CC BY
101
ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
УДК 621.314
К. М. Денисов, И. Н. Жданов
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики
ОПТИМИЗАЦИЯ КАНАЛОВ СКОРОСТИ И ПОЛОЖЕНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ СЛЕДЯЩИХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
Рассматриваются способы построения информационных подсистем прецизионных следящих электроприводов современных комплексов позиционирования и слежения. Представлены методы организации канала обратной связи по углу положения, алгоритмы обработки информации о скорости вращения вала двигателя при использовании тахогенераторов, предложены методы, повышающие точность обработки выходных сигналов датчиков скорости.
При проектировании современных следящих электроприводов систем наведения квантово-оптических систем, к которым предъявляются повышенные требования по статической и динамической точности, целесообразно отказаться от согласующих редукторов, малонадежных исполнительных двигателей постоянного тока и перейти к безредуктор-ным следящим электроприводам на основе бесколлекторных двигателей постоянного тока, или вентильных двигателей.
Точностные и динамические показатели системы в значительной степени определяются конструктивными особенностями опорно-поворотного устройства, принципами построения датчиков координат состояния и спецификой реализации алгоритмов управления.
Функциональная схема безредукторного электропривода каждой из осей опорно-поворотного устройства (ОПУ) комплекса представлена на рис. 1. Структура электропривода содержит энергетическую и информационную подсистемы. Энергетическая подсистема определяет предельно достижимые динамические характеристики электропривода (максимальные скорость и ускорение следящей оси) и, в значительной степени, массогабаритные показатели систем управления. Информационная подсистема обеспечивает необходимую точность в заданных режимах работы привода.
Энергетическая подсистема содержит силовой источник питания (ИП, В — выпрямитель), автономный инвертор напряжения (АИН), синхронный электромеханический преобразователь (СД) и исполнительную ось как нагрузку электропривода (ИО). С валом СД жестко связаны роторы первичного датчика углового положения ротора СД (ДПР), первичного датчика скорости (ДС) и первичного датчика углового положения исполнительной оси (ДУ).
Микропроцессорная система управления (МПСУ) обеспечивает аналого-цифровое преобразование сигналов первичных датчиков координат, реализацию алгоритмов цифровых регуляторов, формирование шести каналов широтно-модулированных сигналов для управления
ключами АИН, связь с компьютером или пультом управления и реализацию функций защиты и диагностики системы. МПСУ привода построена на основе управляющего компьютера (УК) и контроллера (К).
ИП В АИН
ДПР и ДС ИДУ!
ИО
Рис. 1
Первичным вычислительным устройством системы является управляющий компьютер. Необходимость использования в данном случае именно полноценного компьютера, а не встроенного контроллера, объясняется требованием реализации на нем в режиме реального времени помимо задачи управления приводом целого ряда задач визуализации, регистрации и управления работой системы в целом. Это, во-первых, требует реализации многозадачного режима работы, что подразумевает наличие многозадачной операционной системы. Во-вторых, необходим большой объем оперативной и энергонезависимой памяти (накопители на жестких дисках или Flash-карты), а также мощные графические устройства визуализации и манипуляции. Все перечисленные требования в совокупности могут быть выполнены лишь на вычислительных устройствах класса управляющих рабочих станций.
Требование подключения датчика положения к управляющему компьютеру в режиме программного наведения определяет необходимость применения цифрового регулятора положения на этом компьютере. Он может быть реализован на центральном процессоре УК или, в случае повышенной вычислительной загрузки последнего, на встроенном сопроцессоре. Выходным сигналом УК (для системы управления приводом) является выходной сигнал контура цифрового регулирования положения, который, в свою очередь, является входным сигналом задания для контура регулирования скорости.
Задача контроллера заключается в реализации алгоритмов цифровых регуляторов скорости и фазных токов двигателя, алгоритмов обработки сигналов бесконтактного тахогенера-тора (ТГ) и ДПР, формировании широтно-модулированных сигналов управления силовыми ключами АИН, а также в осуществлении функций защиты преобразователя и аварийного выключения привода. Взаимодействие управляющего компьютера и контроллера в блоке управления приводом организуется с помощью скоростного информационного канала.
Сигналы обратных связей для контуров регулирования фазных токов формируются с помощью датчиков тока фаз двигателя и поступают в аналоговом виде в контроллер. Они должны быть преобразованы в цифровые коды с помощью аналого-цифровых преобразователей. Выходные сигналы цифровых регуляторов тока преобразуются в набор широтно-модулированных сигналов для управления силовыми ключами преобразователя. Поэтому в состав контроллера, управляющего приводом, должен входить многоканальный широтно-импульсный модулятор (ТТТИМ)
В результате анализа современной микропроцессорной элементной базы были установлены целесообразность и возможность реализации перечисленных функций на основе DSP-контроллеров, специализированных для управления полупроводниковыми преобразователями. К их числу относятся микроконтроллеры семейств ADMC300, ADMC400 фирмы Analog Devices. Большинство современных микроконтроллеров, обладающих встроенными широт-но-импульсными модуляторами, способны формировать не более 6 каналов ТТТИМ первого
рода. В микроконтроллерах АОМС имеется возможность изменять требуемую длительность импульса ШИМ дважды за период, что является первым приближением к ШИМ2.
Один из наиболее простых способов получения информации о скорости вращения вала двигателя — использование в качестве ТГ двигателя постоянного тока (ДПТ). Однако коллекторный блок ДПТ приводит к снижению надежности и ограничению области применения таких датчиков скорости.
Вычисление скорости через информацию датчика положения неприемлемо в системах, работающих с инфранизкими скоростями вращения (единицы угловых секунд в секунду), при точности определения угла положения не выше нескольких угловых секунд. Использование датчиков и преобразователей, обладающих более высокой точностью, значительно увеличивает стоимость системы. В таких случаях оптимально использовать в качестве датчика скорости ТГ на базе трехфазного или шестифазного синхронного двигателя. При этом встает вопрос об обработке сигналов такого ТГ для получения кода скорости.
На выходе 6-фазного тахогенератора имеются 6 сигналов, изменяющихся при вращении вала по синусоидальному закону и сдвинутые друг относительно друга на 60°. Для получения информации о скорости вращения вала двигателя необходимо выполнить преобразование этих 6 сигналов к одному сигналу постоянного тока. При решении такой задачи традиционными способами уровень пульсаций выходного напряжения недопустимо велик, а применение фильтра невозможно вследствие того, что приходится работать при вращении с инфра-низкими скоростями.
Для уменьшения пульсаций выходного сигнала предлагается перейти от 6-фазной системы к 12-фазной, что легко достигается при попарном суммировании сигналов, сдвинутых на 60° (и и Ц2, и2 и Цз, и и Щ Щ и Щ, и и Ц,, и и
Затем осуществляется суммирование модульных значений напряжений полученной 12-фазной системы (рис. 2). Причем значения напряжений, поступающие на сумматор, определяются в зависимости от текущего угла положения вала двигателя. Коды, соответствующие прохождению каждой из фаз (N1—N6), представлены на рис. 3.
и ^ * N3 и ^ * N4
|Щз| * N5 |и9| У N6
|и1о| ^ N2
и ^ * N3 |и„| у N4
и 1 N5 |и12| У N6
► Цг
Рис. 2
Расчеты показывают, что сформированный таким образом сигнал итг в виде напряжения постоянного тока при исходных синусоидальных сигналах и1 — и6 имеет пульсацию, не превышающую 3,4 % от единичного сигнала, частота изменения которой в двенадцать раз превышает частоту изменения фазных сигналов ТГ (пульсации без перехода к 12-фазной системе составляют 16 %). Сглаживание такой пульсации до допустимого уровня не обеспечивает качественного управления. Отсюда возникает требование по минимизации пульсаций.
Первый вариант коррекции пульсаций начального сигнала Щтг следующий. Корректирующее напряжение ик формируется путем определенной коммутации модульных значений
12-фазной системы (рис. 4, 5). С учетом тождественности (с определенной степенью точности) характера изменения сигналов пульсации и 1/к происходит снижение уровня пульсации.
М ■ ▼ _
+ N9 __ __
>
При втором варианте предполагается скорректировать сигнал UTr следующим образом. Зависимость пульсаций итг в пределах электрического периода ТГ с определенной степенью достоверности соответствует зависимости вида | sin 6а |, которая может быть сформирована соответствующим преобразованием значений кода угла в код поправки. Расчетные значения пульсации напряжения после коррекции не превышают уровня 0,21 %.
Третий вариант коррекции по своей сути соответствует ранее рассмотренному, но в нем коррекции подвергается напряжение итг1, пульсация которого в пределах электрического периода ТГ характеризуется зависимостью = | sin12a|. Код коррекции формируется по значениям кода угла. Максимальное расчетное значение пульсации тахометрического сигнала порядка 0,08 %. Характер пульсаций при первом, втором и третьем вариантах коррекции (кривые 1, 2, 3 соответственно) представлен на рис. 6.
Рис. 6
Работа с 6-фазной системой при последующем выпрямлении и суммировании напряжений не позволяет обеспечить выполнение требований, предъявляемых к современным прецизионным позиционным приводам; после осуществления предложенной коррекции напряжение итг соответствует требованиям, предъявляемым к выходному напряжению ТГ постоянного тока, а динамические и точностные показатели системы существенно повышаются и удовлетворяют заданным параметрам.
При использовании трехфазного тахогенератора алгоритмы обработки сигналов остаются теми же; после применения третьего варианта коррекции величина пульсаций не превышает 0,3 %, а частота пульсаций по сравнению с итг увеличивается в 4 раза.
В качестве датчика угла (ДУ) наиболее широко применяются вращающиеся трансформаторы (ВТ). Одна из особенностей ВТ — относительная сложность обработки их выходных сигналов для получения информации о положении вала двигателя. Существует несколько способов решения данной задачи [2, 3]. Для обеспечения требуемых точностных и динамических показателей, предъявляемых к организации канала обратной связи по положению, рекомендуется использовать микропроцессорную систему обработки сигналов синусно-косинусного ВТ (СКВТ) [4]. Структурная схема данной системы приведена на рис. 7 (здесь СВС — схема выделения синуса).
Использование предложенного метода позволяет уменьшить погрешность определения угла до единиц угловых секунд [5]. Для повышения точности предлагается использовать способ, предложенный в [1], он позволяет компенсировать погрешность первичного преобразователя с характером изменения по углу вида вт4а и вт8а. При реализации данного способа с помощью микроконтроллера, выполняющего вторичное преобразование сигналов СКВТ в код, не требуется каких-либо аппаратных изменений схемы. В отличие от предложенного в [1] конструктивного решения, программная реализация представленного алгоритма позволяет без существенных затрат компенсировать и более
высокочастотные составляющие погрешности. Результирующая погрешность не превышает уровня нескольких десятых долей угловой секунды.
Важным фактором обеспечения точности и быстродействия системы является скорость передачи информации об угле положения вала двигателя от вторичного преобразователя (ВП) контроллеру и управляющему компьютеру, для чего было реализовано несколько аппаратных решений.
Рис. 7
1. Разработана микропроцессорная система, состоящая из платы с контроллером PCI-интерфейса и контроллером, обеспечивающим обмен информацией между вторичным преобразователем, управляющим компьютером и контроллером. Выходной параллельный 22-битный код вторичного преобразователя с помощью мультиплексора и регистра преобразуется в три последовательные серии по 8 бит и передается на контроллер связи (КС). КС передает информацию по PCI-интерфейсу управляющему компьютеру и получает от него значение угла задания, который по последовательному (RS-232, RS-485) интерфейсу передается в контроллер К (рис. 8, а). Такая схема полностью себя оправдывает при управлении двигателем постоянного тока, однако при использовании СД возникают трудности, поскольку информация о положении также необходима для формирования сигналов управления в контуре тока. Таким образом, необходима передача информации сразу двум приемникам.
2. Информация от вторичного преобразователя считывается напрямую контроллером связи. Дальнейшая передача информации происходит по CAN-интерфейсу (рис. 8, б). В качестве КС использован микроконтроллер ADЦ^07026 и микросхема CAN-интерфейса. Использование этого интерфейса позволяет передавать информацию на большие расстояния со сравнительно высокой скоростью и оставляет возможность для подключения большего числа приемников/передатчиков. Контроллер управления приводом также должен иметь CAN-интерфейс.
3. Информация с ДПР поступает только на контроллер управления приводом К для формирования контура тока, а с ДУ через КС — на УК. Такой вариант наиболее затратный.
4. Информация, необходимая для замыкания контура положения, вырабатывается вторичным преобразователем, а затем через контроллер связи поступает в УК. Необходимую для замыкания контура тока информацию об угле можно получить, реализовав соответствующий алгоритм на КС (рис. 8, в). Для замыкания контура тока 22-битный код углового положения является избыточным, 14-разрядного кода вполне достаточно. С другой стороны, ВП выдает код с частотой в единицы кГц, что недостаточно. Реализация менее точной обработки сигналов СКВТ позволит повысить скорость обновления информации до 20 кГц.
Рис. 8
Для обеспечения высокой точности слежения и качественной динамики системы необходимо обладать точной информацией об угле положения и скорости вращения вала двигателя. Предложены перспективные алгоритмы обработки информации датчиков угла поворота и скорости исполнительной оси, позволяющие устранить шумы и получить код угла и скорости с требуемой точностью. Реализованы аппаратные решения организации информационной подсистемы следящего электропривода. Использование предложенных методов обеспечивают точность наведения на уровне десятков угловых секунд.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Воронин Н. Н., Домрачев В. М., Сигачев И. П., Тимашов Н. А. Высокоточный цифровой преобразователь угла // Измерительная техника. 2004. № 2. С. 20—24.
2. ВульветДж. Датчики в цифровых системах. М.: Энергоиздат, 1981.
3. Домрачев В. Г., Матвеевский В. Р., Смирнов Ю. С. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений. М.: Энергоиздат, 1987.
4. Жданов И. Н., Денисов К. М. Микропроцессорная система обработки данных СКВТ в системе электропривода // XXIX неделя науки СПбГТУ. Ч. V. СПб: СПбГТУ, 2001. С. 114—115.
5. Жданов И. Н. Моделирование микропроцессорной системы обработки сигналов СКВТ для прецизионного электропривода // Вестн. конф. молодых ученых СПбГУ ИТМО. Сб. науч. тр. Т. 2. СПб: СПбГУ ИТМО, 2004. С. 126—130.
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
электротехники и прецизионных 23.01.08 г.
электромеханических систем
