РАЗРАБОТКА ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СЕРВОПРИВОДОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

Аннотация: В статье рассматриваются основные аспекты разработки системы управления двигателем постоянного тока, которые были проработаны авторами в ходе создания лабораторного стенда по изучению сервоприводов постоянного тока с постоянными магнитами и цифровых систем управления ими для образовательных нужд ВУЗов.

Ключевые слова: моделирование, электромеханические системы, MATLAB, Simulink

Введение. Современный автоматизированный электропривод (АЭП) представляет собой сложную электромеханическую систему, содержащую различные по своей природе и назначению элементы: электрические машины, преобразователи электрической энергии, усилители, коммутационные аппараты, различные механические устройства.

Основным элементом электропривода является электрический двигатель, поэтому основные его свойства – надёжность и срок службы, высокий к.п.д., удобство управления, быстродействие и т. д. – во многом характеризуют электропривод в целом.

Из двигателей постоянного тока, наиболее перспективными  являются двигатели с возбуждением от постоянных высококоэрцитивных магнитов. Применение постоянных магнитов для образования поля возбуждения имеет существенное преимущество. Во-первых, нет необходимости в обмотке возбуждения, что увеличивает надёжность двигателя и снижает трудоёмкость и стоимость его изготовления. Во-вторых, у двигателей с постоянными магнитами коэффициент добротности пуска ≈ 1 , а рабочий ток при пуске сохраняется неизменным в отличие от ДТП с возбуждением от электромагнитов. Это преимущество особенно важно при реверсе двигателя .

Для изучения режимов работы цифрового сервопривода постоянного тока авторами были разработаны лабораторный стенд и математическая модель.

Методы и схемы регулирования режимов работы цифрового АЭП с ДТП. Схемы регулирования замкнутого типа делятся на одноконтурные и двухконтурные . Одноконтурное регулирование применяется тогда, когда достаточно регулировать один из режимов работы двигателя. Однако при таком методе регулирования работа регулятора – грубая.

На рис.1 приведена функциональная схема электропривода с одноконтурным регулированием частоты вращения вала ДПТ.

На вход регулятора скорости (РС) подаётся напряжение задающее скорость вращения вала ДПТ. С выхода РС оно поступает на управляемый преобразователь (УП). С его выхода напряжение питания Uп поступает на ДПТ. Вал ДПТ механически связан с валом тахогенератора (ТГ). Напряжение отрицательной обратной связи Uоос с выхода ТГ поступает на вход РС. Цепь петли регулирования замкнута. Отклонение скорости вращения вала ДТП будет стабилизироваться.

Двухконтурное регулирование применяется, когда необходимо регулировать два режима работы двигателя и при таком методе чувствительность регулятора к изменению режима получается выше.

На рис. 3 приведена функциональная схема электропривода с двухконтурным регулированием режимов ДПТ: частоты вращения вала и вращающего момента вала двигателя.

Первый контур схемы состоит из регулятора скорости РС, регулятора тока РТ, управляющего преобразователя УП и тахогенератора ТГ.  На вход регулятора скорости (РС) подаётся напряжение задающее скорость вращения вала ДПТ. С выхода РС оно поступает на управляемый преобразователь (УП). С его выхода напряжение питания Uп поступает на ДПТ. Вал ДПТ механически связан с валом тахогенератора (ТГ). Напряжение отрицательной обратной связи Uоос с выхода ТГ поступает на вход РС. Цепь петли регулирования первого контура замкнута. Второй контур состоит из РТ, УП, и шунтового сопротивления Rш. Падение напряжения с Rш поступает на вход РТ, замыкая тем самым цепь регулирования вращающего момента вала ДПТ.

Выбор оптимального способа управления ДПТ. Существует несколько способов управления ДПТ: 1) регулирование за счет изменения величины сопротивления реостата в цепи якоря; 2) регулирование за счет изменения подводимого к обмотке якоря двигателя напряжения; 3) изменение направления вращения за счёт изменения полярности подаваемого напряжения; 4) регулирование с помощью цифровой системы управления (ЦСП).

Наиболее оптимальное управление скоростью и направлением вращения вала двигателя осуществляется ЦСП. К её достоинствам относится большая точность регулировки скорости вращения вала двигателя, его торможения и реверс .

Для управления двигателем, в качестве управляющих сигналов напряжений, поступающих на обмотки двигателя, применяются широтно-импульсные модулированные (ШИМ) сигналы. Управление скоростью вращения вала двигателя осуществляется путём изменения длительности импульсов . Сигнал управляющего напряжения с ШИМ представлен на рис.4.

Разработка системы управления ДПТ с ПМ. При проектировании схемы было принято решение использовать одноконтурную схему управления скоростью вращения вала двигателя, в связи с её большей простотой и распространённостью. Для управления ДПТ была выбрана схема с двухполярной центрированной ШИМ. Такой выбор обусловлен следующими соображениями:

-двухполярная ШИМ обеспечивает простоту реверса;

-центрированная ШИМ обеспечивает более точную регулировку параметров ДТП по сравнению с фронтальной.

Разработанная функциональная схема лабораторного стенда представлена на рис. 5.

Управление ДПТ осуществляется цифровой схемой. Управляющее воздействие «Упр. возд.» в аналоговой форме подаётся на вход анолого-цифрового преобразователя (АЦП), где преобразуется в двоичный код, который поступает на вход цифровой схемы сравнения (ЦСС). На её другой вход поступает двоичный код с выхода импульсно-цифрового преобразователя (ИЦП). На вход ИЦП поступают импульсы с выхода тахогенератора (Тг), который механически связан с ДПТ.

После сравнения заданного режима работы двигателя с сигналом Тг, ЦСС формирует команду управления работой ШИМ. Выходные сигналы ШИМ поступают на силовой модуль (СМ), выполненный на ИС. К выходам этого модуля подключен ДПТ.

Проблема моделирования разработанной системы. При проектировании любой сложной системы возникает необходимость исследования режимов её работы, верности расчётов, по которым велось проектирование, до того, как стенд будет реализован «в железе», что позволяет сократить материальные расходы и затраченное время. С этой целью разработку проверяют с помощью компьютерного моделирования. Одним из самых мощных и популярных программных пакетов для моделирования подобных систем является MATLAB и входящий в него пакет расширения Simulink.

Проблема состоит в том, что среди блоков стандартных библиотек Simulink нет модели двигателя постоянного тока с постоянными магнитами. Поэтому для моделирования систем с ДПТ с ПМ требуется создать собственную библиотеку с необходимым  блоком.

Для моделирования авторами предполагается разработка нового блока библиотеки MATLAB/Simulink, реализующего структурную схему, приведённую на рис.6.