CC BY
6
Roman Viktorovich Fadeev, employee, roma-70594@yandex.ru, Russia, Krasnodar, Krasnodar Higher Military School named after S.M. Shtemenko,
Povchun Ivan Olegovich, employee, Powchun2014@yandex.ru, Russia, Krasnodar, Krasnodar Higher Military School named after S.M. Shtemenko,
Rusov German Evgenievich, employee, grusov1999@gmail. com, Russia, Krasnodar, Krasnodar Higher Military School named after S.M. Shtemenko,
Luchko Anton Antonovich, employee, anton.luchko@mail.ru, Russia, Krasnodar, Krasnodar Higher Military School named after S.M. Shtemenko,
Novikov Pavel Arkadievich, candidate of technical sciences, employee, novikov.p.ark@yandex.ru, Russia, Krasnodar, Krasnodar Higher Military School named after S.M. Shtemenko,
Dichenko Sergey Alexandrovich, candidate of technical sciences, employee, dichenko.sa@yandex.ru, Russia, Krasnodar, Krasnodar Higher Military School named after S.M. Shtemenko,
Samoylenko Dmitry Vladimirovich, doctor of technical sciences, employee, 19sam@mail.ru Russia, Krasnodar, Krasnodar Higher Military School named after S.M. Shtemenko
УДК 681.586.787; 681.5.033.23
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-380-385
РЕЗУЛЬТАТЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ КОНИЧЕСКОГО СКАНИРОВАНИЯ
Н.В. Ивахно, А.В. Гладких
Статья посвящена анализу результатов математического моделирования систем управления приводом конического сканирования радиолокационной станции, включая результаты экспериментальных исследований, полученных при моделировании на специальном стенде. Приведены алгоритм основного цикла работы программы управления и подпрограмма обработки прерывания таймера, осуществляющие реализацию модели.
Ключевые слова: фазовая автоподстройка частоты, электропривод, микроконтроллер, экспериментальный стенд, цифровая синхронизация, генератор опорного напряжения, задающая частота, двигатель, привод конического сканирования.
При построении обзорно-поисковых, сканирующих систем комплексов военного назначения широко используются электроприводы с фазовой синхронизацией, в основе построения к оторых лежит принцип фазовой автоподстройки частоты вращения (ФАПЧВ) [1,2], которые позволяют обеспечить высокие точностные характеристики системы в широком диапазоне регулирования угловой скорости.
В цифровых системах ФАПЧВ практически все функции управления осуществляются встроенными интерфейсами [3,4]. Рассмотрим систему управления следящим электроприводом стабилизации частоты вращения, структурная схема которой представлена на рис. 1.
На вход системы поступает импульсный задающий сигнал, определяющий требуемые частоту и фазу сканирования. Микроконтроллер по поступающим сигналам с датчиков, установленных на валу нагрузки (генератор опорных напряжений (ГОН) и частотный датчик (ЧД)), производит автоподстройку частоты вращения к задающей и формирует ШИМ сигнал для управления электродвигателем [1,4]. Для обеспечения точной подстройки по частоте и фазе сигнала, в данной схеме объединены два контура ФАПЧ, один из которых производит подстройку по фазе к задающему низкочастотному сигналу, второй - по частоте к высокочастотному сигналу, частота которого пропорциональна частоте задатчика, причем коэффициент пропорциональности соответствует количеству меток на лимбе частотного датчика (пЧД). ГОН формирует гармонический сигнал, пропорциональный углу поворота нагрузки.
С помощью встроенных блоков захвата (CAP1, CAP2 и CAP3) микроконтроллер определяет заданный период вращения нагрузки (Тзад), период вращения ЧД ( Тцд ) и период ГОН соответственно, с точностью, определяемой быстродействием микроконтроллера (обычно порядка 10нс).
380
Рис. 1. Структурная схема системы управления сканирующим устройством
Контур ФАПЧВ низкой частоты начинает работу, когда частота вращения нагрузки отличается от задающей не более, чем на 10%. Тогда в микроконтроллере программно на основе рассчитанного периода Тзад формируется гармонический сигнал вида: X зад = cos(< зд + (зад), где созад = 2п /Тзад - заданная частота вращения нагрузки, (рза^ - заданная фаза нагрузки. Синхронизация
искусственно организованного сигнала с задающим импульсным сигналом происходит каждый период входного сигнала (прерывание по фронту).
Оцифрованный во встроенном в микроконтроллер АЦП сигнал с ГОН и задающий сигнал Xзад поступают на вход детектора, на выходе которого образуется сигнал [3,4], представляющий собой
смесь гармонических сигналов, частоты которых лежат в области удвоенной частоты задающего сигнала и разности фаз задающего сигнала и ГОН (полагая частоты созад и со равными).
Фильтр кольца объединяет в себе два цифровых фильтра, один из которых служит для подавления гармонической составляющей с частотой, примерно равной 2 • <озад (режекторный фильтр), другой - фильтр нижних частот (ФНЧ), выделяющий полезный сигнал ((зад —() на фоне помех и составляющий основу контура ФАПЧ [3,4].
После достижения заданной частоты в работу вступает фазовый контур, представляющий из себя петлю Костаса (рис. 2).
ад
Гэд
[гон
од
Ф^Н Л h—НГ
щ
-Й--П^-
Рис. 2. Обобщенная схема моделирования петли Костаса
Задающая частота поступает на вход петли, умножаясь на сигналы, выходящие из петли, один из которых сдвинут на 90 градусов относительно другого. После этого полученные сигналы проходят через фильтры нижних частот с передаточной функцией ^ (^ _ 0.0952 + 0.0952г 1 . Отфильтро-
1 — 0.905z"
ванные сигналы перемножаются, формируя сигнал вф, проходящий через петлевой фильтр ш ( , _ 0.0462 - 0.0437г . Полученный сигнал умножается на коэффициент усиления (К = 2000), 1 - 0.9975г—1
проходит через интегратор, формируя выходной сигнал петли 8(1), и складывается с напряжением, которое было достигнуто при работе частотного контура подстройки.
Для моделирования рассмотрена система со следующими параметрами: диапазон стабилизации частоты вращения - 80 - 90 Гц; номинальная заданная частота вращения 84 Гц; скорость вращения двигателя холостого хода 7500 об/мин; электромеханическая постоянная времени системы двигатель-нагрузка 0,053с; мощность двигателя 75 Вт, Пцд _ 128. Алгоритм цифровой фазовой синхронизации реализуется
на микроконтроллере с быстродействием порядка 150МГц. 2-передаточная функция режекторного фильтра, предназначенного для подавления сигналов с частотами 160-180 Гц, имеет вид:
—1 —2
„, , . _ 0,3335 — 0,66612 • г + 0,33353 • г , 2-передаточная функция ФНЧ имеет вид: " рф(_
1 —1,8943 • z—1 + 0,895343 • z—2
^фнч (г) =
0,045455 - 0,045102 • г" -1
Коэффициенты регуляторов контура формирования периода под-
1 - 0,999648 •
страиваемого генератора и контура ФАПЧ высокой частоты: К1 = 1, К2 = 0,0001, К3 = 4, К4 = 0,1.
Проведено исследование поведения синтезированной системы с помощью компьютерного моделирования при разных задающих частотах (рис. 3, 4).
¿5 !
90 ВО Л.--
70 Г
60 1 ,1
50
4О
30
20 _ 1вр
10
О с /
Врвмя (с!
Рис. 3. Переходный процесс частотного контура при задающей частоте 90 Гц
1
Рис. 4. Автоколебательная составляющая переходного процесса системы управления с использованием режекторного фильтра
Результаты моделирования проверены экспериментально, с использованием специального стенда (рис. 5).
Рис. 5. Стенд для проведения эксперимента
К проверочному стенду подключена печатая плата, источник питания на 27 В и электропривод. В качестве контрольного оборудования выступили частотомер, осциллограф и секундомер. В качестве исполнительного двигателя используется коллекторный двигатель СД-75 с характеристиками: скорость холостого хода ш = 7500(об/мин); номинальное напряжение и = 27 (В); электромеханическая постоянная времени ТМЕХ дВ = 0.035 (с).
С помощью проверочного стенда задана частота йэс в диапазоне 80 - 90 Гц и подано питание на печатную плату. После того, как частота и фаза сигнала с ГОН станут эквивалентны частоте и фазе сигнала йэс, секундомер останавливается. Полученное время является временем выхода на рабочий режим.
В программе (рис.6), реализующей описанную модель, в самом начале инициализируются все переменные, которые будут использоваться в работе и периферия (2 таймера/счетчика в режиме захвата, ШИМ, АЦП, прерывания).
Далее вступает в работу частотный контур подстройки: измеряется управляющая частота, после чег, выдается сигнал на ШИМ, пропорциональный ей. Этот контур работает ровно до тех пор, пока частота вращения вала электродвигателя не будет равна или близка управляющей частоте.
382
После достижения нужной скорости вращения в работу вступает фазовый контуру управления. На блок-схеме основного цикла программы он представлен в виде «Подпрограмма фильтрации и обработки сигналов» (рис.6) и «Выдача напряжения на ШИМ».
Сначала фильтруются сигналы, поступающие на фильтры нижних частот ФНЧ1 и ФНЧ2 (рассмотренных на рис.2). Сигнал, выходящий из ФНЧ1 выглядит следующим образом:
&с1[1] = b1*(sig1[1]*sig2[1]) + b0*(sig1[0]* sig2[0]) + а№с1[0], где Ь1, Ь0, а1 - коэффициенты ФНЧ, sig1[1] и sig1[0] - значение сигнала с вала электродвигателя на текущем и предыдущем отсчете соответственно, sig2[1] и sig2[0] - значения с текущего и предыдущего отсчета управляющего сигнала. Алгоритм действий с ФНЧ2 аналогичен, за небольшим исключением.
Сигналы sig1[1] и sig1[0] должны принимать противоположные (противофазные) значения. Если при прерывании по изменению фронта сигнала АЦП показывал значения, которые в течение 5 отсчетов возрастали, то sig1 принимает значение 1. Если же значения убывающие, то 0. Соответственно, при фильтрации сигнала, приходящего на ФНЧ2, эти значения будут противоположными.
Рис.6. Блок-схема основного цикла алгоритма работы программы управления и подпрограмма
обработки прерывания таймера 1
Далее в работу вступает петлевой фильтр, входной сигнал которого - произведение выходных сигналов с ФНЧ шрЩ[1]. Выход его представляет собой следующее: petF[1] = Ьр1*шрЩ[1] - Ьр0*шрЩ[0] + ap1*petF[0], где Ьр1, Ьр2, ар1 - коэффициенты петлевого фильтра, шрщ[0] - значение входного сигнала с предыдущего отсчета, petF[0] - отфильтрованное значение с предыдущего отсчета.
После выполнения всех представленных действий значения переменных с текущего отсчета присваиваются переменным с предыдущего отсчета, а к значению ШИМ прибавляется с учетом знака значение petF[1]. В подпрограммах прерывания таймеров задаются значения sig1[1] и sig2[1].
Проверка результатов работы модели на стенде показала соответствие результатам компьютерного моделирования.
При использовании данной системы управления обеспечивается требование по величине ошибки фазовой синхронизации не более ±1° (34 мкс). Существенно (с 3,5 до 1 с) сокращается время выхода сканера на частоту задатчика.
Предложенная система управления электроприводом, основанная на цифровой частотно-фазовой синхронизации скорости вращения, отличается своей надежностью, повышенной помехозащищенностью, позволяет обеспечить высокую точность выхода на заданную частоту вращения вала, увеличить скорость работы системы по сравнению с устройствами, основанными на аналоговых элементах. Данные системы используются при построении радиолокационных сканирующих комплексов.
Список литературы
1. Блейз Е.С., Зимин А.В., Иванов Е.С. и др. Теория и проектирование следящих приводов, 1999. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999.
2. Оппенгейм А., Шафер Р. Цифровая обработка сигналов. М.: Техносфера, 2006.
3. Ивахно Н.В., Войтицкий С.А., Ивахно В.С. Цифровая система обработки сигналов вращающегося трансформатора на основе DSP-микроконтроллера в составе электропривода // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2012. Вып. 8. С. 184-189.
4. Ивахно Н.В., Парамонова А.А., Ивахно В.С. Синтез цифрового контура управления высокоточной системы стабилизации и наведения. Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2012. Вып. 8. С. 90-96.
Ивахно Наталия Валериевна, д-р техн. наук, доцент, natalia_iv@list. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Гладких Антон Викторович, ассистент, Россия, Тула, Тульский государственный университет
RESULTS OF MATHEMATICAL MODELING OF THE CONTROL SYSTEM OF THE CONICAL SCANNING DRIVE
N.V. Ivakhno, A.V. Gladkikh
The article is devoted to the analysis of the results of mathematical modeling of the control systems of the conical scanning drive of the radar station, including the results of experimental studies obtained during modeling on a special stand. The algorithm of the main cycle of the control program and the timer interrupt processing routine implementing the model are given.
Key words: phase frequency auto-tuning, electric drive, microcontroller, experimental stand, digital synchronization, reference voltage generator, setting frequency, motor, conical scanning drive.
Ivakhno Natalia Valerievna, doctor of technical science, docent, natalia_iv@list. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Gladkikh Anton Victorovich, assistant, Russia, Tula, Tula State University
