CC BY
21
УДК 62-83
А. В. БУБНОВ П. А. КАТРИЧ
Омский государственный технический университет
СПОСОБ ФАЗИРОВАНИЯ СИСТЕМ СИНХРОННО-СИНФАЗНЫХ ПРИВОДОВ
В статье предложено усовершенствование способа пошагового доворота вала электродвигателя синхронно-синфазного электропривода, на основе его моделирования в приложении $1М1И.1НК программного пакета МАТ1.АВ определены оптимальные параметры фазирующего регулятора.
При построении обзорно-поисковых систем широкое применение получил сйНхронно-синфазный электропривод (ССЭ) [1], представляющий собой совокупность управляемого задающего генератора и одного или нескольких электроприводов с фазовой синхронизацией, связанных с задающим генератором только односторонними каналами связи. В таких системах обеспечиваются синхронность вращения каждого исполнительного электродвига-теля и стабилизация заданного взаимного углового положения их валов.
На практике обычно реализуется алгоритм последовательной стыковки во времени процессов синхронизации и фазирования. В [ 1 ] показана перспективность использования в ССЭ двух алгоритмов фазирования: пошагового доворота вала электродвигателя и квазиоптимального по быстродействию фазирования. Способ квазиоптимального по быстродействию фазирования целесообразно использовать в системах ССЭ с периодической перестройкой частоты вращения [2). В этом случае за счет большого времени фазирования происходит значительная потеря информации, следовательно, длительность переходных процессов в режиме фазирования необходимо сводить к минимуму.
Способ пошагового доворота вала электродвигателя может использоваться в системах ССЭ с редкой перестройкой заданной угловой скорости ш3, например, в системах, работающих в следящем режиме. В таких системах фазирование осуществляется один раз при пуске электропривода, при этом простота реализации и надежность работы фазирующего регулятора являются определяющими факторами.
Целью данной статьи является усовершенствование способа пошагового доворота вала электродвигателя, позволяющее уменьшить время фазирования в синхронно-синфазном электроприводе при сохранении простоты конструкции фазирующего регулятора.
Функциональная схема синхронно-синфазного электропривода с пошаговым доворотом вала электродвигателя [3] (рис. 1) может быть представлена в виде контура фазовой автоподстройки частоты вращения (ФАПЧВ) электропривода, включающего в себя частотно-задающий блок ЧЗБ, формирующий импульсы опорной частоты /цп и импульсы задания начального положения вала электродвигателя И \ блок импульсных датчиков ВИД частоты вращения /0(; и положения вала электродвигателя Рос; логичес-
кое устройство сравнения ЛУС частот и фаз двух импульсных последовательностей: задания /'011 и обратной связи Гж, корректирующее устройство КУ и бесконтактный двигатель постоянного тока БДПТ; и фазирующего регулятора ФР, содержащего блок определения углового рассогласования БОУР электропривода Да0, источник возмущающих импульсов ИВИ, формирующий импульсы добавочной частоты / , блок индикации синхронизации БИС, осуществляющий разделение режимов синхронизации и фазирования, и смеситель СМ основных /ои, /(>с и добавочной Л частот, л
Суть способа пошагового доворота вала электродвигателя заключается во введении низкочастотных возмущающих импульсов ^непосредственно в каналы импульсных частотных сигналов /()|| или /(1(. При этом в качестве импульсов частоты / могут использоваться импульсы частоты синхронизированные с частотой !ж (рис. I). Блок определения углового рассогласования осуществляет сравнение фаз частотных сигналов Роп и Р1с и при наличии рассогласования определяет знак угловой ошибки Да(| и формирует сигнал разрешения фазирования Ф. В режиме фазирования СМ осуществляет суммирование частотных сигналов / и (в зависимости от знака угловой ошибки) /(ш или /ос.
При прохождении возмущающего импульса частоты / на вход Л УС последнее переходит в режим насыщения, и начинается процесс торможения или разгона (в зависимости от знака угловой ошибки) до
Рис. 1. Функциональная схема синхронно-синфазного электропривода с пошаговым доворотом вала электродвигателя
-> / <|У\ 5 6 Доз 7 N
7ф„ ~ 2 \ 5фи 1 2 ф.> 2 сН 2 Зф„ Да 2
а
2 / 5 7 6 Д(о ДС0с 8 10
2 \2 I 2 фо "2 0 Ф/^— Т 9 /Зфп да 2
б
Рис. 2.Фазовый портрет работы синхронно-синфазного электропривода с пошаговым доворотом вала электродвигателя
момента прихода двух импульсов одной частоты между двумя соседними импульсами другой частоты. Этот момент соответствует разблокировке ЛУС в режим фазового сравнения и переходу электропривода в режим синхронизации. Один цикл работы соответствует довороту ведомого вала на угол <р0 = = 2п/г, где я - число меток датчика частоты вращения. Далее процесс поступления импульсов частоты .Рм1. на вход ЛУС повторяется до тех пор, пока не будет отработано начальное фазовое рассогласование импульсов частот Я и Р . Фазовый портрет работы .электропривода приведен на рис. 2, а. Цифрами на фазовой траектории обозначены моменты изменения режима работы ЛУС.
Надежный переход электропривода в синфазный режим работы обеспечивается в том случае, если после отработки каждого возмущающего импульса обеспечивается полная синхронизация электропривода, то есть период 7"л следования возмущающих импульсов частоты ^целесообразно выбирать ил условия [ 11:
Т;='„Н:=л/ф<7Ё>57;, (1)
где ,,/еш — время движения электропривода
с максимальным ускорением ет до момента переключения ЛУС в режим фазового сравнения (участки фазовой траектории 2-3, 4-5, 6-7 (рис.2, а), имеющие форму парабол), «5Г(. — время синхронизации ССЭ, которое составляет около пяти постоянных времени Т замкнутой системы регулирования (участки синхронизации 1-2, 3-4, 5-6, 7-0 на рис.2, а). Следовательно, максимальное время фазирования при отработке угловой ошибки сррЛ/2 составляет:
«фт„=Гл2/2 = (^^^ + 5Гс)г/2. (2)
В случае если период следования импульсов с выхода ИВИ Т будет меньше рассчитанного по (1), то после каждого возмущающего импульса частоты / не обеспечивается полная синхронизация электропривода (рис. 2, б), и за время фазирования к моменту совпадения во времени импульсов частот Ро|1 и в электроприводе может накопиться значительная
Рис. 3. Функциональная схема синхронно-синфазного электропривода с пошаговым доворотом вала электродвигателя (модифицированный вариант)
скоростная ошибка Дшс >Дшг (где Дю,. = л/2ф0е,„ -
максимальное значение ошибки по угловой скорости при переходе в пропорциональный режим работы электропривода [4]), которая не может быть отработана в линейной зоне работы ЛУС (-ф0/2<Да«р0/2). В результате изображающая точка может «проскочить» область синфазного режима и процесс фазирования повторится.
Если в качестве возмущающих импульсов используется частота Ро[ и происходит уменьшение заданной частоты вращения, то время фазирования увеличится, а если происходит увеличение заданной частоты вращения, то за время фазирования может накопиться значительная скоростная ошибка Дшс (рис. 2, б), которая вызовет повторение режима фазирования. Следовательно, реализация пошагового режима в широком диапазоне регулирования частоты вращения требует использования дополнительного автономного ИВИ частоты { с постоянным
Л
периодом Гд следования импульсов.
Таким образом, основными недостатками синхронно-синфазного электропривода с пошаговым доворотом вала электродвигателя (рис. 1) являются:
1) большое время фазирования;
2) зависимость периода следования возмущающих импульсов Тд от частоты вращения двигателя.
Для устранения выявленных недостатков предлагается модифицированный способ пошагового доворота вала электродвигателя (рис. 3, где ЭЗ -элемент задержки, ОВ — одновибратор). Отличительной особенностью данного способа является формирование возмущающих импульсов / на выходе ОВ через интервал задержки т3, задаваемый ЭЗ, после перехода ЛУС в пропорциональный режим работы. Сигнал П пропорционального режима работы ЛУС может быть получен непосредственно с выхода индикации состояния ЛУС [5], в связи с чем исчезает необходимость использования блока БИС.
В предлагаемом способе стабильная работа электропривода происходит даже в том случае, если его полная синхронизация после каждого цикла работы не обеспечивается. Расчеты показывают, что скоростная ошибка на последнем шаге фазирования не превысит допустимого значения До,. < Дсог, если принять = 2...3ГС. Однако точно определить
Рис. 4. Модель синхронно-синфазного электропривода с пошаговым доворотом вала электродвигателя
оптимальное значение т3 и время фазирования аналитически затруднительно, поскольку для этого требуется расчет системы нелинейных уравнений. Поэтому определение оптимальных значений т3 и (ф проведем путем компьютерного моделирования процесса пошагового доворота вала электродвигателя в электроприводе с фазовой синхронизацией в приложении SIMULINK программного пакета MATLAB.
Модель синхронно-синфазного электропривода с пошаговым доворотом вала электродвигателя реализована на основе модели электропривода с фазовой синхронизацией [6] путем введения в нее блока «фазирующий регулятор» («FR») и позволяет задавать различные уровни токоограничения БДПТ в пропорциональном режиме работы и режимах насыщения ЛУС [4] (рис. 5, где к — коэффициент усиления корректирующего устройства; T_d — постоянная времени корректирующего устройства; е_ш — максимальное угловое ускорение вала электропривода; блоки «BDPT» и «ICHFD» моделируют соответственно передаточные функции бесконтактного двигателя постоянного тока и интегратора, входящего в состав ЛУС; блок «nonlinear» моделирует работу многозначной статической нелинейности [7], входящей в состав модели ЛУС [1]; блоки «Saturationl» и «Saturation2» задают уровни токоограничения БДПТ в пропорциональном режиме работы и в режимах насыщения ЛУС; «Switch» — ключ; «Scope» — осциллограф). Начальные значения для ошибок по угловой скорости Дсо и по углу Да задаются начальными условиями интеграторов блоков «BDPT» и «ICHFD» соответственно.
Блок «FR» выполняет две функции: во-первых, при наличии фазового рассогласования через заданный интервал времени т3 после перехода блока «nonlinear» в пропорциональный режим работы
-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Да, рая
Рис. 5. Фазовый портрет работы синхронно-синфазного электропривода с пошаговым доворотом вала электродвигателя (модифицированный вариант, т, = 1.5ГС)
«FR» вводит блок «nonlinear», в зависимости от знака угловой ошибки, з режим положительного или отрицательного насыщения; во-вторых, в зависимости от режима работы блока «nonlinear» «FR» переключает ключ «Switch» между блоками «Saturationl» и «Saturation2». Блоки «nonlinear» и «FR» реализованы на основе стандартного блока библиотеки SIMULINK «S-Function»r тексты программ для реализации алгоритмов их работы написаны на встроенном в MATLAB языке программирования М-файлов. Обмен данными между блоками «nonlinear» и «FR» произ-водится через «рабочее пространство» программного пакета MATLAB.
В ходе моделирования были получены оптимальные значения тз для различных уровней токоограничения БДПТ, при которых скоростная ошибка Д(ос на последнем цикле фазирования приближается к Доз^.. На рис. 5 представлен фазовый портрет процесса фазирования (при отработке максимальной угловой ошибки (p0z/2) электропривода с параметрами: z = 10, Ет = 10 с'1, к = 10, Тл = 112 мс (значение постоянной времени КУ соответствует критическому переходному процессу, при этом постоянная времени замкнутой системы регулирования Т. = = 56 мс [1]), БДПТ обладает трехкратным динамическим запасом (в режимах синхронизации emu = 3em), оптимальное значение интервала задержки тз = = 1.5ТС = 84 мс, метод расчета — Рунге-Кутга четвертого порядка, шаг расчета {' = 10"5 с. На рис. 6 представлены временные диаграммы процесса фазирования, где е — управляющий момент БДПТ
Да, рад
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 -,с
f.,„ рад'С' 40
0 0.2 0.4 0 6 0.8 I 1.2 1.4 1.6 1.8 т. с
0 0.2 0.4 0.6 0.8 I 1.2 1.4 1.6 1.8 т. с
Рис. 6. Временные диаграммы работы синхронно-синфазного электропривода с пошаговым доворотом вала электродвигателя (модифицированный вариант, т, = 1.5Г)
(выходной сигнал блока «е_т»), у — выходной сигнал блока «nonlinear».
Из рис. 5 и 6 видно, что процесс фазирования электропривода при = 1.5Т. происходит стабильно и общее его время не превышает 1.7 секунды. Моделирование показало, что при номинальном уровне токоограничения БДПТ для стабильного фазиро-вания электропривода интервал задержки т3 необхо-димо увеличить до значения т., = 27, при этом время фазирования составит (ф = 2 с. Время фазирования обычным способом пошагового доворота вала элек-тродвигателя составляет согласно (2): ¿ф = 2.7 с.
Таким образом, предлагаемое усовершенствование способа пошагового доворота вала электродвигателя позволяет сократить время фазирования на 30 — 40%, сохранив простоту конструкции и надежность работы фазирующего регулятора.
Выводы:
1. Усовершенствован способ пошагового доворота вала электродвигателя, позволяющий на 30-40% уменьшить время фазирования синхронно-синфазного электропривода, и разработан модифицированный вариант функциональной схемы синхронно-синфазного электропривода с пошаговым допоротом вала электродвигателя.
2. На основе модели электропривода с фазовой синхронизацией проведено компьютерное моделирование процесса пошагового доворота вала электродвигателя в приложении SIMULINK программного пакета MATLAB, в ходе которого определены оптимальные значения интервалов задержки т., для формирования возмущающих импульсов f при различных уровнях токоограничения БДПТ.
Полученные в статье результаты могут быть использованы при проектировании прецизионных синхронно-синфазных электроприводов.
Библиографический список
1. Бубнов A.B. Вопросы теории и проектирования прецизионных синхронно-синфазных электроприводов постоянного тока: Монография. - Омск: Редакция журнала «Омский научный вестник», 2005. - 190 с.
2. Бубнов A.B. Эффективный способ фазирования систем синхронно-синфазных электроприводов. // Омский научный вестник. - 2005. - № 4. - С. 142-147.
3. A.c. 1591172 СССР, МКИ5 Н02 Р 5/50, 5/06. Синхронно-синфазный электропривод / A.B. Бубнов, В.Г. Кавко, A.M. Сутормин и др. (СССР). - 6 е.: ил.
4. Бубнов A.B. Анализ влияния токоограничения двигателя на динамику электропривода с фазовой синхронизацией. // Электричество. - 2006. - № 5. - С. 35-39.
5. A.c. 1589373 СССР, МКИ5 Н03 D 13/00. Частотно-фа-эовый дискриминатор / A.B. Бубнов, В.Г. Кавко, A.M. Сутормин (СССР). - 5 с,: ил.
6. Бубнов A.B., Катрич П.А. Моделирование электропривода с фазовой синхронизацией в MATLAB-S1MULINK. // Известия Томского политехнического университета, — 2006. - № 3. - Т. 309. - С. 165-170.
7. Катрич П.А., Игнатов A.C. Блок «Многозначная нелинейность». - М.: ВНТИЦ, 2005. - №50200501804.
БУБНОВ Алексей Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭсПП), заведующий секцией «Промышленная электроника». КАТРИЧ Павел Анатольевич, аспирант секции «Промышленная электроника» кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».
Статья поступила в редакцию 25.08.06. © Бубнов А. В., Катрич П. А.
УДК 683 5313 В.Н.АНОСОВ
Новосибирский государственный технический университет
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО КОНДЕНСАТОРА
В работе получена обобщенная структурная схема электрохимического конденсатора, используемая при исследовании тяговых электроприводов автономных транспортных средств. Зарядно-разрядные и частотные характеристики, рассчитанные с помощью указанной структуры, совпадают с экспериментальными, что подтверждает правильность математического описания.
В последние годы электрохимические конденсаторы (ЭХК) получили широкое распространение во многих отраслях, в том числе и на транспорте. При исследовании систем управления тяговым электроприводом необходимо иметь достоверное математическое описание таких источников питания. При этом предлагается подход, который использован автором при ма тематическом описании химических источников тока [1]. Первые результаты проделанной работы докладывались на международной конференции 1РОБТ (г. Ульсан, Корея).
Зарядно-разрядные характеристики ЭХК аппроксимируются прямыми линиями, как показано на рис. 1. Как следует из рис. 1, нелинейные участки характеристик аппроксимируются семейством прямых!, имеющих общую точку пересечения д„2< С/и, а их линейные части в режиме разряда и заряда представлены семействами М и N с координатами точек пересечения д(Ц, иогипз соответственно.
Аналитически эти прямые могут быть представлены в виде следующих уравнений: — для семейства Ь
