Диссертация (Автоматизация системного проектирования электронных устройств управления электроприводом)

Министерство образования и науки Российской ФедерацииМОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ(национальный исследовательский университет)На правах рукописиЗЫОНГ ДЫК ХААВТОМАТИЗАЦИЯ СИСТЕМНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯЭЛЕКТРОПРИВОДОМСпециальность 05.13.12 – Системы автоматизации проектирования(в электронике, радиотехнике и связи) (технические науки)Диссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:кандидат технических наук, доцентЧайка Юрий ВладимировичМосква – 20142СОДЕРЖАНИЕВведение4Глава 1 Особенности системного проектирования электронных узловуправления электроприводом121.1 Обобщенная структура электропривода121.2 Анализ электронных устройств управления электроприводом171.2.1 Классический регулятор171.2.2 Типовые структурные схемы устройства управления201.3 Анализ устройств управления электроприводом с бесконтактнымидвигателями271.4 Постановка задачи28Глава 2 Разработка системы моделей для синтеза внешних параметровэлектронных узлов устройства управления электроприводом292.1 Выбор методов и средств моделирования292.2 Методика моделирования электродвигателей322.2.1 Сравнительный анализ типов моторов332.2.2 Электромеханическая модель бесконтактного двигателя362.3 Методика моделирования передаточных механизмов442.3.1 Расчет крутильной жесткости вала472.3.2 Расчет деформации обода при кручении482.3.3 Расчет деформации зуба при изгибе502.3.4 Расчет моментов инерции валов и зубчатых колес542.3.5 Электромеханическая модель элементов зубчатой передачи552.4 Моделирование датчиков592.5 Выводы59Глава 3 Разработка методики системного автоматизированногопроектирования электронных узлов управления электроприводом613.1 Обобщенный алгоритм проектирования613.2 Предварительная стадия653.3 Основная стадия.

Алгоритм генерации структурных вариантов ЭУУ6633.4 Анализ функционирования673.5 Оптимизация ЭУУ683.6 Выбор варианта структуры электронных узлов управленияэлектроприводом693.7 Выводы по главе70Глава 4 Практическое использование разработанных моделей и алгоритмов714.1 Разработка модели бесконтактного двигателя 3ДБМ-50-0,16-4-3714.2 Разработка модели ЭУУ трехфазного бесконтактного двигателя764.3 Моделирование характеристик трехфазного бесконтактногоэлектродвигателя 3ДБМ50-0,16-4-34.4 Разработка модели передаточного механизма79824.5 Проверка работоспособности электромеханической моделипередаточного механизма и определение частотных и переходныххарактеристик.4.6 Разработка модели электропривода86884.7 Экспериментальное исследование работоспособности моделиэлектропривода и оптимизация параметров ЭУУ894.8 Проверка адекватности моделей954.9 Выводы98Заключение100Список литературы102Приложение А Эквивалентная электрическая схема трехфазногобесконтактного электродвигателя107Приложение Б Эквивалентная электрическая схема электроприводаантенной системы РТС УВД1094ВВЕДЕНИЕАктуальность темы исследования:Радиотехнические системы управления воздушным движением (РТС УВД)представляют собой неотъемлемую часть систем обеспечения безопасного ибезаварийного движения воздушных судов (ВС) на территории аэродромом, впроцессе вылета, прибытия, захода на посадку и совершения посадки на взлетнопосадочную полосу (ВПП), в процессе движения ВС по маршруту следования.Для обеспечения безопасности полетов ВС, предотвращения столкновения ВСмежду собой, безопасного облета препятствий и совершения маневровиспользуются разнообразные навигационные, локационные, связные средства,располагаемые как на земле, так и на борту ВС.

Правила и нормы применениясредств обеспечения воздушного движения, в том числе и радиотехнических,основныетребованиякнимрегламентируютсямеждународнымиинациональными стандартами, нормативными документами и правилами [1].К РТС УВД относятся навигационные (маяки), связные и локационныесредства. Наземные части радионавигационных и связных средств, как правило,располагаютсярасположенныестационарноназемле,инеподвижно.должныиметьРадиолокационныесредствадлясредства,управленияпространственным положение диаграммы направленности антенных систем сцелью определения координат ВС.Радиолокационные средства УВД подразделяются на трассовые, вторичные,диспетчерские, посадочные, а также иные (например, обзора летного поля,метеорологические).

К разным РТС УВД предъявляются разные техническиетребования в соответствии с решаемыми ими задачами.Трассовые РЛС [1] применяются для определения координат ВС при ихдвижении между аэродромами. Требуемая дальность действия трассовых РЛСобычно составляет не менее 300…400 км, а требуемая точность определенияугловой координаты ВС обычно невелика – от 1 до 3 градусов.

Достаточный темпобновления радиолокационной информации на индикаторе составляет 1 обзор занесколько секунд, поскольку анализируется положение ВС, находящихся на5значительном удалении от аэродромов. Поэтому для функционированиятрассовых РЛС обычно применяется круговое вращение антенной системы спостоянной скоростью.Вторичные РЛС [2] используют для своей работы сигналы ответчика,расположенного на борту. Использование ответчика дает возможность не толькоповысить точность определения координат ВС, но также передавать с борта ВСдополнительную информацию о скорости, режимах работы двигателя, положенииорганов управления по запросу наземной системы. Вторичные РЛС такжеработают при движении ВС по эшелону или при приближении к аэродрому, тоесть на расстоянии более нескольких десятков километров.

Устройство антенныхсистем вторичных РЛС сходно с трассовыми РЛС, а в настоящее времяпервичные трассовые РЛС могут совмещаться с аппаратурой вторичных РЛС вединой конструкции [3]. Требуемый темп обновления радиолокационногоизображения также невелик и составляет около 4…6 секунд.Диспетчерские РЛС используют для наблюдения за координатами ВС,приближающимися к зоне аэродрома и находящимися в зоне аэродрома (обычнодо 150 км). Дальность их действия меньше, а требования к темпу обзора выше [1]– обзор не более чем за 2…4 секунды.

Диспетчерские РЛС предназначены дляотслеживанияположениямногихВСодновременно, ноневыполняютсопровождение антенной системой отдельных целей. Их антенные системыобычно выполняют сканирование пространства по кругу или в ограниченномсекторе в зависимости от количества и взаимного расположения ВПП и зонвылета и прибытия. В соответствии с нормами ICAO погрешности определениявысоты и горизонтальных координат ВС должны быть в пределах 1…3%, чтосоответствует точности определения угловых координат 0,6…1,2 градуса [1].Наиболее сложной и ответственной стадией полета любого ВС являетсязаход на посадку и совершение посадки на ВПП с дистанции 40…60 км донепосредственно посадки. Посадочные локаторы обычно содержат два канала –курсовой и глиссадный.

В курсовом канале РЛС выполняется определениегоризонтальных координат ВС - удаления и углового положения – для6последующегоотслеживанияикорректировкитекущегоположенияВСотносительно продольной оси ВПП и расстояния до кромки ВПП. В глиссадномканале осуществляется непрерывное отслеживание вертикального угловогоположения ВС по отношению к линии (плоскости) посадки с целью непрерывногоконтроля и корректировки траектории снижения ВС по высоте. Согласно нормамICAO высота пролета воздушным судном точки начала ВПП должна составлять13…15 м, в отечественной практике широко применяется траектория посадки свысотой пролета начала ВПП около 7 м [4], при этом точность определениявысоты должна быть не хуже 2 м. Учитывая типичное размещение посадочныхРЛС на уровне середины ВПП по длине, то есть на расстоянии 500…700 м отначала ВПП, требуемая точность определения углового положения цели повертикали составляет не хуже 0,2°.

Требования к точности в курсовом каналенесколько ниже, но тоже достаточно высоки: допустимая погрешность захода напродольную ось ВПП не должна превышать для ВС разных категорий от 6 до 9метров, что соответствует точности определения курсового угла на дистанцииначала ВПП около 0,6°. Типичным режимом работы посадочной РЛС являетсянепрерывное сопровождения каждого ВС, совершающего посадку, на участкахснижения по глиссаде и выравнивания вплоть до прохода начала ВПП. В связи соскоротечностью процесса посадки (от начала выравнивания до касания ВППтипично проходит не более 15…20 с) нормами ICAO установлен максимальныйпериод обновления радиолокационного изображения на индикаторе не более 1секунды (рекомендуется не более 0,5 с), а темп поступления радиолокационныхданных в автоматизированную систему контроля посадки не менее 8 отсчетов всекунду.В работе [4] приведены статистические данные, которые показывают, чтоотклонение от заданной траектории снижения всего на 3…4 метра, отклонениепродольной скорости всего на 20…25 км/час приводят к грубой посадке иповреждениям летательного аппарата.

В этой же работе приведены временныеграфики зависимости вертикальной скорости снижения, высоты и перегрузок назавершающей стадии посадки, демонстрирующие, что возмущения и колебания7указанных величин происходят в интервалах времени, измеряемых десятымидолями секунды.В РТС УВД электроприводы применяют для управления угловымположением антенн при постоянном круговом вращении, при сканировании вограниченном секторе и при сопровождении объектов. Современный этапразвития РТС УВД характеризуется существенным ростом требований к точностии быстродействию позиционирования антенных систем с электромеханическимиприводами.Сравнениетребованийкмагистральным,первичным,вторичным,диспетчерским и посадочным РЛС УВД показывает, что наиболее жесткиетребования должны быть предъявлены к характеристикам антенных системпосадочных РЛС. Исходя из неравномерного закона перемещения курсовой иглиссадной антенн при сопровождении ВС при посадке, необходимостисопровождения воздушного судна без срыва во всем диапазоне линейных иугловых перемещений, с учетом наличия колебаний, отклонений и возмущений вдвижении ВС, система управления приводами антенн должна обеспечиватьследующие параметры:–СКО погрешности углового положения не более 5…10 угловыхминут;–ширина спектра процесса углового перемещения не менее 25 Гц;–длительность переходного процесса углового перемещения антенныне более 35 мс.Контур управления антенной системой представляет собой сложнуюсистему, состоящую из механической подсистемы (передаточные механизмы),электромеханическойподсистемы(электродвигатель,датчикиугловогоположения) и электронной подсистемы управления.Электродвигатель ипередаточные механизмыимеют ограниченныевозможности изменения своих параметров, а параметры электронной подсистемымогут варьироваться в широких пределах.

Следовательно, повышение точности ибыстродействия антенных систем РТС УВД возможно в основном за счет8совершенствования ЭУУ. В то же время существует тесная взаимосвязьпараметров контура управления антенной системой РТС УВД с параметрами всехего подсистем, а для определения внешних параметров ЭУУ необходимо знатьчастотныеи/илипереходныехарактеристикиимеханической,иэлектромеханической подсистем.Поэтомузадачапроектированияразработкиэлектронныхметодикиустройствавтоматизацииуправлениясистемногоэлектроприводом,учитывающей взаимосвязи и взаимозависимость параметров подсистем РТСУВД, является актуальной.Цельюдиссертационнойработыявляетсяповышениекачествафункционирования РТС УВД путем автоматизированного проектирования ЭУУэлектроприводами антенн.Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаютсяследующие задачи:– установление взаимосвязи и взаимозависимости внешних характеристикЭУУ от параметров механической и электромеханической подсистем РТС УВД;– разработка методики моделирования подсистем РТС УВД (механической,электромеханической, ЭУУ), позволяющей моделированием средствами САПРопределять их передаточные, частотные и переходные характеристики;– разработка моделей электромеханической подсистемы и механическойподсистемы;– разработка методики автоматизированного системного проектированияэлектронных устройств управления электроприводом антенных систем РТС УВД..Признакаминаучнойновизныобладаютследующиеположения,выносимые на защиту:–Методика системного проектирования ЭУУ, предназначенных дляработы в качестве составной части контура управления высокоточнымиэлектроприводами антенных систем РТС УВД на базе бесконтактных моментныхэлектродвигателей,отличающаясяиспользованиемпринципа9электромеханической аналогии для определения параметров подсистем привода исовместного моделирования подсистем привода в единой моделирующей среде.–Методика построения моделей бесконтактных электродвигателей,отличающаяся тем, что драйвер двигателя и двигатель моделируются как единаяэлектромеханическаясистема,апостроениемоделипопринципуэлектромеханической аналогии в форме электрической схемы дает возможностьиспользовать PSpice в качестве инструмента моделирования.–Методикапостроениямоделейпередаточныхмеханизмов,отличающаяся тем, что построение модели по принципу электромеханическойаналогиидаетвозможностьсредствамиPSpiceвыполнятьсовместноемоделирование устройства управления, двигателя и передаточного механизма всоставе привода для оценки показателей качества функционирования привода.–Методика применения подсистемы параметрической оптимизациипакета программ PSpice для автоматизации улучшения характеристик звеньев,синтезированных известными формальными методами, с целью получения болеевысокихточностныххарактеристикпривода,быстродействияпривода,энергоэффективности.Теоретическая и практическая значимость:Разработанная в диссертационной работе методика автоматизированногосистемногопроектированияэлектронныхустройствуправленияэлектроприводами позволяет сократить сроки и уменьшить трудоемкостьпроектированияустройствуправленияприводамиантенныхсистемрадиолокационных средств управления безопасностью воздушного движения, атакже обеспечить оптимизацию этих устройств по показателям качествафункционирования привода в целом.Вдиссертационнойэлектродвигателей,работепозволяющиепредложенырассчитыватьхарактеристики системы драйвер ЭУУпозволяющиерассчитыватьчастотныемоделичастотныебесконтактныхипереходныемотор, модели зубчатых передач,ипереходныехарактеристикипередаточного механизма и моделировать многозвенные передачи за счет10каскадного соединения моделей отдельных звеньев.