Следящий привод стабилизации бортовой и килевой качки
TRACKING DRIVE FOR STABILIZATION OF ROLLING AND PITCHING

Изобретение относится к интеллектуальному устройству, обеспечивающему угловую стабилизацию платформы в условиях бортовой и килевой качек и может использоваться в качестве судового оборудования, например, в системах судовой радиолокации.
Известен следящий привод стабилизации бортовой качки [Ривкин С.С. Стабилизация измерительных устройств на качающемся основании. - М.: Наука, 1978. - С.290-315], включающий в себя задающее устройство, чувствительный элемент, и регулятор, в конструкцию которого входит исполнительный электродвигатель, в качестве которого применен электродвигатель постоянного тока. От задающего устройства поступает управляющее воздействие, зависящее от угла качки, из которого на чувствительном элементе вычитается регулируемая величина, представляющая собой угол поворота стабилизируемой платформы, формируя в результате ошибку системы стабилизации которая поступает на регулятор, в котором с использованием передаточных функций рассчитывается регулирующее воздействие, и с которого регулирующее воздействие через исполнительный механизм прикладывается к стабилизируемой платформе путем поворота якоря исполнительного электродвигателя постоянного тока.
Недостатком данного следящего привода является динамическая ошибка стабилизации, вызванная отсутствием учета в передаточных функциях регулятора динамики электромагнитных процессов электродвигателя. Также недостатком является использование электродвигателя постоянного тока, обладающего невысокой надежностью и не позволяющего обеспечить высокую интенсивность изменения электромагнитного момента на валу, необходимую для создания высоких угловых скоростей и угловых ускорений, требующихся при работе в условиях значительных качек.
Общими существенными признаками с заявляемым устройством являются получение управляющих команд (управляющее воздействие) от задающего устройства, а также наличие исполнительного электродвигателя.
Устройство стабилизации антенны корабельной радиолокационной станции [Патент РФ №156 778, МПК H01Q 1/18, Опубл. 05.02.2018], содержащее нижнее неподвижное основание и стабилизированную платформу, между которыми размещен карданный подвес, оси разворота которого связаны с исполнительными электродвигателями посредством исполнительных механизмов, исполнительные электродвигатели установлены внутри нижнего неподвижного основания и стабилизированной платформы, а исполнительные механизмы выполнены в виде зубчатых редукторов Новикова по ГОСТ с двумя линиями зацепления, при этом внутри нижнего неподвижного основания и стабилизированной платформы дополнительно размещены упругие пружинные элементы, связанные с карданным подвесом и выполненные в виде пакетов дугообразных полос, расположенных вокруг корпусов исполнительных электродвигателей. Электродвигатель совершает работу, равную энергии вращательного движения подвижной части прибора как тела, момент инерции которого рассчитан относительно оси качания корабля, для начала отслеживания вертикального положения электродвигатель должен сменить направление вращения вала и сообщить энергию вращения, соответствующую равной по величине, но противоположной по величине угловой скорости качки.
Недостатком устройства стабилизации антенны корабельной радиолокационной станции является стабилизация качки косвенным методом без контроля угла поворота стабилизируемой платформы и неполное использование возможностей электродвигателя для повышения точности стабилизации.
Аналог имеет общую с заявляемым устройством область применения и решаемую задачу. Общим существенными признаком с заявляемым устройством является наличие исполнительного электродвигателя.
Следящий привод [Патент РФ №2 318 212, ΜПК G05Β 9/01, Опубл. 27.02.2008], содержащий последовательно соединенные сумматор, усилитель, исполнительный привод и датчик положения нагрузки, выход которого соединен с первым входом сумматора, причем второй вход сумматора является управляющим входом. Выход исполнительного привода является выходом следящего привода. Следящий привод содержит датчик скорости, вход которого связан с выходом исполнительного привода, а выход - с вторым входом усилителя, а также датчик момента, вход которого связан с вторым выходом исполнительного привода, а выход - с третьим входом усилителя.
Недостатком данного следящего привода при его применении для стабилизации бортовой и килевой качек является низкая точность стабилизации платформы. Также недостатком является отсутствие контроля за током электродвигателя.
К общим с заявляемым устройством существенным признакам относится наличие силового преобразователя (усилитель), электродвигателя (в составе исполнительного привода), датчика положения.
Известна система автоматического регулирования положения [Ключев В.И. Теория электропривода: учеб. для вузов. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 2001. - С.629-643], представляющая собой систему тиристорный преобразователь - электродвигатель постоянного тока с трехконтурной системой подчиненного регулирования, состоящей из контура тока, управляемого регулятором тока по заданию от контура скорости, управляемого регулятором скорости по заданию от контура положения, формирующего также ограничение на заданную скорость, управляемого регулятором положения.
Недостатком системы автоматического регулирования положения при ее применении для стабилизации бортовой и килевой качек является динамическая ошибка стабилизации, вызванная относительно невысокой полосой пропускания частот при отработке гармонического сигнала. Также недостатком является использование электродвигателя постоянного тока, обладающего невысокой надежностью и не позволяющего обеспечить высокую интенсивность изменения электромагнитного момента на валу, необходимую для создания высоких угловых скоростей и угловых ускорений, требующихся при работе в условиях значительных качек.
К общим с заявляемым устройством существенным признакам относится наличие регулятора положения, регулятора скорости, регулятора тока, силового преобразователя (тиристорный преобразователь), электродвигателя.
Известен также следящий электропривод [Патент РФ №2 499 351, МПК Н02Р 6/14, Опубл. 18.11.2013] который содержит блок задания, сумматоры, блоки дифференцирования, пропорциональное звено, интегральный регулятор, пропорциональный регулятор, пропорционально-дифференциальный регулятор, силовой преобразователь, электродвигатель, исполнительный механизм и датчик положения. В качестве электродвигателя рассматривается синхронный электродвигатель. Блок задания, сумматоры, блоки дифференцирования, пропорциональное звено, интегральный регулятор, пропорциональный регулятор и пропорционально-дифференциальный регулятор могут быть реализованы программно на микропроцессорном контроллере. Следящий электропривод позволяет увеличить полосу пропускания частот при отработке гармонического сигнала.
Недостатком данного следящего электропривода при его применении для стабилизации бортовой и килевой качек является низкая точность стабилизации платформы, поскольку высокая полоса пропускания обеспечивает высокое быстродействии реакции привода как на изменение угла качки, так и на возмущающие воздействия. Также недостатком является отсутствие контроля за током электродвигателя.
К общим с заявляемым устройством существенным признакам относится получение управляющих команд от задающего устройства (блок задания), а также наличие силового преобразователя, электродвигателя и датчика положения.
Наиболее близким к заявляемому устройству является следящий привод опорно-поворотного устройства антенной системы [Анненков А.Н., Шиянов А.И., Хромых А.В. Следящий привод опорно-поворотного устройства антенной системы // Вестник воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т. 7. - №10-3. - С.41-44], (прототип) состоящий из высокомоментного бесконтактного электродвигателя с цифровым датчиком положения, блока управления, электроагрегата, модуля тормозных резисторов и исполнительного механизма. При этом блок управления содержит каскадную систему управления, в которой каждый из микроконтроллеров, входящих в сеть, решает ряд локальных задач. Микроконтроллеры средствами программного обеспечения реализуют алгоритм управления, предусматривающий параметрически оптимизированное регулирование и регулирование по вектору состояния, что обеспечивает высокие динамические характеристики и невосприимчивость к стохастическим ограниченным изменениям структурных параметров и внешних возмущений. Параметры следящего привода регулируются в соответствии с управляющим сигналом, поступающим через интерфейс обмена информацией с системой внешнего уровня. Электроагрегат содержит вторичный источник питания, подающий требуемое напряжение питания на функциональные элементы электропривода и силовой инвертор, в котором установлены датчик тока и датчик напряжения на инверторе. Управляющее воздействие через устройство сопряжения подается на управляющие входы силового инвертора в виде широтно-модулированных сигналов. Трехфазный: бесконтактный электродвигатель, подключенный к выходу силового инвертора отрабатывает управляющие воздействия, при этом реализуются заданные режимы работы: регулирование частоты вращения, позиционирование по угловому положению и следящий режим по угловому положению.
Недостатком данного следящего привода при его применении для стабилизации бортовой и килевой качек является низкая точность стабилизации платформы (ошибка до 30' в следящем режиме по угловому положению).
Общими существенными признаками с заявляемым устройством являются получение управляющих команд от задающего устройства (система внешнего уровня), а также наличие электродвигателя, датчика положения, блока управления с установленным в нем реализующим программное обеспечение микроконтроллером и подключением интерфейса обмена информацией, силового преобразователя (электроагрегат) с установленными в нем вторичным источником питания и силовым инвертором с широтно-импульсной модуляцией и датчиком тока.
Задача, решаемая заявляемым изобретением, заключается в реализации устройства, обеспечивающего эффективную стабилизацию установленной на корабле платформы в условиях бортовой и килевой качек. Техническим результатом изобретения является повышение точности стабилизации платформы, в том числе при значительных качках.
Технический результат достигается тем, что в следящем приводе стабилизации бортовой и килевой качки, содержащем трехфазный электродвигатель, датчики положения, а также размещенные в шкафу управления силовой преобразователь, содержащий вторичный источник питания и силовой инвертор, к которому подключен трехфазный электродвигатель, а в двух фазах установлены датчики тока, и блок управления, связанный с задающим устройством с помощью интерфейсов обмена информацией, включающий в свой состав соединенный с силовым инвертором сигналами широтно-импульсной модуляции микроконтроллер с программным обеспечением, реализующим трехконтурную систему подчиненного регулирования, состоящую из контура тока, в который входит регулятор тока, силовой инвертор, датчики тока и блок обработки обратной связи по току, внешнего по отношению к контуру тока контура скорости, в который входит трехфазный электродвигатель, датчик положения, блок обработки обратной связи по скорости и регулятор скорости, и внешнего по отношению к контуру скорости контура положения, в который входит датчик положения, установленный на механизме соединения со стабилизируемой платформой, блок обработки обратной связи по положению, блок обработки сигнала задания, задатчик интенсивности и регулятор положения, дополнительно введены имитатор качки и блок компенсации перекрестного влияния, причем вход задатчика интенсивности связан с блоком обработки сигнала задания и имитатором качки, вход регулятора положения связан с блоком компенсации перекрестного влияния, в качестве регулятора положения использован П-регулятор с настройкой на линейный оптимум, в качестве регулятора скорости использован ПИ-регулятор с настройкой на симметричный оптимум, а регулятор тока реализует векторное управление трехфазным электродвигателем с ПИД-регуляторами продольной и поперечной составляющих тока электродвигателя с адаптивно настраиваемыми коэффициентом пропорциональности и коэффициентом интегрирования.
Имитатор качки позволяет осуществлять настройку параметров системы подчиненного регулирования для работы в условиях заранее заданных величин бортовой и килевой качки до монтажа заявляемого устройства на месте эксплуатации, что обеспечивает более точную настройку, тем самым снижая ошибку слежения и повышая точность стабилизации платформы.
Блок компенсации перекрестного влияния обеспечивает компенсацию влияния возмущающих воздействий на точность отработки сигнала задания, тем самым повышая точность стабилизации платформы.
Регулятор тока, регулятор скорости и регулятор положения обеспечивают минимизацию динамической ошибки слежения при отработке гармонического сигнала задания, в том числе при высоких угловых скоростях и угловых ускорениях, тем самым повышая точность стабилизации платформы, в том числе при значительных качках.
Изобретение поясняется следующими рисунками.
На фиг.1 изображена конструктивная реализация заявляемого устройства.
На фиг.2 изображена функциональная схема заявляемого устройства;
На фиг.3 показана блок-схема заявляемого устройства.
Заявляемое устройство (фиг.1) конструктивно реализовано в виде шкафа управления 1 с питанием от трехфазной сети переменного тока промышленной частоты, к которому подключены трехфазный электродвигатель 2, датчики положения 3 и 4, соединенные механически со стабилизируемой платформой. Шкаф управления 1 имеет входы для подключения интерфейсов обмена информацией 5.
Шкаф управления 1 (фиг.2) состоит из силового преобразователя 6 и блока управления 7. Силовой преобразователь 6 содержит вторичный источник питания 8, подключенный ко входам питания блока управления 7, и силовой инвертор 9, к которому подключен трехфазный электродвигатель 2, а в двух фазах установлены датчики тока 10. Блок управления 7 включает в свой состав микроконтроллер 11, соединенный с силовым инвертором 9 сигналами широтно-импульсной модуляции 12.
Микроконтроллер 11 (фиг.3) программно сопряжен с задающим устройством интерфейсами обмена информацией 5, а также программно сопряжен с датчиками тока 10, датчиками положения 3 и 4, силовым инвертором 9. Интерфейсы обмена информацией 5 подключены ко входам блока обработки сигнала задания 13, имитатора качки 14 и блока компенсации перекрестного влияния 15. Выходы датчиков тока 10 подключены ко входам блока обработки обратной связи по току 16, выходы датчика положения 3 подключены ко входам блока обработки обратной связи по скорости 17, выходы датчика положения 4, связанного через механизм соединения со стабилизируемой платформой, подключены ко входам блока обработки обратной связи по положению 18. Выходы блока обработки сигнала задания 13 и имитатора качки 14 соединены со входом задатчика интенсивности 19, выход которого совместно с выходами блока компенсации перекрестного влияния 15 и блока обработки обратной связи по положению 18 соединен со входом регулятора положения 20. Выход регулятора положения 20 совместно с выходом блока обработки обратной связи по скорости 17 соединен со входом регулятора скорости 21. Выход регулятора скорости 21 совместно с выходом блока обработки обратной связи по току 16 соединен со входом регулятора тока 22. Регулятор тока 22 сопряжен с силовым инвертором 9 сигналами широтно-импульсной модуляции 12.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Выполняют механический монтаж на месте эксплуатации, в том числе механически соединяют трехфазный электродвигатель 2 и датчик положения 4 со стабилизируемой платформой, а датчик положения 3 с трехфазным электродвигателем 2.
Шкаф управления 1 подключают к трехфазной сети переменного тока промышленной частоты и к трехфазному электродвигателю, а к его входам подключают датчики положения 3 и 4, а также интерфейсы обмена информацией 5, связывающие шкаф управления 1 с задающим устройством. При подключении к сети шкафа управления 1 питание получает силовой преобразователь 6, после чего входящий в его состав вторичный источник питания 8 подает требуемое напряжение питания на блок управления 7, обеспечивая функционирование микроконтроллера 11, подающего сигналы широтно-импульсной модуляции 12 на силовой инвертор 9, который изменяет параметры напряжения трехфазного электродвигателя 2, тем самым определяя режим его работы, который контролируется датчиками тока 10 и датчиками положения 3 и 4, программно сопряженными с микроконтроллером 11, посредством чего реализуя управление угловым положением трехфазного электродвигателя 2 и как следствие угловым положением стабилизируемой платформы.
Угловое положение стабилизируемой платформы изменяется посредством трехфазного электродвигателя 2 таким образом, чтобы с учетом текущего угла качки стабилизируемая платформа оставалась неподвижной в плоскости горизонта. Задание на углы качек поступает в шкаф управления 1 на блок управления 7 через интерфейс обмена информацией 5 и программно сопрягается с микроконтроллером. В случае отсутствия задания на углы качек, например, при неисправности задающего устройства, угловое положение трехфазного электродвигателя 2 формируется нулевым, обеспечивая неподвижность стабилизируемая платформа в плоскости палубы корабля.
Сигналы от всех элементов следящего привода стабилизации бортовой и килевой качки, программно сопряженных с микроконтроллером 11, обрабатываются его программным обеспечением, реализующим трехконтурную систему подчиненного регулирования, состоящую из контура тока, контура скорости и контура положения.
В контур положения входит датчик положения 4, установленный на механизме соединения со стабилизируемой платформой, задатчик интенсивности 19 и регулятор положения 20, а также блок обработки обратной связи по положению 18 и блок обработки сигнала задания 13, предназначенные для нормализации внешних сигналов. Задатчик интенсивности 19 определяет скорость, ускорение и рывок, с которыми будет отрабатываться задание на углы качки. Выходные сигналы задатчика интенсивности 19 и блока обработки обратной связи по положению 18 поступают на регулятор положения 20, представляющий собой П-регулятор с настройкой на линейный оптимум, который в зависимости от рассогласования по угловому положению формирует задание для контура скорости. Дополнительно на регулятор положения 20 поступает сигнал от блока компенсации перекрестного влияния 15, в зависимости от которого регулятором положения 20 производится корректировка задания для контура скорости, обеспечивающая компенсацию влияния возмущающих воздействий.
В контур скорости входит трехфазный электродвигатель 2, датчик положения 3 и регулятор скорости 21, а также блок обработки обратной связи по скорости 17, предназначенный для преобразования сигнала о положении вала трехфазного электродвигателя 2 от датчика положения 3 в сигнал скорости и нормализации этого сигнала. Задание для контура скорости с выхода регулятора положения 20 и выходной сигнал блока обработки обратной связи по скорости 17 поступают на регулятор скорости 21, представляющий собой ПИ-регулятор с настройкой на симметричный оптимум, который в зависимости от рассогласования по скорости формирует задание для контура тока.
В контур тока входит силовой инвертор 9, датчики тока 10 и регулятор тока 22, а также блок обработки обратной связи по току 17, предназначенный для нормализации сигналов от датчиков тока 10 и их преобразования из неподвижной системы координат α-β во вращающуюся систему координат d-q, продольная ось d которой сонаправлена с основным магнитным потоком трехфазного электродвигателя 2. Регулятор тока 22 реализует векторное управление трехфазным электродвигателем 2 с ПИД-регуляторами продольной и поперечной составляющих тока трехфазного электродвигателя 2. Продольная составляющая тока по оси d воздействует на магнитное состояние трехфазного электродвигателя 2, а поперечная составляющая тока по оси q определяет электромагнитный момент на его валу. ПИД-регуляторы продольной и поперечной составляющих тока имеют адаптивно настраиваемые коэффициенты пропорциональности и интегрирования, зависящие от напряжения на входе силового инвертора 9. Задание для контура тока с выхода регулятора скорости 21 и выходной сигнал блока обработки обратной связи по току 16 поступают на регулятор тока 22. Задание для контура тока определяет требуемый электромагнитный момент на валу трехфазного электродвигателя 2 в зависимости от которого формируется сигнал задания для поперечной составляющей тока по оси q. Задание для продольной составляющей тока по оси d формируется исходя из требования обеспечения номинального магнитного состояния трехфазного электродвигателя 2. ПИД-регуляторы продольной и поперечной составляющих тока в зависимости от рассогласования по соответствующей составляющей формируют задание для одноименных составляющих напряжения трехфазного электродвигателя 2, в зависимости от которых формируются сигналы широтно-импульсной модуляции 12, подаваемые на силовой инвертор 9, который изменяет параметры напряжения трехфазного электродвигателя 2.
Сформированное описанным образом напряжение трехфазного электродвигателя 2 обеспечивает протекание по его обмоткам таких токов, что формируемый на валу электромагнитный момент, обеспечивает вращательное движение фала со скоростью, необходимой для отслеживания положением вала трехфазного электродвигателя 2 заданного угла качки. Таким образом осуществляется управление угловым положением трехфазного электродвигателя 2 и как следствие угловым положением стабилизируемой платформы, обеспечивая ее неподвижность в плоскости горизонта.
Настройка параметров системы подчиненного регулирования для работы в условиях заранее заданных величин бортовой и килевой качки осуществляется до монтажа заявляемого устройства на месте эксплуатации с помощью имитатора качки 14. Сигналы имитатора качки 14 подаются на вход задатчика интенсивности 19 вместо сигналов от блока обработки сигнала задания 13. Это дает возможность предварительно оценить качество отслеживания положением вала трехфазного электродвигателя 2 заданного угла качки и при необходимости осуществит корректировку параметров регуляторов, входящих в состав системы подчиненного регулирования, что обеспечивает более точную их настройку.
Были изготовлены два образца заявляемого следящего привода стабилизации бортовой и килевой качки в соответствии с приведенным описанием в исполнении с напряжения питания 380 В 50 Гц, выдерживающим длительный ток величиной не более 6 А. В качестве трехфазного электродвигателя использован синхронный двигатель с постоянными магнитами ДСМ-1,5-3000-3-Д-0М2 мощностью 1,5 кВт, а в качестве датчиков положения - абсолютные энкодеры ЛИР-ДА158Б-2-Т-10-05-3-2. Шкаф управления предусматривает возможность подключения интерфейсов обмена информацией RS-422, RS-485 и Ethernet, и дополнительно оборудован возможность подключения сервисных сигналов дискретного типа, необходимых для проведения испытаний. Силовой инвертор выполнен на основе интеллектуального IGBT-модуля PS22A78-E. В блоке управления применен высокопроизводительный микроконтроллер TMS320F28335.
Были проведены предварительные испытания, в ходе которых один из изготовленных образцов использовался для компенсации бортовой качки, а второй для компенсации килевой качки. Испытания проводились в условиях с предельными параметрами бортовой качки А=20°, Т=9 с и предельными параметрами килевой качки А=7°, Т=5 с, что оценивается как значительная качка. Результаты предварительных испытаний показали, что ошибка стабилизации составляет не более 7,2', что демонстрирует более чем вдвое высокую точность по сравнению с прототипом.
Таким образом заявляемый следящий привод стабилизации бортовой и килевой качки обеспечивает повышение точности стабилизации установленной на корабле платформы, в том числе при значительных качках.