Оптимальный по точности и быстродействию моментный вентильный двигатель Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ной функциональной схемы отказоустойчивого мультипроцессора для последующей интеграции в состав персонального компьютера.

Список литературы

1. Марухленко А.Л., Лопин В.Н. Разработка высокоскоростного алгоритма кодирования бинарного потока данных // Изв. КурскГТУ. 2007. №2 (19). С. 48-50.

2. Марухленко А.Л., Лопин В.Н. Высокоскоростной алгоритм кодирования двоичного потока данных // Проблемы информатики в образовании управлении, экономики и технике. Пенза, 2006. С. 139-142.

3. Маруххенко А.Л. Особенности реализации высокоскоростного алгоритма кодирования входного потока // Молодежь и XXI век. Курск, 2008. Ч.1. С. 59-60.

4. Пат. 2008612086 РФ. Программы для ЭВМ Visual Crypt 3.51 Lidht / А.Л. Марухленко, С.Л. Марухленко, И.В. Калуцкий.

5. Пат. 2008612653 РФ. Программы для ЭВМ Visual Crypt 4.0. / А.Л. Марухленко.

A. Marukhlenko

The structure of a failsafe multi-PUfor high-speed bitstream processing algorithm

The high-speed algorithm of the bitstream data block coding is proposed. The logic of the failsafe multi-PU allowing to provide failsafe work of the hardware support of the given algorithm is described. The engineering results of the processing elements of the matrix in the system Altera MAX+II are presented.

Получено 19.01.09

УДК 681.51

А.Ю. Егоров, асп., (4872) 33-24-34, etl tula@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ)

ОПТИМАЛЬНЫЙ ПО ТОЧНОСТИ И БЫСТРОДЕЙСТВИЮ МОМЕНТНЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Представлен способ построения схемы управления оптимальным по точности и быстродействию вентильным двигателем.

Ключевые слова: вентильный двигатель, моментный двигатель, оптимальная точность, быстродействие.

Максимальная механизация и автоматизация производственных процессов является одной из главных задач технического прогресса. Системы автоматического регулирования (САР) скорости двигателей и опти-

31

мальные следящие приводы на их основе играют в решении этой задачи непосредственную роль. Оптимальные системы создают возможности дальнейшего повышения производительности труда, улучшения качества продукции, уменьшение расхода электроэнергии при одновременном повышении надежности в работе. Одновременно облегчается труд людей, человек освобождается от необходимости выполнения утомительных и однообразных операций по управлению.

До настоящего времени в тех системах, к качеству статических и динамических характеристик которых предъявляются повышенные требования, главным образом используются двигатели постоянного тока. Преимущественное использование двигателей постоянного тока объясняется тем, что они позволяют сравнительно простыми средствами обеспечить плавное регулирование скорости в достаточно широком диапазоне и получить нужное качество переходных процессов. Однако двигателям постоянного тока присущи известные недостатки, которые связаны с наличием коллекторно-щеточного уза, а именно: сравнительно низкая надежность, большие эксплуатационные затраты ограничения по максимальной нагрузке, напряжению, мощности и быстроходности.

С целью устранения отмеченных недостатков, начиная с 30-х годов, у нас и за рубежом, уделяется повышенное внимание созданию систем управления более надежными асинхронными и синхронными двигателями.

Ветвь синхронных электрических машин наиболее перспективна и в ближайшее время сулит существенный технологический скачок. В то время, как ветвь асинхронных машин следует признать устоявшейся.

В этой работе предлагается оптимальная по точности система управления бесколлекторным двигателем постоянного тока (на базе синхронного двигателя), который в отличие от ДПТ более надежен, обладает его преимуществами (простота обеспечения плавного регулирования скорости в широком диапазоне и получение нужного качества переходных процессов) и не имеет присущих ему недостатков (наличие коллекторнощеточного уза, а именно: низкая надежность, большие эксплуатационные затраты и т. д.).

Основными задачами работы являются: получение оптимальной точности и быстродействия регулятора фазных токов (момента) вентильного двигателя и характеристик вентильного двигателя, тождественных характеристикам коллекторного двигателя постоянного тока; синтезировать релейную систему управления следящим вентильным приводом, являющуюся наиболее простым методом достижения инвариантности к внешшм возмущениям и низкой параметрической чувствительности.

Для пояснения принципа работы следящего привода (СП) воспользуемся уравнениями Горева-Парка в координатах d, q [1] для синхронного

двигателя при токе возбуждения Ij = const:

_ т йі&

Я •1& + Ь • —+ А • Ь • ш • ід =и&,

йг

йід

Я • ід + А • Ь —— + Ь • ш • і& +М • ¡г • ш = д йг й 1

и

т й ш

-• [М^ ¡1- ід -Ь • (1 - А) • і&- ід =Ш

2

и& = — • [^4 • соз(и) + ив • соэ(и - р) + ис • соэ(и + р), 2

ид = — • [^4 • ЗІп(и) + ив ■ зіп(и - р) + ис ■ БІп(и + р),

2

і& = 3 • [і4 ■ соз(и) + ів ■ соэ(и - р) + іс ■ соэ(и + р),

(2)

(3)

ід =— • [І4 • БІп(и) +в' Зіп(и - р) +іс • зіп(и + р),

обмотки статора

продольной оси

д 3

где Я - активное сопротивление оОмотки статора двигателя;

Ь - коэффициент индукции по продольной оси двигателя;

А - коэффициент явнополюсности; М- коэффициент взаимоиндукции между обмоткой статора и ротора; I - момент инерции вращающихся масс; шэм - электромагнитный момент вращения вала двигателя; тн - момент

нагрузки на вау двигателя; и - угол поворота ротора синхронного двигателя, и = |шйг + и0; р = 1200 - угол сдвига осей фазных обмоток относительно

друг друга.

Из уравнений (1) следует, что синхронный двигатель представляет собой объект регулирования с двумя управляющими воздействиями: и& и ид. Воспользовавшись теорией аналитического конструирования регуляторов А. А. Красовского [2] или более простой в использовании, изложенной в [3], запишем оптимаьные по точности и одновременно оптимаь-ные по быстродействию законы управления для регуляторов токов і& и ід:

ит • ^ (ійзд -и ) = ит • ^(к • ^зад ~к' Ч ) =т ' ^^зд - к ‘ Ч ), (4)

и

и

д

ит ■ ^(ічза ) =ит • Ы%п(к • ^зд -к- ^ ) =ит- ^(^шд ~к' ^ ) , (5)

гд ит - напряжеш1е питания преобразователя; Iчэад или и^,

и9зад - задашые значения сигнаов управления для регулятора тока 1а и I

соответствешо; к - коэффициент пропорциональности, к>0.

Следует отметить важное свойство релейной системы, работающей в скользящем режиме, и заключается оно в том, что система не чувствительна к внешним возмущающим воздействиям и к изменениям параметров звена, охваченного отрицательной обратной связью вместе релейным элементом.

Все выше сказанное делает возможным создание системы управления приводом, которая имеет двукратную инвариантность: по отношению к внешним возмущениям и к параметрическим изменениям объекта управления.

Переменные в координатах й, д выражаются через переменные в реаьных координатах А, В, С посредством соотношений (2), (3). Фиктивным токам і&, ід соответствуют реаьные фазные токи іА, ів іс.

Воспользовавшись соотношениями (3), найдем, что раностям к- ійзад~к- и к- ідзад~к- iq С00тветствуют рЗЗШСТИ Ь іАзад ~ к • іА , к ‘ іВзад - к • ів, к • іСзад - к • іс каждой фазы двигателя и отимаьным управлениям (4), (5) в координатах й, д соответствуют фаны е управления

Из формул (6)-(8) еле дет, что рассматриваемый способ требует трехфаного задатчика тока (датчика положения ротора), трехфаного датчика тока двигателя и трехфаного реле.

Система содержит модулятор 1, выход которого соединен со входом трехфаного датчика положения ротора синхронного двигателя 2, сиг-на с которого поступает на трехфаный демодулятор 3, выход трехфано-го демодулятора соединен с первым суммирующим входом трехфаного сумматора 4, результирующий сигна с выхода трехфаного сумматора поступает на трехфазное реле 5, выход реле подключен ко вход трехфаного преобразователя 6, выход трехфаного преобраователя соединен со входом трехфаного датчика тока синхронного двигателя 7, его токовый выход соединен со входом трехфаного синхронного двигателя 8, ротор которого механически соединен с ваом трехфаного датчика положения ротора синхронного двигателя 2, второй вычитающий вход трехфаного сумматора 4 соединен с выходом трехфазного датчика тока синхронного двигателя 7 рисунок (рисунок).

Система работает следующим обраом. Входное напряжение и ВХ (сигна управ лени) преобрауется модулятором 1 в напряжение прямоугольной формы повышенной частоты (500 - 20000 Гц) с амплитудным значением, равным ивх и подается на обмотку возбуждения датчика положения ротора 2, например, сельсина, ротор которого механически соединен с ротором синхронного двигателя. Сигна с обмоток синхронизации сельсина подается на трехфаный демодулятор 3, на выходе которого появляется напряжение задания на оптимальній регулятор:

иА =ит • ^ к iАзад-k•і А X иВ =ит• ^ к iBзад-k• іВ ), иС =ит • ^к iCзад-k• іС)■

(6)

(7)

(8)

Обозначим

и Азад = к • іАзад , и Взад = к •іВзд , иСзад = к • іСзад ■

(9)

'иАзад = к1 • иВХ • 8ІП[ и+0,

< иВзад = к1 • иВХ • 8Іп[(и - р) + 0], (10)

иСзад= к1 • иВХ • *іп[(и + р) + 0],

где к1 - общи коэффициент преобраования модулятора, датчика положения ротора синхронного двигателя и демодулятора; и - угол поворота

ротора синхронного двигателя, о = |сшй + и0; 0 - угол установки датчика

положения ротора синхронного двигателя относительно ротора синхронного двигателя.

ивх

1

=1^

£ 3 4 5 6 7 8

Следящая система управления оптимальным по точности моментным Явигателем

Посредством трехфаного сумматора 4 из трехфазного напряжения (10) с выхода демодулятора вычитается трехфаное напряжене, получаемое от трехфаного датчика тока синхронного двигателя 7, и подается на вход трехфаного реле 5, выходной сигна которого подается на вход трехфаного преобраователя 6, на выходе трехфаного преобраователя 6 появляется трехфаное напряжение и а , ив, ис, изменяющееся в соответствии с оптимаьным законом управления (6)-(9). В качестве трехфаного преобразователя в схеме используется, например, трехфазный мост из шести транзисторов (тиристоров), которые работают в ключевом режиме.

Воспользовавшись соотношениями (2), (3), (9), найдем ийзад и идзад

регуляторов (4) и (5), соответствующие заданиям (10):

35

и

и

йзад

дзад

к1 • ивх • ^П(0, = к1 ^хт • соЭ(0).

При этом отимаьные управления (4), (5) примут вид: ий = ит • • ивх • БІп( 0) - к • ^ ] ,

ид = ит • ^[к • ивх-соб(0) -к• ^].

(11) (12)

(13)

(14)

Из (13) еле дет, что при установке датчика положения ротора в нулевое положене (0 = 0) регулятор тока і& стабилизирует ток і& на нулевом уровне оптимально по быстродействию и поддерживает его оптимально по точности так, что іл =0. При этом уравнения (6) - (8) с учетом (9), (10) при 0 = 0 приводятся к виду:

• slgn[kl • и вх • віп( и) - к • і а ],

• slgn[kl • и вх • бш( и - р) - к • і в ], (15)

• 5і^[ к1 • иВХ • бш( и + р) - к • С ].

По уравнениям (15) построена структурна схема (см. рисунок). Уравнения (1) с учетом (13), (14) при 0 = 0 преобразуются к вид

иА = и т ив = ит иС = и т

Я^ ід + Ь- —- + М • ¡у • ш

йг

и

Т й ш

'!• -тм = т

3

^М • ¡ґ ід = тэм.

(16)

и

д ^т • ^(к1 • и х _ к • ^ ). (17)

Полученные уравнения привод т к следющим выводам. Во-первых, дифференциальные уравнения (16) полностью аналогичны дифференциальным уравнениям коллекторного двигателя постоянного тока. Следовательно, и статические и динамические характеристики при управлении вентильным двигателем по предлагаемому способу полностью аналогичны статическим и динамическим характеристикам коллекторного двигателя постоянного тока. Во-вторых, поскольку из третьего уравнения (16) еле дет, что ток і пропорционален электромагнитному моменту, то

регулятор тока (17) является одновременно и регулятором момента. То есть, пи таком способе управления вентильным двигателем он приобретает дополнительно свойства оптимального по быстродействию и одновременно оптимального по точности моментного двигателя.

Точность работы современных систем автоматического регулирования обычно ограничивается ошибкой системы. Предагаемый способ позволяет свести ошибку систем автоматического регулирования к нулю (теоретически). Это повышает эффективность работы систем автоматического регулирования и расширяет ж функциональные возможности.

Список литературы

1. Горев А.А. Переходные процессы синхронной машины. М ГЭИ, 1950.

2. Красовский А.А. Системы автоматического управления полетом и их аналитическое конструирование. М. : Наука, 1973. 558 с.

3. Аналитическое конструирование оптимальных регуляторов по критериям точности, быстродействию, энергосбережению / В.В. Сурков [и др.]. Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. 300 с.

A. Egorov

Optimal on accuracy erection torque motor

Method of construction of optimum accuracy control of erection torque motor. The way of construction of the circuit of management optimum on accuracy and speed by the engine with the crane is submitted.

Получено 19.01.09

УДК 681.51

А.А. Говоров, асп., (4872) 33-24-34, asrfg@uic.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ)

СУПЕРВИЗОРНЫЕ АВТОМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ

Исследуется проблема повышения качества автоматических систем регулирования, позволяющих одновременно оптимальным образом отрабатывать задающие и возмущающие воздействия на непрерывные технологические объекты. Предлагаются сспервизорные ПИ-, ПИД-регуляторы, у которых в каналах задания для каждой составляющей закона управления установ лены дополнительные динамические блокя.

Ключевые слова: регулятор, супервизорный регулятор, сспервизорная система регулирования, качество регулирования, объектуправления

Типовые ПИ-, ПИД-регуляторы не позволяют одновременно оптимальным образом отрабатывать задающие воздействия и компенсировать возмущения непрерывных технологических объектов управления (ТОУ). Для этого у регулятора должны быть различные динамические характеристики по каналам задания и регулируемого параметра. Такая проблема возникает в автоматических системах регулирования (АСР) в супервизор-ном режиме управления, а также в каскадных АСР, в АСР соотношения технологических параметров (следящие АСР) и в обычных АСР (в системах стабилизации) при частых изменения задающего воздействия [1-3].

Относительно просто эту задачу можно решить путем установки в канаах задания для каждой составляющей закона управления дополни-