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

2АннотацияВ работе приводятся результаты разработки и исследования прямогосервопривода(линейного и вращательного) на базе синхронной машины спостоянными магнитами в режиме вентильного двигателя для точногомашиностроения.Повышениепроизводительностииточностимашиностроительного оборудования предлагается обеспечить не за счетувеличения установленной мощности электроприводов или усложнения системизмерения положения, но за счет построения системы управления, позволяющейэффективно использовать ресурсы электропривода.Основное внимание в диссертационной работе уделяется комплексномусинтезу системы управления электропривода.

Рассмотрено: управление вектором тока с реализацией динамического ослабления поля; формирование вектора задания на движение с учетом предельныхмеханических характеристик; калибровка электропривода; повышение быстродействия токового контура (минимизация эквивалентнойпостоянной времени контура тока, прямые программные связи по напряжению); применение системы на кристалле в сервоприводе.Также в работе представлены результаты разработки и исследованияавтоматизированнойпроцедурыидентификациипараметровпрямогосервопривода для прецизионных применений. Полученные по результатамидентификации параметры сервопривода используется в его системе управления.Результаты моделирования и экспериментальные результаты показывают, чторазработанные методы управления существенно расширяют полосы пропусканияконтуровуправлениясервопривода,повышаютпроизводительностьоборудования, уменьшают траекторную и статическую ошибки, а такжепульсации скорости.3ОглавлениеВведение ..........................................................................................................................

6Глава 1. Прецизионный сервопривод с вентильным двигателем .................... 141.1.Синхронная машина с постоянными магнитами .................................... 151.2.Датчик положения ...................................................................................... 161.3.Блок управления сервопривода ................................................................ 171.3.1.

Силовая часть блока управления. ............................................................. 171.3.2. Информационная часть блока управления. ............................................. 181.4.Математическое описание идеализированного ВД ................................ 231.5.Типовая СУ ВД ........................................................................................... 27Глава 2. Идентификация параметров прецизионного сервопривода .............. 292.1.Параметры прецизионного сервопривода ............................................... 292.2.Требования к процедуре идентификации ................................................

312.3.Электромеханическиепараметры,определяемыекомпонентамисервопривода ........................................................................................................... 322.4.Электромеханическиепараметры,определяемыекомпонентамисервопривода, а также конструкцией механической части установки. ............

332.4.1. Идентификация динамической механической добротности. ................ 332.4.2. Механические возмущения ....................................................................... 352.5.Определение тепловых ограничений. ...................................................... 422.6.Программное обеспечение для определения электромеханическихпараметров линейного электропривода ЭЛК. ......................................................

462.7.Программноеобеспечениедляпроектированиялинейногоэлектропривода ЭЛК............................................................................................... 4742.8.Заключение по главе .................................................................................. 48Глава 3. Совершенствование алгоритмов системы управленияпрецизионного сервопривода ............................................................................. 493.1.Совершенствование задатчика тока вентильного двигателя .................

503.1.1. Определение задания продольного тока вентильного двигателя ......... 513.1.2. Определение задания поперечного тока вентильного двигателя .......... 543.2.Динамическаямодельвентильногодвигателядлярасчетапрограммных связей по напряжению ................................................................... 583.3.Совершенствование генератора траектории ........................................... 593.4.Калибровка силы вентильного двигателя ................................................ 623.5.Калибровка положения электропривода.................................................. 643.6.Заключение по главе.

................................................................................. 68Глава 4. Использование системы на кристалле в прецизионном сервоприводе................................................................................................................................... 694.1.Структура проекта на базе СнК ................................................................ 694.2.Разработка СУ ВД на базе ПЛИС ............................................................. 704.3.Пример использования Xilinx system generator for DSP для генерациипрограммного кода ПЛИС. ....................................................................................

724.4.Разработка системы управления вентильного двигателя на базесистемы на кристалле. ............................................................................................ 754.5.Полоса пропускания контура тока сервопривода с ПЛИС .................... 784.6.Модуль управления токами вентильного двигателя с многократнымрасчетом управляющего воздействия ...................................................................

824.7.Влияние задержек в контуре тока на динамические модели ВД .......... 844.8.Экспериментальные результаты ............................................................... 865Заключение ................................................................................................................... 88Литература....................................................................................................................

90Приложение 1. Список сокращений ........................................................................ 93Приложение 2. Перечень условных обозначений ................................................. 95Приложение 3. Комплектный линейный сервопривод серии ЭЛК ................ 100Приложение 4. Описание макета электропривода с СнК ................................. 106Приложение 5. Идентификация параметров на примере линейногосервопривода ЭЛК ..............................................................................................

108Приложение 6. Модель сервопривода в MatLab................................................. 1216ВведениеАктуальность темы исследования.Машиностроение – основа технологической независимости государства.Станкостроение – базовая отрасль машиностроения, которая в значительнойстепени определяет конкурентоспособность национальной промышленности.Обеспечение сильных рыночных позиций отечественного машиностроительногооборудования требует его комплектования современными отечественныминаукоемкими компонентами с характеристиками мирового уровня.В прецизионном машиностроении для реализации быстрых и высокоточныхперемещенийвэлектроэрозионные,режимевоспроизведенияшлифовальныестанки)траекториинашли(лазернаяширокоерезка,применениеэлектрические приводы с рабочим органом, жестко соединенным с электрическоймашиной – прямые (безредукторные) приводы. При этом обычно используютсясинхронные электрические машины с постоянными магнитами (СМПМ)работающие в режиме вентильного двигателя (ВД), при котором поля первичнойи вторичной частей машины неподвижны относительно друг друга.

Термин ВДотносится к системе, предназначенной для воспроизведения заданной величиныэлектромагнитной силы (момента) и состоящей, как правило, из электрическоймашины,датчикаположения(ДП),электрическогопреобразователяиуправляющей электроники. Отсутствие редуктора и упругих связей между ВД ирабочим органом (РО) приводит к тому, что ВД становятся приближенными кидеальному источнику силы, приложенной непосредственно к РО. Такиеэлектроприводы (ЭП) обладают высокой точностью, плавным ходом, широкойполосой пропускания, высокими энергетическимии массогабаритнымипоказателями, а также относительно простым математическим описанием,обеспечивающим удобство построения системы управления (СУ).Известные производители прямых приводов - компании Siemens, Yaskawa,Hitachi, Heidenhain, Sodick, LTI и десятки других, с продукцией которых придется7конкурироватьперспективнымотечественнымразработкам.Приэтом,отечественные сервоприводы должны, как минимум, не уступать зарубежныманалогам по техническим показателям, которые должны быть достигнуты приминимальной стоимости всего изделия.Некоторые современные требования, предъявляемые к прецизионномусервоприводудляточногомашиностроения(напримерелинейногосервопривода):• двусторонняя точность позиционирования:без калибровки: 10 мкм/м;с калибровкой: 1 мкм/м;• дискретность позиционирования: 500нм;• скорость: 4 м/с;• полоса пропускания по току 4 кГц;• полоса пропускания по скорости 1,5 кГц.Получение перечисленных показателей достигается не только за счетсовершенствования конструкции станка и электромеханического преобразователяпривода, но и, в значительной мере, за счёт оптимального построения СУ ЭП.Постоянное повышение эксплуатационных характеристик становится возможнымблагодаря развитию цифровой техники.