Автореферат (Разработка и исследование методов улучшения точности и динамики прямого сервопривода)

3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования.Машиностроение – основа технологической независимости государства.Станкостроение – базовая отрасль машиностроения, которая в значительнойстепени определяет конкурентоспособность национальной промышленности.Обеспечениесильныхрыночныхпозицийотечественногомашиностроительногооборудованиятребуетегокомплектованиясовременнымиотечественныминаукоемкимикомпонентамисхарактеристиками мирового уровня.В прецизионном машиностроении для реализации быстрых ивысокоточных перемещений в режиме воспроизведения траектории(лазерная резка, электроэрозионные, шлифовальные станки) нашли широкоеприменение электрические приводы с рабочим органом, жесткосоединенным с электрической машиной – прямые (безредукторные)приводы. При этом обычно используются синхронные электрическиемашины с постоянными магнитами (СМПМ) работающие в режимевентильного двигателя (ВД).

Такие электроприводы обладают высокойточностью, плавным ходом, широкой полосой пропускания, высокимиэнергетическими и массогабаритными показателями, а также относительнопростым математическим описанием, обеспечивающим удобство построениясистемы управления (СУ).Получение высоких технических показателей достигается не только засчет совершенствования конструкции станка и электромеханическогопреобразователя привода, но и, в значительной мере, за счёт оптимальногопостроения СУ электропривода.

Постоянное повышение эксплуатационныххарактеристик становится возможным благодаря развитию цифровойвычислительной техники. Появляются новые возможности для реализацииболее сложных алгоритмов управления, позволяющих более полноиспользовать ресурсы электропривода.

Таким образом, в настоящее времяактуальназадачаудовлетворениярастущихтребованийкпроизводительности и точности машиностроительного оборудования нетолько за счет увеличения установленной мощности электроприводов,усложнения систем измерения положения (что требует значительныхкапитальных затрат), но и за счет построения более эффективной СУ.Объект исследований: прямой (безредукторный) сервопривод дляточного машиностроения на базе СМПМ в режиме ВД.Предмет исследования: варианты реализации цифровой СУ прямогосервопривода на базе цифрового сигнального процессора (ЦСП), а также набазе программируемой логики (ПЛ).Цель работы: повышение точностных показателей и производительностипрецизионных станков за счет совершенствования СУ прямого сервопривода.4Для достижения цели в диссертации поставлены и решены следующиеосновные задачи:1.

Анализ существующих структур СУ ВД и влияния ограничений координатВД на показатели точности и производительности сервопривода.2. Анализ причин возникновения статических ошибок позиционирования идинамических ошибок воспроизведения заданной траектории движения впрямом сервоприводе, а также способов их уменьшения за счет СУ.3. Исследование возможности расширения полосы пропускания контура токаВД за счет снижения задержек обработки и передачи информации прицифровой реализации СУ.4. Разработка и исследование СУ прецизионного сервопривода сдинамической моделью ВД, учитывающейограничения на егокоординаты для достижения максимального быстродействия ипроизводительности.5.

Обоснование и разработка методики идентификации параметровпрецизионного сервопривода, необходимых для реализации предлагаемойцифровой СУ с динамической моделью ВД.6. Экспериментальная оценка эффективности предложенных методикуправления и идентификации прецизионного сервопривода на примеремакетов прямого линейного сервопривода серии ЭЛК с СУ на базе ЦСП ипрямого вращательного сервопривода с СУ на базе ПЛ.Научная новизна работы заключается в следующем:1. Обосновано использование динамической модели ВД в расчетах СУ дляснижения динамических ошибок воспроизведения заданной траекториидвижения сервопривода, а также для расширения скоростного диапазонаработы сервопривода.2. Предложен принцип организации вычислений цифровой СУ ВД сиспользованием параллельной многократной обработки алгоритмов СУдля уменьшения задержек в контуре тока и повышения егобыстродействия.3.

Предложена методика учета ограничений на координаты ВД приформировании траектории движения, которая позволяет увеличитьпроизводительность оборудования с сервоприводом.4. Предложена методика автоматизированной идентификации прецизионногосервопривода, основанная на отработке плавных перемещений, и непредполагающая изменений в структуре СУ и использование внешнихисточников силы.Практическая ценность работы и ее реализация.1. Разработанные методики управления позволяют поднять точность ипроизводительность оборудования с прецизионным сервоприводом.Высокий экономический эффект достигается за счет возможности выборасервопривода с меньшей установленной мощностью и меньшимимассогабаритными показателями,а также более простой системыизмерения положения.52.

Результаты работы были использованы при разработке серии комплектныхпрямых линейных электроприводов (ЭЛК) в рамках совместной НИОКРшифр «Линия» ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ» и МГТУ «СТАНКИН»: Результаты совершенствования СУ ЭЛК позволили существенноповысить его статическую и траекторную точность. Это позволилообеспечить необходимые точностные показатели разрабатываемых вМГТУ «СТАНКИН» станков с ЧПУ (прошивные электроэрозионные,раскройные и др.), оснащаемых ЭЛК. Разработано программное обеспечение (ПО) для автоматизированнойидентификации параметров ЭЛК с использованием предложенныхметодик идентификации сервопривода. Разработано ПО для прототипирования ЭЛК, позволяющее верновыбрать и согласовать его компоненты, необходимые для решенияконкретной задачи.Методология и методы исследований.Исследования базируются на теории электропривода, теорииавтоматического управления, теории электрических машин, теоретическойэлектротехнике, теории цифровой обработки сигналов, алгебре логики,методах математического моделирования.Положения, выносимые на защиту1.

Принцип управления токами ВД с использованием в расчетах СУдинамической модели, позволяющий расширить полосу пропусканияпо току и реализовать динамическое ослабление поля СМПМ.2. Принцип построения СУ ВД, заключающийся в использованиипараллельной обработки данных при расчетах алгоритмов цифровойСУ 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 учетомпредельныххарактеристикВД,позволяющаяувеличитьпроизводительность оборудования с сервоприводом.4. Методика идентификации сервопривода на основе гладких путевыхтраекторий 3-го порядка без внешних нагрузок и без изменений вструктуре управления электропривода.5.

Результаты внедрения предложенной методики автоматизированнойидентификации сервопривода, а также методик повышениястатической и траекторной точности на базе новых комплектныхлинейных электроприводов серии ЭЛК мощностью 1..8кВт.6. Результаты экспериментальных исследований предложенной методикиуправления сервопривода с использованием динамической модели ВД,а также предложенной методики параллельного многократного расчетаалгоритмов СУ ВД на макете вращательного сервопривода суправлением на базе системы на кристалле (СнК).6Достоверность результатов подтверждена результатами моделирования,а также исследований, выполненных на макетных образцах линейного ивращательного сервопривода.Апробация.Основные положения диссертации, ее отдельные решения и результатыобсуждались на ряде конференций, в том числе: 2015 International Siberian Conference, 21-23 мая 2015, Омск; 56th International Scientific Conference on Power and Electrical Engineeringof Riga Technical University, 14 окт.

2015, Рига, Латвия; 2016 IEEE NW Russia Young Researchers in Electrical and ElectronicEngineering Conference, 2-3 фев. 2016, Санкт-Петербург. 57th Internationales Wissenschaftliches Kolloquium Ilmenau University ofTechnology, 07 – 11 сент. 2012, Ильменау, ФРГ; 11th Students’ Science Conference, 03-06 окт.

2013, Бедлево, Польша; VIII Междунар. (XIX Всеросс.) конф. по автоматизированномуэлектроприводу АЭП-2014, 7-9 окт. 2014г, Саранск; Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: 71межрег. 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 ипараметрический синтез электротехнических комплексов и систем, ихоптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления»паспорта специальности 05.09.03 – «Электротехнические комплексы исистемы».Публикации.По теме диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ, в т.ч.5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основныхрезультатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидатанаук и/или включенных в международные базы цитирования.Структура и объем работы.Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, спискалитературы, включающего 59 наименований, и 6 приложений.

Её содержаниеизложено на 132 страницах, включая 12 таблиц и 59 иллюстраций.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении дана общая характеристика диссертационной работы.Обоснована актуальность её темы, сформулирована цель исследований,определены основные задачи для достижения цели, отражена научнаяновизна и практическая ценность.7В первой главе приведено краткое описание прецизионного сервоприводаи его компонентов, представлена идеализированная модель ВД в подвижнойсистеме координат.

Анализируются существующие структуры СУ ВД ивлияние ограничений координат ВД на показатели точности ипроизводительности сервопривода.Основными компонентами прецизионного сервопривода являютсясинхронная машина (в режиме ВД), блок управления, датчик положения. Приуправлении ВД требуется учитывать совокупность ограничений на егокоординаты: максимально возможных скорости, ускорения, рывка идиапазона перемещений, а также ограничений по напряжению (Um –максимальная амплитуда фазного напряжения) и току фаз (пиковый ток Ip),выделяемых тепловых потерь.Электрические и механические уравнения идеализированного ВД вподвижной системе координат d-q на примере ВД с неявнополюснойлинейной синхронной машиной (НЛСМ) имеют вид:(( ))( )(1){где R, L – сопротивление и индуктивность фаз d и q; KTph – коэффициентсилы;– полюсное деление электрической машины; T, Tcog, TL, ТCf, Tvf, –силы: электромагнитная, зубцовая, внешняя активная, сила сухого и силавязкого трения; m – суммарная масса подвижной части; j,a,v,x –механические рывок, ускорение, скорость и положение; Id, Iq, Ud, Uq –продольные и поперечные компоненты векторов тока и напряжения;Из (1) можно получить (2).

При скорости изменения T много большейскорости изменения возмущений Tcog, TL, ТCf, Tvf рывок определяетсяскоростью изменения тока Iq:(2)Предельные значения рывка зависят от параметров электропривода и оттекущих значений координат ВД: Id, Iq, v. Из (1) получаются также уравнения8граничной области динамических электромеханических характеристик ВД сНЛСМ:()(3)( √()())На рис 1.а показана построенная по (3) область динамическихэлектромеханических характеристик ВД на примере НЛСМ MCЛ-2,0-4,6-В спараметрами: длительная сила Tc=1820Н, длительный ток Ic=19,5А,R=0,95Ом и L=6,68мГн, p=15мм, Um=305В, m=41кг при нейтральнойкоммутации (Id=0):(а)(б)Рис. 1.