CC BY
262
УДК 621.314.62-83
СЛЕДЯЩИЙ ПРИВОД ОПОРНО-ПОВОРОТНОГО УСТРОЙСТВА АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ А.Н. Анненков, А.И. Шиянов, А.В. Хромых
Приведены результаты разработки электрического следящего привода на базе бесконтактного двигателя для высокоточных приборов и систем, решающих задачи ориентации и управления движением
Ключевые слова: электрический следящий привод, бесконтактный электродвигатель, алгоритмы управления
Среди различных технических систем электрические следящие приводы (ЭСП) - наиболее распространенные и сложные объекты управления. Реализация нового уровня совокупных выходных характеристик электропривода: широкий диапазон прецизионного регулирования частоты вращения при высокой плавности хода на нижних скоростях; обеспечение малой динамической ошибки в режиме слежения с высокими динамическими характеристиками в переходных процессах; высокоточное позиционирование в сочетании с предельно-ресурсными свойствами; электромагнитная совместимость при установленных диагностических возможностях достигаются совершенствованием системотехнических подходов и применением изделий со встроенной информатикой и электроникой.
Линейные и нестационарные модели с наблюдателями Луенбергера и Людерса-Нарендры, нейронные сети и фази-логика, метод случайного поиска с нелинейной тактикой и адаптацией коэффициентов содействуют совершенствованию алгоритмов оптимизации информационных составляющих, реализации высоких динамических характеристик. Применение в структуре ЭСП нечеткого регулятора способно придать системе свойство невосприимчивости к стохастическим ограниченным изменениям структурных параметров и внешних возмущений; что позволяет использовать их в нестационарных и нелинейных системах.
Высокомоментные бесконтактные двигатели (БД) предназначены для улучшения удельных энергетических показателей, повышения быстродействия и надежности электроприводов стационарной и подвижной наземной, морской, авиационной и космической военной техники [1]. БД предназначены для применения в следящих системах и системах стабилизации скорости электроприводов вооружения, антенн радиолокаторов, в рулевом управлении ракет и самолетов, приводах наведения и стабилизации образцов военной техники, многочисленных устройствах автоматики: механизмах заряжания, сцепки, подачи, запорных устройствах люков, низкооборотных насосах и вентиляторах, а также в различных отраслях народного хозяйства для наземных и бортовых электроприводов, работающих в тяжелых условиях эксплуатации [2, 3].
Анненков Андрей Николаевич - МИКТ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: [email protected] Шиянов Анатолий Иванович - МИКТ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: [email protected]
Хромых Алексей Вячеславович - МИКТ, аспирант, e-mail: khromykh@newmail. ru
Области применения ЭСП: высокоточные приборы и системы для ориентации и управления движением; исполнительные механизмы и системы управления, решающие задачи наведения, стабилизации, обнаружения и сопровождения целей.
В состав ЭСП входят следующие основные устройства: блок управления, электроагрегат и модуль тормозных резисторов.
Основные технические характеристики ЭСП:
- максимальная скорость вращения ротора 2560об/мин;
- коэффициент передачи редуктора 128;
- максимальный момент нагрузки на валу 9400Н-м;
- максимальный электромагнитный момент 70Н-м;
- максимальная частота вращения 2560 об/мин;
- максимальная мощность на валу 18 кВт;
- максимальная мгновенная мощность, потребляемая ЭСП 22 кВт;
- изделие обеспечивает работу в режимах по таблице.
Режим работы Норма на параметры режима
1 2
Регулирование частоты вращения при соответствующем изменении управляющего сигнала на входе ЭСП обеспечивает равномерное вращение опорно - поворотного устройства относительно азимутальной оси в соответствии с поступающими от оконечного устройства (ОУ) сигналом задания угловой скорости вращения сигналом задания Иф углового положения ф антенны в статике и сигналом задания Иа начальной точки отсчёта угловой координаты а, остановку в любом заданном положении и установку на угол укладки. Пределы изменения сигнала заданной скорости соответствуют изменению заданной скорости (0^120) град/с. Вывод на угол укладки производится за время не более 10 сек. Диапазон регулирования стабилизированной частоты вращения - 1:16. Максимальная средняя частота вращения - 20 об/мин.
Минимальная средняя частота вращения - 1,25 об/мин. Отклонение фактической скорости от заданной должно находится в пределах 5% для скорости 20 об/мин и до 20% для скорости 1,25 град/с в линейной зависимости от скорости вращения. Направление вращения вала: правое, левое
Позиционирование по угловому положению вала Диапазон скачкообразного изменения задающего значения углового положения вала электродвигателя (0^360) угл. град. При установке на угол укладки ошибка следящего привода, измеренная по сигналу углового рассогласования Иф, поступающему на блок управления не должна превышать 6 угл. мин. Минимальная дискретность позиционирования углового положения вала ЭСП 5,27 угл. мин. Погрешность позиционирования: ±1 мл. разряд 12-ти разрядного двоичного кода цифрового датчика углового положения.
Следящий режим по угловому положению Ошибка ЭСП, измеренная по сигналу углового рассогласования Иф, поступающему на блок управления не превышает 30 угл. мин. при установке на любой фиксированный угол и слежении от этого угла в любую сторону со скоростями от 0 до 1 град/с Минимальная дискретность позиционирования углового положения вала ЭСП - 21,1 угл. мин. Погрешность позиционирования: ±1 мл. разряда 10-ти разрядного двоичного кода цифрового датчика углового положения.
Самодиагностика Перед началом работы и по требованию управляющего сигнала ЭСП обеспечивает автоматическую диагностику работоспособности своих основных функциональных узлов и выдавать сигнал готовности к работе.
Вид управляющего сигнала - цифровой код. Управляющий сигнал должен содержать признак режима работы электропривода и электрическую характеристику воздействия.
Изделие должно быть стойким к воздействию внешних механических, климатических и биологи-
ческих факторов в соответствии с ГОСТ РВ20.39.304-98 для группы 1.3.
Высокие тактико - технические характеристики изделия обеспечиваются за счёт применения новой структуры каскадной системы управления, в которой каждый из микроконтроллеров, входящих в сеть, решает ряд локальных задач, связанных с функциональным преобразованием, кодированием, декодированием, а также обработкой и преобразованием измерительной информации в протокол управления электромеханической частью следящего привода.
Разработанный ЭСП функционирует следующим образом. При включении питания начинает работать вторичный источник питания ВИП, в результате чего на функциональные элементы электропривода подается требуемое напряжение питания. Устройство включения микроконтроллера УМК запускает микроконтроллер МК. Параметры ЭСП регулируются в соответствии с управляющим сигналом, поступающим в МК через интерфейс обмена информацией с системой внешнего уровня. В изделии использован интерфейс по ГОСТ 26765.5287 (М1Ь-8ТБ-1553В). Данное решение объясняется широкой распространенностью стандарта.
Канал связи последовательного магистрального интерфейса по ГОСТ 26765.52-87 предусматривает линейную топологию линии связи ("общая шина") с Т-образными ответвлениями на расстояние не более 6 метров. Общая длина линии связи в этом случае обычно не превышает 300 метров. При использовании дополнительных устройств возможно построение сети по топологии “звезда”.
Технические средства интерфейса включают в себя магистральную линию передачи информации и устройства интерфейса. Линия передачи информации выполнена из кабеля с витой экранированной парой проводов в защитной оболочке. Устройства интерфейса (ответвители) подключаются через согласующие трансформаторы или без них, ниже приведены принципы организации интерфейса по ГОСТ 26765.5287:
- обмен информацией осуществляется асинхронно, методом двусторонней поочередной передачи информации по принципу "Вопрос-ответ";
- информация передается в виде сообщений, состоящих из набора командных слов, слов данных и ответных слов;
- каждое слово начинается с сигнала пословной синхронизации и имеет 17 информационных разрядов, включая разряд контроля по четности;
- анализ скорости передачи информации 1 Мбит/с в контексте связи электропривода с системой верхнего уровня подтверждает возможность использования рассматриваемого протокола;
- к аппаратным средствам реализации протокола предъявляются требования обеспечения нестабильности передачи информации на уровне не более ±100бит/с.
- магистральная шина рассматриваемого интерфейса обмена представляет собой кабель с витой экранированной парой проводов в защитной обо-
лочке, к которым с обоих концов кабеля подключены согласующие резисторы.
- кабель шины имеет номинальное значение волнового сопротивления при измерении на синусоидальном токе частотой 1 МГц равное 70^85 Ом.
- при удалении электропривода от магистральной шины на расстояние более чем Ь = 0,3 м в конструкцию необходимо включать согласующие трансформаторы.
МК рассчитывает управление по алгоритмам, рассмотренным ниже. Управляющее воздействие через устройство сопряжения УС подается на управляющие входы инвертора силового ИС в виде широтно-модулированных сигналов. Трёхфазный бесконтактный двигатель, подключенный к выходу силового инвертора отрабатывает управляющие воздействия; при этом реализуются заданные режимы работы ЭСП.
Алгоритмы управления ЭСП можно разделить на три части. Программа, реализующая первую часть алгоритма выполняется после старта микроконтроллера при включении питания. При этом устанавливаются начальные значения переменных, выполняются предварительные операции. После выполнения первой части начинает выполняться вторая часть программы - ожидание прихода сигнала прерывания интервального таймера.
С приходом сигнала таймера начинает выполняться третья часть программы алгоритма управления - подпрограмма прерываний по таймеру. В этой части вычисляются значения переменных вектора состояния и управляющего воздействия, определяющие статические и динамические характеристики разрабатываемого изделия. Эта часть занимает основное время выполнения программы. После возврата из подпрограммы вновь выполняется команда ожидания до прихода следующего сигнала таймера.
На рисунке приведена обобщенная схема алгоритма программы прерывания по таймеру. При входе в программу прерывания по таймеру происходит считывание байта режима работы слова характеристики входного воздействия. Затем происходит считывание кодов переменных обратной связи (угла, скорости, тока, напряжения на инверторе). Далее происходит анализ кода режима работы. Если имеется код режима " диагностика", то выполняется программа алгоритмического блока " диагностика", формируется слово состояния ЭСП и признак готовности, которые выдаются на верхний уровень управления. Если код режима работы не соответствует режиму диагностики, то анализируется признак готовности. Если готовность не подтверждается, то выполняется программа алгоритмического блока " Стоп". Если готовность подтверждается, то в зависимости от кода режима работы выполняются программы алгоритмических блоков "РЧВ" или "Позиционирование", либо "Слежение". После выполнения программы указанных алгоритмических блоков выполняется программа алгоритмического блока " Исполнительный двигатель", а после ее выполнения происходит выход из программы прерывания по таймеру.
На рисунке приведена структура основных переменных, используемых в алгоритмах управления. В режиме регулирования частоты вращения диапазон ширина диапазона регулирования при обеспечении полосы пропускания 50 Гц достигается выполнением программ алгоритмических блоков " Регулирование частоты вращения" ("РЧВ") и "Исполнительный двигатель".
Схема алгоритма программы прерывания по таймеру
Статическая точность в нижней части диапазона регулирования частоты вращения в условиях возмущений обеспечивается введением астатизма, алгоритма оценивания " ползучих" скоростей, а также введением управления по углу опережения включения в условиях ограниченной разрядности широтно-импульсного преобразователя. Динамическая точность и устойчивость обеспечивается алгоритмом, сочетающим параметрически оптимизированное регулирование и регулирование по вектору состояния.
Стабилизация оптимизированных динамических характеристик в условиях параметрических возмущений, в частности в условиях изменения напряжения питания достигается адаптацией путем изменения коэффициентов регуляторов.
Время разгона ЭСП до заданной частоты вращения обеспечивается динамическими возможностями БД, а демпфирование системы при выходе на
заданную частоту вращения соответствующей частью алгоритма "РЧВ".
Неравномерность мгновенной частоты вращения не более 5% при негармоническом моменте нагрузки и заданном моменте инерции, а также максимальной частоте вращения 120 град/с (20 об/мин) обеспечивается векторным управлением с псевдо-синусоидальным изменением токов в фазах двигателя, приводящем к уменьшению пульсаций вращающего момента.
В режиме позиционирования по угловому положению диапазон отработки скачкообразного задающего значения углового положения вала (0^360)угл.град. с погрешностью ±1 мл. разряд 10разрядного двоичного кода достигается выполнением программ алгоритмических блоков " Позиционирование", “Исполнительный двигатель” и техническими характеристиками датчика углового положения.
Статическая точность в точке позиционирования обеспечивается введением интегральной составляющей в алгоритм " Позиционирование", отсутствием перерегулирования, ограничением ускорения и рывка программным формированием траектории движения и наличием электромагнитного тормоза (муфты), интегрированного в конструкцию БД.
В следящем режиме по угловому положению отработка закона движения вала с минимизированной динамической ошибкой достигается выполнением программ алгоритмических блоков "Слежение", "Исполнительный двигатель" и техническими характеристиками датчика углового положения. При
разработке алгоритмов " Слежение" решается задача минимизации динамической ошибки при гармоническом входном воздействии в условиях ограничений по управлению с использованием регулирования по вектору состояния.
Литература
1. Электромагнитный расчёт и оптимизация бесконтактного двигателя постоянного тока. /А.Н. Анненков - В сб. матер. Региональной научно - технической конференции “Автоматизация и роботизация технологических процессов”, г. Воронеж, 25-27 ноября 2008, ГОУ ВПО “Воронежский государственный технический университет” 2008 г Воронеж, 145 с. С.81-87.
2. Электромагнитный расчёт вентильного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов / Анненков А. Н., Иванов М. А. - В сб. матер. Региональной научно - технической конференции “Автоматизация и роботизация технологических процессов”, г. Воронеж, 25-27 ноября 2008, ГОУ ВПО “Воронежский государственный технический университет” 2008 г Воронеж, 145 с. С.88-95.
3. Электромагнитный расчёт электродвигателя с возбуждением от постоянных магнитов / / Анненков А.Н., Иванов М.А. - Труды Всероссийской конференции “Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве”, ГОУ ВПО “Воронежский государственный технический университет”, 2009 г Воронеж, 201 с. С. 133134.
Международный институт компьютерных технологий
WATCHING DRIVE OF THE OPORNO-ROTARY DEVICE OF ANTENNA SYSTEM A.N. Annencov, A.I. Shijanov, A.V. Khromykh
Results of working out of an electric watching drive on the basis of the thyrotron motor for high-precision devices and the systems solving problems of orientation and traffic control are resulted
Key words: electric follow-up drive, thyratron motor, algorithms of drive
