Проектирование цифрового регулятора для электропривода с фазовой синхронизацией

Техническое задание на

Область применения

Цифровой регулятор используется для построения электропривода с фазовой синхронизацией, работающего в области низких частот вращения.

Назначение

Цифровой регулятор предназначен для демодуляции выходного сигнала логического устройства сравнения и формирования сигнала управления электродвигателем.

3. Технические требования

3.1 Требования к электроприводу:

диапазон частот вращения 10-100 об/мин;

угловая погрешность синхронного режима не более 5 угл. мин;

минимальное время выхода электропривода на синхронно-синфазный режим;

минимальные массогабаритные показатели.

Реферат

Количество:

Ключевые слова: бесконтактный двигатель, электропривод, синфазный, синхронизация, логическое устройство сравнения, корректирующие устройство, цифровой регулятор, Z-преобразование.

При выполнении настоящего дипломного проекта разработан цифровой регулятор для электропривода с фазовой синхронизацией, удовлетворяющего поставленным требованиям по диапазону частот вращения и точности стабилизации угловой скорости. Проведено моделирование электропривода с разработанным регулятором в программном пакете MatLab 7.01, исследована его динамика.

Разделы пояснительной записки:

Обзор литературы.

Выбор структуры и расчет параметров регулятора.

Выбор структуры и расчет параметров системы управления электропривода.

Разработка принципиальной электрической схемы корректирующего устройства.

Экономический расчет.

Охрана труда.

DAS REFERAT

Quantity:

Key words: the contactless engine, the electric drive, inphase, synchronization, the logic device the comparisons adjusting the device, a digital regulator, Z-transformation.

At performance of the present degree project the digital regulator for the electric drive with the phase synchronization, satisfying the put requirements on a range of frequencies of rotation and accuracy of stabilization of angular speed is developed. Modelling the electric drive with the developed regulator in software package MatLab 7.01 is lead, his dynamics is investigated.

Sections of an explanatory note:

1. The review of the literature.

2. A choice of structure and calculation of parameters of a regulator.

3. A choice of structure and calculation of parameters of a control system of the electric drive.

4. Development of the basic electric circuit of the adjusting device.

5. Economic calculation.

6. A labour safety.

Содержание

Введение

1. Обзор литературы

1.1 Структура электропривода с фазовой синхронизацией

1.2 Составные части электропривода с фазовой синхронизацией

1.3 Модели электропривода с фазовой синхронизацией

1.4 Основы теории цифровых систем управления

2. Выбор структуры и расчет параметров регулятора

2.1 Расчет линейного регулятора

2.2 Синтез передаточной функции цифрового регулятора

2.3 Проведение параметрической оптимизации коэффициентов цифрового регулятора

2.4 Анализ устойчивости системы

3. Разработка принципиальной электрической схемы корректирующего устройства

3.1 Разработка структурной схемы корректирующего устройства

3.2 Проектирование основных узлов корректирующего устройства

3.2.1 Генератор высокой частоты

3.2.2 Счетчик импульсов

3.2.3 Регистры РЕГ1 и РЕГ2

3.2.4 Вычислительное устройство

4. Экономический расчет

5. Охрана труда

5.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов на рабочем месте оператора ЭВМ

5.1.1 Микроклимат

5.1.2 Освещение

5.1.3 Расчет искусственного освещения

5.1.4 Шум

5.1.5 Вибрация

5.1.6 Электробезопасность

5.1.7 Электромагнитное излучение

5.1.8 Эргономические возможности рабочего места

5.2 Противопожарная безопасность

Заключение

Список литературы

Приложения

Введение

Разработка новых эффективных технологических процессов, различных машин и приборов непосредственно связана с повышением требований к лежащим в их основе электроприводам по точности, быстродействию, согласованности вращений, снижению массы и габаритов. Отсутствие высокоэффективных электроприводов сдерживает в настоящее время возможности ряда отраслей техники, поэтому разработка новых, более совершенных систем электропривода становятся актуальной задачей.

Одной из основных тенденций, определяющих развитие электропривода в настоящее время, можно считать существенное усложнение выполняемых электроприводом функций и законов движения рабочих органов машин и механизмов при одновременном повышении требований к скорости и точности производимых электроприводом операций.

Возросла потребность в высокоточных электроприводах сканирования, нашедших широкое применение в системах зрения современных робототехнических комплексов, авиационном приборостроении, системах наведения и стабилизации скоростей перемещения астрономических и радионавигационных приборов, различных установках космической техники. В частности актуальной является проблема разработки электроприводов для обзорно-поисковых систем, осуществляющих автоматический обзор пространства в инфракрасном диапазоне спектра с целью получения информации о расположенных в нем объектах.

При построении высокоточных электроприводов, работающих в широком диапазоне регулирования частоты вращения, наиболее широкое применение нашли импульсные астатические системы электропривода с дискретным управлением. В таких системах используется принцип фазовой автоподстройки частоты вращения (ФАПЧВ), то есть осуществляется замыкание их по углу при малых рассогласованиях по угловой скорости с помощью логических устройств сравнения фаз двух последовательностей импульсов: эталонного источника и частотного датчика скорости. Электропривод, построенный на основе ФАПЧВ, обладает идеальным астатизмом по скорости, и в нем легко реализуется синфазный режим работы.

Электродвигатель в системе прецизионного электропривода должен обладать высокой стабильностью и надежностью работы, малой энергоемкостью габаритами. Перспективными в этом направлении являются бесконтактные двигатели постоянного тока, которые наиболее полно удовлетворяют требованиям, предъявляемым к управляемым двигателям систем автоматики по электромеханическим и энергетическим характеристикам, массогабаритным показателям, надежности и диапазону частот вращения в приделах от единиц до сотен тысяч оборотов в минуту.

В настоящие время разрабатываются системы прецизионного электропривода, с аналоговыми корректирующими устройствами, работающие на высоких частотах вращения. Это обусловлено тем, что в области высоких частот вращения частота сигнала ошибки высока и легко отфильтровывается фильтром, частота среза которого лежит за частотой среза системы. В области низких частот вращения, частота сигнал ошибки мала, и для фильтрации сигнала необходимо использовать фильтр с большой постоянной времени. В этом случае фильтр будет влиять на работу системы в целом. Поэтому в области низких частот вращения целесообразно использовать цифровое корректирующие устройство.

Таким образом, целью дипломного проекта ставится разработка цифрового регулятора для электропривода с фазовой синхронизацией, работающего на низких частотах вращения.

1. Обзор литературы

1.1 Структура электропривода с фазовой синхронизацией

Электропривод построенный на основе ФАПЧВ наиболее полно рассматривается в [1]. Структурная схема электропривода приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Функциональная схема электропривода с фазовой синхронизацией.

здесь ЧЗБ - частотно-задающий блок, формирующий импульсы опорной частоты fоп;

ИДЧ - импульсный датчик частоты вращения, формирующий импульсы частоты обратной связи fос;

ЛУС - логическое устройство сравнения, осуществляющее сравнение частот и фаз двух импульсных последовательностей fоп и fос и формирующее в линейном режиме работы электропривода импульсный сигнал γ с периодом Топ=1/fоп и длительностью, пропорциональной фазовому сдвигу импульсов частот fоп и fос, а в режимах разгона или торможения - постоянный уровень напряжения соответствующей полярности;

КУ - корректирующее устройство (регулятор), необходимое для формирования корректирующего сигнала по периодическому закону;

БДПТ - бесконтактный двигатель постоянного тока.

Такие системы характеризуются высокими точностными показателями благодаря использованию фотоэлектрических ИДЧ с высокой разрешающей способностью, хорошими динамическими свойствами, широким диапазоном регулирования частоты вращения. Благодаря этим полезным свойствам принцип ФАПЧВ широко используется при построении прецизионных систем управления электродвигателями постоянного тока [2, 3], система синхронного-синфазного вращения и ряда других систем автоматического регулирования с высокими точностными показателями [4].

1.2 Составные части электропривода с фазовой синхронизацией

Рассмотрим подробнее составные части структурной схемы, приведенной на рисунке 1.1.

Логическое устройство сравнения.

Работа ЛУС [1] (рисунок 1.2 а) основа на логической обработке порядка следования во времени импульсов двух входных сигналов: опорного с частотой fоп и контролируемого с частотой fос. Выходной сигнал ЛУС γ в линейном режиме работы электропривода (fоп ≈ fос) представляет собой последовательность импульсов с периодом следования Топ и длительностью τ, равной временному интервалу между импульсами частот fоп и fос (рисунок 1.2 б, где ). В этом случае среднее значение сигнала γ пропорционально фазовому рассогласованию ∆φ частот fоп и fос.

Под фазовым рассогласованием ∆φ подразумевается величина, пропорциональная отношению . Значение фазового рассогласования в зависимости от τ может изменяться от 0 до 2π. При анализе процессов в электроприводе с фазовой синхронизацией обычно используется нормированная величина фазового рассогласования , которая при изменении τ от 0 до Топ увеличивается от минус до .

Рисунок 1.2 – Структурная схема и временные диаграммы ЛУС

При наличии частотного рассогласования сравниваемых сигналов fоп и fос (режимы насыщения ЛУС) выходной сигнал логического устройства сравнения γ представляет собой постоянный уровень напряжения ( при разгоне и при торможении электродвигателя). В результате в режиме фазового сравнения электропривода , а в режимах разгона и торможения электропривода и соответственно.

В качестве логического устройства сравнения обычно используется импульсный частотно-фазовый дискриминатор (ИЧФД) [2], однако ЛУС может включать в себя дополнительные устройства (например, дополнительные частотные дискриминаторы, дополнительные генераторы импульсов или схемы предварительного преобразования входных импульсных частотных сигналов fоп и fос) и реализовать дополнительные функции [1].

Импульсный частотно-фазовый дискриминатор является основой для реализации ЛУС и может быть построен с использованием различных алгоритмов работы, которые различаются критериями равенства сравниваемых частот и функциональными возможностями ИЧФД [5].

Корректирующее устройство.

Корректирующее устройство [1] (рисунок 1.3) выполняется в виде последовательно соединенных демодулятора (ДМ) сигнала γ с выхода ЛУС и блока коррекции (БК), обеспечивающего устойчивость привода в заданном диапазоне рабочих частот вращения.

Рисунок 1.3 - Структурная схема корректирующего устройства.

Высокие точностные и массогабаритные показатели электропривода определяют ряд требований к реализации узлов корректирующего устройства:

работоспособность в широком диапазоне частот вращения,

высокая точность преобразования сигнала γ (при минимальной инерционности) и формирования корректирующих сигналов.

Импульсный датчик частоты.

В настоящее время налажено серийное производство фотоэлектрических ИДЧ с числом меток на оборот, достигающим 6000 - 16000 [12]. Высокая разрешающая способность ИДЧ при относительно простой технологии их изготовления позволяет в общем случае обеспечить устойчивость дискретно-фазового электропривода в широком диапазоне регулирования частоты вращения.

Основным измерительным звеном растровых датчиков угла, определяющим их точность, является растровый преобразователь перемещения, состоящих из двух круговых периодических шкал - растров.

Фотоэлектрический преобразователь с компенсацией оборотной погрешности от эксцентриситета представлен на рисунке 1.4 где К - компаратор, ФИ - формирователь импульсов. На подвижном и неподвижном модуляторах датчика дополнительно к радиальной наносится кольцевая растровая решетка с дополнительной фото-парой.

Радиальные растры служат для модуляции светового потока основного источника света при вращении вала датчика, и при одинаковых шагах растров и светосиле.

Кольцевые растры служат для модуляции светового потока дополнительной фото-пары, на входе которой формируется компенсирующий сигнал U2 [12].

Рисунок 1.4 - Конструкция фотоэлектрического ИДЧ

Бесконтактный двигатель постоянного тока.

Принцип действия БДПТ сходен с принципом действия синхронного двигателя переменного тока [6].

Для уяснения особенностей, лежащих в основе процессов, обуславливающих создание знакопостоянного электромагнитного момента бесконтактного двигателя при любом положении его ротора, рассмотрим схему (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 - Схема бесконтактного двигателя постоянного тока

Здесь якорная обмотка 1 неподвижна и расположена на статоре двигателя. Система коллекторных пластин и щеток в бесконтактном двигателе заменяется системой полупроводниковых ключей 2 (на схеме транзисторы Т1-Т5, Т1'-Т5'), управляемых чувствительными элементами 3 (Э1-Э5) в зависимости от положения ротора 5. Ключи 2 и чувствительные элементы 3 расположены неподвижно. Ротор бесконтактного двигателя имеет два сектора 6, образующих управляющий элемент датчика положения. Каждый из секторов в рассматриваемом случае имеет разноименнополюсную намагниченность (левый сектор имеет полярность N, а правый - S). При этом любой из чувствительных элементов Э в зависимости от полярности сектора 6, с которым он взаимодействует, выдает сигнал того или иного знака (на таком принципе работают, например, датчики Холла). Знак сигнала чувствительного элемента определяет срабатывание одного из пары ключей Т-Т', подсоединенных к шинам 4 источника питания. В частности, на рисунке 2, изображен момент, когда сектор N взаимодействует с чувствительным элементом Э5, а сектор S - с чувствительным элементом Э3. В этом положении сигнал чувствительного элемента Э5 отпирают ключ Т5, а сигнал чувствительного элемента Э3 отпирает ключ Т3'. Таким образом, выводы обмотки А и В оказываются подключенными через ключи Т5 и Т3' соответственно к положительной и отрицательной шине источника питания. Под действием поля, создаваемого обмоткой якоря ротор поворачивается, ключи Т5 и Т3' закрываются, так как на их датчики уже не действует поле секторов, и открывается следующая пара ключей. Таким образом, создается вращающееся магнитное поле, увлекающее за собой ротор двигателя

1.3 Модели электропривода с фазовой синхронизацией

Для построения структурной схемы электропривода с фазовой синхронизацией в [1] рассматриваются математические модели основных узлов электропривода с фазовой синхронизацией (рисунок 1.6, где ДМ - демодулятор выходного ШИМ-сигнала ИЧФД).

Рисунок 1.6 - Функциональная схема контура ФАПЧВ

В качестве модели импульсного частотно-фазового дискриминатора используется модель ИЧФД [1], приведенная на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 - Полная модель ИЧФД

Демодулятор, выделяющий непрерывный сигнал фазовой ошибки электропривода из выходного ШИМ-сигнала γ импульсного частотно-фазового дискриминатора, обычно выполняется в виде фильтра нижних частот (ФНЧ) [1] не менее второго порядка (рисунок 1.8 а) с постоянной времени , где Топмах - максимальное значение периода следования импульсов задающего частотного сигнала fос в заданном диапазоне рабочих частот вращения электропривода, или дискретного преобразователя (рисунок 1.8 б, где Тос=1/fос) на основе схемы выборки-хранения (СВХ) [1].

Рисунок 1.8 - Модели демодуляторов.

Благодаря демодуляции выходного сигнала импульсного частотно-фазового дискриминатора обеспечивается качественная фильтрация выходного сигнала ИЧФД γ и отсутствие высокочастотных пульсаций в управляющем сигнале , формируемом в соответствии с передаточной функцией корректирующего устройства КУ .

Модель БДПТ (при синусоидальной форме токов и их фазовом сдвиге на в обмотках электродвигателя) приведена на рисунке 1.9, где - максимальная величина потокосцепления постоянных магнитов ротора с обмотками БДПТ, - электромагнитный момент электродвигателя, - момент нагрузки на валу электродвигателя, - момент инерции ротора БДПТ с нагрузкой, ε - угловая скорость, ω - угловая скорость. При этом при различных способах демодуляции выходного сигнала ИЧФД

(1.1)

Рисунок 1.9 - Модель БДПТ

Коэффициент передачи импульсного датчика частоты вращения ИДЧ равен (рисунок 1.10).

Рисунок 1.10 - Модель ИДЧ

Объединяя приведенные модели отдельных узлов электропривода, в [1] получены две структурные схемы контура ФАПЧВ при различных способах демодуляции выходного сигнала ИЧФД γ (рисунок 1.11а и 1.11б).

Рисунок 1.11 - Полная схема контура ФАПЧВ

Наличие в структурной схеме электропривода нелинейного элемента НЭ позволяет рассматривать электропривод с фазовой синхронизацией как систему с переменной структурой. Для анализа динамических процессов в таком электроприводе в [1] выделяются режимы работы, в которых структура системы регулирования остается неизменной, и проводится анализ динамики электропривода в каждой из этих областей.

В зависимости от рабочего участка НЭ в [1] выделяются три режима работы электропривода:

1. Режим насыщения импульсного частотно-фазового дискриминатора при разгоне электропривода (fоп>fос). Выходной сигнал ИЧФД является непрерывной функцией и не зависит от входного сигнала . Происходит разгон электродвигателя с максимальным ускорением εm (если пренебречь моментом на валу электродвигателя). Структурная схема электропривода в этом режиме работы преобразуется в структурную схему разомкнутой системы регулирования с постоянным задающим воздействием (рисунок 1.12а, где , - ошибки регулирования по углу и угловой скорости).

а)

б)

в)

Рисунок 1.12 - Структурные схемы электропривода:

а) режим насыщения; б) в линейном режиме (в качестве демодулятора используют ФНЧ); в) в линейном режиме (в качестве демодулятора используют СВХ)

2. Режим фазового сравнения ИЧФД соответствует пропорциональному режиму работы электропривода (fоп=fос). Работа электропривода происходит на линейном участке характеристики НЭ. Неоднозначность нелинейного элемента и насыщение в этом режиме можно не учитывать. В результате НЭ заменяется линейным звеном с коэффициентом передачи, равным единице, и структурная схема контура ФАПЧВ (рисунок 1.11) преобразуется в схему, приведенную на рисунке 1.12 б.

В этом режиме работы электропривода, при выполнении условий линеаризации нелинейных элементов, входящих в состав фазового дискриминатора и демодулятора, система управления (рисунки 1.12 б и 1.12 в) могут быть приведены к линейной системе автоматического регулирования, представленной на рисунке 1.13. Фильтр нижних частот в этой схеме исключен, так как его постоянная времени обычно выбирается из условия , где , ωс - частота среза замкнутой линеаризованной системы регулирования, поэтому он практически не оказывает влияния на процессы в электроприводе, и им можно пренебречь.

Рисунок 1.13 - Линеаризованная структурная схема электропривода в пропорциональном режиме работы.

3. Режим насыщения импульсного частотно фазового дискриминатора при торможении электропривода (fоп<fос). Выходной сигнал ИЧФД непрерывен и зависит от входного сигнала . Происходит торможение электродвигателя с максимальным ускорением εm (если пренебречь моментом на валу электродвигателя). Структурная схема электропривода в этом режиме работы преобразуется в структурную схему разомкнутой системы регулирования с постоянным задающим воздействием (рисунок 1.12 а).

1.4 Основы теории цифровых систем управления

В цифровых системах автоматического управления осуществляется квантование сигналов по времени и уровню (преобразование непрерывного в дискретные через равные промежутки времени, но при этом выделяется ближайший уровень непрерывного сигнала).

Квантование по времени делает всю систему управления дискретной (рисунок 1.14), а по уровню нелинейной. Разрядная сетка современных ЭВМ такова, что влиянием квантования по уровню можно пренебречь. Это делает всю систему линейной и позволяет использовать для ее расчета математический аппарат исследования импульсных систем.

Цифровой сигнал, отражающий преобразованный непрерывный сигнал в дискретный, представляет собой двоичное число - совокупность логических нулей и единиц. При исследовании цифровых систем автоматического управления этот реальный сигнал заменяют его математической абстракцией - решетчатой функцией.

Рисунок 1.14 - График квантования сигнала по времени

Понятие решетчатой функции лежит в основе математического описания дискретных систем и позволяет осуществлять переход к дискретному аналогу дифференциальных уравнений - разностным уравнением (уравнения в конечных разностях). Эти уравнения, определяющие связь между значениями решетчатой функции с помощью конечных разностей, являются аналогами производных в дифференциальных уравнениях [8].

Первая прямая разность:

(1.2)

получается путем вычитания из последующего значения решетчатой функции (будущего) текущего значения.

Первая обратная разность:

(1.3)

получается путем вычитания из текущего значения предыдущего.

Первая разность является аналогом первой производной непрерывной функции.

Для решения разностных уравнений широко применяется Z-преобразование, оно вытекает из дискретного преобразования Лапласа решетчатых функций.

Преобразование Лапласа

. (1.4)

Дискретное преобразование Лапласа для решетчатых функций

. (1.5)

Z-преобразование решетчатой функции

, (1.6)

где ,

n = 0, 1, 2, ….