфейс с системой измерений (выходные релейные команды, последовательные интерфейсы RS 485, Mil, Ethernet);
- интерфейс с аппаратурой датчиков (индукционные и оптические датчики, датчики температуры, датчики угла, скорости, входные и выходные релейные команды: концевые выключатели, сигналы готовности блоков, релейные команды системы защит).
1.2. Стенд-имитатор реальных объектов управления
Важным направлением в отработке обеспечивающего оборудования приводов являлось создание стендов-имитаторов реальных объектов управления [2]. Традиционно эти стенды имитировали моменты инерции и возмущающие моменты, присущие объектам управления, а также характеристики силового редуктора привода. Причем моменты возмущения ими-
357
тировались, как правило, моментом сопротивления порошкового или ги-стерезисного тормоза. Кинематическая схема стенда-имитатора нагрузки приведена на рис. 3.
Рис. 2. Функциональная схема расширителя шины РС1 ПЭВМ: А1 - интерфейс с системой измерения; А2 - устройство сопряжения системой верхнего уровня; А3 - модуль приема аналоговых низкочастотных сигналов; А4 - модуль приема релейных сигналов; А5 - модуль преобразования нестандартных сигналов; А6 - модуль передачи релейных сигналов; А7 - модуль последовательных интерфейсов MiL, RS, Ethernet; А8 - модуль сопряжения с датчиковой аппаратурой; А9 - плата передачи
Рис. 3. Кинематическая схема стенда-имитатора: 1- импульсный датчик скорости двигателя; 2 - исполнительный двигатель; 3 - прибор принимающий; 4 - муфта; 5 - муфта с люфтом; 6 - редуктор дприборный; 7 - торсион; 8 - инерциальный нагружатель;
9 - тормоз порошковый 358
Момент инерции нагрузки имитируется инерцией нагружателя 8, жесткость механической передачи - торсионом 7, внешние возмущающие моменты имитируются моментом трения гистерезисного тормоза 9. Принимающий прибор 3 с цифровым датчиком углового положения установлены на выходном валу приборного редуктора 6. На валу двигателя через муфту 5, имитирующую мертвый ход механической системы, установлен импульсный датчик скорости двигателя 1. Люфт цепи «двигатель - нагрузка» изменяемый и варьируется от 0,1 до 1 мрад.
Передаточное число от вала двигателя до вала датчика угла (ДУ) в 1111 определяется максимальной скоростью нагрузки (60...100) °/с и может составлять 1р=150 и более.
Стенд-имитатор нагрузки разрабатывается под требования к механической передаче и нагрузкам привода для разрабатываемого объекта. Изменение жесткости и момента инерции узлов стенда обеспечивается за счет использования в конструкции стенда-имитатора съемных торсионов и дисков, имитирующих жесткость и момент инерции объекта. Имитируемая резонансная частота механической передачи стенда соответствует параметрам объекта и может изменяться от 6 до 16 Гц, что соответствует круговой частоте (40.100)1/с
Стенд-имитатор отличается от реального объекта конструкцией редуктора и объектом управления, который заменен инерционным имитатором и элементами, имитирующими жесткость конструкции (торсион) и момент нагрузки (тормозная муфта).
В качестве датчиков скорости и положения используются реальные датчики привода, механическую систему которого имитирует стенд, либо инкрементные или абсолютные энкодеры, выпускаемые АО «СКБ ИС» (г. Санкт-Петербург) [3].
АИК ориентирован на испытание и исследование приводов и их составных частей, таких, как современные полупроводниковые силовые ключи, приборы на их базе, элементы микропроцессорной техники. Обладающая мощным специализированным математическим обеспечением АИК также позволяет проводить обобщенную оценку характеристик двигателей, систем управления [4]. Совмещение в персональном компьютере возможностей быстрой цифровой обработки информации, полученной через платы сбора данных, с одновременным качественным отображением результатов обработки делает систему виртуальных средств измерений на базе ПЭВМ основным инструментом динамических измерений при испытаниях и исследованиях.
Разработанный АИК обеспечивает:
1) исследование параметров сигналов системы как аналогового, так и цифрового вида, запоминание их и преобразование к виду, удобному для дальнейшего анализа и изучения; возможность исследования высокоча-
стотных, а также однократных или случайных процессов; многоканальное синхронное сканирование сигналов системы с последующим запоминанием;
2) мониторинг сигналов в режиме реального времени; задание управляющих воздействий на исследуемую систему аналогового или цифрового вида, возможность программирования частотных и амплитудных параметров сигналов с одновременным анализом выходных параметров системы; программирование режимов работы измерительных приборов, входящих в АИК;
3) формирование параллельного цифрового интерфейса между АИК и исследуемой системой; гальваническую развязку цифровых сигналов от исследуемой системы; развитый графический интерфейс представления результатов измерений, возможность сохранения результатов измерений в различных форматах: графическом, текстовом, цифровом, табличном; программирование времени выборки сигналов (частоты дискретизации);
4) спектральный анализ в режиме реального времени; вывод информации на печатающее устройство (принтер); возможность сохранения результатов на оптическом носителе большой емкости (CD-ReWriter) и передачи по линии связи в местную локальную сеть (Ethernet); защиту АИК от выбросов в питающей сети и пропадания питающего напряжения.
Благодаря наличию блоков цифровой обработки сигналов и соответствующего программного обеспечения АИК реализует виртуальные управляющие панели стационарных приборов.
Общий вид стенда-имитатора приведен на рис. 4.
Рис. 4. Стенд имитатор изделия
Программа электронного осциллографа АИК, используя вводимые данные, позволяет осуществить в реальном масштабе времени мониторинг исследуемых процессов. Программная часть виртуального осциллографа состоит из пользовательского интерфейса (рис. 5), позволяющего легко воспользоваться всеми аппаратными возможностями платы.
360
Меняя коэффициент усиления, смещение, частоту дискретизации и т.д., возможно быстро настроить осциллограф на конкретные задачи эксперимента. Кроме того, ПЭВМ представляет широкие возможности для мониторинга и обработки сигнала: режим «лупы» и измерительного курсора, функции синхронизации, накопления и т.д.
Рис. 5. Виртуальный осциллограф
Виртуальный спектроанализатор дополнительно позволяет анализировать сигнал в частотной области с различными оконными функциями. АИК позволяет проводить сбор данных по любому из 16 аналоговых каналов или сканирование любого количества каналов с записью их на диск для последующих обработки и анализа (рис. 6).
Рис. 6. Режим просмотра и анализа данных
Используя виртуальную панель универсального генератора, пользователь легко может сформировать форму, напряжение, частоту и т.п. управляющего сигнала, выбрать адрес и время его отправки, а также, используя виртуальный осциллограф, проанализировать реакцию системы на
361
полученное воздействие. Для управления приводами и выработки управления отдельных приборов АИК использует виртуальный универсальный генератор (рис. 7).
а
| 3 0 0 0
Клилн Л -
[ Ошию Лмпих
1 [ 200 "6/д ^Д
1 Смеи<«* Сиашом
II'**« ^ д: Д
1 в»
аре Ж ос
1" 1"
Залус* I
РшиЯЬ К» «дет Г
1 а ом сц| С1ЧЧ1 |
♦р»г. Г». лл1/1 В
|а»то А ТГ1
Истом«
1 1_
Тот >
Ц" Восх * |вс*./м>«еи ^ |
Рис. 7. Универсальный генератор
Являясь мощным средством исследования, разработанный АИК на этапах проектирования приводов на базе асинхронных и синхронных электрических машин обеспечила выполнение ряда задач, рассмотренных ниже.
1. Исследование быстрых переходных процессов при коммутации силовых ключей инверторов.
Построение современных систем ЭП невозможно без использования в качестве силовых управляющих элементов инверторов биполярных транзисторов с изолированным затвором (ЮВТ).
Обладая хорошими частотными свойствами, низким значением мощности управления, ЮВТ имеет низкие значения падения напряжения в проводящем состоянии при высоких значениях коммутируемого напряжения (до 1700 В). Однако в связи с высокими значениями скорости коммутации работа ЮВТ сопряжена с выбросами напряжения на транзисторе в момент запирания и тока при отпирании силового транзистора. Эти особенности коммутации требуют специального подхода к конструированию силовых блоков инверторов, расположению демпфирующих емкостей и др. элементов силовой схемы. Для адекватной оценки влияния конструкционных параметров, а также управляющих устройств ЮВТ необходимо применение специальной инструментальной базы, позволяющей наблюдать электрические процессы малой длительности <1 • 10-8 с. Кроме того, большое практическое значение имеет наблюдение за поведением ЮВТ при
362
коротком замыкании цепи нагрузки. Этот режим может быть повторен для ЮВТ ограниченное количество раз, поэтому наблюдение этого процесса не может быть проведено обычными измерительными приборами и требует специального оборудования, роль которого выполняла ИИС.
2. Исследование значительного количества одновременно протекающих и связанных между собой процессов.
В процессе исследования систем зачастую возникает необходимость одновременного наблюдения и фиксирования нескольких, связанных между собой процессов. Использование ИИС позволило осуществлять мониторинг этих сигналов в режиме реального времени и записывать в цифровом виде до 16 одновременно изменяющихся величин с максимальной частотой съема информации до 40 МГц.
3. Исследование алгоритмов работы СУ электрических машин.
Чтобы составить полную картину работы логического устройства
регулятора тока, вырабатывающего сигналы управления силовыми ключами (например, для выявления логических ошибок при составлении программы или при выяснении недостатков работы с последующим их устранением), необходимо анализировать 15 синхронизированных по времени сигналов (3 аналоговых и 12 цифровых). Следует отметить, что работа регулятора тока сильно сказывается на работоспособности всей системы, несмотря на то, что контур регулирования тока является внутренним. Вопрос построения оптимальных алгоритмов коммутации является актуальным. В случае его решения качество работы системы значительно улучшится. Кроме того, требования, предъявляемые к внешним контурам по отношению к контуру регулирования тока, менее жесткие.
4. Исследование КПД электрических машин.
Для экспериментального определения КПД (мощности) асинхронного или синхронного двигателя необходимо одновременно анализировать как минимум шесть аналоговых сигналов, синхронизированных по времени - напряжений и токов в фазных обмотках двигателя. Для адекватного расчетного определения величин мощности потерь и потребления частота съема информации в ходе эксперимента должна быть не менее 2 МГц (500 нс). Применение АИС позволяет обеспечить одновременные мониторинг и сохранение в цифровом виде аналоговых сигналов по шести каналам с дискретностью по времени 300 мкс.
5. Формирование сигналов специальной формы для управления асинхронными и синхронными электрическими машинами.
Использование АИК позволяет формировать аналоговые сигналы специальной формы. Пользователь программирует в зависимости от решаемых задач формирование аналоговых сигналов, имеющих определенный фазовый сдвиг, содержащий высшие гармоники, и т.п.
6. Исследование частотного спектра токов, потокосцепления электрических машин.
Математическое обеспечение АИК позволяет провести частотный анализ - разложение в гармонический ряд сигналов, полученных в результате выполнения эксперимента.
2. Автоматизированный стенд контроля приводов
Необходимость обеспечения испытаний серийной продукции и опытных образцов определила потребность создания автоматизированного стенда контроля приводов (АСК), который, используя принципы АИК, ориентирован на выполнения более конкретных задач по испытаниям и отладке приводов.
АСК предназначен для настроек, контроля и проведения испытаний ПН перечисленных выше изделий в составе рабочих мест и обеспечивает:
- выбор различных типов задающих воздействий (гармоническое воздействие, постоянная скорость; повторяющийся угол) с возможностью установки необходимых амплитуды и частоты;
- контроль функционирования ПВ при отработке задающих воздействий, управление процессом контроля;
- регистрацию контролируемых параметров с записью в файл;
- проведение настройки коэффициентов регулирования, алгоритма управления в реальном времени;
- графическое отображение результатов регистрации с возможностью просмотра числовых значений; автоматический расчет показателей качества регистрируемого процесса с выдачей результата прохождения теста и заключения о соответствии (несоответствии) требованиям технических условий;
- реализацию задающих воздействий по требованиям ТЗ; автоматическую подготовку протокола тестирования с возможностью его распечатки;
- возможность в автоматическом режиме проведения выборочного набора тестов (например, в объеме приемо-сдаточных испытаний); индикацию процесса выполнения текущего теста;
- сохранение результатов контроля на электронных и бумажных носителях.
Функциональная схема АСК приведена на рис. 8.
Стенд осуществляет обмен информацией в режиме контроллера мультиплексного канала по магистральному последовательному интерфейсу, а также обмен релейными сигналами между системой автоматики СА и блоком управления ПН.
Принцип действия стенда: с помощью ПЭВМ формируются сигналы задающих воздействий, которые поступают в плату сопряжения и затем передаются в ПН.
После отработки задающих воздействий от ПН к ЭВМ передаются и анализируются информационные сигналы, содержащие результаты отработки ПН задающих воздействий. Прием и передача информации осу-
ществляются с помощью платы расширения шины РС1 ПЭВМ. Плата расширения и плата сопряжения ПЭВМ осуществляют совместимость ПЭВМ с ПН по входным и выходным сигналам.
1 - принтер; 2 - мышь; 3 - клавиатура; 4 - блок расширения шины; 5 - блок управления системы автоматики; 6 - цифровой блок управления ПН; А1 - плата аналого-цифрового ввода/вывода;
А2 - плата приема-передачи информации; А3 - плата релейных выходов; А4 - плата сопряжения
Выводы:
1. Разработанный автоматизированный комплекс ориентирован на обеспечение проведения испытаний и исследование приводов и их составных частей.
2. Сформулированы и приведены задачи, которые возможно решить с использованием АИК, АСК на этапе отработки и испытаний ПН.
3. Благодаря наличию в составе исследовательского комплекса блоков цифровой обработки и соответствующего ПО обеспечиваются исследование и анализ, в том числе спектральный, параметров ПН. Развитый графический интерфейс представляет возможность сохранения результатов экспериментальных и исследовательских работ в различных формах: графической, табличной, тестовой, цифровой.
4. Внедрение стендового оборудования, имитирующего нагрузочные характеристики реального объекта управления, позволило значительно сократить, а в некоторых случаях исключить отладку приводов на объекте.
Список литературы
1. Проектирование систем сопровождения и приводов наведения и стабилизации комплексов вооружения: учеб. пособие / Е.В. Александров [и др.]; под общ. ред. акад. РАН А.Г. Шипунова. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. 269 с.
2. Александров Е.В., Степаничев И.В. Экспериментальное определение параметров асинхронного электропривода зенитного комплекса. // Системы управления эл.-технич. объектами: сб. научн. тр. Шестой Научно-практ. конф. «СУЭТО-6». Тула: Из-во ТулГУ, 2012. Вып. 6. С. 205 - 211.
3. Каталог продукции АО «СКБ ИС». Санкт-Петербург: АО «СКБ ИС», 2018. 15 с.
4. Александров Е.В. Алгоритмы комплексного исследования характеристик асинхронного электропривода на универсальном стенде // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2012. Вып. 12. Ч. 3. С. 159 - 167.
Александров Евгений Васильевич, д-р техн. наук, проф., aleksandrov-e@yandex.ru, Россия, Тула, АО «КБП»,
Чудаков Дмитрий Дмитриевич, инженер, kbkedr@,tula. net, Россия, Тула, АО «КБП»
Меркулов Юрий Анатольевич, инженер, kbkedr@,tula.net, Россия, Тула, АО «КБП»
Кочановская Александра Игоревна, инженер, kbkedr@,tula. net, Россия, Тула, АО «КБП»
AUTOMATED SYSTEM FOR SPECIAL-PURPOSE EQUIPMENT ARMAMENT ELECTRIC DRIVE TESTING
E. V. Alexandrov, D. V. Tikhonov, Yu.A. Merkulov, A.I. Kochanovskaya
Support systems, stand and test equipment, as well as peculiarities of such systems use and their application for research, experimental work off and testing of drives at their preliminary and acceptance tests are given in the article.
Key words: drive, tests, equipment, stand.
Aleksandrov Evgeniy Vasilevich, doctor of technical sciences, professor, aleksan-drov-e@yandex. ru, Russia, Tula, JSC «KBP»
Chudakov Dmitrii Dmitrievich, engineer, kbkedr@,tula. net. Russia, Tula, JSC «KBP»
Merkulov Yurii Anatolievich, engineer, kbkedr@,tula. net. Russia, Tula, JSC «KBP»
Kochanovskaya Aleksandra Igorevna, engineer, kbkedr@,tula. net, Russia, Tula, JSC «KBP»
