CC BY
104
УДК 621.833
П.М. Поклад, канд. техн. наук, ст. преподаватель, (4932) 29-04-64, cdminfo@rambler.ru (Россия, Иваново, ИГЭУ)
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ОСЕЙ ТЕЛЕСКОПОВ И ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЙ ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ПОДДЕРЖКИ ИХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА
Рассмотрены особенности цифровых систем наведения оптических телескопов и определены требования к современным электроприводам осей телескопа. Предложен нетрадиционный подход к построению системы управления на базе контура фазовой синхронизации с микроконтроллерным управлением.
Ключевые слова: прецизионный электропривод, телескоп, микроконтроллер, автоматическое управление, fuzzy-регулятор, импульсно-фазовая система, дискриминатор.
В настоящее время организация контроля космического пространства (КП) объективно становится одной из актуальных задач государства в укреплении авторитета России в современном многополярном мире, а также повышении безопасности космических полетов в условиях техногенного загрязнения околоземного КП. Задача контроля КП решается комплексом специализированных оптико-электронных и лазерно-оптических средств. В то же время в связи с постоянным совершенствованием космических аппаратов и повышении их характеристик существующие наземные средства контроля КП созданные еще в прошлом веке, не обеспечивают в полной мере решения возложенных на них задач.
Важной задачей при модернизации действующих оптико-электронных цифровых систем наведения (ЦСН) оптических телескопов является повышение качества наблюдений за КП путем замены малонадежных аналоговых систем электропривода их осей на цифровые с развитым «интеллектуальным» управлением без изменения существующих высокоточных многоступенчатых кинематических схем. Однако, военная «закрытость» таких установок не позволяет использовать зарубежные электроприводы, поэтому задача разработки отечественной высокоточной системы электропривода телескопа на основе современной элементной базы представляется весьма актуальной и важной.
Модернизируемая цифровая система наведения ЦСН представляет собой мехатронный комплекс массой в 33 тонны, способный совершать сложные движения (рис. 1). Важной задачей при модернизации действующих ЦСН оптических телескопов является повышение качества наблюдений за КП путем замены малонадежных аналоговых систем электропривода их осей
на цифровые с развитым «интеллектуальным» управлением без изменения существующих высокоточных многоступенчатых кинематических схем.
ЦСН включает в себя уникальный оптический телескоп (ОТ), фотокамеры, анализаторы, системы электропривода (ЭП) для управления тремя осями, и уникальной конструкции основания и поворотно-качающейся опоры на гидростатических опорах (ГО) с мощной системой нагнетания масла (рис. 2).
Рис. 1. ЦСН Рис. 2. Схема ЦСН
Каждая из 3 осей ЦСН имеет по 2 отдельных двигателя постоянного тока независимого возбуждения (ДПТНВ) для канала точного (ТН) и грубого наведения (ГН), основные характеристики которых приведены в табл. 1, 2.
Таблица 1
Характеристики штатных двигателей ЦСН
Тип электродвигателя Наименование параметра
Ном. мощность, кВт Ном. напряжение, В Ном. частота, об/мин Ном. ток якоря, А Макс. мощность возбуж., Вт КПД,% Напряжение возбуж., В
2ПБН 112ЬГ 0,37 220 1000 2,26 75 66,0 110
2ПБН 112МГ 0,55 220 1000 3,20 99 68,5 110
Таблица 2
Характеристики механизмов ЦСН
Режим Двигатель Редукция редуктора, коэффициент Макс. скорости Дискретность управления по скорости
Ось «А» Ось «Ь» Ось «Я» град/с разряды
есть желаемое
Грубое наведение 2ПБН112МГ 720 720 720 10 8 10
Точное наведение 2ПБН 112ЬГ - - 12.000 0,5 10 11___12
Штатная аналоговая система управления электроприводом оси Я, разработанная еще в 80-х годах прошлого века, не обеспечивала требуемый диапазон регулирования скорости, необходимый для обеспечения быстрых и медленных перемещений оси Я с низкой и высокой точностью соответственно, что послужило основанием для разработки так называемых каналов «точного» (ТН) и «грубого» (ГН) наведения, реализованных в виде многоступенчатой кинематической схемы.
На основе проведенного анализа выдвигаемых к ЦСН требований и режимов ее работы сформулированы следующие требования к разрабатываемому ЭП: диапазон регулирования скорости - 36000:1; минимальная скорость - 1 ''/с; максимальная скорость - 10 угл. град/с; максимальное ускорение - 3,5 угл. град/с ; стабильность характеристик; малая чувствительность к действию внешних дестабилизирующих факторов и условий работы; обеспечение специфических режимов работы ЦСН, таких, как работа с постоянными скоростями слежения, быстрого перемещения оси телескопа, или старт-стопные режимы работы ЭП при секторном сканировании пространства; возможность работы в составе интегрированных систем управления; использование стандартных интерфейсов связи.
Из множества возможных способов реализации приводных устройств опорно-поворотных осей оптических телескопов можно выделить достаточно перспективное направление развития систем управления, основанное на использовании принципов фазовой синхронизации скорости, реализованных посредством импульсно-фазовых электроприводов (ИФЭП) [1, 2, 3, 4].
В работах М.В. Фалеева [1, 3] и Р.М. Трахтенберга [2] показано, что высокие качественные показатели управления параметрами движения обеспечивают электроприводы, построенные на базе контура фазовой синхронизации (КФС) [5], оперирующего с импульсными последова-тельностями,
чем достигается идеальным астатизм по средней частоте выходного сигнала датчика положения. При этом сам принцип работы такой системы позволяет только изменением характеристик импульсного задающего сигнала, таких, как частота и число импульсов, реализовать перемещение управляемого объекта в заданную точку пространства, что создает предпосылки для его использования при позиционировании механизма.
На рис. 3 представлена функциональная схема КЭП ЦСН, полученная по принятой концепции построения прецизионных электроприводов, предназначенных для использования в цифровых системах наведения.
Рис. 3. Структурная организация контроллера электропривода
Блок управления КЭП ЦСН состоит из МК и широтно-импульсного преобразователя (ШИП) на базе интеллектуального силового модуля (ИСМ). Система управления включает в себя программные (SOFT) и аппаратные (HARD) средства. Последние используются для организации взаимодействия регулятора с входящей в состав электропривода периферией: ШИП, датчиком положения и локальной сетью управления (ЛСУ) технологическим агрегатом через связной интерфейс (СИ).
В ЭП ЦСН измерение параметров движения (скорости roD и угла поворота вала ф) двигателя М производится энкодером ВР, квадратурные выходные сигналы которого с частотой fBP определяют режим работы интерфейса оптического датчика (QEI). МЧФД обеспечивает передачу цифрового кода, соответствующего величине фазовой ошибки, в цифровой блок управления.
Указанный вариант построения ЭП ЦСН предполагает выполнение практически всех функций управления встроенным в контур регулирования МК. Это позволяет расширить возможный набор алгоритмов управле-
234
ния системой при сохранении основного ее преимущества по сравнению с другими системами - управлению по величине фазовой ошибки частотных сигналов задания и обратной связи, и обеспечить встраиваемость в локальную сеть управления. Работа системы управления базируется на информации о положении вала, получаемой с интерфейса измерительного преобразователя - инкрементального энкодера. Задание уровня скорости и вычисление величины фазового рассогласования осуществляется на программном уровне.
Для решения практических задач, таких как, наладка, тестирование, программирование и документирование системы электропривода, а также, чисто теоретических задач - моделирование и ее анализ были разработаны компьютерные средства поддержки жизненного цикла ИФЭП, функционирующих на базе обычного персонального компьютера без дополнительных аппаратных и программных средств. Работа комплекса базируется на использовании собственной системы адресных команд ЭП, интегрированных в него CAN, RS-232 интерфейсов.
Предлагаемая система поддержки жизненного цикла такого электропривода реализованная на языке Object Pascal в визуальной среде разработки Delphi 7.0 осуществляет взаимодействие с ЭП ЦСН по последовательному каналу связи в стандарте RS-232C. Взаимодействие программ с COM-портом ЭВМ осуществляется с помощью программного интерфейса TComPort, который взаимодействует со встроенными в Windows драйверами COM-порта (рис. 4).
Рис. 4. Схема взаимодействия КЭП и ЭВМ
Объектно-ориентированный комплекс [4] состоит из следующих программ:
1. Configurator PPL Drive (свидетельство РФ № 2010615959) для наладки, мониторинга и настройки ЭП;
2. Tester PPL Drive (свидетельство РФ № 2010615958) для испытаний и тестирования ЭП;
3. Code Uploader PPL Drive (свидетельство РФ № 2011610718) для модернизации параметров и программирования ЭП;
4. Simulator PPL Drive (свидетельство РФ № 2010615957) и Research PPL Drive (свидетельство РФ №2010617730) системы моделирования ЭП;
5. Content Browser PPL Drive Suite (свидетельство РФ № 2011613050) для просмотра электронных технических руководств (ИЭТР);
6. Content Editor PPL Drive Suite (свидетельство РФ № 2011612095) для создания, компиляции и редактирования ИЭТР.
Все программы осуществляют безбумажный обмен полученными данными, в виде XML-документов, файлов графиков и текстовых документов. Единый формат представления данных, в процессе функционирования программного комплекса, позволяет эффективно использовать полученные данные.
Для наладки ЭП ЦСН была разработана программа Configurator PPL Drive (рис. 5) с графическим интерфейсом, состоящим из 8 диалоговых окон, панели управления и меню. Для выполнения основной задачи программа обеспечивает выполнение 3 базовых функций: ввод данных; организация приема и передачи данных между ЭП ЦСН и ЭВМ; отображение данных.
Рис. 5. Интерфейс Configurator ( окно мнемосхем)
Программа Code Uploader позволяет проводить замену и проверку «прошивки» МК, интегрированного в контроллер электропривода, с помощью обычного компьютера без дополнительных дорогостоящих фирменных средств отладки и программного обеспечения за счет специального загрузчика, автономного по отношению к программным средствам контроллера электропривода.
Эксплуатационная техническая документация является важнейшим средством эффективного использования ИФЭП на постпроизводственной стадии его жизненного цикла. Современная тенденция перехода на «безбумажную технологию» при создании документации выражается в применении ИЭТР, которые за счет своей интерактивности и возможности обновления информации позволяют повысить эффективность эксплуатации изделия.
Разработанная информационная система PPL Drive Suite позволяет создавать и просматривать иерархически-структурированные ИЭТР. Она состоит из хранилища данных и двух программных модулей для редактирования (Content Editor) (рис. 6) и просмотра (Content Browser) руководств. Хранение данных организовано в базе данных MS Access и файл-контейнере. Для защиты данных в руководствах использованы отечественные программно-аппаратные средства на базе микроконтроллера.
Рис. 6. Вид основного окна программы Editor
237
Экспериментальная проверка контролера электропривода (рис. 7) орбитальной оси телескопа проводилась на действующем макетном образце ЦСН (рис. 8) в лабораторном корпусе НТЦ-4 СКБ ОАО «Красногорский завод им. С. А. Зверева».
Для проверки была использована методика испытаний штатной системы наведения, особенностью которой является косвенная оценка характеристик привода с помощью измерительных средств путем фиксации технологических параметров движения орбитальной оси Я.
Рис. 7. Контроллер электропривода Рис. 8. Макетный образец ЦСН ЦСН
Регистрация параметров выполнялась на базе канала ГН оси Я с мощью штатного датчика углового положения ФР171, МикроРС и платы аналого-цифрового преобразователя для вращающегося трансформатора (АЦПВТ).
В ходе испытаний проверялись время «переброса» оси Я на углы 60°, 2° за ограниченное время, отработка скоростей в диапазонах от 1 до 40 ''/с в течение определенного времени, а также от 300 ''/с до 1800 ''/с в заданном диапазоне углов (табл. 3).
Таблица 3
Результаты экспериментальной проверки электропривода оси Я ЦСН
Наименование проверки Требования Результат
Время переброса на 60° по оси Я Не должно превышать 10 с. 7,8...8,0 с
Время переброса на 2° по оси Я Не должно превышать 1,8 с. 1,6...1,7 с
Количество переходов через знак при успокоении привода после остановки движения в течение 6 с Не должно превышать 3 раз 1 раз
Отработка скорости 300''/с* не хуже 40 ''/с 10 ''/с
Отработка скорости 900''/с* не хуже 40 ''/сек 11 ''/с
Отработка скорости 1800''/с* не хуже 40''/сек 12 ''/с
*в диапазоне углов оси Я от 20° до 155°
На основе полученных результатов испытаний установлено, что разработанный КЭП ЦСН обеспечивает отработку скорости от 0,3 до 10 °/с, переброс оси R на заданные углы за требуемое время, а также высокую равномерность и плавность вращения вала исполнительного двигателя.
По результатам проведенных испытаний была подтверждена возможность отказа от канала ТН и использования только одного канала ГН кинематической передачи ЦСН, более высокая жесткость которого позволяет снизить влияния внешних возмущений на качество воспроизведения заданных параметров движения механизма ЦСН.
В результате испытаний и опытной эксплуатации нового контролера электропривода ЦСН оказалось возможным существенно сократить аппаратную часть штатной системы управления: вместо использования двух двигателей стало возможным применение лишь одного без изменения кинематических схемы; вместо использования 2 шкафов-стоек (высотой по 2 м.) для управления одним двигателем стало возможным применение только одной платы КЭП ЦСН размером 18,5х10,5 см и весом менее 1 кг; вместо времязатратного способа формирования тахограммы движения привода путем перепайки соединений между набором индуктивностей стал возможен программный способ ее формирования лишенный указанных недостатков; вместо использования дополнительных CAN-интерфейсов стало возможным использование встроенного в КЭП ЦСН CAN-контроллера, а также значительно расширить диапазон регулирования скорости (до 100000:1) и уменьшить время «переброса» оси на 2с, что позволило существенно расширить функциональные возможности и повысить производительность ЦСН; улучшены эксплуатационные свойства ЦСН за счет встроенной программно-аппаратной диагностики блоков КЭП ЦСН
По окончанию испытаний нового привода в НТЦ-СКБ 4 ОАО «Красногорский завод им. С. А. Зверева» были получены официальные акты об использовании КЭП и программ, акт технической проверки КЭП на соответствие предъявляемым требованиям и получен заказ на разработку более 30 контроллеров управления для автоматизации остальных осей телескопов.
Список литерауры
1. Фалеев М. В. Микропроцессорные импульсно-фазовые электроприводы информационно-измерительных систем (теория, разработка, исследование, внедрение): дис. ... д-ра техн. наук. Иваново, 1998. 313 с.
2. Трахтенберг Р.М. Импульсные астатические системы электропривода с дискретным управлением. М.: Энергоиздат, 1982. 168 с.
3. Фалеев М.В., Ширяев М.В. Импульсно-фазовые электроприводы
мехатронных модулей: монография. Иваново: ИГЭУ, 2008. 216 с.
4. Поклад П.М., Киселев А.А. Информационная поддержка им-пульсно-фазовых электроприводов: монография. Иваново: ИГЭУ, 2011. 212 с.
5. Фазовая синхронизация / под ред. В.В. Шахгильдяна, Л.Н. Белюстиной. М.: Связь, 1975. 288 с.
P.M. Poklad
MOTION CONTROL SYSTEM FOR TELESCOPE AXIS BASED ON INTELLECTUAL ELECTRIC DRIVES AND OBJECT-ORIENTED SOFTWARE PACKAGE FOR ITS LIFE CYCLE SUPPORT
Features of digital guidance systems of optical telescopes are examined and specifications for modern control systems of electric drives of telescope axis are determined. Non-conventional approach to control system design based on phase-locked loop with integrated microcontroller is suggested.
Key words: precision electric drive, telescope, microcontroller, automatic control, fuzzy-controller, pulse-phase control system, discriminator.
Получено 18.10.11
УДК 681.51
В.М. Понятский, канд. техн. наук, доц., нач. сектора, (4872) 46-94-16, pwmru@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ, ГУП «КБП»)
ГЕНЕРАЦИЯ ИЗ МОДЕЛИ МАТЬАБ С-КОДА
ДЛЯ МИКРОПРОЦЕССОРА, РЕАЛИЗУЮЩЕГО БЛОК
УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДА
Рассмотрено применение модельно-ориентированного подхода проектирования сложных динамических систем, основанного на использовании динамических моделей, при синтезе С-кода в среде Matlab алгоритма управления для рулевого привода летательного аппарата.
Ключевые слова: алгоритм управления, сервопривод, генерация программы, микропроцессорная система.
В настоящее время одной из сложных проблем проектирования технических систем является разработка программ, реализующих синтезированные алгоритмы управления в микропроцессорных системах.
Пакет ММаЬ, помимо динамического моделирования сложных изделий, состоящих из подсистем различной физической природы, позволяет осуществлять из моделей БтиНпк автоматическую генерацию С-кода для процессоров встроенных систем.
