Квазиоптимизация быстродействия при управлении позиционированием шагового двигателя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Солоха, Алексей Александрович

• Солоха, Алексей Александрович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Солоха, Алексей Александрович

Список используемых в работе сокращений.

ВЕДЕНИЕ.

1 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ.

1.1 Шаговый двигатель как элемент системы управления.

1.1.1 Краткая характеристика свойств шагового двигателя.

1.1.2 Особенности применения шаговых двигателей в системах управления.

1.1.3 Основные принципы управления движением шагового двигателя.

1.1.4 Схема управления шаговым двигателем и возможности исследования её свойств.

1.2 Принцип действия и конструктивные особенности шагового двигателя.

1.2.1 Основные принципы работы шагового двигателя.

1.2.2 Основные типы шаговых двигателей.

1.2.3 Шаговый двигатель гибридной конструкции.

1.3 Проблемы и методы построения математических моделей электрических машин.

1.3.1 Модель обобщённой электрической машины.

1.3.2 Электромагнитный момент шагового двигателя.

1.3.3 Требования к математической модели шагового двигателя.

1.4 Анализ существующих подходов к управлению шаговым двигателем

1.4.1 Режимы работы шагового двигателя в зависимости от способа управления ротором.

1.4.2 Режимы работы шагового двигателя в зависимости от способа коммутации обмоток.

1.4.3 Рабочие характеристики шагового двигателя.

1.4.4 Схемы включения обмоток шагового двигателя.

1.5 Анализ известных способов увеличения быстродействия шагового двигателя.

1.5.1 Сущность повышения быстродействия с помощью напряжения импульсов управления.

1.5.2 Способы ограничения тока, применяемые на практике при повышенном коммутируемом напряжении источника электропитания

1.5.3 Анализ возможных путей построения квазиоптимального управления шаговым двигателем на основе существующей методики увеличения быстродействия.

1.6 Выводы по первому разделу.

2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ.

2.1 Построение математической модели шагового двигателя на основе модели обобщённой электрической машины.

2.1.1 Математическая модель обобщённой двухфазной двухполюсной синхронной электрической машины.

2.1.2 Допущения и упрощения, использованные при составлении уравнений модели шагового двигателя.

2.1.3 Уравнения математической модели шагового двигателя.

2.1.4 Математическая модель шагового двигателя с учётом электронной схемы управления.

2.1.5 Пример численного решения уравнений модели.

2.2 Идентификация параметров математической модели на основе экспериментальных данных.

2.2.1 Общая постановка задачи идентификации динамики исследуемого объекта.

2.2.2 Идеологические предпосылки решения задачи идентификации математической модели шагового двигателя.

2.2.3 Техническая и информационная схема исследования и обработки данных в рамках решения задачи об идентификации параметров модели шагового двигателя.

2.2.4 Статистическая идентификация модели на основе измеренных данных.

2.3 Поиск наилучших параметров математической модели.

2.3.1 Поиск на основе методики планирования экспериментов.

2.4.6.2 Случайный поиск.

2.4.6.3 Общий поиск.

2.4.3 Результаты идентификации параметров.

2.5 Аппроксимация динамических свойств шагового двигателя линейной математической моделью.

2.5.1 Линейная модель 3-его порядка.

2.5.2 Линейная модель 4-ого порядка.

2.6 Выводы но второй главе.

3 КВАЗИОПТИМАЛЬНОЕ ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ УПРАВЛЕНИЕ

ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ.

3.1 Постановка задачи квазиоптимизации быстродействия полношагового режима работы шагового двигателя за счет управление

3.1.1 Концептуальная оценка возможного результата оптимизации по быстродействию управления полношаговым движением ротора.

3.1.2 Ограничения по форме управляющих сигналов.

3.1.3 Ограничения по полярности управляющих сигналов.

3.1.4 Ограничения по структуре управляющих сигналов.

3.1.5 Ограничения по характеру нагрузки, действующей в период шагового управления.

3.1.6 Возможности и целесообразность аналитического, имитационного и экспериментального решения задачи оптимизации быстродействия управления ШД.

3.1.7 Формулировка понятия квазиоптимизации применительно к задаче управления позиционированием ШД.

3.2 Решение задачи оптимизации быстродействии позиционировании ШД для аппроксимационной модели.

3.2.1 Аппрокснмационная модель ШД.

3.2.2 Постановка задачи оптимизации быстродействия решения для аппроксимационной модели ШД.

3.2.3 Необходимые условия оптимальности быстродействия для аппроксимационной модели ШД.

3.2.4 Качественное исследование структуры решения задачи оптимизации быстродействия для аппроксимационной модели ШД.

3.3 Постановка задами для нелинейной модели.

3.4 Вспомогательные оценки качества управления.

3.5 Квазионтимальное но быстродействию управление шаговым двигателем на базе полношагового режима работы.

3.5.1 Структурный синтез векторного управления.

3.5.2 Проверка решения с помощью нелинейной модели.

3.5.3 Поиск параметров управляющих импульсов с помощью модели.

3.5.4 Анализ решения задачи с помощью математической модели.

3.5.5 Экспериментальная проверка решения.

3.6 Результаты исследования.

4 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ КВАЗИОПТИМАЛЬНОГО ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

4.1 Экспериментальная оценка влияния механической нагрузки на динамику шагового двигателя.

4.2 Методика исследования электрических двигателей с целью улучшения динамических характеристик с помощью управления.

4.3 Оценка возможности практической реализации разработанного управления.

4.3.1 Изменяемая часть в системе управления.

4.3.2 Элементная база систем управления шаговыми двигателями.

4.4 Выводы но четвёртой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Квазиоптимизация быстродействия при управлении позиционированием шагового двигателя»

Актуальность темы. Шаговый двигатель (ШД) является одним из наиболее эффективных и перспективных видов электрических машин, которые позволяют добиться высокой точности позиционирования и повторяемости перемещений, что обусловливает его широкое применение в системах автоматического управления (САУ) перемещением исполнительного органа. В задачах, связанных с позиционированием, к исполнительному устройству системы управления предъявляются требования по двум важнейшим технологическим показателям: по точности и но времени выполнения задания.

Точность позиционирования ШД является основным технологическим требованием для САУ позиционированием исполнительного устройства, но для ШД она определяется в наибольшей степени конструктивным его исполнением, и повышение точности - задача для конструкторов двигателей и технологов, их изготавливающих. Увеличение точности позиционирования, привода может быть достигнуто и системно - с помощью организации микрошагового режима работы (дробных шагов) ШД. Но для этого требуется более сложная система управления и большие затраты времени на перемещение по сравнению с полношаговым режимом работы.

Быстродействие же, как показали проведённые в работе исследования динамических характеристик шагового двигателя, зависит не только от конструкции, но и от способа формирования управления. При этом быстродействие исполнительного устройства во многом определяет производительность технической системы (например, при механической, лазерной обработке и т. п.). Производительность является важным экономическим показателем и её повышение всегда желательно. Следует заметить, что конструкции современных электрических машин имеют параметры, близкие к предельным по технологическим возможностям изготовления. Поэтому центр тяжести перспективных исследований следует перенести на повышение быстродействия шаговых двигателей системными методами, то есть с помощью управления

Такие системные решения сопровождаются неизбежным повышением интенсивности воздействия, что приводит к повышенной колебательности ротора и стимулирует увеличение динамических ошибок. Это ориентирует на поиск компромисса между динамической ошибкой позиционирования ШД и его быстродействием. Следовательно, как задача повышения собственно быстродействия1 шагового двигателя, так и задача снижения динамической ошибки при его позиционировании (в первую очередь, подавление колебаний) представляет большой интерес, как для научного исследования, так и для практического внедрения.

Из сказанного можно сделать вывод об актуальности темы защищаемой диссертации.

Цель и основные задачи диссертационной работы. Основной целыо настоящей диссертации является разработка и исследование методов системного повышения быстродействия шагового двигателя за счёт обоснованного выбора специальной формы управления и его параметров. В связи с этим диссертационным исследованием предусмотрено решение следующих научных задач:

1) разработка математической модели (ММ) шагового двигателя, ориентированной на описание обобщённой машины, а также па полное исследование его динамических свойств, что должно помочь снизить нагрузку на экспериментальную часть работы с реальным двигателем;

2) разработка методики идентификации построенной модели на основе экспериментального сравнения её свойств с поведением реального ШД;

3) на основе анализа общей ММ ШД и результатов его натурных испытаний натурных испытаний синтезировать структуру закона управления, обеспечивающего существенное повышение быстродействия этого типа двигателей;

1 Здесь и далее в работе под термином «быстродействие» шаювого двигателя понимается оценка времени движения ротора шагового двигателя на один шаг при нулевой начальной скорости и допустимой ошибке 5%.

4) разработать, обосновать и реализовать на примере реального ШД методику параметрической оптимизации синтезированного закона управления;

5) проверить разработанные методики и уточнить результаты диссертационных исследований на реальном шаговом двигателе;

6) для корректного выполнения практической части диссертациии разработать и реализовать испытательную установку для оценки динамических характеристик ШД и результатов управления им.

Существенные научные результаты, полученные в диссертации.

1) Разработана структурно-адекватная нелинейная математическая модель шагового двигателя, которая учитывает основные законы протекания электромеханических процессов, как в электрической машине, так и в электронном управляющем устройстве, что обусловливает её пригодность для исследования свойств ШД в любых переходных режимах, в том числе и критических;

2) Разработана методика экспериментально-статистической идентификации аналитической модели с оптимизацией точностных оценок её решения, что позволяет получать и структурно, и параметрически функционально адекватную исследованному ШД математическую модель и переносить, при необходимости, центр тяжести исследований ШД с реальных электрических машин на их математические модели;

3) Обоснована и исследована векторная структура и импульсная форма управления, обеспечивающая повышенное быстродействие шаговых переходных процессов в ШД и снижение степени их колебательности;

4) Теоретически разработана, обоснована, а также экспериментально подтверждена методика оптимизации предложенного в работе векторного закона управления позиционированием ротора шагового двигателя;

5) Проведена экспериментальная проверка разработанных методик на примере оптимизации быстродействия шагового двигателя с постоянными магнитами на специально разработанной для исследований испытательной установке;

6) Основным общим научным результатом диссертационного исследования следует считать научно-экспериментально-аналитическую методику исследования свойств шаговых двигателей и нахождения для них оптимальных или квазиоптимальных законов управления.

Научная новизна результатов диссертации определяется следующими отличительными признаками:

1) разработанная существенно нелинейная математическая модель шагового двигателя, в отличие от существующих и рекомендуемых в литературе к использованию, построена на основе минимальных допущений и упрощений, а, поэтому, структурно и параметрически учитывает как основные особенности шагового двигателя, так и работу выходного каскада электронной системы управления, что делает её пригодной для модельно-имитационного решения практических задач;

2) методика идентификация математической модели шагового двигателя по основным параметрам предложена, статистически обоснована и практически реализована насколько можно судить но литературным источникам, впервые;

3) аналоги решений по управлению шаговым двигателем двухвходо-выми воздействиями регулярной формы, дающими, согласно проведённому исследованию, не менее, чем двух кратный выигрыш по быстродействию, не обнаружены;

4) методика оптимизации быстродействия шаговых переходных процессов ротора ШД разработана, аналитически обоснована и экспериментально подтверждена для впервые предложенной формы управляющего воздействия, что подтверждает её оригинальность;

5) реализовано системное (за счёт формы и параметров управления) повышение быстродействия реального ШД примерно в 2 раза, и получен практически апериодический (с незначительным перерегулированием) характер перемещения ротора шагового двигателя.

Методы исследования. В работе использованы методы физики электромагнитных процессов, теоретической электротехники, классической теории управления, теории планирования и статистической обработки результатов экспериментов, теории оптимизации, а также современные методы математического анализа.

Достоверность результатов исследования определяется использованием фундаментальных законов и моделей электромагнитных явлений, проверенных многолетней научно-технической практикой методов планирования экспериментов, традиционных и многократно апробированных статистических критериев, признанных пакетов программ MALAB и Maple, а также натурными исследованиями реальных образцов шаговых двигателей и схем управления на специально разработанной испытательной установке.

Практическая значимость результатов диссертации. Предложенное в работе решение по организации квазиоптимальиого по быстродействию управления шаговым двигателем обеспечивает улучшение динамики работы привода на его основе за счёт динамического эффективного подавления колебаний ротора и снижения времени его позиционирования. Этот результат позволяет разработать модифицированный регулятор и систему настройки электронной системы управления, обеспечивающую более эффективную работу привода на основе шагового двигателя, с повышением его приёмистости.

Разработанная и обоснованная в диссертации методика исследования динамических характеристик шагового двигателя и синтеза закона квазиоптимальиого управления им применима к широкому классу шаговых и синхронных двигателей. Поэтому эта методика может быть рекомендована для внедрения в научно-исследовательские и проектные институты и конструкторские бюро соответствующего профиля.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Солоха, Алексей Александрович, 2006 год

1. Бурский Д. Э., Зохорович Л. Е., Хвостов В. Электрические машины. 2-е изд. М.: Высш. шк., 1987г.

2. Копылов И. П.. Электрические машины. 3-е изд. М.: Выси), шк., 2002г.

3. Конылов И. П.. Математическое моделирование электрических машин. 3-е изд.. М.: Высш. шк., 2002г.

4. Карпенко Б. К., Ларчеико В. И., Прокофьев 10. А. Шаговые электродвигатели. Киев: Изд. «Техника» 1972г. -216 стр. 5. Штёлтинг Г., Байссе А. Электрические мнкромашины: перевод с пемецкого М.: Энергоатомиздат, 1991г. 229 стр.

5. Кенно Т. Шаговые двнгатели и их мнкронроцессорные системы унравления: перевод с английского. М.: Энергоатомиздат, 1987.-200 стр.

6. Карнаухов Н. Ф.. Электромеханические н мехатронные системы. Ростов-иа-Дону: изд. «Фе1шкс» 2006г. 319 стр.

7. Ратмиров В. А.. Шаговый привод в стайках с программным унравлением. М. 1971г.

8. Ильинский Н.Ф.. Основы электропривода. 2-е изд. М.: Московский энергетический институт. 2003 г. 220 стр.

9. Беспалов В. Я.. Электрические машииы. М.: изд. «Академия», 2006 г. -312 стр.

10. Москаленко В. В.. Электрический нривод. М.: Выснь HIK. 2000 г. -368 стр.

11. Чилихин М. Г., Ивоботенко Б. А., Рубцов В. И., и др. Аиализ н синтез силового шагового элекгроирнпода. Апгомагнзпроианный олскгронрииод к нромын1лсн11осгн. CG. тр. №5 Всесоюзной конференции но автоматизированному электронрнводу. 1971 г.

12. Электротехнический справоч1Н1к. В 3-х т. Том 3 книга 2 Использование электрической энергии. Под ред. Орлова М. И.. 7-е изданне М.: Энергоатомиздат, 1988г.

13. Нейман Л. Р. и Демирчаи К. Теоретические основы электротехники. Л.:«Энергия». 1967г.

14. Редико Л. Раз шажок, два шажок...// Схемо7ехи1Н(а М№6-11 2001г. 16. Пей Ан. Сопряжение ПК с вненгними устройствами. Пер. е англ. Мерещука П. В. 2-е изд., стер. М.: ДМК Пресс СПб.: Питер, 2004. 320 стр., ил.

15. Готлиб И. М.. Источники питання. Инверторы, конверторы, линейные н импульсные стабилизаторы: перевод с англнйског о. М.: Постмаркет, 2002 г. -544 стр.

16. Infineon: транзисторы S-IGBT, интеллектуальные ключн и мостовые драйверы. М.: Изд. «Додека-ХХ1», 2003 г

17. Тугов П.М., Федоров Д.. Каталог но нримсне1Н1ю нолевых транзисторов. Малое научно-внедренческое предприятие "СИНАПС". Донецк. 1992г

18. Каталог продукции Московского электромеханического завода №1 1984 г.

19. Постников Н. М. Проектирование электрических машин. Киев. 1952г.

20. Воронин П. А. Силовые полупроводниковые ключи.- М.: Изд.«Додэка-ХХ1», 2001г.

21. Мищенко К. П., Равдель А. А. Практические работы ио физической химии. Л., 1967 г., 348 стр.

22. Электронный каталог фирмы Siemens СА 01/2

23. Catalog СА 01 Siemens Automation and Drives Offline MALL.

24. Техническое описание преобразователей частоты серии MICROMASTER. Siemens DA 64-1998/99(04/99).

25. Титце У., Шенк К. Полунроводниковая схемотехника. М. Мир, 1982г.

26. Пухальский Г. Н., Новосельцева Т. Я. Нроектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах. Справочник. М. Радио и связь, 1990г. 304 стр.

27. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. М. Мир, 1993г.

28. Microchip Technology Inc. PICI6F87X Data Sheet 28/40-Pin 8-Blt CMOS FLASH Microcontrollers (DS30292C) 2001. 31. Фёдоров Б. Г., Телен В. А., Дяпсренко В. Н. Микроэлектронные цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи. М. Радио и связь, 1984г- 120 стр.

29. Волович Г. И., Ежов В. Б., и др. Микросхемы АЦП и ЦАП. Справочник. М.: Изд. «Додэка XXI», 2005г. 432 стр.

30. Ахназарова Л., Кафаров В. П.. Оптимизация эксперимента в химической техпологии. М. 1987г.

31. Вентцель Е. Теория вероятностей. М.: Высш. шк., 1998г.

32. Вентцель Е. С, Овчаров Л. А.. Теория случа1!пых процессов и сё инженерные ириложения. М.: Высш. шк., 2000г. -383 стр.

34. Адлер Ю. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В.. Планирова1гие эксперимента при поиске оптимальных условий. М. 1976г.

35. Растригип Л. А. Системы экстремального управлепия., М.; Изд-во «Наука», 1974, 632 стр

36. Нейдорф Р. А., Соловей Н. Инженерные методы синтеза автоматических систем управлепия. Ухта: УГТУ, Ростов-на-Дону: РГАСХМ, 2004г. -255с., ил.

37. Воронов А.А.. Теория автоматического уиравлепия. В 2-х ч. М.: Выси1. ии<.,1986

38. Поптрягип Л. С, Болтяиский В. Г. и др. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Изд. «Наука» 1969 г.

39. Application notes AN532 Servo Control of a DC-Brush Motor. Microchip Technology Inc., 1997.

40. Application notes AN696 PIC18CXXX/PIC16CXXX DC Servomotor Application. Microchip Technology Inc., 2000. 44. B. Жданкин. Поворотные шифраторы: основные типы и некоторые особенностн применения. Компоненты и технологии, NiS 2001г. стр. 90...96.

41. Каталог электрических двигателей фирмы Delta Precision Motors Ltd. A2I, 4/F Shcung Shui Plaza 3 Ka Fu Close Sheung Shui, N.T -1 long Kong, www.dpmotor.com.

42. Френк Дж. Бартос. Выбор замкнутого контура шагового привода. Control Engineering №10 2005 г.

43. Выгородский М. Я. Справочник ио высшей математике. М.1965 г. 872 стр.

44. Авернлл М., Лоу А. Имитационное моделирование. Классика CS. 3-е изд. Питер, Киев. Издательская грунна BHV. 2004 г. 847 стр.

45. Microchip Technology Inc. PIC16F7X7 Data Sheet (DS30498C) 28/40/44-Pin, 8-Bit CMOS Flash Microcontrollers with 10-Bit A/D and nanoWatt Technology. 30498c.pdf. 2004