Особенности построения электроприводов с импульсной и цифровой фазовой синхронизацией

УДК 621.3.072.6

Особенности построения электроприводов с импульсной и цифровой фазовой синхронизацией

Фалеев М. В.

д-р техн. наук

Проведен анализ особенностей прецизионных электроприводов с импульсно-фазовой и цифровой синхронизацией для определения влияния способа выявления фазовой ошибки на точностные характеристики мехатронных систем управления параметрами движения механизмов технологических агрегатов.

Ключевые слова: прецизионный электропривод, импульсы, цифровая синхронизация, мехатронная система, устойчивая работа.

Features of designing of electric drives with pulse and digital phase locking

FALEEV М^.,

Doctor of engineering science

Analysis of features of precision electric drives with impulse-phase and digital synchronization is made for detection of phase error on precise characteristic of mehatronnih management systems on parameters of motion of gears of technological aggregates.

Keywords: precision electric drives, pulses, digital synchronization, mehatronnih system, firm work.

Реализация высоких технологий во многих отраслях промышленности связана с прецизионным перемещением исполнительных механизмов, выполняемым электроприводами, построенными на базе контура фазовой синхронизации скорости [1]. Ориентация таких приводов на воспроизведение заданных траекторий движения с малыми погрешностями, стабильность характеристик и широкие их возможности по адаптации к конкретным условиям работы являются залогом успеха реализации всех возможностей современного технологического оборудования. Многообразие условий эксплуатации систем с контуром фазовой синхронизации и возможностей их технической реализации ведёт к широкому разнообразию технической реализации таких систем. Наиболее распространенные функциональные схемы таких систем представлены на рис. 1.

На рис. 1,а показана ставшая классической система с контуром фазовой синхронизации, положенная в основу астатических дискретных электроприводов (АДЭ) с импульсным управлением [1]. Управление скоростью ю двигателя М осуществляется посредством широтно-импульсного преобразователя (ШИП) в функции фазового рассогласования Дф частотных сигналов задания £ блока частотного задания (БЧЗ) и обратной связи £, снимаемой с импульсного датчика положения ВР. В приводах с импульсной синхронизацией величина фазового рассогласования Дф, фиксируемая частотно-фазовым дискриминатором (ЧФД), определяется как

Дф = \(fz - fF )dt,

а частота датчика связана со скоростью ю соотношением вида

г _ Z ^ _ —ю,

2п

где Ж - число меток импульсного датчика положения ВР.

БЧЗ

а)

ЧФД

fF

Дф —И

ШИП

-Км)

УК

fB

Рис. 1. Функциональные схемы электроприводов с фазовой синхронизацией: а - с импульсной синхронизацией; б - с импульсно-цифровой синхронизацией; в - с цифровой синхронизацией

ю

В электроприводах с импульсной синхронизацией реализована широтно-импульсная модуляция II рода, которая может рассматриваться как импульсная система с мгновенными импульсами, передаточная функция которой WI(z) определяется как

Н/,

где М0(5) - передаточная функция непрерывной части системы, включающей двигатель и исполнительный механизм.

Добротность DI систем с импульсной синхронизацией однозначно связана со скоростью ю и параметрами объекта соотношением вида

7юм _ 1

й, =-

2я/7

где ют - скорость идеального холостого хода двигателя; От,п - минимально-возможная по условиям устойчивости скорость вала двигателя, определенная относительно ют.

Анализ областей устойчивой работы электропривода, определенных в функции коэффициента расширения КР устройства дискретной коррекции УК (рис. 2), позволяет сделать два вывода: во-первых, существует область оптимальной настройки регулятора, а во-вторых, пренебрежение импульсными свойствами системы неизбежно приведет к результатам, неадекватно отражающим происходящие в АДЭ процессы.

Рис. 2. Области устойчивости электропривода с детерминированным (1_Р) и нечеткими (НР) регуляторами

С другой стороны, такие особенности АДЭ существенно ограничивают возможности расширения диапазона регулирования скорости, предельная величина которого ограничивается параметрами двигателя и управляемого объекта. Увеличение диапазона регулирования достигается при использовании резольверов, частота выходного сигнала которых определяется как

В _ю~~ + ь I

2п

где р - число пар полюсов резольвера; ^ - частота возбуждения резольвера ВР.

С учетом (2) и возможная скорость вала следующего выражения:

ютіп ^ юм^тіп —

ютіп

минимально-находится из

2п

Такая особенность АДЭ, а именно, прямая зависимость добротности от разрешающей способности датчика, делает практически невозможным использование оптических эн-кодеров. Решение этой проблемы достигается при использовании преобразователей частотного спектра сигнала датчика положения [2], как это показано на рис. 3.

Рис. 3. Схема частотного преобразования сигналов энкодера

Основой такого преобразователя является блок суммирования/сложения (А/С) частот, управляемый посредством парафазных импульсных сигналов ҐРХ и ґРУ, поступающих с энкодера, установленного непосредственно на валу двигателя. Частота преобразованного сигнала ^С определяется как

°о/ ±ю2/

N

где 0с - несущая частота частотного преобразователя А/С; N - коэффициент пересчета счетчика СТ.

При таком построении системы приращение длительности широтно-импульсного сигнала Ду ЧФД находится из выражения вида

Ду _— Дф1 2п '0С

где Дф - изменение положения вала.

Поэтому эквивалентная добротность контура фазовой синхронизации снижается до величины, допускающей устойчивость работы системы. Простота и функциональность в сочетании с высокими точностными показателями представляются несомненными преимуществами АДЭ, эффективность использования которых уменьшается сложностью технической реализации операций управления, выполняемых над импульсными последовательностями. Однако увеличение потребности оборудования в прецизионных системах требовало все большего использования алгоритмов управления, реализация которых в рамках АДЭ связана с существенным конструктивным усложнением контроллеров. И неизвестно, как пошло бы развитие АДЭ, если бы развитие мик-

РХ

РУ

роэлектроники двинулось в направлении выпуска доступных и относительно недорогих схем программируемой логики (ПЛИС), возможности которых идеально отвечали тенденциям построения АДЭ. Однако опережающее развитие технологии выпуска микропроцессоров, а затем и микроконтроллеров, создало предпосылки к применению этих устройств в электроприводах с фазовой синхронизацией скорости. Необходимость такого решения определялась переходом в прецизионной технике от двигателей постоянного тока к бесконтактным электрическим машинам синхронного и асинхронного типов. В системах с импульсноцифровой фазовой синхронизацией (рис. 1,б) сохраняется большинство элементов классического контура фазовой синхронизации. Однако в этом случае связь между блоками ЧФД и ШИП осуществляется посредством микроконтроллера (МК) с соответствующими интерфейсами. Для получения числового Мр эквивалента фазовой ошибки ф используется времяимпульсный преобразователь (ВИП), который выполняет операцию вида

пр=2п ^ ф ,

2п

где ґ0 - частота заполнения ВИП; ґх - частота дискретизации МК, совпадающая с сигналом на выходе БЧЗ.

Интерфейс ВИП может выполняться по классическим схемам, но более предпочтительно использование преобразователей масочного типа, обеспечивающих считывание маски счетчика по скачку импульса одной из сравниваемых частот. В ряде случаев вполне возможно использование для фиксации величины фазовой ошибки «менеджеров событий», входящих в состав стандартного набора встроенной периферии ряда микроконтроллеров. Включение МК непосредственно в контур синхронизации позволило расширить возможный набор алгоритмов управления системой при сохранении основного ее преимущества перед другими системами - управление по величине фазовой ошибки траектории движения приводного механизма. Реализация же программного управления БЧЗ и возможность подключения к локальной сети управления технологическим оборудованием существенно расширили область применения таких электроприводов. Все это не устраняет одного из основных недостатков фазовых систем, а именно, - значительной величины гистерезиса при переходе к фазовой синхронизации из режима сравнения частот. Наличие такого гистерезиса обусловлено многозначной логической нелинейностью характеристик ЧФД, показанных на рис. 4,а.

2nz ж df а

&Z\ шт

Использование дополнительных техни -ческих средств ускорения перехода к фазовому режиму не имеет в настоящее время однозначного решения и ведет к усложнению системы в части интерфейса взаимодействия цифровых и импульсных блоков. Одним из путей решения этой проблемы является переход от фиксированной системы отсчета к плавающей. В такой системе координат в режиме фазового сравнения величина числового эквивалента фазовой ошибки определяется по алгоритму вида

Nk =

Nk

f f ІФ-Ф

2n f7

где z - оператор дискретного преобразования.

В этом случае величина гистерезиса перехода к фазовому режиму с(ф определяется дискретностью ВИП:

df = — fZ. z fo

В силу соотношения частот fZ и f0, величина df значительно меньше гистерезиса обычного ЧФД. Однако при таком способе фиксации фазовой ошибки отсутствует жесткая привязка положения вала к моменту формирования датчика положения. В системах с импульсно-цифровой синхронизацией используется достаточно широкий арсенал аппаратных средств, что снижает возможности применения DSP-контроллеров из семейства Motor Control. Для реализации вычислительных возможностей таких устройств разработаны принципы построения электроприводов с цифровой фазовой синхронизацией (рис. 1,в), в которых практически все функции управления осуществляются встроенными интерфейсами. Как и при других способах фазовой синхронизации, работа системы управления базируется на информации о положении вала, получаемой с интерфейса измерительного преобразователя ИИП. Для электропривода с инкрементальным энкодером считываемая с ИИП информация FFE[nT] определяет действительное положение вала в соответствии со следующим законом:

Ffe [пт ].

При использовании резольверов посредством встроенного «менеджера событий» по (6) определяется смещение вала FFR[nT] в пределах полюсного деления датчика:

[л^] = 2П

где йр - разрешающая способность ВИП-интерфейса; ю0 - скорость поля возбуждения ВР; Юд = Ю + ю0.

Задание уровня скорости в таких системах осуществляется на программном уровне, а для вычисления величины фазового рассогласования используется модификация алгоритма (4), что обеспечивает вели-

a) б)

Рис. 4. Выходные характеристики: а - ЧФД; б - МЧФД

З

чину гистерезиса при переходе в режим синхронизации, равную разрешающей способности используемого энкодера.

С точки зрения теории дискретных систем электропривод с фазовой синхронизацией и цифровыми средствами обработки уже не может быть сведен к простейшей системе с мгновенными импульсами. Поэтому, в отличие от (1), передаточная функция электропривода представляется в виде

z — 1 WD (z) = — Z

W>

Принцип цифровой синхронизации в наибольшей степени отвечает требованиям, предъявляемым к многофункциональным электроприводам переменного тока.

Список литературы

1. Трахтенберг Р.М. Импульсные астатические системы электропривода с дискретным управлением. -М.: Энергоиздат, 1982.

2. Пат. РФ №2310971. Электропривод / М.В. Фалеев и др. Опубл. 2007, БИ №32.

Фалеев Михаил Владимирович,

Ивановский государственный энергетический университет,

доктор технических наук, профессор кафедры технологии автоматизированного машиностроения, e-mail: admin@tam.ispu.ru