CC BY
24
УДК «-83 А. В. БУБНОВ
йО!: 10.25206/1813-8225-2018-160-38-42
А. Н. ЧЕТВЕРИК
Омский государственный технический университет, г. Омск
УЛУЧШЕНИЕ ДИНАМИКИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ФАЗОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИЕЙ, ПОСТРОЕННОГО НА ОСНОВЕ ИМПУЛЬСНОГО ЧАСТОТНО-ФАЗОВОГО ДИСКРИМИНАТОРА С РАСШИРЕННЫМИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ВОЗМОЖНОСТЯМИ_
Электропривод с фазовой синхронизацией широко используется в теплови-зионных и лазерных сканирующих системах благодаря высоким динамическим характеристикам в широком диапазоне регулирования угловой скорости. Целью статьи является разработка способа управления электроприводом с фазовой синхронизацией, реализованного на основе импульсного частотно-фазового дискриминатора с расширенной линейной зоной в режиме фазового сравнения входных импульсных последовательностей. Усовершенствован способ управления электроприводом с фазовой синхронизацией с реализацией системы управления на основе импульсного частотно-фазового дискриминатора с расширенными функциональными возможностями. Предложены схемные реализации логического устройства сравнения с расширенной линейной зоной ИЧФД в режиме фазового сравнения, позволяющие улучшить динамику электропривода в режиме синхронизации.
Ключевые слова: электропривод с фазовой синхронизацией, импульсный частотно-фазовый дискриминатор, логическое устройство сравнения, дискриминатор, линейная зона.
Работа выполнена в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований. Проект № 16-08-00325а «Разработка и исследование способов управления синхронно-синфазным электроприводом, реализованных на основе комплексного подхода к обеспечению высоких показателей качества регулирования в широком диапазоне угловых скоростей в режимах стабилизации и слежения».
Введение. В тепловизионных и лазерных скани- скорости используется частотный сигнал /п, фор-
рующих системах при построении узла оптико-ме- мируемый с помощью прецизионного генератора;
ханической развертки используется стабилизиро- в качестве сигнала обратной связи — частотный
ванный электропривод, к которому предъявляются сигнал /, формируемый на выходе импульсно-
высокие требования к показателям качества функ- го датчика частоты (ИДЧ) вращения; а в качестве
ционирования. Высокое качество регулирования сравнивающего элемента — логическое устройство
обеспечивает электропривод с фазовой синхрони- сравнения (ЛУС) частот и фаз входных частотных
зацией (ЭПФС), реализуемый на основе принци- сигналов (рис. 1, где БЗЧ — блок задания частоты,
па фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) [1], КУ — корректирующее устройство, СП — силовой
который позволяет обеспечить более высокие точ- преобразователь, БДПТ — бесконтактный двига-
ностные и динамические показатели в широком тель постоянного тока).
диапазоне регулирования угловой скорости [2—13] Алгоритм функционирования ЛУС, в соответ-
по сравнению с цифровыми и аналоговыми систе- ствии с принципом ФАПЧ, обеспечивает три рабо-
мами автоматического управления (САУ). чих режима ЭПФС: режим разгона с максималь-
В электроприводе, построенном на основе прин- ным ускорением (разомкнутое управление при / >
ципа ФАПЧ, в качестве сигнала задания угловой / ), режим управления с обратной связью (режим
замкнутого управления при I и / ) и режим торможения с максимальным ускорением (разомкнутое управление при fon< / ). Реализация данного алгоритма работы электропривода с фазовой синхронизацией обеспечивается формированием трех режимов работы ЛУС: режимы насыщения при /оп> / / и режим фазового сравнения при
и при
/ <
оп
В ЭПФС в качестве ЛУС применяется импульсный частотно-фазовый дискриминатор (ИЧФД), работа которого основана на сравнении периодов следования импульсов двух частотных сигналов в моменты времени прохождения двух импульсов одной из частот / или f между двумя соседними импульсами другой частоты. Возникновение ситуации прохождения двух подряд импульсов частоты I между двумя соседними импульсами частоты / (ситуация 2/2) соответствует Т >Т или / < / ,
у ^ 1 ' ^ оп ос оп ос
а возникновение ситуации отсутствия импульсов частоты / между двумя соседними импульсами частоты / (ситуация 0/2) соответствует Т <Т или
оп оп ос
/ > / . Таким образом, в моменты возникновения
оп ос
ситуаций 0/2 или 2/2 осуществляется сравнение периодов входных частотных сигналов и по результатам сравнения определяется необходимость изменения режима работы ИЧФД и, соответственно, ЛУС.
В ИЧФД реализуется следующий алгоритм функционирования. При приходе двух подряд импульсов частоты / между двумя соседними импульсами частоты I (ситуация 2/2) происходят следующие изменения режима работы ИЧФД:
а) из режима насыщения при 1оп > / осуществляется переход в режим фазового сравнения при
/ и / ;
оп ос'
б) из режима фазового сравнения осуществляется переход в режим насыщения при I < / ;
в) режим насыщения при / < / сохраняется.
При отсутствии импульсов частоты / между
двумя соседними импульсами частоты / (ситуация 0/2) изменения режима работы происходят в обратном порядке.
В режимах насыщения ИЧФД, реализованного на логических элементах, выходной сигнал у является постоянной величиной и равен логической «1» в режиме разгона ЭПФС и логическому «0» — в режиме торможения электропривода. Выходной сигнал ИЧФД у в режиме фазового сравнения представляет собой последовательность импульсов с периодом следования Т =1// и длительностью т, равной временному интервалу между соседними импульсами частот / и / . В этом случае среднее значение выходного сигнала ИЧФД у пропорционально фазовому рассогласованию Дф импульсов сравниваемых частот (ШИМ-сигнал фазовой ошибки).
Данный алгоритм работы ИЧФД легко реализуется на цифровых микросхемах и обеспечивает высокую точность формирования выходного сигнала фазовой ошибки. Недостатком данного алгоритма является возможность повторных выходов ИЧФД в режимы насыщения при больших начальных условиях по Дю в момент начала режима синхронизации ЭПФС (перехода в режим фазового сравнения ИЧФД, а САУ — в режим замкнутого управления).
Постановка задачи. Целью статьи является разработка способа регулирования ЭПФС, реализованного на основе системы автоматического управления с использованием ИЧФД с расширенной линейной зоной в режиме фазового
Рис. 1. Функциональная схема электропривода с фазовой синхронизацией
Рис. 2. Фазовый портрет работы ЭПФС
сравнения входных импульсных последовательностей и позволяющего улучшить динамические показатели электропривода.
Теория. Анализ динамических процессов в линеаризованных системах управления ЭПФС (в системах с линеаризованным ШИМ-сигналом ИЧФД [2]) в области высоких частот вращения удобно проводить методом фазовой плоскости, при этом электропривод рассматривается как система с переменной структурой (в соответствии с тремя режимами работы ЭПФС) и для каждой рабочей области строятся семейства фазовых траекторий.
На рис. 2 изображен фазовый портрет работы электропривода для режима вхождения в синхронизм с задающим частотным сигналом / при различных начальных условиях:
— траектория, обозначенная цифрами 1-2-3-4-0, соответствует работе электропривода в режиме синхронизации с большим значением начальных условий по Дю;
— траектория, обозначенная цифрами 1'-2'-0, соответствует работе электропривода в режиме синхронизации с меньшим значением начальных условий по Дю.
Участки 1-2 и 1'-2' фазовых траекторий соответствуют режиму разгона электропривода с максимальным ускорением. Участок 2-3 соответствует работе электропривода в пропорциональном режиме (замкнутая система автоматического управления (САУ). Участок 3-4 — торможение ЭПФС с максимальным ускорением и участки 4-0 и 2'-0 — работа в режиме замкнутого управления электроприводом на завершающем этапе сихронизации электропривода. Изменение режима работы ЭПФС происходит на линиях переключения Дф = ф0/2 и Дф= — ф0/2.
Фазовые траектории для режимов разгона и торможения представляют собой семейства парабол, смещенных по оси Да [2]. В режиме фазового сравнения ИЧФД система автоматического управления ЭПФС замыкается по фазовой ошибке Дф, и движение изображающей точки на фазовом портрете
Рис. 3. Функциональная схема электропривода с фазовой синхронизацией с расширенной линейной зоной ФД
Рис. 4. Классификация вариантов реализации ЭПФС на основе ИЧФД с расширенной линейной зоной
осуществляется по траекториям, соответствующим передаточной функции замкнутой САУ.
Для сокращения времени переходного процесса в режиме синхронизации при больших начальных условиях по Дю при переходе электропривода в режим замкнутого управления используется система управления ЭПФС (рис. 3, где ФД — фазовый дискриминатор, СВ — сумматор-вычитатель, ДУ — дифференцирующее устройство, УК — управляющий ключ, ЧИБ — частотно-измерительному блок, ЭЗ — элемент задержки, ЭД — электродвигатель, С — сумматор, СП — силовой преобразователь) с расширенной линейной зоной дискриминатора [2].
Работы по практической реализации способа регулирования с использованием ИЧФД с расширенной линейной зоной проведены в двух направлениях (рис. 4).
Предложены следующие технические решения по совершенствованию способа управления ЭПФС, реализованного на основе ИЧФД с расширенной линейной зоной:
1) функциональная схема ЭПФС (рис. 5) с введением корректирующих сигналов в основной канал регулирования при кратковременных выходах ИЧФД в режимы насыщения позволяет упростить ранее рассмотренную схемную реализацию электропривода (рис. 3) путем объединения ФД, ИЧФД и ЧИБ в одной схеме ИЧФД [14] с расширенными функциональными возможностями, которая в совокупности со схемой СВ образуют ИЧФД с расширенной линейной зоной в режиме фазового сравнения. Функцию схемы ЧИБ выполняет выходной сигнал П импульсного частотно-фазового дискриминатора;
2) функциональная схема ЭПФС, выполненная на основе ИЧФД с расширенной линейной зоной (рис. 6), формирующего дополнительные сигналы
[15]:
— Дфр — расширенный до 3ф0 сигнал фазовой ошибки,
— Пр — сигнал индикации режима фазового сравнения.
Для формирования сигнала ур в функциональной схеме ЭПФС использован мультиплексор. В режимах насыщения ИЧФД сигнал Пр отсутствует и на выход мультиплексора проходит сигнал у. При переходе электропривода в пропорциональный режим работы на выходе ИЧФД формируется сигнал Пр индикации режима фазового сравнения с учетом расширенной линейной зоны, и на выход мультиплексора проходит сигнал Дфр. Электропривод переходит в режим замкнутого управления (режим синхронизации).
Работа предложенных функциональных схем ЭПФС поясняется фазовым портретом (рис. 7)
Рис. 5. Функциональная схема ЭПФС с упрощенной схемной реализацией
Рис. 6. Функциональная схема ЭПФС на основе ИЧФД с расширенной линейной зоной
Дсо
5 У 1
4" ([4,4' 5"
"фо/2 0 фо/2 фо / Зфо/2 Да
,3
2
Рис. 7. Фазовые портреты синхронизации ЭПФС с расширенной линейной зоной ИЧФД
Рис. 8. Временные диаграммы работы ЭПФС с обычным алгоритмом работы ИЧФД и с расширенной линейной зоной дискриминатора
и временными диаграммами работы электропривода (рис. 8). На фазовом портрете приведены 3 фазовые траектории:
— траектория, обозначенная цифрами 1-2-3-45-0, соответствует работе ЭПФС с обычным алгоритмом работы ИЧФД;
— траектория, обозначенная цифрами 1-2-3-4'-5'-0, соответствует работе ЭПФС, в котором корректирующие сигналы вводятся в основной канал регулирования в режиме синхронизации при кратковременных выходах ИЧФД в режимы насыщения;
— траектория, обозначенная цифрами 1-2-3-4''-5''-0, соответствует работе ЭПФС с реализацией ИЧФД с расширенной линейной зоной в режиме фазового сравнения.
Участки фазовых траекторий 1-2 и 2-3 и соответствующие им участки временных диаграмм при одинаковых начальных условиях совпадают для всех трех перечисленных реализаций ЭПФС. Участок 1-2 соответствует режиму разгона электропривода с максимальным ускорением. В точке 2 возникает ситуация взаимного расположения входных импульсов ИЧФД 2/2 и происходит переход дискриминатора в режим фазового сравнения. Участок 2-3 соответствует работе электропривода в пропорциональном режиме, соответствующем режиму синхронизации (замкнутая САУ). В точке 3 повторяется ситуация взаимного расположения входных импульсов ИЧФД 2/2.
Далее на фазовой плоскости происходит разделение фазовых траекторий в зависимости от рассматриваемой функциональной схемы ЭПФС. Приведем сравнительный анализ динамики процессов синхронизации предложенных структур электропривода по отношению к ЭПФС с обычным алгоритмом работы ИЧФД.
1. ЭПФС с обычным алгоритмом работы ИЧФД.
Участок 3-4-5 соответствует работе электропривода в режиме торможения с максимальным ускорением. В точке 5 возникает ситуация взаимного расположения входных импульсов ИЧФД 0/2, и происходит переход ИЧФД в режим фазового сравнения. Участок 5-0 соответствует работе электропривода в пропорциональном режиме и отражает процесс синхронизации ЭПФС в точке 0.
2. ЭПФС с введением корректирующих сигналов в основной канал регулирования в режиме синхронизации при кратковременных выходах ИЧФД в режимы насыщения.
На участке 3-4'-5' электропривод находится в режиме торможения, при этом за счет организации введения корректирующих сигналов в основной канал регулирования в режиме синхронизации при кратковременных выходах ИЧФД в режимы насыщения изменяется вид фазовой траектории и соответственно переходного процесса. На участке 3-4' электропривод находится в режиме торможения с максимальным ускорением, т.к. к выходному сигналу у (отрицательное значение) прибавляется отрицательное значение Дю, но результат суммирования за счет наличия токоограничения БДПТ ограничивается на уровне у. На участке 4'-5' электропривод находится в режиме торможения с переменным ускорением, т.к. к выходному сигналу у (отрицательное значение) прибавляется положительное значение Дю, и наличие токоограничения БДПТ не влияет на результат суммирования. В результате происходит улучшение начальных условий по Дю в точке 5' для завершающего этапа синхронизации
ЭПФС (участок 5'-0) и, как следствие, улучшается динамика электропривода в переходных режимах синхронизации.
3. ЭПФС с реализацией ИЧФД с расширенной линейной зоной в режиме фазового сравнения.
На участке 3-4''-5''-0 электропривод за счет расширенной линейной зоны ИЧФД остается в пропорциональном режиме работы, и процесс синхронизации завершается в точке 0. В результате повышается качество регулирования (уменьшение перерегулирования и сокращение времени переходного процесса) электропривода в переходных режимах синхронизации.
Выводы и заключение. Анализ приведенных фазовых портретов работы предложенных технических решений построения ЭПФС, реализованных на основе ИЧФД с расширенной линейной зоной в режиме фазового сравнения, позволяет сделать вывод об улучшении динамики электропривода по сравнению с системой управления ЭПФС, реализованной на основе ИЧФД с обычным алгоритмом функционирования.
Полученные результаты могут быть использованы при проектировании современных ЭПФС и ССЭ для сканирующих и обзорно-поисковых систем.
Библиографический список
1. Трахтенберг Р. М. Импульсные астатические системы электропривода с дискретным управлением. М.: Энергоиздат, 1982. 169 с.
2. Бубнов А. В., Бубнова Т. А., Федоров В. Л. Современное состояние и перспективы развития теории синхронно-синфазного электропривода: моногр. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. 101 с. ISBN 978-5-8149-0988-6.
3. Ясинский Г. И., Быстров А. М., Трахтенберг Р. М. [и др.]. Анализ и систематизация требований к электроприводам оптико-механических сканирующих систем // Усовершенствование и автоматизация промышленных электроприводов и электроустановок: сб. науч.-исслед. работ. 1980. С. 73 — 75.
4. Выскуб В. Г. Пути совершенствования оптико-механических сканирующих систем с магнитоэлектрическим приводом // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2001. № 6. С. 61-63.
5. Аристов А. В., Аристова Л. И. Предельные характеристики оптико-механических систем со сканированием // Вестник ЮУрГУ. Сер. Энергетика. 2015. Т. 15, № 1. С. 41-46. DOI: 10.14529/power150105.
6. Wu Y., Zhao H., Zhao N. PLL control system based on FPGA for brushless DC motor // Proc. of the 33rd Chinese Control Conf. Nanjing, China, 2014. P. 7897-7902. DOI: 10.1109/ CHiC.2014.6896319.
7. Pan C.-T., Fang E. A phase-locked-loop-assisted internal model adjustable-speed controller for BLDC motors // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2008. Vol. 55, Issue 9. P. 3415-3425. DOI 10.1109/TIE.2008.922600.
8. Zhang J., Zhao H., Ma K. Phase-Locked Loop in constant speed control for the flywheel motor // Recent Advances in Computer Science and Information Engineering. 2012. Vol. 6. P. 323-330. DOI 10.1007/978-3-642-25778-0_45.
9. Hsieh G. C., Hung J. C. Phase-Locked Loop Techniques. A Survey // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 1996. Vol. 43, Issue 6. P. 609-615. DOI 10.1109/41.544547.
10. Best R. E. Phase-locked loops: design, simulation, and applications. NY: McGraw-Hill, 2003. 421 p.
11. Brock S., Zawirski K. New approaches to selected problems of precise speed and position control of drives // IECON 2012 -38th Annual Conf. on IEEE Industrial Electronics Society. 2012. P. 6291-6296. DOI: 10.1109/IECON.2012.6389020.
12. Ramirez-Figueroa F. D., Pacas M. Model based control of a PMSM with variable switching frequency and torque ripple control // IEEE Ind. Electron. Soc., IECON 2015. P. 1418-1423. DOI: 10.1109/IECON.2015.7392299.
13. Feng K. [et al.]. Modeling and bifurcation research of phase-locked loop speed control of induction motor drive // IEEE Ind. Electron. Soc. 26th Annu. Conf. Nagoya, Aichi, Japan. 2000. P. 2327-2333. DOI: 10.1109/IEC0N.2000.972361.
14. Пат. 163831 Российская Федерация, МПК H 02 Р 7/06, 7/28. Стабилизированный электропривод / Бубнов А. В., Четверик А. Н., Чудинов А. Н. № 2016104223/07; заявл. 09.02.2016; опубл. 10.08.2016, Бюл. № 22.
15. Пат. 2647678 Российская Федерация, МПК H 03 D 13/00, H 03 L 7/09. Частотно-фазовый компаратор / Бубнов А. В., Четверик А. Н. № 2017120667; заявл. 13.06.2017; опубл. 16.03.2018, Бюл. № 8.
БУБНоВ Алексей Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Электрическая техника». БРНЧ-код: 5358-0661 ЛиШогГО (РИНЦ): 250020 ОЯСГО: 0000-0002-0604-3795
AuthorID (SCOPUS): 7004195241 ResearcherID: A-6669-2015 Адрес для переписки: bubnov-av@bk.ru ЧЕТВЕРИК Алина Наилевна, старший преподаватель кафедры «Электрическая техника». SPIN-код: 2930-8935 AuthorID (РИНЦ): 688459 ORCID: 0000-0001-8470-9823 AuthorID (SCOPUS): 57193411398 ResearcherID: O-4913-2017 Адрес для переписки: alina.an@mail.ru
Для цитирования
Бубнов А. В., Четверик А. Н. Улучшение динамики электропривода с фазовой синхронизацией, построенного на основе импульсного частотно-фазового дискриминатора с расширенными функциональными возможностями // Омский научный вестник. 2018. № 4 (160). С. 38-42. DOI: 10.25206/1813-82252018-160-38-42.
Статья поступила в редакцию 21.05.2018 г. © А. В. Бубнов, А. Н. Четверик
УДК 621.1:629.5.064.5-049.5 В. Р. ВЕДРУЧЕНКО1
DOI: 10.25206/1813-8225-2018-160-42-46 "
А. В. ШТИБ1 И. И. МАЛАХОВ2
1Омский государственный университет путей и сообщения,
г. Омск 2Омский институт водного транспорта (филиал) Сибирского государственного университета водного транспорта,
г. Омск
О МОДЕЛИРОВАНИИ ЗАДАЧИ ОПТИМИЗАЦИИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭКОЛОГИЧНОСТИ СУДОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ КАК СЛОЖНОЙ ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Представлена математическая модель задачи оптимизации показателей эко-логичности сложных технических систем по критерию минимума суммарных затрат. Разработанный критерий оптимизации позволяет учитывать как эксплуатационные затраты, так и показатели риска аварий при эксплуатации сложных систем. Эффективность разработанных моделей подтверждена результатами моделирования.
Ключевые слова: численное моделирование, экологичность и экономичность сложной теплоэнергетической системы, показатели риска аварий, эксплуатационные затраты, критерий минимума суммарных затрат.
Требования экологичности производственных развитие научно-методического метода анализа и процессов, в том числе транспортных, являются управления риском при эксплуатации сложных тех-одним из важнейших факторов, стимулирующих нических систем (СТС), в том числе транспортных,
