CC BY
43
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012
192
сбережение : межвуз. темат. сб. науч. тр. — Омск. : Изд-во ОмГТУ, 2011. - С. 46-55.
5. Бубенчиков А. А. Математическая модель определения потерь энергии в самонесущих изолированных проводах электроэнергетических систем с учетом нагрузки и климатических факторов / А. А. Бубенчиков // Россия молодая: передовые технологии в промышленность : матер. Всерос. научн-техн. конф. — Омск. : Изд-во ОмГТУ, 2011. — Кн 2. — С. 14 — 20.
6. Бубенчиков, А. А. Расчет температурных полей в транспортных сооружениях методом конечных элементов : учеб. пособие / А. А. Бубенчиков, О. Л. Рудых. — Хабаровск : ХабИИЖТ, 1986. — 86 с.
БУБЕНЧИКОВ Антон Анатольевич, старший преподаватель кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета.
ГИРШИН Станислав Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета.
ЯНИШЕВСКАЯ Анна Генриховна, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Системы автоматизированного проектирования машин и технологических процессов» Омского государственного технического университета. ЧЕРЕМИСИН Василий Титович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Теоретическая электротехника» Омского государственного университета путей сообщения.
Адрес для переписки: РггуеЮт8к@та11.ш
Статья поступила в редакцию 26.12.2011 г.
© А. А. Бубенчиков, С. С. Гиршин, А. Г. Янишевская,
В. Т. Черемисин
УДК 62-8 : 62-187.4:004 Д. В. БУБНОВ
Т. Д. БУБНОВД Д. Н. ЧУДИНОВ
Омский государственный технический университет
НОВЫЕ ПРИНЦИПЫ И СПОСОБЫ ОРГДНИЗДЦИИ УПРДВЛЕНИЯ СИНХРОННО-СИНФДЗНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ СКДНИРУЮЩИХ СИСТЕМ__________________________________
В статье предлагаются новые принципы и способы организации управления синхронно-синфазным электроприводом, позволяющие улучшить динамические показатели качества процесса регулирования электропривода.
Ключевые слова: синхронно-синфазный электропривод, фазирование, синхронизация, ошибка по частоте вращения.
Синхронно-синфазные электроприводы (ССЭ) находят широкое применение в обзорно-поисковых и сканирующих системах и устройствах, в системах технического зрения современных робототехнических комплексов, системах автоматического визуального контроля продукции, установках фототелеграфной и видеозаписывающей аппаратуры, копировальных установках, что обусловлено их высо-
кими точностными показателями, широким диапазоном регулирования угловой скорости и высоким быстродействием [1].
Синхронно-синфазный электропривод строится на основе двухконтурной схемы (рис. 1). Астатизм по частоте вращения и высокая точность регулирования электропривода по углу обеспечивается внутренним контуром синхронизации, построенном на
Рис. 1. Обобщенная функциональная схема синхронно-синфазного электропривода
Рис. 2. Фазовый портрет работы синхронно-синфазного электропривода
А а
Рис. 3. Фазовый портрет работы электропривода в режиме разгона
основе фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) [2]. Контур синхронизации электропривода (фазовой автоподстройки частоты вращения — ФАПЧВ) включает в себя логическое устройство сравнения (ЛУС), корректирующее устройство (КУ), электродвигатель (ЭД) и импульсный датчик частоты (ИДЧ).
Внешний контур фазирования служит для начальной установки углового положения вала электродвигателя, что вызвано необходимостью установки положения призмы узла оптико-механической развертки (ОМР), соответствующего началу строки развертки сканируемого изображения в момент прихода импульса Fоп. Контур фазирования включает в себя блок определения углового рассогласования (БОУР), блок регулирования угловой ошибки (БР), контур ФАПЧВ и датчик положения ДП.
Управление внешним и внутренним контурами осуществляется от блока задания частоты (БЗЧ), формирующего импульсные сигналы /оп и Роп. Опорная частота /оп определяется кодом задания N. Частота импульсов угловой привязки Роп связана с опорной частотой/оп через коэффициент деления цифрового делителя частоты, входящего в состав БЗЧ, и определяется как
т
р I
оп ^ оп ,
2
где т — количество граней призмы узла ОМР, а г — количество радиальных меток ИДЧ.
В настоящее время применяются различные способы регулирования ССЭ, при этом практически все они основаны на следующих принципах организации работы электропривода:
1) в ССЭ реализуется алгоритм последовательной стыковки во времени процессов синхронизации и фазирования (сначала осуществляется синхрониза-
ция электропривода на заданной частоте вращения, а затем фазирование), что не позволяет обеспечить максимально высокие динамические показатели регулирования электропривода;
2) в электроприводе обеспечивается высокая точность регулирования в режимах стабилизации угловой скорости (замкнутая САУ), но не обеспечивается качественное регулирование в переходных режимах работы электропривода (разомкнутая САУ) при изменении задания по частоте вращения.
Данные принципы поясняются на фазовом портрете работы синхронно-синфазного электропривода (рис. 2, где ф0 = 2р/г —угловое расстояние между соседними меками ИДЧ, Да — угловая ошибка, Дю —ошибка по угловой скорости), участок фазовой траектории до точки 1 соответствует разгону электропривода с максимальным ускорением, участок 1 — 2 соответствует синхронизации электропривода, участок 2 — 3 — начальной установке углового положения вала электропривода, участок 3 — 4 соответствует скачкообразному изменению заданной частоты вращения электропривода, участок 4 — 5 — разгону электропривода с максимальным ускорением при отработке скачка задания, участок 5 — 6 — повторной синхронизации электропривода, а участок 6 — 7 — повторному фазированию электропривода.
Целью статьи является разработка способов регулирования ССЭ, основанных на новых принципах организации управления синхронно-синфазным электроприводом и позволяющих улучшить динамические показатели качества процесса регулирования.
В работе рассматриваются новые принципы организации управления синхронно-синфазным электроприводом сканирующих систем:
1) организация процесса фазирования до начала процесса синхронизации электропривода на заданной частоте вращения;
2) отработка скачка задающего сигнала без размыкания САУ, в результате чего не требуется повторные синхронизация и фазирование;
и способы их реализации в ССЭ, позволяющие улучшить динамические показатели качества процесса регулирования электропривода.
Для реализации способов регулирования ССЭ, основанных на принципе организации процесса фазирования до начала процесса синхронизации электропривода необходимо:
— непрерывно измерять угловую ошибку электропривода, что делается с помощью БОУР;
— с высокой точностью измерять ошибку по угловой скорости.
Существующие датчики угловой скорости не позволяют обеспечить требуемую для работы ССЭ точность измерения, что сдерживает использование данного принципа.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012
Рис. 4. Фазовые портреты работы синхронно-синфазного электропривода
N
ГВЧ
л
БПКЗ
ДЧ
ДЧ2
л
Рис. 5. Структурная схема блока задания частоты
Для определения ошибки по угловой скорости ССЭ в режимах разгона и торможения предлагается использовать способ косвенного определения ошибки по частоте вращения [3] путем подсчета количества Nu импульсов опорной частоты/оп на интервале между двумя соседними моментами времени, соответствующим приходу двух импульсов одной из частот /оп или /ос между двумя соседними импульсами другой частоты (точки а и Ь на фазовом портрете работы электропривода в режиме разгона рис. 3), что соответствует значениям фазового рассогласования импульсов частот Да = ф0/2+пф0, где п — целое число.
В этом случае зависимость текущего значения ошибки по угловой скорости Дюк (точка Ь на фазовом портрете) от количества импульсов Nш и от заданной угловой скорости юз может быть представлена в виде [3]:
. Ю, N Дт Аюк = —^-- и г
N 4ю3 '
где Дюг = ^2етф0 — максимальная величина перерегулирования угловой скорости в режиме синхронизации ССЭ [1], 8т — максимальное ускорение электродвигателя.
При использовании предложенного способа значение переменной состояния САУ Дю можно определять дискретно при прохождении изображающей точкой на фазовом портрете линий с координатами Да = ф0/2 + пф0.
Предлагается начинать процесс фазирования до начала процесса синхронизации электропривода на заданной частоте вращения при следующих начальных условиях (рис. 4, где пунктирной линией показана фазовая траектория работы электропривода при реализации принципа разделения во времени процессов синхронизации и фазирования):
— ошибка по углу Да равна нулю;
— ошибка по угловой скорости Дю становится
Рис. 6. Графики изменения во времени задающих сигналов угловой скорости и угла
меньше значения Дюг = ^2Да0ет = ^4жгт , где Да0 — угловая ошибка, соответствующая довороту вала на один оборот (2р).
Процесс фазирования (участок 1 — 2-фазовой траектории) должен быть организован таким образом, чтобы за минимальное время устранить ошибку по углу Да = 2р и при этом уменьшить ошибку по угловой скорости Дю до значения меньше Дюг = ^ 2ф0ет. Затем электропривод переводится в режим синхронизации (участок 2 — 3-фазовой траектории).
Рациональными способами управления ССЭ в режимах отработки скачка задания следует считать способы, при которых ЛУС не выходит из линейной зоны [4, 5] (без размыкания САУ). Их использование позволяет осуществлять изменение частоты вращения без выхода из синфазного состояния и превышения допустимой фазовой ошибки. Обеспечение перехода ССЭ с одной частоты вращения на другую без выхода в режимы насыщения позволяет исключить потери информации и, тем самым, повысить качество работы обзорно-поисковых и сканирующих систем.
Для повышения качества регулирования при отработке изменений сигнала задания в области высоких частот вращения предлагается использовать промежуточные значения частоты /оп, соответствующие дробным значениям коэффициента деления N [6] в БЗЧ (рис. 5, где БПКЗ — блок преобразования кода задания N1,. Их предлагается получать путем поочередного переключения между Ni и Nj+I, отличающимися на 1.
Среднее значение коэффициента деления N.
можно определить как
N ср = N + т N+1 - N ) = N + т,
(1)
создать к промежуточных уровней, и величина, на которую может быть изменена частота, будет равна:
10
С „ N,
Если условие качественной работы ССЭ записать в виде Д!,- < Д/Доп , то выражение для определения минимального значения коэффициента деления ДЧ1 принимает вид:
10
Сс ¥т
где т — количество периодов Т+_г, в течение которых N = N^+I; к — общее количество периодов Т. и Т.+1 одного цикла переключений, определяющее возможное количество промежуточных (дробных) значений коэффициента деления N (при изменении т от 1 до к) в диапазоне от N. до Nj+I. При этом должно выполняться условие:
к • Т, <<тс,
где т с =1/юс — постоянная времени замкнутой линеаризованной системы регулирования электропривода, юс — частота среза системы.
При работе ССЭ среднее значение сигнала частотного задания угловой скорости /оп ср следует изменять таким образом (плавно изменяя т), чтобы максимальная величина угловой ошибки электропривода Да не превышала допустимого значения Дадоп. При этом наибольшая допустимая величина ступенчатого изменения задающей частоты равна
Д/доп.
доп
Предположим, что в определенный момент времени коэффициент деления ДЧ1 равен Nj, и (в связи с необходимостью изменения частоты вращения) требуется изменить его на N.+I = N.±1, обеспечивая работу электропривода в пропорциональном режиме. Согласно выражению (1) существует возможность установить ряд значений N. ср путем переключения между N. и N.+1, при этом за время 0,1 тс должно сформироваться k = 0,1тс/Tоп. = 0,1т(fг/N. периодов Топ.. Следовательно, на интервале от N. до N.+I можно
Каждое ступенчатое изменение задающего сигнала отрабатывается за время, составляющее приблизительно 5тс. Следовательно, изменение коэффициента деления ДЧ1 с N. на N.+I произойдет за время 5тск.
Для повышения качества регулирования при отработке скачка сигнала задающей частоты предлагается осуществлять переход с задающей частоты /оп (код задания Nj) на частоту/ .+1 (код задания N.±1) путем чередования N. и N.+I по закону, обеспечивающему линейное нарастание сигнала задания /оп и, соответственно, угловой частоты юз (рис. 6) [5].
На рисунке приведены графики изменения во времени задающих сигналов угловой скорости юз(^ и угла аз(^, поясняющие различные способы управления электроприводом при скачкообразном изменении задающей частоты:
1) без коррекции сигнала задания;
2) при замене скачкообразного изменения задающего сигнала ступенчатым (вышерассмотренный способ регулирования), при этом график аз(^ представляет собой отрезки прямых с различными наклонами;
3) при замене сигнала задания на линейное регулирование задающей частоты юз = юзI + 8^ с постоянным ускорением 8ф»0,8етах, при этом график аз(() представляет собой сумму линейно изменяющейся функции и параболы.
Время регулирования при изменении сигнала задания с N. до N.+I = N.±1 определяется в соответствии с выражением [5]:
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012
t Р =
Ф о fr . _L
еФ N,2
Количество K периодов Tj = Nj/fr на интервале
регулирования t :
к = ^ = Уг_ = Ф о Л2 _ J_
T, N, Єф Nf
(2)
Моменты времени ^ для формирования периодов Тш
. = 12ф 0 г
(п = ----•—•л/ г
Г \8ф ^ ■
Номер импульса тп следующего с периодом Т1+1, с учетом (2) определяется из выражения
ф
Количество импульсов Дтп, следующих с периодом Тмежду двумя соседними импульсами с периодом Т.+1, будет равно
Amn =42К • (jn +1 - -Jn ).
В этом случае условие полного перехода на часто-туЛОПі+і записывается в виде
і >42к •(j n+1-4n).
потенциала высшей школы», проект № 2.1.2/11230 «Исследование динамики и разработка новых способов регулирования синхронно-синфазного электропривода для обзорно-поисковых систем».
Библиографический список
1. Бубнов, А. В. Вопросы теории и проектирования прецизионных синхронно-синфазных электроприводов постоянного тока : монография / А. В. Бубнов. — Омск : Редакция журнала «Омский научный вестник», 2005. —190 с.
2. Трахтенберг, Р. М. Импульсные астатические системы электропривода с дискретным управлением / Р. М. Трахтенберг. — М. : Энергоиздат, 1982. — 168 с.
3. Бубнов, А. В. Способ косвенного определения ошибки по частоте вращения в электроприводе с фазовой синхронизацией в режиме насыщения логического устройства сравнения / А. В. Бубнов, В. А. Емашов, А. Н. Чудинов // Омский научный вестник. — 2011. — № 1. — С. 99—103.
4. Бубнов, А. В. Современное состояние и перспективы развития теории синхронно-синфазного электропривода : монография. / А В. Бубнов, Т. А. Бубнова, В. Л Федоров. — Омск : ОмГТУ, 2010. - 104 с.
5. Бубнов, А. В. Способ регулирования синхронно-синфазного электропривода при ступенчатом изменении сигнала задания частоты вращения / А. В. Бубнов, Т. А. Бубнова // Известия вузов. Электромеханика. — 2010. — № 1. — С. 44-48.
6. Бубнов, А. В. Алгоритм работы импульсного частотно-задающего блока / А. В. Бубнов, П. А. Катрич. — М. : ВНТИЦ, 2006. — № 50200601819.
На рис. 7 приведены фазовые портреты работы электропривода при скачкообразном изменении сигнала, где пунктирной линией показана фазовая траектория работы электропривода без коррекции сигнала задания, сплошной тонкой линией — при замене скачкообразного изменения задающего сигнала ступенчатым и сплошной толстой линией — при замене сигнала задания на линейное регулирование задающей частоты.
Предлагаемые способы организации управления ССЭ позволяют уменьшить величину перерегулирование электропривода по Дю и уменьшить время переходных процессов. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании элект-роприводов с фазовой синхронизацией.
Работа выполнена в рамках Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного
БУБНОВ Алексей Владимирович, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», заведующий секцией «Промышленная электроника». БУБНОВА Татьяна Алексеевна, младший научный сотрудник кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», секция «Промышленная электроника».
ЧУДИНОВ Александр Николаевич, аспирант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», секция «Промышленная электроника»
Адрес для переписки: footbanmaster@rambler.ru.
Статья поступила в редакцию 26.09.2011 г.
©А. В. Бубнов, Т. А. Бубнова, А. Н. Чудинов
m
n
Книжная полка
621.3/Ф89
Фриск, В. В. Основы теории цепей. Использование пакета Microwave Office для моделирования электрических цепей на персональном компьютере [Текст] : учеб. пособие для вузов по направлению 554000 «Телекоммуникации» / В. В. Фриск. - М. : Солон-Пресс, 2009. - 158 с. - ISBN 5-98003-163-4.
Книга «Использование пакета Microware Office для моделирования электрических цепей на персональном компьютере» является продолжением комплекса по курсу «Основы теории цепей» и предназначена для использования с учебными пособиями Фриск В. В. «Основы теории цепей», «Лабораторный практикум на персональном компьютере» и «Сборник задач с примерами применения персонального компьютера».
В издании собраны примеры для их самостоятельного повторения на персональном компьютере, способствующие как более глубокому освоению курса ОТЦ, так и совершенствованию навыков применения инженерных пакетов схемотехнического моделирования.
