Разработка и исследование методов улучшения точности и динамики прямого сервопривода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Рассудов Лев Николаевич

• Рассудов Лев Николаевич
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Рассудов Лев Николаевич

Введение

Глава 1. Прецизионный сервопривод с вентильным двигателем

1.1. Синхронная машина с постоянными магнитами

1.2. Датчик положения

1.3. Блок управления сервопривода

1.3.1. Силовая часть блока управления

1.3.2. Информационная часть блока управления

1.4. Математическое описание идеализированного ВД

1.5. Типовая СУ ВД

Глава 2. Идентификация параметров прецизионного сервопривода

2.1. Параметры прецизионного сервопривода

2.2. Требования к процедуре идентификации

2.3. Электромеханические параметры, определяемые компонентами сервопривода

2.4. Электромеханические параметры, определяемые компонентами сервопривода, а также конструкцией механической части установки

2.4.1. Идентификация динамической механической добротности

2.4.2. Механические возмущения

2.5. Определение тепловых ограничений

2.6. Программное обеспечение для определения электромеханических параметров линейного электропривода ЭЛК

2.7. Программное обеспечение для проектирования линейного электропривода ЭЛК

2.8. Заключение по главе

Глава 3. Совершенствование алгоритмов системы управления

прецизионного сервопривода

3.1. Совершенствование задатчика тока вентильного двигателя

3.1.1. Определение задания продольного тока вентильного двигателя

3.1.2. Определение задания поперечного тока вентильного двигателя

3.2. Динамическая модель вентильного двигателя для расчета программных связей по напряжению

3.3. Совершенствование генератора траектории

3.4. Калибровка силы вентильного двигателя

3.5. Калибровка положения электропривода

3.6. Заключение по главе

Глава 4. Использование системы на кристалле в прецизионном сервоприводе

4.1. Структура проекта на базе СнК

4.2. Разработка СУ ВД на базе ПЛИС

4.3. Пример использования Xilinx system generator for DSP для генерации программного кода ПЛИС

4.4. Разработка системы управления вентильного двигателя на базе системы на кристалле

4.5. Полоса пропускания контура тока сервопривода с ПЛИС

4.6. Модуль управления токами вентильного двигателя с многократным расчетом управляющего воздействия

4.7. Влияние задержек в контуре тока на динамические модели ВД

4.8. Экспериментальные результаты

Заключение

Литература

Приложение 1. Список сокращений

Приложение 2. Перечень условных обозначений

Приложение 3. Комплектный линейный сервопривод серии ЭЛК

Приложение 4. Описание макета электропривода с СнК

Приложение 5. Идентификация параметров на примере линейного

сервопривода ЭЛК

Приложение 6. Модель сервопривода в MatLab

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование методов улучшения точности и динамики прямого сервопривода»

Актуальность темы исследования.

Машиностроение - основа технологической независимости государства. Станкостроение - базовая отрасль машиностроения, которая в значительной степени определяет конкурентоспособность национальной промышленности. Обеспечение сильных рыночных позиций отечественного машиностроительного оборудования требует его комплектования современными отечественными наукоемкими компонентами с характеристиками мирового уровня.

В прецизионном машиностроении для реализации быстрых и высокоточных перемещений в режиме воспроизведения траектории (лазерная резка, электроэрозионные, шлифовальные станки) нашли широкое применение электрические приводы с рабочим органом, жестко соединенным с электрической машиной - прямые (безредукторные) приводы. При этом обычно используются синхронные электрические машины с постоянными магнитами (СМПМ) работающие в режиме вентильного двигателя (ВД), при котором поля первичной и вторичной частей машины неподвижны относительно друг друга. Термин ВД относится к системе, предназначенной для воспроизведения заданной величины электромагнитной силы (момента) и состоящей, как правило, из электрической машины, датчика положения (ДП), электрического преобразователя и управляющей электроники. Отсутствие редуктора и упругих связей между ВД и рабочим органом (РО) приводит к тому, что ВД становятся приближенными к идеальному источнику силы, приложенной непосредственно к РО. Такие электроприводы (ЭП) обладают высокой точностью, плавным ходом, широкой полосой пропускания, высокими энергетическими и массогабаритными показателями, а также относительно простым математическим описанием, обеспечивающим удобство построения системы управления (СУ).

Известные производители прямых приводов - компании Siemens, Yaskawa, Hitachi, Heidenhain, Sodick, LTI и десятки других, с продукцией которых придется

конкурировать перспективным отечественным разработкам. При этом, отечественные сервоприводы должны, как минимум, не уступать зарубежным аналогам по техническим показателям, которые должны быть достигнуты при минимальной стоимости всего изделия.

Некоторые современные требования, предъявляемые к прецизионному сервоприводу для точного машиностроения (на примере линейного сервопривода):

• двусторонняя точность позиционирования:

без калибровки: 10 мкм/м; с калибровкой: 1 мкм/м;

• дискретность позиционирования: 500нм;

• скорость: 4 м/с;

• полоса пропускания по току 4 кГц;

• полоса пропускания по скорости 1,5 кГц.

Получение перечисленных показателей достигается не только за счет совершенствования конструкции станка и электромеханического преобразователя привода, но и, в значительной мере, за счёт оптимального построения СУ ЭП. Постоянное повышение эксплуатационных характеристик становится возможным благодаря развитию цифровой техники. Появляются новые возможности для реализации более сложных алгоритмов управления, позволяющих более полно использовать ресурсы ЭП.

Решению такого типа задач в настоящее время посвящается большое количество работ и исследований, производимых во всем мире. В контексте настоящей работы следует выделить труды Й.Хольца (J. Holtz, Paderborn University), Й.О. Краха (J.O. Krah, Cologne University of Applied Sciences), Б. Грчара (B. Grcar, Maribor Univ., Slovenia), Й. Бёкера (J. Böcker, Paderborn University) и других. В России это направление работ представлено очень

ограниченно. Можно выделить исследования и разработки, проводимые на базе университетов МЭИ и ИТМО.

Таким образом, в настоящее время актуальна задача удовлетворения растущих требований к производительности и точности машиностроительного оборудования не только за счет увеличения установленной мощности ЭП, усложнения систем измерения положения (что требует значительных капитальных затрат), но и за счет построения более эффективной СУ.

Объект исследований: прямой (безредукторный) сервопривод для точного машиностроения на базе СМПМ в режиме ВД.

Предмет исследования: варианты реализации цифровой СУ прямого сервопривода на базе цифрового сигнального процессора (ЦСП) и программируемой логики (ПЛ).

Цель работы: повышение точностных показателей и производительности прецизионных станков за счет совершенствования СУ прямого сервопривода.

Для достижения цели в диссертации поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Анализ существующих структур СУ ВД и влияния ограничений координат ВД на показатели точности и производительности сервопривода.

2. Анализ причин возникновения статических ошибок позиционирования и динамических ошибок воспроизведения заданной траектории движения в прямом сервоприводе, а также способов их уменьшения за счет СУ.

3. Исследование возможности расширения полосы пропускания контура тока ВД за счет снижения задержек обработки и передачи информации при цифровой реализации СУ.

4. Разработка и исследование СУ прецизионного сервопривода с динамической моделью ВД, учитывающей ограничения на его координаты для достижения максимального быстродействия и производительности.

5. Обоснование и разработка методики идентификации параметров прецизионного сервопривода, необходимых для реализации предлагаемой цифровой СУ с динамической моделью ВД.

6. Экспериментальная оценка эффективности предложенных методик управления и идентификации прецизионного сервопривода на примере прямого линейного сервопривода серии ЭЛК с СУ на базе ЦСП и прямого вращательного сервопривода с СУ на базе ПЛ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Обосновано использование динамической модели ВД в расчетах СУ для снижения динамических ошибок воспроизведения заданной траектории движения сервопривода, а также для расширения скоростного диапазона работы сервопривода.

2. Предложен принцип организации вычислений цифровой СУ ВД с использованием параллельной многократной обработки алгоритмов СУ для уменьшения задержек в контуре тока и повышения его быстродействия.

3. Предложена методика учета ограничений на координаты ВД при формировании траектории движения, которая позволяет увеличить производительность оборудования с сервоприводом.

4. Предложена методика автоматизированной идентификации прецизионного сервопривода, основанная на отработке плавных перемещений, и не предполагающая изменений в структуре СУ и использование внешних источников силы.

Практическая ценность работы и ее реализация

1. Разработанные методики управления позволяют поднять точность и производительность оборудования с прецизионным сервоприводом. Высокий экономический эффект достигается за счет возможности выбора сервопривода с меньшей установленной мощностью и меньшими массогабаритными показателями, а также более простой системы измерения положения.

2. Результаты работы были использованы при разработке серии комплектных

прямых линейных ЭП типа ЭЛК в рамках совместной НИОКР «Линия» ФГБОУ

ВО НИУ «МЭИ» и МГТУ «СТАНКИН»:

• Результаты совершенствования СУ ЭЛК позволили существенно повысить его статическую и траекторную точность, что обеспечило необходимые точностные показатели разработанных в МГТУ «СТАНКИН» станков с ЧПУ (прошивные электроэрозионные и раскройные), оснащенных ЭЛК.

• Разработано программное обеспечение (ПО) для автоматизированной идентификации параметров ЭЛК с использованием предложенных методик идентификации сервопривода.

• Разработано ПО для прототипирования ЭЛК, позволяющее выбрать и согласовать его компоненты, необходимые для решения конкретной задачи.

Методология и методы исследований

Исследования базируются на теории электропривода, теории автоматического управления, теории электрических машин, теоретической электротехнике, теории цифровой обработки сигналов, алгебре логики, методах математического моделирования.

Положения, выносимые на защиту

1. Принцип управления токами ВД с использованием в расчетах СУ динамической модели, позволяющий расширить полосу пропускания по току и реализовать динамическое ослабление поля СМПМ.

2. Принцип построения СУ ВД, заключающийся в использовании параллельной обработки данных при расчетах алгоритмов цифровой СУ ВД, а также в многократном проведении расчетов этих алгоритмов, что позволяет существенно расширить полосу пропускания ВД по току.

3. Методика формирования траектории движения сервопривода с учетом предельных характеристик ВД, позволяющая увеличить производительность оборудования с сервоприводом.

4. Методика идентификации сервопривода на основе гладких путевых траекторий 3-го порядка без внешних нагрузок и без изменений в структуре управления ЭП.

5. Результаты внедрения предложенной методики автоматизированной идентификации сервопривода, а также методик повышения статической и траекторной точности на базе новых комплектных линейных ЭП серии ЭЛК мощностью 1..8кВт.

6. Результаты экспериментальных исследований предложенной методики управления сервопривода с использованием динамической модели ВД, а также предложенной методики параллельного многократного расчета алгоритмов СУ ВД на макете вращательного сервопривода с управлением на базе системы на кристалле (СнК).

Достоверность результатов подтверждена результатами моделирования, а также исследований, выполненных на образцах линейного и вращательного сервопривода.

Апробация

Основные положения диссертации, ее отдельные решения и результаты обсуждались на ряде конференций, в том числе:

• 2015 International Siberian Conference, 21-23 мая 2015, Омск;

• 56th International Scientific Conference on Power and Electrical Engineering of Riga Technical University, 14 окт. 2015, Рига, Латвия;

• 2016 IEEE NW Russia Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference, 2-3 фев. 2016, Санкт-Петербург.

• 57th Internationales Wissenschaftliches Kolloquium Ilmenau University of Technology, 07 - 11 сент. 2012, Ильменау, ФРГ;

• 11th Students' Science Conference, 03-06 окт. 2013, Бедлево, Польша;

• VIII Междунар. (XIX Всеросс.) конф. по автоматизированному электроприводу АЭП-2014, 7-9 окт. 2014г, Саранск;

• Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: 71 межрег. науч.-техн. конф., 22-26 апр. 2013г., Магнитогорск,

а также представлялись на выставках:

Станкостроение - 2013, Москва; ВУЗПРОМФЕСТ - 2014, Москва; ЭЛЕКТРО -2015, Москва.

Соответствие паспорту специальности

Диссертационная работа соответствует п.3 «Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления» паспорта специальности 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы».

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ, в т.ч. 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук и/или включенных в международные базы цитирования.

Краткое содержание разделов

В первой главе приведено краткое описание прецизионного сервопривода и его компонентов, представлена идеализированная модель ВД в подвижной системе координат. Анализируются существующие структуры СУ ВД и влияние ограничений координат ВД на показатели точности и производительности сервопривода.

Вторая глава посвящена обоснованию и разработке методики идентификации прецизионного сервопривода для составления и последующего учета в алгоритмах СУ ЭП математического описания объекта. Указаны этапы изготовления и эксплуатации сервопривода, на которых следует производить идентификацию параметров. Приводятся результаты разработки и экспериментальной оценки эффективности автоматизированной методики

идентификации на базе прецизионного линейного сервопривода. Предложенная методика была использована в комплекте ПО сервопривода ЭЛК.

Третья глава посвящена вопросам совершенствования СУ ВД. Предложены средства повышения точности и производительности ЭП. Приведены результаты моделирования, а также внедрения отдельных компонентов СУ на примере прямого линейного ЭП с трехфазной неявнополюсной линейной синхронной машины (НЛСМ).

Четвертая глава посвящена разработке и исследованию СУ ВД на базе СнК, обеспечивающей максимально широкую полосу пропускания контура тока сервопривода.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 59 наименований, и 6 приложений. Её содержание изложено на 132 страницах, включая 12 таблиц и 59 иллюстраций.

Глава 1. Прецизионный сервопривод с вентильным

двигателем

В первой главе приведено краткое описание прецизионного сервопривода и его компонентов, представлена идеализированная модель ВД в подвижной системе координат. Анализируются существующие структуры СУ ВД и влияние ограничений координат ВД на показатели точности и производительности сервопривода.

Основными компонентами прецизионного сервопривода являются СМПМ, ДП, блок управления, часто называемый цифровым сервоусилителем (ЦСУ) -рис. 1.1. ЦСУ формирует напряжения на обмотках СМПМ на основании рассогласования заданных и измеренных координат сервопривода.

Рис. 1.1. Структура прямого сервопривода с вентильным двигателем.

Прецизионный сервопривод чаще всего оснащается ВД, построенным на СМПМ, работающей в режиме самокоммутации. Этот режим заключается в обеспечении неподвижности друг относительно друга магнитных полей первичной и вторичной частей электрической машины за счет токового питания машины в функции положения. Термин ВД означает совокупность устройств -

СМПМ, ДП, силовая часть ЦСУ и его информационная часть, управляющая током в функции положения [1].

1.1. Синхронная машина с постоянными магнитами

В последние годы существенно расширяется спектр применения СМПМ. Вследствие развития микропроцессорной техники, силовой электроники, появления новых материалов, системы с СМПМ становятся все более доступными и обладают все более значительными преимуществами:

1) высокий КПД;

2) компактность конструкции, высокая плотность мощности;

3) малый момент инерции;

4) отсутствие электрических контактов - щеток;

5) удобство построения СУ.

Рис. 1.2. Примеры конструкций СМПМ [2].

Примеры конструкций СМПМ показаны на рис. 1.2. Аналогия между конструкциями вращательной электрической машины, линейной, цилиндрической

и моментной подробно описана в [1]. Общие подходы к построению СУ сервопривода со всеми представленными типами машин аналогичны.

В точном машиностроении обычно используются синхронные машины пазовой конструкции, имеющие большие удельные силы, чем беспазовой. Недостаток этого типа машин - внутреннее возмущение в виде зубцовой силы ТСОё. Величина ТСО§ достигает значений в несколько процентов от номинальной силы и зависит от положения. Проявление ТСОё негативно сказывается на качестве движения ЭП: ухудшается плавность движения, понижается диапазон регулирования скорости, возможно появление резонансов в механической части привода. Идентификация ТСО8 рассмотрена в разделе 2.4.2. Устранению последствий негативного влияния ТСОё посвящен раздел 3.4.

Наибольшее удобство в управлении СМПМ достигается при её работе в режиме ВД, при котором машину запитывают токами во вращающейся системе координат d-q, связанной с потоком постоянных магнитов [3]. Для определения электрического угла поворота осей d-q необходимы данные о положении вторичной части электрической машины относительно первичной. Для получения этой информации в большинстве случаев используется ДП.

1.2. Датчик положения

Наличие ДП в прецизионном сервоприводе необходимо, во-первых, для контроля воспроизведения заданного закона изменения положения, а во-вторых, для обеспечения работы электрической машины в режиме самокоммутации.

В качестве ДП обычно используются фотоэлектрические датчики с оптической линейкой (энкодеры). Реже применение находят резольверы, магнитные датчики и - в особых случаях - интерферометры [1,4-6].

1.3. Блок управления сервопривода

В качестве блоков управления широкое применение находят ЦСУ, формирующие напряжения на обмотках электрической машины на основании рассогласования заданных и измеренных координат ЭП.

В ЦСУ для прецизионных применений часто используется каскадная СУ с контурами тока, скорости и положения, где электрическая машина работает в режиме ВД (см. раздел 1.5).

ЦСУ для точного машиностроения, существенно отличаются друг от друга. В них используются различные технические решения при построении как силовой, так и информационной части.

1.3.1. Силовая часть блока управления.

С точки зрения силовой части наиболее массовыми являются ЦСУ с двухуровневым инвертором напряжения (ИН) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) [7] на базе кремниевых БТИЗ (биполярный транзистор с изолированным затвором, англ. ЮБХ) с обратными диодами (рис. 1.3).

Рис 1.3. Схема питания трехфазной СМПМ от двухуровневого ИН с БТИЗ (УТ1-6) и обратными диодами (УВ1-6).

Питание ИН осуществляется от источника постоянного напряжения и^ с выходной емкостью С. Источник и^ может быть как внешним по отношению к ЦСУ устройством, так и внутренним: ЦСУ оснащается преобразователем напряжения (выпрямитель, активный выпрямитель, регулятор постоянного напряжения) для согласования и^ с доступной питающей электрической сетью.

Для улучшения эксплуатационных характеристик сервопривода применение находят также многоуровневые ШИМ-инверторы [8], МОП-транзисторы (металл-оксид-полупроводник) на основе карбида кремния SiC и перспективного нитрида галия GaN [9], аналоговые инверторы [10] и др. В настоящее время эти решения в машиностроении встречаются довольно редко, в первую очередь из-за своей высокой стоимости.

Повышение эксплуатационных характеристик точных станков возможно также за счет использования сервопривода с большей установленной мощностью и массогабаритными показателями, с более сложной системой измерения положения, что требует значительных дополнительных капитальных затрат.

Работа посвящена повышению эксплуатационных характеристик сервопривода за счет совершенствования информационной части блока управления, что может быть во многих случаях экономически целесообразно для достижения требуемых показателей точности, производительности, плавности движения.

1.3.2. Информационная часть блока управления.

К информационной части сервопривода выдвигаются два противоречивых требования. Для повышения качества движения и производительности сервопривода необходимо, с одной стороны, все больше усложнять алгоритмы СУ ЭП введением дополнительных расчетов, а с другой - сокращать время выполнения всех расчетов (см. главу 3).

Наиболее простым и очевидным решением при построении информационной части ЦСУ является использование единственного

микроконтроллера для решения задач управления движением и взаимодействия с другими устройствами (Рис. 1.4,а).

Однако для обеспечения высокоскоростного обмена данными с внешними устройствами и быстрого расчета сложных алгоритмов управления, вычислительной мощности единственного процессора может не хватить, и эти две задачи можно разделить между двумя процессорами (или процессорными ядрами). На один из процессоров тогда возлагаются задачи обеспечения коммуникации с внешними устройствами, а на второй - исключительно задачи цифровой обработки сигналов, что необходимо для быстрого расчета алгоритмов управления движением. В первом случае возможно использование быстрого микроконтроллера (МК), а в последнем обычно используется цифровой сигнальный процессор (ЦСП). Между процессорами организуется быстрый обмен информацией - передаются задания координат, параметры, информация о состоянии системы и др. (рис. 1.4,б).

Для организации цифрового расчета алгоритмов управления в ЦСП необходима организация получения задания координат ЭП от внешних устройств (ЧПУ) через МК, а также измерения текущих значений координат ЭП. Обычно измеряются сигналы обратной связи по току и по положению.

(а) (б)

(в) (г)

(д)

Рис. 1.4. Варианты построения информационной части ЦСУ.

Измерение может производиться как при помощи соответствующих встроенных периферийных устройств ЦСП (при их наличии), так и при помощи внешних интегральных схем, связь с которыми осуществляется обычно при помощи последовательного интерфейса. Для унификации и создания возможности быстрой модификации оборудования все более широкое применение находят перепрограммируемые логические устройства. В последние десятилетия их стоимость снизилась, а функциональность значительно расширилась, что позволило использовать этот класс устройств не только для реализации небольших интерфейсных схем, но и в качестве основного устройства для построения СУ ЭП. Для этого могут быть использованы ППВМ (программируемая пользователем вентильная матрица, англ. FPGA), являющиеся разновидностью ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема, англ. CPLD). В русском языке для названия устройств класса ППВМ традиционно используется термин «ПЛИС», и он будет далее использоваться для этих целей. Использование ПЛИС позволяет существенно повысить вычислительную мощность СУ за счет организации параллельной обработки данных, что может быть использовано для существенного повышения эксплуатационных характеристик прецизионного сервопривода [11].

Для поддержания эффективного обмена данными с внешними устройствами в информационной системе ЦСУ кроме ПЛИС необходимо также наличие процессорного ядра. Возможны следующие подходы к использованию ПЛИС для расчета алгоритмов СУ ЭП:

1) Использование ПЛИС с софт-процессором (один кристалл) (рис. 1.4,в);

2) Использование ПЛИС в сочетании с отдельным процессором (2 отдельных кристалла) (рис. 1.4,г);

3) Использование ПЛИС в сочетании с МК в составе одного чипа - системы на кристалле (СнК) (рис. 1.4,д).

Отличие приведенных подходов заключается производительности процессора и в степени его интеграции с ПЛИС. При этом все они предполагают, что ПЛИС

используется для расчетов алгоритмов СУ, а процессор выполняет в первую очередь интерфейсные задачи.

Наиболее высокоинтегрированным решением является СнК, которая сочетает на одном чипе и мощный процессор, и ПЛИС, позволяя осуществлять быстрый, помехоустойчивый и энергоэффективный обмен информацией между ними. Благодаря этому появляется возможность значительно повысить качество движения: за счет применения более сложных алгоритмов управления, их быстрого расчета, использования технологии сигма-дельта АЦП и высокоскоростных протоколов реального времени.

В современных СнК, предлагаемых, например, XILINX [12] и ALTERA [13], используется двухъядерный процессор ARM Coretex A9 и программируемая логика -1 класса быстродействия (Zynq, Cyclone V). Они позиционируются как «расширяемые» процессорные платформы, в которых наиболее ресурсоемкие задачи перекладываются с процессора на ПЛИС. Устройства такого типа пока что редко используются в сервоприводе, т.к. являются относительно новым продуктом: были анонсированы в 2011г. [14] и появились на российском рынке в 2013г. Более того процесс разработки на базе СнК трудоемок и требует от разработчиков широкой компетенции - не только в сфере электротехники и микропроцессорной техники, но и в программируемой логике, построении многоядерных систем, и построении настраиваемой архитектуры СнК. СУ сервопривода на базе СнК строится следующим образом: одно процессорное ядро управляет ПЛИС, в которой реализованы аппаратные алгоритмы, а другое обеспечивает внешний обмен данными по протоколу реального времени (рис. 1.4,д). Управление ПЛИС при помощи процессора сводится к записи (и чтению) данных в её регистры, в результате чего изменяются параметры системы, уставки, а также режимы работы ЭП. Такая система может поддерживать время цикла промышленной сети (EtherCat, PowerLink и др.) в несколько десятков микросекунд, с расчетом СУ ВД за единицы микросекунд, а также управлять

параллельно сразу несколькими (в зависимости от размера кристалла и сложности алгоритмов) ВД.

При необходимости использования одного из ядер в других целях - кроме управления ЭП (интерфейс человек-машина, машинное зрение и др.) - возможно возложить интерфейсные задачи и задачи управления приводом на одно ядро - в ущерб производительности.

При отсутствии необходимости в поддержке высоких частот обновления промышленной сети, возможно использование софт-процессора (Microblaze у Xilinx, NIOS у Altera), реализуемого на базе стандартной логики и блоков памяти ПЛИС. В такой ситуации вся система может быть реализована исключительно на ПЛИС, которая при прочих равных дешевле СнК, но обладает значительно меньшей производительностью [15].

В работе разрабатывались и исследовались следующие ЦСУ:

• ЦСУ-П-380-24-Э-УХЛ4. Для унификации функции МК и ЦСП реализованы на базе идентичных ЦСП типа Texas F2812. Подробное описание стенда приведено в Приложении 3.

• ЦСУ на базе СнК типа Xilinx XC7Z020. Подробное описание стенда приведено в Приложении 4.

1.4. Математическое описание идеализированного ВД

При управлении ВД требуется учитывать совокупность ограничений на координаты ВД: максимально возможных для ВД скорости, ускорения, рывка и диапазона перемещений, а также ограничений по напряжению и току фаз (пиковый ток Ip), выделяемых тепловых потерь - длительный ток Ic, время пикового тока tp, стопорная скорость, тепловая постоянная времени (см. главу 3). Для определения этих ограничений необходимо получить математическое описание ВД. Его можно получить при следующих допущениях:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Рассудов Лев Николаевич, 2016 год

Литература

[1] Балковой А.П. Прецизионный электропривод с вентильными двигателями. / Балковой А.П., Цаценкин В.К. - Москва: Издательский дом МЭИ, 2010. - 328с.

[2] J.Oswald. Direktantriebe mit permanenterregten Synchronmaschinen. / J.Oswald, T. Maier, O.Teigelkötter, D.Schmitt// DE/VDI Tagung Electrisch-mechanische Antriebssysteme. 2004. P 495509.

[3] Ключев В.И. Теория электропривода: учеб. для вузов / Ключев В.И. - М.: Энергоатомиздат, 2001. - 704 с.:ил.

[4] M. Tiapkin. Methods of position feedback processing of Precision Electric Drive./ M. Tiapkin

0. Tolstykh // National Research University "MPEI", Russia, Moscow, Seminar Rep., Jan. 28, 2016.

[5] The Data Conversion Handbook. Chapter 2, Analog Devices, Newnes, 2005.

[6] M. Tiapkin and A. Balkovoi, "Adaptive Observer-Based Converter for Signal Processing of Capacitive Position Measuring System of Planar Servo Drive," in Proc. 2016 ElConRusNW, Russia, St. Petersburg, 2016, pp. 739-744.

[7] J. Holtz: "Pulsewidth Modulation for Power Converters", Proceedings of the IEEE, Vol. 82, No. 8, 1994, pp. 1194-1214.

[8] S. Kouro. Recent Advances and Industrial Applications of Multilevel Converters/ S. Kouro, M. Malinowski, K. Gopakumar, J. Pou, L. G. Franquelo, B.Wu, J. Rodriguez, M. A. Pérez, J. I. Leon // IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 57, NO. 8, AUGUST 2010,рр. 2553-2580.

[9] Heiko Schmirgel. On Designing Robust and High Bandwidth Digital Current Controllers for SiC and GaN Inverters./ H. Schmirgel, J. O. Krah // PCIM Europa 2013, 14 - 16 May 2013, Nuremberg.

[10] S. Zschäck. Adaptive control of high precision positioning stages with friction/ S. Zschäck, S. Büchner, T. T. Nguyen, A. Amthor and C. Ament // International Conference on Automation and Information Sciences (ICCAIS), 2012.

[11] S. Mathapati. FPGA-Based High Performance AC Drives, Dissertation, Paderborn, 2011.

[12] URL: www.Xilinx.com.

[13] URL: www.Altera.com.

[14] C. Holland. Xilinx provides details on ARM-based devices./ C. Holland //EE Times - March

1, 2011.

[15] Xilinx. MicroBlaze Processor Reference Guide. EDK 11.4,2009.

[16] Балковой А.П. Система управления прямого прецизионного электропривода / Рассудов Л.Н. Балковой А.П. // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: матер. 71-й межрег. науч.-техн. конф. - Магнитогорск: ФГБОУ ВПО "МГТУ", 2013. - Т.2. - стр. 52 - 56.

[17] M. Sazawa. Anti-Windup Algorithm with Priority to Proportional Control Output of Speed PI Controller for Precision Servo System/ M. Sazawa, T. Yamada, K. Ohishi, and S. Katsura // Electrical Engineering in Japan, Vol. 170, No. 3, 2010.

[18] L.Rassudov, Einfluss von hochfrequenter Signaleinprägung bei PMSM im Stillstand bei Belastung. Masterarbeit. Technische Universität Ilmenau, 2010.

[19] Рассудов Л.Н. ^стема управления вентильным двигателем в расширенном диапазоне скоростей. Магистерская диссертация.:МЭИ, 2012.

[20] Etel Torque Motors Manual Handbook TORQUE 902 / Ver. A / 1/10/04.

[21] R. v Kruk. Motion Controller Employs DSP Technology./ R. v Kruk, J. Scannell. // PCIM, Sept.1988.

[22] Förster M. Parameterbestimmung von Synchron- und Asynchronmaschinen mit einem 32bit Festkomma Signalprocessor. Dissertation, Technische Universität Ilmenau, 2011. Ilmenau.

[23] Héctor D. Perassi. Feldorientierte Regelung der permanent erregten Synchronmaschine ohne Lagegeber für den gesamten Drehzahlbereich bis Stillstand. Dissertation, Technische Universität Ilmenau, 2007. Ilmenau.

[24] M. Linke. Sensorless position control of Permanent Magnet Synchronous Machines without Limitation at Zero Speed / M. Linke, R. Kennel, J. Holtz // 28th Annual Conference of the Industrial Electronics Society, IECON, 2002, Sevilla.

[25] L.Rassudov, Einfluss von hochfrequenter Signaleinprägung bei PMSM im Stillstand bei Belastung. Masterarbeit. Technische Universität Ilmenau, 2010.

[26] Рассудов Л.Н. Определение коэффициента силы и подвижной массы прямого линейного электропривода./Рассудов Л.Н// Труды МЭИ - 2013 №689 - стр.36-41.

[27] Балковой А.П., Цаценкин В.К. Синхронные машины с сосредоточенными обмотками для прямого электропривода.: Труды МЭИ №686, 2010.

[28] Рассудов Л.Н. Калибровка силы прецизионного линейного электропривода/Рассудов Л.Н., Сливинская Г.А., Капитонец В.К.// Труды МЭИ - 2014 №690 - стр. 10-18.

[29] Рассудов Л.Н. Системы на кристалле: Новые возможности управления сервоприводом. / Рассудов Л.Н, Балковой А.П. //Труды VIII международной (XIX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2014. - Саранск, 07-09 окт 2014г. - Т.1 стр. 384388.

[30] Rassudov L. FPGA based Broadband Current Control for a Servodrive./Rassudov L. Balkovoi A.// Proceedings of the 2016 IEEE North West Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (2016 ElConRusNW), St. Petersburg, February 2-3, 2016. p.703-706.

[31] Рассудов Л.Н. Полоса пропускания контура тока сервопривода с ПЛИС./Рассудов Л.Н. // Доклады Научно-технического семинара «Новые решения в современном электроприводе». Москва, 28 января 2016г. М.: Издательство МЭИ, 2016 - 87 с. ISBN 978-5-7046-1461-6 С. 74-79.

[32] Рассудов Л.Н. Калиброванное управление силой вентильного двигателя/ Рассудов Л.Н., Балковой А.П., Сливинская Г.А., Капитонец В.К., Морозова Т.Н., Иноземцев Г.И.// Электротехника: сетевой электронный научный журнал. 2015. Том 2, №2 С. 3-6

[33] Aerotech. BLM series Linear Motors. URL: aerotech.com/media/272569/blm.pdf.

[34] Siemens. SINAMICS S120.Peak and continuous load motors in the 1FN3 product family. Configuration Manual.

[35] Хренников А.Ю. О повреждениях обмоток силовых трансформаторов и диагностике их геометрии методом низковольтных импульсов. / Рубцов А.В., Передельский В.А., Сафонов А.А., Якимов В.А.// Электро - 2004 №5 - стр.13-18.

[36] ГОСТ Р МЭК 60949-2009. Расчет термически допустимых токов короткого замыкания с учетом неадиабатического нагрева. введ. 2009 - 06 - 26. -Технический комитет по стандартизации ТК 46 «Кабельные изделия»; Москва: Стандартинформ, 2009. - 12с.

[37]Рассудов Л. Н. Система управления вентильным двигателем в расширенном диапазоне: Диссертация магистра техники и технологии. - Москва, 2012. - 93 С.

[38] Rassudov L. Exact tracking of a PMSM in the extended speed range/ Rassudov L., Balkovoy A.// 57. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, Ilmenau, 2012.

[39] B. Grcar, P. Cafuta, L. Kumin. Exact Tracking by Dynamic Field-Weakened PMAC Servodrive, IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION, VOL. 16, NO. 1, MARCH 2001.

[40] Rassudov, L.N. Balkovoi, A.P. Dynamic model exact tracking control of a permanent magnet synchronous motor Control and Communications (SIBCON), 2015 International Siberian Conference on Control and Communications, 21-23 May 2015, Omsk, Russia.

[41] Карпович С.Е. Прецизионные координатные системы на основе электропривода прямого действия/ С.Е Карпович. - Минск: Планар, - 198с.

[42] Amthor, A. Asymmetric motion profile planning for nanopositioning and nanomeasuring machines/ Amthor, A., Werner, J., Lorenz, A., Zschaeck, S., Ament, C.// Proc. IMechE Vol. 224 Part I: J. Systems and Control Engineering, 79-92.

[43] Rassudov L. Dynamic model control of a permanent magnet synchronous motor /Rassudov L.// 11th Students' Science Conference 03-06 October 2013 Bedlewo, - Wroclaw, 2013.- P536. pp. 121-126.

[44]Толстых. О.А. Разработка и исследование калиброванного электропривода с вентильным двигаем: Диссертация кандидата технических наук. - Москва, 2010. - 118 С.

[45] Балковой А.П., Комплектный прецизионный электропривод. / Балковой А.П., Сливинская Г.А., Цаценкин В.К.// Труды МЭИ - 2002 №678 - стр. 04-20.

[46] Renishaw. Technical white paper. TE335. The benefits of remote interferometry for linear, angular and straightness measurements. 2015.

[47] ГОСТ 27843-2006 Испытания станков. Определение точности и повторяемости позиционирования осей с числовым программным управлением. - Взамен ГОСТ 27843-1988; введ. 2008 - 01 - 01. - Москва: Изд-во стандартов, 2008. - 16с.

[48] ISO 230-2:1997. Test of machine tools. Determination of accuracy and repeatability of positioning numerically controlled axes.

[49] Г0СТ30098-93. Станки электроэрозионные копировально-прошивочные. Основные размеры. Нормы точности. Взамен ГОСТ 15954-70, ГОСТ 24953-81; введ. 1996 - 07 - 01. -Москва: Межгосударственный Совет по стандартизации метрологии и сертификации; Москва: Изд-во стандартов, 1995. - 11с.

[50] ARM. AMBA 4 AXI4, AXI4-Lite, and AXI4-Stream Protocol Assertions. User Guide Rev.: r0p1, 2012.

[51] URL: www.qdesys.com.

[52] Xilinx. System Generator for DSP. User Guide. v.2015.3.

[53] Maxim Integrated Products. 14-/16-Bit, Low-Power, High-Performance, Buffered Single DACs. 19-5651; Rev 0; 12/10.

[54] S. Mathapati. FPGA-Based High Performance AC Drives, Dissertation, Paderborn, 2011.

[55] Bocker, J. Buchholz, O. Can oversampling improve the dynamics of PWM controls? IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT) , Cape Town, 2013.

[56] J. Böcker, S. Beineke, A. Bähr On the Control Bandwidth of Servo Drives. EPE 2009 -Barcelona.

[57] Krah, J. O., Klarenbach, C. FPGA based Field Oriented Current Controller for High Performance Servo Drives. PCIM Conference (2010), Nürnberg.

[58] H. Schmirgel, J. O. Krah, R. Berger: "Delay Time Compensation in the Current Control Loop of Servo Drives - Higher Bandwidth at no Trade-off', PCIM Power Conversion Intelligent Motion Conference, Nürnberg, June 2006 pp. 541-546.

[59] F. Morel, X. Lin-Shi, J.-M. Rétif, B. Allard, C. Buttay: "A Comparative Study of Predictive Current Control Schemes for a Permanent-Magnet Synchronous Machine Drive", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 56, No. 7, JULY 2009.

Приложение 1. Список сокращений

АЦП Аналого-цифровой преобразователь

БТИЗ Биполярный транзистор с изолированным затвором

БУ Блок управления

ВД Вентильный двигатель

ГТ Генератор траектории

ДП Датчик положения

ЗТ Задатчик тока

ИН Инвертор напряжения

КИХ Конечная импульсная характеристика

КПД Коэффициент полезного действия

ЛАФЧХ Логарифмическая амплитудно-фазовая частотная характеристика

ЛАЧХ Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика

ЛСМ Линейная синхронная машина

МК Микроконтроллер

МОП Металл-оксид-проводник

МП Характеристика минимума потерь

НЛСМ Неявнополюсная линейная синхронная машина

НС Наблюдатель скорости

ОН Ограничение по напряжению

ОП Предельная характеристика ослабления поля

Предельная характеристика ослабления поля с ограничением Продольного тока значением в 2 раза меньше тока размагничивания.

ОТ Ограничение по току

ПК Персональный компьютер

ПЛ Программируемая логика

ПЛИС Программируемая логическая интегральная схема

ПО Программное обеспечение

Ш1ВМ Перепрограммируемая пользователем вентильная матрица

ПСРВ Промышленная сеть реального времени

РО Рабочий орган

СМПМ Синхронная машина с постоянными магнитами

СнК Система на кристалле

СУ Система управления

ЦАП Цифро-аналоговый преобразователь

ЦСП Цифровой сигнальный процессор

ЦСУ Цифровой сервоусилитель

ЧПУ Числовое программное управление

ШИМ Широтно-импульсная модуляция

ЭЛК Электропривод линейный комплектный

ЭП Электропривод

Приложение 2. Перечень условных обозначений

а Механическое ускорение А Двусторонняя точность позиционирования

С Емкость источника питания инвертора напряжения

^ Продольная ось системы координат электрической машины, связанной с потоком постоянных магнитов

Динамическая механическая добротность Полоса пропускания /стоп Стопорная частота

/шим Частота ШИМ (частота треугольного опорного сигнала) ОаЫ Нитрид галия

1С Длительный ток. Амплитудное значение 1сШБ Длительный ток. Среднеквадратичное значение

Iл Продольная компонента вектора тока вентильного двигателя. Амплитудное значение

*

Задание на ток

1лразм Ток размагничивания электрической машины

1р Пиковый ток. Амплитудное значение

1рШБ Пиковый ток. Среднеквадратичное значение

1„ Поперечная компонента вектора тока вентильного двигателя. Амплитудное значение

*

Iq Задание на ток Iq

Iq [k] Дискретное по времени задание тока на k-й момент времени

*

Ici тах Максимальное реализуемое при заданной скорости значение Iq

*

Iq min Минимальное реализуемое при заданной скорости значение Iq

Iqa1

I

qa2

Среднее значение 1ч на участке разгона электропривода с постоянством ускорения при движении в прямом направлении.

Среднее значение на участке разгона электропривода с постоянством ускорения при движении в обратном направлении.

J Среднее значение на участке торможения электропривода с постоянством при движении в прямом направлении.

1дС2

1с Длительный ток. Амплитудное значение

Среднее значение на участке торможения электропривода с постоянством при движении в обратном направлении.

j Рывок

Задание на рывок

Kfph Коэффициент силы

K3 Коэффициент запаса по напряжению

L Индуктивность фаз d и q

L[_[ Индуктивность электрической машины. Фаза-фаза.

M Эталонная масса

m

Число фаз электрической машины

Суммарная масса подвижной части N число элементарных электрических машин в составе электрической машины Чм Число пазов на полюс и фазу электрической машины

Ч

Чс

Поперечная ось системы координат электрической машины, связанной с потоком постоянных магнитов.

Удельная погонная мощность (на единицу длины проводников обмоток), отводимая 412 от обмоток электрической машины и передаваемая в остальной её конструктив.

Удельная погонная мощность, рассеиваемая в обмотке электрической машины при протекании длительного тока

Удельная погонная мощность (на единицу длины проводников обмоток), отводимая от электрической машины конвекционным или жидкостным охлаждением дотв

Чн Удельная погонная мощность, рассеиваемая в обмотке электрической машины

Чотв

р Число пар полюсов индуктора на длине элементарной машины

Я Сопротивление фаз ё и ч

Я[_1 Сопротивление электрической машины. Фаза-фаза.

£ Сечение проводника

БЮ Карбид кремния

Т Электромагнитная сила/момент

Т* Задание на силу/момент

ТС Длительная сила/момент

ТС/ Сила/момент сухого трения

Тсо^, Зубцовая сила/момент

Т/ Сила/момент трения

Т1 Период сигнала тока

Т^топ Максимальное значение периода сигнала тока

Ть Внешняя активная сила/момент

/р Время пикового тока

Тр Пиковая сила/момент

Т8 Полупериод треугольного опорного сигнала ТТТИМ ТТепловая постоянная времени электрической машины

Ту/ Сила/момент вязкого трения

ТЕ Суммарная задержка в контуре тока вентильного дигателя

Тв Высшие гармоники электромагнитной силы/момента электрической машины

Тзт Задание на электромагнитную силу/момент для задатчика тока

Трс Выходной сигнал регулятора скорости сервопривода

тт Продольная компонента вектора напряжения вентильного двигателя. Амплитудное

ил

" значение.

ил № Сигнал прямой программной связи по напряжению ил

Питание инвертора напряжения осуществляется от источника постоянного

илс

лс напряжения

ит Максимальная амплитуда вектора напряжения

^ Поперечная компонента вектора напряжения вентильного двигателя. Амплитудное

д значение.

ид рр Сигнал прямой программной связи по напряжению ид

V Линейная скорость

V * Задание на линейную скорость

Vp Максимальное статическое значение скорости ВД при пиковом токе.

Vстоп Стопорная скорость электрической машины

х Положение

х* Задание на положение

Хсогг Выходной сигнал таблицы калибровки положения

Z Число пазов якоря на длине элементарной машины

АТ Запас по температуре

Рэл Удельное электрическое сопротивление материала обмоток электрической машины

ас Удельная объемная теплоемкость материала обмоток электрической машины

Хр Полюсное деление электрической машины

Ту пазовое деление якоря

Приложение 3. Комплектный линейный сервопривод серии ЭЛК

Прямые линейные электропривода серии ЭЛК предназначены для комплектования точных систем движения машиностроительного оборудования. При проектировании компонентов сервопривода использовались методики идентификации и управления, предложенные в работе.

Состав

В состав сервоприводов ЭЛК входит механический модуль (ММ), шкаф управления (ШУ) с цифровым сервоусилителем (ЦСУ), а также комплектное программного обеспечения «Серводрайв» (ПО) для установки на ПК.

Рис. П.3.1. Состав сервопривода ЭЛК.

Управление движением ЭЛК происходит при помощи ЦСУ, преобразующего напряжение питающей сети в напряжения на входе линейной электрической машины МСЛ, на основании данных о токах в ней и на основании данных о положении привода, получаемых от датчика положения ДП. Задание на движение и настройка параметров ЦСУ производится от ПК с установленным комплектным ПО или от других устройств (ЧПУ, дискретные входы и др.).

Для исследований были собраны линейные оси ЭЛК1, ЭЛК4 и ЭЛК8 мощностью 1, 4 и 8кВт соответственно. Основные параметры этих осей движения

приведены в таблице П.3.1.

Таблица П.3.1. Параметры линейных осей.

Параметр ЭЛК1 ЭЛК4 ЭЛК8

Напряжение питания, В (+10%/-15%) 1 фаза 220В 3 фазы 380В

Максимальный ход, мм 700

Двусторонняя точность 10

Продолжительная сила, Н 540 1100 1820

Пиковая сила, Н 2100 2300 3300

Продолжительный ток фазы, А* 3 9,7 19,5

Пиковый ток фазы, А 12 20 36

Масса подвижной части, кг 23 24 28

ЦСУ ЦСУ-Е-380-12-Э-УХЛ4 ЦСУ-П-380-24-Э УХЛ4

Электрическая машина. Тип якоря МСЛ-0,6-2,2-К-3 МСЛ-1,5-3,3-Б-3 МСЛ-2-4,6-Б-3

Охлаждение якоря конвекционное конвекционное/водяное

Электрическая машина. Тип магнитного пути МСЛ-В-15-240-118

Датчик положения Оптический Renishaw. Головка RGH41B30L00A. Линейка: RGS40S-S

Габаритные размеры механического модуля (ДхШхВ), мм 1653х387,5х190

Конструкция ММ ЭЛК 1 показана на рис. П.3.2. На основании находится вторичная часть электрической машины - магнитный путь составленный из 6 секций МСЛ-В-15-240-118 и закрытый магнитным экраном, а также линейка Renishaw RGS40S-S оптического ДП. На подвижной части смонтирован якорь электрической машины МСЛ-0,6-2,2-К-3, головка ДП Renishaw RGH41B30L00A.

Стабильность воздушного зазора электрической машины и направление движения обеспечивается линейными направляющими. Для предотвращения порчи оборудования в случае возникновения внештатных ситуаций конструкция дополнена отбойниками. На рис. П.3.3 показан ШУ.

Рис. П.3.2. Механический модуль сервопривода ЭЛК

Балластный резистор тормозной цепи

Клеммы ввода

ЦСУ

Клеммы подключения МСЛ

Рис. П.3.3. Внутреннее оснащение ШУ.

ЦСУ

Сервоусилитель серии ЦСУ предназначен для управления синхронной электрической машиной. Это преобразователь с векторным управлением, предназначенный для ЭП c ДП - энкодером или резольвером.

Настройка сервопривода от компьютера осуществляется при помощи специализированного ПО «Серводрайв». Интерфейс программы обеспечивает доступ к параметрам сервоусилителя, настройку и отображение информации о его работе.

Получение задания на движение:

• RS232

• ±10V

• Step/Dir, CW/CCW, A/B

• Встроенные команды

• CAN (CanOPEN DS402)

Некоторые программные функции ЦСУ:

• расчет коэффициентов регуляторов тока, скорости, положения, наблюдателей скорости и возмущения по параметрам привода (см. Приложение 6);

• автоматическая настройка регулятора тока, автоматическая идентификация полосы пропускания контура тока;

• антинасыщение регуляторов тока и скорости;

• компенсация внутренних и внешних возмущений привода (см. разделы 3.4,3.5);

• программируемая защита по теплу (HT-управление);

• цифровые фильтры на входе и выходе регулятора скорости (фильтр 1 -го порядка, фильтр Баттерворта, биквадратный);

• встроенный генератор сигналов;

• поиск референтной метки датчика положения;

• автофазирование двигателя и датчика положения;

• сохранение параметров привода в ПЗУ, чтение параметров привода из ПЗУ.

Для управления сервоприводом используется программирования движения: написание циклов, условных переходов, опрос дискретных входов и др.

В таблице П.3.2 Приведены основные технические характеристики ЦСУ. В таблице П.3.3 Приведены основные параметры НЛСМ серии МСЛ.

Табл. П.3.2 Характеристики ЦСУ

Типоразмер ЦСУ 380 12 24

Напряжение питания В 1х127В-1х380В или 3х127В-3х380В

Допустимая частота питающей сети Гц 48..63

Номинальный выходной ток ^ (действ.) А 12 24

Максимальный выходной ток !мтЗ (действ.) А 18 36

Период квантования системы управления мкс 68,2687 (14,648кГц)

Мин. сопротивление тормозного резистора Ом 28

Мощность потерь в номинальном режиме Вт 350 500

Емкость звена постоянного тока мФ 0,47

Рабочий диапазон температур окр. среды °С 0..+40

Габаритные размеры (В х Ш х Г) мм 291х121х219 291х166х219

Масса кг 4 7

Минимальный воздушный зазор между ЦСУ и другим оборудованием мм 40

Линейные синхронные машины серии МСЛ

Линейные синхронные машины серии МСЛ 2013 трехфазные неявнополюсные линейные синхронные машины с постоянными магнитами. Число пазов на полюс с фазу дм=2/7. Отвод выделяемого тепла может производиться естественным конвекционным охлаждением (Конв.) или водяным охлаждением (Вод.)

Табл. П.3.3. Основные параметры электрических машин типа МСЛ

Тип Охл. ¡сЯМБ , А ¡рЯМБ , А Ктрк, Н/А Тс, Н Тр, Н ^стоп-м /мин tр, с иос, В мм мГн Ом

МСЛ-0,6-2,2-К Конв 3 16 89,3 570 3000 0,05 2,5 310 15 69 7,7

МСЛ-1,5-3,3-В Конв 4,7 19,4 56,7 570 2300 0,12 1,7 540 15 40 5,6

МСЛ-1,5-3,3-В Вод 9,7 19,4 56,7 117 2300 0,5 2 540 15 40 5,6

МСЛ-2,0-4,6-В Конв 9,4 39 44,2 880 3600 0,14 1,6 540 15 13,3 1,9

МСЛ-2,0-4,6-В Вод 19,5 39 44,2 1820 3600 0,6 2 540 15 13,3 1,9

Приложение 4. Описание макета электропривода с СнК

На рис. П4.1 приведена структура проекта сервопривода с СнК.

БТИЗ FRAC 4011

ЕД-ADC Honest Sensor

Udc=300B HS35A-2500

UART AXI ХД-ADC Honest Sensor

Udc=24B HS35A-2500

Рис. П.4.1. Структура макета сервопривода с СнК.

В макете блока управления предусмотрено три ИН. Он может работать с одной трехфазной электрической машиной, подключенной к ИН на базе БТИЗ (Udc=300B, Ip=21,3A, _/ШИМ=8кНг), или двумя (или одной) трехфазными электрическими машинами, подключенной к силовой части с ИН на базе МОП-транзисторов (Udc=24B, Ip=6,5A, уШи^ЗкШ (до 500кГц) ). ИН с БТИЗ построен на базе доработанной силовой платы блока управления D2T производства компании HIWIN (произведена замена АЦП на ХД АЦП типа ACPL-C797 для измерения Udc и ХД АЦП типа AD7401A для измерения токов). ИН с МОП-транзисторами реализован на силовой плате Motor Control Board (MCB) производства AVNET. В качестве электрических машин использовались СМПМ HIWIN FRAC 4011 (Гс=1,3Н-м, Ic=3,2A, Л*=0,850м, £=1,3мГн, числом пар полюсов p=4). В качестве ДП в макете используется инкрементный энкодер Honest Sensor HS35A-2500.

Для управления силовой частью используется плата управления (кит) ZedBoard rev.C производства Digilent на базе СнК Xilinx Zynq 7020, состоящей из

двухядерного процессора ARM CoreTex A9 и ПЛИС семейства Artix7. Связь с верхним уровнем осуществляется по разработанному протоколу на основе UART. Для ПК на языке MatLab было разработано ПО верхнего уровня для настройки и отслеживания состояния сервопривода.

Для визуализации работы системы на внешнем осциллографе были подключены также две платы MAX5216PMB1 производства MAXIM с ЦАП типа MAX5216. Для работы с микросхемой в ПЛИС был разработан модуль коммуникации по SPI. Осциллограф использовался, например, для визуализации токов задания и обратной связи Id* и Id при определении полосы пропускания сервопривода по току. Общий вид макета приведен на рис. П.4.2.

Рис. П.4.2. 1 - ZedBoard rev.C (СнК Zynq 7020); 2 - МСВ (Лупй); 3 - Силовая плата D2T; 4 -2хЦАП МАХ5216. 0-2.5У; 5 - нагрузка для внутреннего источника питания D2T 6,5В (1А); 6 -Электрическая машина FRAC4011; 7 - Источник питания Шс; 8 - Осциллограф (¡а*-циан; -желтый); 9 - ПО верхнего уровня на базе Ма1ЬаЬ; подключение к ПК через ^В-порт.

Приложение 5. Идентификация параметров на примере линейного сервопривода ЭЛК

Определение параметров электропривода необходимо для обеспечения соответствия моделей, используемых в СУ, с реальной системой.

Определение параметров производится в соответствии с методикой, предложенной в главе 2. Далее на примере линейного сервопривода ЭЛК1 с НЛСМ типа МСЛ-0,6-2,2-К и блоком управления ЦСУ-Е-380-12-Э-УХЛ4 показана идентификация параметров сервопривода, а на примере линейного сервопривода ЭЛК8 с НЛСМ типа МСЛ-2,0-4,6-В и блоком управления ЦСУ-П-380-24-Э-УХЛ4 проведена аттестация точностных показателей в соответствии с ГОСТ 27843-2006. В качестве обратной связи использовались оптические датчики Renishaw с головкой RGH41B и линейкой Я0840^. Аттестация точности производилась при помощи интерферометра Renishaw XL80. Значительная часть процедуры идентификации автоматизирована (см. раздел 2.6). Показан весь процесс идентификации, в том числе и вычисления, производимые автоматически в разработанном программном комплексе.

Определение линейных сопротивлений и индуктивностей электрической машины

Линейные индуктивности и сопротивления МСЛ-0,6-2,2-К измерялись при помощи мультиметра типа АКТАКОМ АММ 3031 при температуре окружающей среды 25°С между выводами обмоток А, В и С электрической машины. Данные занесены в таблицу (табл. П.5.1).

Табл П.5.1.Результаты измерений сопротивлений и индуктивностей

Измерение Сопротивление, Ом. Индуктивность, мГн.

А-В 7,7 68,5

А-С 7,7 66,9

В-С 7,7 72,3

Определение значения продолжительного тока машины, тепловой постоянной времени по кривой нагрева.

Подбирается такое значение тока в микрошаговом режиме, при котором установившееся значение превышения температуры (или значение через 8 часов после начала работы), измеренное при помощи встроенного в датчика Т/, составляет 60°С. При температуре окружающей среды 20°С абсолютное значение температуры обмоток якоря не должно превышать 80°С. Для достижения максимальной точности эксперимента необходимо измерять температуру непосредственно на выводах Т/1 и Т/2 датчиков температуры при помощи мультиметра (АКТАКОМ АММ 3031)

Порядок проведения опыта:

1. Перед запуском необходимо убедиться, что температура компонентов привода соответствует температуре окружающей среды.

2. При помощи ПО Серводрайв задать циклические перемещения на

Л

800мм и обратно без пауз с максимальной скоростью 6м/мин, ускорением 5м/с ,

-5

рывком 5м/с в режиме замыкания по току. Выставить значение тока в окне «контур тока» в два раза превышающее предполагаемое действующее значение длительного тока /сДш. В ходе эксперимента необходимо контролировать значение температуры обмоток якоря и фиксировать его не реже чем каждые 2 минуты в течение первых 30 минут испытания, далее не реже чем каждые 5минут до достижения часа, каждые 10минут до достижения 3 часов и далее раз в 30минут.

3. В случае если установившееся превышение температуры в 60°С было превышено, необходимо понизить значение тока и повторить п.п.1-2. В случае если установившееся превышение температуры в 60°С не было достигнуто, необходимо повысить значение тока и повторить п.п.1-2.

4. По экспериментально полученной кривой нагрева (зависимости превышения температуры от времени) определить тепловую постоянную времени, равняющуюся (в предположении одномассовой системы) времени достижения превышением температуры значения 37,9°С.

Предполагаемое действующее значение длительного тока 3А. В соответствии с этим в окне «Контур тока» ПО «Серводрайв» было прописано значение 6А. Результаты выполнения опыта приведены в таблице:

Таблица П.5.2. Определение IcRMS и Tth.

Время, мин 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Сопротивление датчика Т£ Ом 998 1026 1048 1067 1086 1102 1118 1133 1145 1158 1171

Температура обмоток, °С 24,7 28,3 31,0 33,3 35,6 37,6 39,5 41,3 42,6 44,1 45,6

Превышение температуры, °С 24,7 28,3 31,0 33,3 35,6 37,6 39,5 41,3 42,6 44,1 45,6

Время, мин 22 24 26 28 30 35 40 45 50 55 60

Сопротивление датчика Т£ Ом 1181 1192 1201 1210 1220 1240 1258 1274 1288 1301 1313

Температура обмоток, °С 46,8 48,0 49,1 50,1 51,2 53,4 55,4 57,2 58,8 60,2 61,5

Превышение температуры, °С 46,8 48,0 49,1 50,1 51,2 53,4 55,4 57,2 58,8 60,2 61,5

Время, мин 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170

Сопротивление датчика Т£ Ом 1335 1352 1367 1381 1393 1403 1413 1421 1429 1436 1442

Температура обмоток, °С 63,9 65,7 67,3 68,8 70,1 71,1 72,1 73,0 73,8 74,5 75,1

Превышение температуры, °С 63,9 65,7 67,3 68,8 70,1 71,1 72,1 73,0 73,8 74,5 75,1

Время, мин 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480

Сопротивление датчика Т£ Ом 1447 1464 1478 1487 1496 1503 Экстр апо ляция

Температура обмоток, °С 75,6 77,3 78,8 79,7 80,6 81,3 81,9 82,4 82,8 83,2 83,5

Превышение температуры, °С 75,6 77,3 78,8 79,7 80,6 81,3 81,9 82,4 82,8 83,2 83,5

Значение температуры фиксировалось в течение 330 минут, а далее была

произведена экстраполяция вплоть до 8 часов.

7П

Л

(р 60

(б о. ш с 50

S 40 ♦ Эксперимент

0) н (J

(U ° 30

Я Экстраполяция

I 20

Э А Постоянная времени

10

на .

00

С 0 60 120 180 240 300 360 420 480

Время, мин

Рис. П.5.1 Определение ¡срмб и Т^.

По результатам опыта определяется тепловая постоянная времени (рис П.5.1). Она равна 65мин. Отличие кривой нагрева от идеальной экспоненты объясняется многомассовостью системы. По мере нагрева платформы, на которой крепится якорь за счет теплопроводности условия охлаждения якоря ухудшаются, что

увеличивает тепловую постоянную времени идеализированной одномассовой модели.

Действующее значение среднеквадратичного тока IcRMS=3A. Тепловая постоянная времени Ггй=65мин.

Определение времени протекания пикового тока.

Расчет производится в соответствии с (2.13). При этом удельное электрическое сопротивление материала обмоток рЭЛ берется при максимальной температуре обмоток и максимальной рабочей частоте тока.

Обмотка выполнена эмалированного самосвязывающегося обмоточного провода с термореактивным адгезивным покрытием THERMIBOND® 158.

Таблица П.5.3. Параметры обмотки МСЛ-0,6-2,2-К

Диаметр провода без изоляции, мм d 0,9

Длительный ток, А IcRMS 3

Пиковый ток, А IpRMS 16

Удельное электрическое сопротивление при постоянном токе, Ом*м (20°С) Р эл( 2 о ° С,0) 17,092e-9

Температурный коэффициент сопротивления меди, 1/К а 4e-3

Удельная теплоемкость меди, Дж/кг/К c 385

Плотность меди, кг/м3 Р 8,92e3

Температура обмоток в номинальном режиме не превышает Густ = 80°С, допустимый перегрев при адиабатическом нагреве пиковым током Л Т =10К.

Максимальная рабочая частота рассчитывается по следующей формуле:

_ иас _ 300 _

/раб"мах = = 2 73 *89,3 * 0,0 1 5 = 64 6 ГЦ "

Допустимое время протекания пикового тока:

срБ2АТ

tp

ijpR MS ^сЛ М s) Р эл ( Густ "I" А Г, /р а б_м ах)

Оно зависит от параметров обмоточного провода, величин токов и допустимого перегрева. Была получена зависимость линейного сопротивления обмоток якоря от частоты тока:

Постоянный ток 100Гц 1000Гц 10кГц

7,7 7,9 19 468

При рабочих частотах сопротивление обмоток за счет эффектов вытеснения растет незначительно - в пределах 2,5% (значение при 100Гц) - с запасом.

рэл(9 0 ° С, 0 ) = рэл( 2 0 ° С, 0 ) * ( 1 + а(90 - 2 0)) = 2 1,88 * 1 0"90 м * м

Максимальное возможное активное сопротивление обмоток:

р эл( 9 0 ° С, 64, 6 Гц) = р эл( 9 0 ° С, 0) + 2 , 5 % = 2 2,42 * 1 0"9 0 м * м

Сечение провода

5 = ш^- = 0 636мм2 = 0 636 # 10-бм2 4

_ ср52ЛГ _ 38 5 * 8,9 2 * 1 03 * (0,63 6 * 1 0"6)2 * 1 0

(/р2-/с2Ьл( ^ст + Д Т ,/р а б_м ах)" (1 2 2 - 3 2) * 2 2,42 * 1 0 " 9

= 2,5сек

Определение коэффициента силы, массы и сил механических возмущений

Определение КТрк и производилось в соответствии с разделом 2.4.1, была предварительно грубо оценена в 20кг и для её точного измерения была выбрана эталонная масса М=17,3 кг.

В опыте разгона-торможения без М при помощи встроенного осциллографа ПО «Серводрайв» определено среднее значение тока при разгоне 1да1 и торможении при движении в прямом и 1да2 и при торможении при движении в обратном направлении. При проведении опыта необходимо задать циклическое перемещение на 800 мм в прямом и обратном направлении с максимальной

2 3

скоростью 84м/мин, ускорением 10м/с , рывком 50м/с . была рассчитана в соответствии с (2.8).

"1д", А ускорение, м/с2

Рис. П.5.2 Опыт разгон-торможение без дополнительной массы. На основе осциллограммы для первого опыта получено:

А /*л, А /до2, А /кй, А М,кг Бауп, НУкг/А

2,40 -2,40 -0,95 0,90 0 6,01

Рис. П.5.3. Опыт разгон-торможение с дополнительной массой.

Далее проводится аналогичный эксперимент, но с добавлением массы М к и рассчитывается Б^.

/до1, А /*л, А /до2, А /-«¿2, А М,кг Ды, НУкгУА

3,66 -2,26 -3,69 2,21 17,3 3,38

Из решения системы уравнений (2.9) получается:

ш.£=22,27кг; КТрк=89,3НУА.

Гс = 1 ,5 Ять/Лям*^ = 1 ,5 * 8 9, 3 * 3 Т2=568,3Н

Определение зубцовой силы

Определение ТСОё(х) производится в соответствии с разделом 2.4.2 на всем ходу электропривода на ползучей скорости (0,5мм/с), когда электромагнитная сила двигателя компенсирует влияние Т/ (у), ТСОё(х) и Ть. Измерения производятся не реже, чем каждые 2 секунды (каждый миллиметр), при движении как в прямом, так и обратном (для учета влияния Т/ и Т^) направлении. После обработки данных получается табличная зависимость ТСОё(х).

2 3