close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

код для вставкиСкачать
СОДЕРЖАНИЕ
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ……..………………………………………….…………5
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………………6
1. КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ…...………………………………………………………..9
1.1. Анализ технического задания и уточнение задачи проектирования……………...…….9
1.2. Обзор литературы и анализ состояния вопроса…………………………………...……..10
1.3. Блок схема системы автоматического управления (САУ) положением антенны...….15
1.5. Разработка функциональной схемы привода………………………………………...…..17
1.4 Расчёт нагрузок, приведённых к валу двигателя…………………………………………18
1.6. Выбор элементов системы……………..…………...……………………………………..20
1.7. Выбор драйвера…………….………………………………………………………………23
1.8. Разработка принципиальной схемы контроллера………………………………..………26
1.9. Расчёт САУ……………………...………………………………………………………….32
1.10.
Выводы
по
разделу
……………………………………………………………………….52
2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ………………...…………………………………………53
2.1. Конструкторско-технологическое обоснование конструкции печатной платы………53
2.2. Анализ технологичности ПУ усилителя………………………………………...……….60
2.3. Разработка технологического процесса сборки ПУ усилителя…………………..…….64
2.4. Разработка программы сверления отверстий…………………………………………….71
2.5. Выводы по разделу...………………………………………………………………………71
3. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ………………….…………………………….72
3.1. Цель экономического обоснования……………………………………………………….72
3.2. Расчет трудоемкости и сметы затрат на проектирование……………………………….73
3.3. Расчет себестоимости и цены…………………………………………………………......78
3.4. Выводы по разделу………………………………………………………………………...82
4. РАЗДЕЛ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ И ОХРАНЫ ТРУДА……………………………83
4.1. Основные гигиенические требования к ПЭВМ и рабочему месту для работы с
ПЭВМ…………………………………………………………………………………………....83
4.2. Определение соответствия освещённости рабочего места гигиеническим
требованиям……………………………………………………………………………………..89
4.3. Определение соответствия уровня шума на рабочем месте гигиеническим
требованиям……………………………………………………………………………………..91
4.4. Выводы по разделу………………………………………………………………………...93
ЗАКЛЮЧЕНИЙ………………………………………………………………………………...94
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ……………………………………………………………………..95
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
ДБМ – двигатель бесконтактный моментный;
ЭМП – электромеханический привод;
ДПР – датчик положения ротора;
ДУП – датчик угла поворота;
СУ – система управления;
САУ – система автоматического управления;
САР – система автоматического регулирования;
ОУ – объект управления;
КЧХ – комплексная частотная характеристика;
АЧХ – амплитудная частотная характеристика;
ПУ – печатный узел;
ТЗ – техническое задание.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из актуальных задач авиастроения является модернизация
вооружения уже существующих боевых самолетов с целью продления срока
их службы на 10-15 лет.
Одной из задач, которая частично решается в настоящем дипломном
проекте, является модернизация или замена радиолокационных станций
(РЛС).
В настоящее время практически все боевые самолеты оснащены
прицельными комплексами с устаревшими типами РЛС. Для расширения
возможностей РЛС их заменяют на более
современные комплексы,
например, на антенные станции с активной фазированной решеткой (АФАР).
В
задачи
собственной
радиолокационной
станции
современного
авиационного ударного комплекса входит
 самостоятельное обнаружение целей;
 приём целеуказания от внешних средств обнаружения;
 автосопровождение нескольких целей;
 измерение координат целей;
 выдача целеуказаний ракетному оружию;
Для успешного решения поставленных задач антенные установки нового
поколения оснащаются прецизионными приводами наведения антенны.
Целью
автоматического
дипломного
цифрового
проекта
следящего
является
проектирование
электропривода
антенны
модернизируемой радиолокационной станции (АФАР) в составе системы
управления самолётного комплекса автосопровождения воздушных целей.
Задачей проектируемого автоматического привода
является изменение
положения (позиционирование) антенны радиолокатора в азимутальной
плоскости при сопровождении цели, а также вращение её в заданном секторе
сканирования при поиске цели. Положение антенны задаётся сигналом
управления от внешней бортовой ЭВМ.
В первом, конструкторском, разделе проекта решаются следующие
задачи.
На основании обзора литературы проведен анализ состояния вопроса,
рассмотрены отечественные и зарубежные аналоги проектируемого привода.
Представлена блок схема
системы автоматического управления (САУ)
положением антенны, определено место проектируемой системы в антенной
установке.
Разрабатываемый
в
дипломном
проекте
модуль
электромеханического привода антенны является одной из основных
составной частей САУ положением антенной установки.
Уточнено техническое задание и разработана функциональная схема
без редукторного моментного привода антенны. Выполнен расчёт нагрузок,
приведённых к валу двигателя, на основании этого расчета произведен
выбор исполнительного двигателя системы. В качестве исполнительного
двигателя выбран специальный синхронный высокомоментный двигатель
RSMR-T24-145.
Для этого исполнительного двигателя разработана принципиальная
схема силовой части модуля управления (инвертор-усилитель мощности).
Это высокоэффективный интегрированный трёхфазный мостовой драйвер с
защитой по напряжению и току.
Основой цифровой системы управления является контроллер. Расчет и
выбор схемы был сделан в пользу Atmega128 фирмы Atmel, как наименее
дорогостоящий, простой в эксплуатации, с доступной информационной
поддержкой со стороны производителя, в том числе и русскоязычной, что
немало важно.
Важнейшей частью конструкторского раздела проекта является расчет
привода как замкнутой системы управления и его моделирование с целью
уточнения выбранных средств коррекции. В первом разделе приведена
разработанная математическая модель и проведённый на её основе расчет
САУ.
С помощью программы объектно-ориентированного моделирования VisSim
произведено моделирование системы в типовых режимах.
Приведена
реализация
закона
управления
на
выбранном
микроконтроллере.
Bo-втором,
технологичности
технологическом,
печатного
узла
разделе
цифрового
приведен
анализ
контроллера;
детально
разработан технологический процесс сборки печатного узла контроллера.
В
экономическом
разделе
произведен
анализ
себестоимости
разработки на этапе НИР.
В разделе "Безопасность жизнедеятельности" произведен анализ
безопасности человека на территории, прилегающей к работающей антенне
АФАР.
1 КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ
1.1 Анализ технического задания и уточнение задачи проектирования
1.1.1 Назначение
Электропривод предназначен для вращения антенны, установленной на
выходном валу двигателя в двух режимах:
- позиционирование антенной решетки на заданном угле с её фиксацией,
перерегулирование не допускается;
- сканирование антенны по заданному из внешнего устройства закону, в
заданном угловом секторе.
Электропривод должен быть построенным на основе синхронного
двигателя типа ДБМ.
Одновременно
производится
измерение
абсолютной
угловой
координаты положения антенны и передача её на внешнее устройство
(антенный вычислитель).
1.1.2 Состав и конструкция
Привод состоит:
- исполнительный бесколлекторный моментный двигатель (ДБМ);
- преобразователь (коммутатор) для питания (коммутации) обмоток
двигателя;
- датчик положения оси антенны (ротора двигателя) (СКВТ);
- аналогово-цифровой преобразователь вращающегося трансформатора
(АЦПВТ);
- микропроцессорный контроллер управления приводом.
- электромеханический тормоз (фиксатор положения антенны),
- Привод и
объект управления (антенна) установлены на основании
(монтажной плите).
Конструкция
механических
антенной
ограничителей,
установки
предусматривает
предотвращающих
круговое
установку
вращение
антенны при неконтролируемом выходе привода из запретной зоны (176° 180°). Ограничители снабжены пассивными амортизаторами для смягчения
ударной нагрузки на антенну. При входе в запретную зону по командам от
концевых выключателей контроллер управления снимает питание с
двигателя и обеспечивает вывод антенны из запретной зоны.
1.1.3 Функции
Система управления приводом должна представлять собой систему
регулирования положения, в которой сигнал задания
поступает от ЭВМ
верхнего уровня через последовательный интерфейс RS-485, сигнал обратной
связи
по
положению
поступает
с
датчика
положения.
В
случае
необходимости обратной связи по скорости, для обеспечения устойчивого
переходного процесса, сигнал обратной связи по скорости должен
формироваться в системе управления.
Система управления приводом должна обеспечивать:
- формирование в обмотках двигателя токов синусоидальной формы, и,
как следствие равномерность механического момента на валу двигателя;
- выполнение системой электромеханических характеристик: момент
нагрузки не более 40 Нм, момент инерции нагрузки не более 400 Нмс2.
Объем контролируемой аппаратуры, и реализация функции контроля
уточняются в процессе разработки.
1.1.4 Технические требования.
Кинематические требования.
- Диапазон углов прокачки антенны от начального положения, град.
±176
- Привод должен обеспечить точность позиционирования при остановке в
любой рабочей точке сектора с погрешностью, угл. мин, не более
30
- Выход на заданный угол позиционирования без перерегулирования с
максимальной
скоростью,
град/сек
120
- Сканирование антенны осуществляется в секторе, град.
± 176
- При сканировании привод обеспечивает вращение антенны с заданной
из внешнего устройства постоянной скоростью.
Сило-моментные нагрузки и динамические возмущения на привод.
- Масса антенной решётки кг, не более
30
- Момент инерции антенны, приведенный к оси вращения, кгм2, не более
4
- Напряжение питания силовой части, В (действующее значение, линейное)
200
- Род тока
переменный, 3-х фазный
- Частота тока, Гц
400
- Потребляемая мощность, Вт, не более
400
- Напряжение питания цифровой части, В
5
- Род тока
постоянный
- Погрешность измерения углового положения ротора (выходной оси
антенны),
угл.
мин,
не
более
5
- Интерфейс управления – RS-485 (согласовывается в ходе проектирования).
1.2 Обзор литературы и анализ состояния вопроса
Электромеханический привод (ЭМП) – это управляемая система,
осуществляющая преобразование электрической энергии в механическую.
Широкое распространение ЭМП обусловлено особенностями электрической
энергии - возможностью передавать ее на любые расстояния, постоянной
готовностью к использованию, легкостью превращения в любые другие виды
энергии.
В
развитых
странах
ЭМП
потребляют
более
60%
всей
производимой электроэнергии. Управление ЭМП является одной из
основных
проблем
теории
автоматического
управления.
Вопросам
управления потоком энергии, сбора и обработка информации о состоянии
системы,
диагностика
ее
неисправностей
посвящено
значительное
количество работ [1...6], в которых описаны основы методологии анализа и
синтеза, а также особенности практической реализации различных вариантов
ЭМП.
Современное
развитие
математических
методов,
вычислительных
средств, элементной базы и технологии способствовало активизации
исследований в области разработки и использования ЭМП, позволило
сократить
массогабаритные
характеристики,
повысить
надёжность
и
экономичность, а также снизить их стоимость.
Существенным результатом в этой области является создание ЭМП с
бесконтактными моментными электродвигателями, в частности двигателей
серии ДБМ [7]. В настоящее время электродвигатели ДБМ применяют в
своих изделиях более 80 предприятий России и государств СНГ. Термин
«моментный электродвигатель» означает, что двигатель спроектирован по
наибольшему удельному моменту в единице массы и электрических потерь в
обмотке. При определённой схеме управления такие двигатели могут
работать в режимах синхронного и шагового, а также в режиме
электродвигателя постоянного тока, сохраняя присущий последнему,
широкий диапазон регулирования частоты вращения. Потребитель имеет
возможность
изменять
программирование
его
характеристики
параметров.
привода,
Применение
осуществлять
высококоэрцитивных
магнитов решает также задачу обеспечения устойчивости электродвигателя к
значительным
перегрузкам
по
току
и
моменту
и
позволяет
не
предусматривать никаких специальных мер защиты их от размагничивания, а
отсутствие коллекторно-щеточного узла значительно повышает надёжность
двигателя, предоставляя, таким образом, возможность функционирования в
самых тяжелых условиях и режимах. Двигатели серии ДБМ в соответствии с
технической документацией на них [8] могут применяться во всех режимах –
от S 1 до S 8 по ГОСТ 183-74, без ограничения по частоте пусков и реверсов,
при любой форме и частоте фазных напряжений, любой схеме соединения
секций фаз и любом виде нагрузки; ограничения по применению
определяются только условиями нагрева и предельными амплитудными
значениями тока и напряжения. Поскольку функциональные возможности
электродвигателей ДБМ весьма широки, а задачи, выполняемые ЭМП,
разнообразны,
разработка
универсального
устройства
управления
нецелесообразна [7]. Поэтому в подавляющем большинстве случаев
разработка и изготовление этих устройств осуществляется по заказной
технологии под конкретное применение.
Так, в работе [9] описана обобщенная структура логического автомата,
управляющего процессами коммутации ключевых элементов импульсного
усилителя мощности для регулирования направления и скорости вращения. В
статье [10] показаны подходы к разработке на заказ электронных
преобразователей на базе унифицированных модулей для ЭМП. Приводятся
результаты применения этих подходов. Работа [11] посвящена одному из
наиболее перспективных типов ЭМП на базе вентильных индукторных
двигателей с электромагнитным возбуждением, развитие которого стало
возможным благодаря успехам современной силовой и управляющей
электроники. Широта возможных областей применения привода этого типа,
наряду с простотой конструкции, объясняется хорошей управляемостью,
включая прямое цифровое векторное управление моментом и скоростью, а
также особенностями машины, допускающей создание встраиваемых
устройств, например, мотор-колес. Отмечено, что приоритет в развитии этого
типа ЭМП принадлежит отечественным специалистам. В статье [12]
рассматриваются особенности выполнения заказных разработок систем
управления для ЭМП на базе сигнальных
Анализируются
возможности
создания
DSP-микроконтроллеров.
универсальных
и
специализированных контроллеров привода. ЭМП серии ЭДБМ (Рис.1.1)
представляет
интегрированное
собой
в
функционально
единую
завершенное
конструкцию,
включающее
устройство,
в
себя
электродвигатель ДБМ, систему управления и датчик положения ротора [13].
Рис.1.1 ЭМП серии ЭДБМ. Общий вид
ЭМП имеет сквозное осевое отверстие, что позволяет применять его в
конструкциях с проходным валом (Рис.1.2). Небольшой размер в осевом
направлении позволяет легко встраивать ЭМП в различные устройства и
агрегаты.
Рис.1.2 ЭМП серии ЭДБМ. Разрез.
Конструкция электропривода обеспечивает возможность монтажа со
стороны блока управления как вспомогательных устройств (ручных
дублеров, датчиков, механических указателей положения и т.п.), так и
силовых, нагружающих электропривод рабочими крутящими моментами.
ЭМП разработаны для применения в сложных условиях эксплуатации:
широкий температурный диапазон работы и хранения, устойчивость к
ударным и линейным ускорениям, вибрационным перегрузкам.
В системе управления ЭМП (рис.1.3), построенной на базе 16разрядного DSP-микроконтроллера, реализованы цепи для подключения
внешних устройств и датчиков, а так же защиты от переполюсовки
напряжения питания, кратковременных бросков напряжения, короткого
замыкания в обмотках двигателя, и перегрева двигателя ДБМ. В DSPмикроконтроллере выполнен контур управления приводом замкнутый по
углу, скорости и моменту.
Рис.1.3 ЭМП серии ЭДБМ. Структура САУ.
Настройка
параметров
контура
управления
осуществляется
по
гальванически развязанному интерфейсу RS-485 с гибким протоколом
обмена. ЭМП может быть адаптирован для решения конкретных задач, как на
программном, так и на аппаратном уровне.
Приводы, управляемые по развитым алгоритмам с помощью
микроконтроллеров, имеют ряд преимуществ:
• Увеличение энергетической эффективности системы регулирование
скорости снижает потери мощности в двигателях;
• Усовершенствование функционирования цифровое управление может
добавить такие свойства, как интеллектуальные замкнутые контуры,
изменение частотных свойств, диапазона контролируемых неисправностей и
способность к взаимодействию с другими системами;
• Простота обновления программного обеспечения системы на базе
микроконтроллеров
с
флэш-памятью
могут
быстро
изменять
при
необходимости свой алгоритм и регулируемые переменные.
Следует отметить, что использование микроконтроллера позволяет
осуществлять калибровку датчиков положения ротора и рабочего органа
программным способом, при необходимости осуществлять коррекцию
коэффициентов системы подчиненного регулирования положения.
C учетом конъюнктуры рынка при создании и, особенно, при
модернизации изделий спецтехники значительный интерес представляет
разработка цифровых устройств управления электромеханическим приводом
в модульном исполнении, что подтверждает и номенклатура разработок ряда
компаний (Intel, Texas Instruments, Analog Devices, Atmel и др.).
В
дипломном
управлениями
проекте,
приводов,
проанализировав
тенденции
развития
был разработан цифровой модуль управления
ЭМП на основе двигателя ДБМ предназначенный для вращения антенны
АФАР.
1.3 Блок - схема системы автоматического управления (САУ)
положением антенны.
Как было показано ранее, разрабатываемая в дипломном проекте
система управления электромеханическим приводом антенны является
составной частью системы автоматического управления (САУ) положением
антенной установки. Основными элементами этой САУ (рис. 1.4) являются
электромеханический привод, микроконтроллер, драйвер и антенная часть
(антенно-фидерный тракт).
Рис.1.4 Блок схема САУ
В состав исполнительного механизма входят объединенные в едином
конструктивном блоке исполнительный двигатель ДБМ, с датчиком
положения ротора (ДПР).
Объектом управления в САУ является исполнительный механизм
(электропривод антенны).
Основной задачей САУ являются обеспечение соответствия текущего
значения выходной величины сигналу задания, поступающему из системы
более высокого иерархического уровня. Управляемой величиной является
угол поворота выходного вала . Так как антенна должна обеспечивать
круговой обзор.
С учетом того, что проектируемая САУ, входит в состав более общей
системы с обратной связью по информативному параметру, допускается
основная,
приведенная
к
максимальному
значению
угла
поворота,
статическая погрешность, ограниченная величиной 0,5% (без учета
погрешности формирования сигнала обратной связи по положению).
Регулирующим воздействием в рассматриваемой системе является
сигнал задания положения, формируемый блоком управления ЭВМ.
Управляющим воздействием является сигнал на исполнительный двигатель.
Основным
неконтролируемым
возмущением
является
вариация
момента нагрузки в пределах от нулевого до максимального значения.
Наряду с моментом нагрузки, в качестве возмущений следует рассматривать
и ряд других величин, прежде всего вариации напряжения питания и
температуры окружающей среды.
1.4 Разработка функциональной схемы привода.
Исходя из приведённых в техническом задании данных, была составлена
функциональная схема привода (рис.1.5), содержащая следующие основные
части:
 исполнительный бесконтактный моментный двигатель;
 датчик углового положения ротора;
 аналого-цифрового
преобразователя
сигналов
вращающегося
трансформатора;
 микропроцессорный контроллер;
 объект управления (антенна АФАР).
 информационный последовательный канал на основе RS-485;
 инвертор??
 А как остальное назвать?
Рис.1.5 Функциональная схема системы.
1.5 Расчёт нагрузок, приведённых к валу двигателя
Рис. 1.6 Модель механической части
Будем считать, что к системе (рис.1.6) приложены два момента электромагнитный момент М, развиваемый двигателем, и момент Мс,
создаваемый нагрузкой, а также потерями механической части (трение);
каждый момент имеет свою величину и направление. Движение системы
определяется вторым законом Ньютона:
 MС  М  J
d
,
dt
(1.1)
где - угловая скорость,
J- суммарный момент инерции.
В нашей системе между двигателем и нагрузкой находится механическая
передача, т.е. имеется несколько различных валов со своими моментами и
скоростями. Для сведения реальной системы к простейшей модели на рис. 1.6
нужно выполнить ряд операций, называемых приведением моментов и
моментов инерции к некоторому выбранному в качестве основного валу,
обычно - к валу двигателя. Иными словами, некоторую реальную
механическую систему, например, показанную на рис. 1.7.а, нужно заметить
эквивалентной системой (рис. 1.7,б), такой, чтобы эта замена не отразилась
на поведении части системы, оставленной неизменной (двигателя).
Рис.1.7 К приведению МСМ и JНАГР к валу двигателя.
Примем следующие допущения: система жесткая, без зазоров; моменты
инерции, относящиеся к основным валам, неизменны, относящиеся к
промежуточным валам, если такие есть, равны нулю. В реальной и
приведенной системах должны остаться неизменной мощность, развиваемая
двигателем M , т.е. в нашем случае, когда потери покрываются двигателем
(М и  направлены согласно).
Рассчитаем по формуле 1.1 необходимый момент. Для этого
необходимо
рассчитать
Мс ,
момент
сопротивления,
который
будет
складываться из момента неуравновешенности, вызванного отклонением
центра масс антенны от оси ее вращения, момента сопротивления кабеля
антенны и момента сухого трения. Найдем каждую составляющую:
Мну =  ∙  ∙  ∙ ,
где m – масса антенного блока,
δ – отклонение центра масс антенного блока от оси вращения,
γ – максимальный угол отклонения.
γ = ±50º, этот угол обусловлен отклонением оси антенны от вертикали,
например вследствие отклонения самолета от вертикали.
Тогда: Мну

=  ∙  ∙  ∙  = 30 ∙ 9.8 ∙ 0.03 ∙ 50° =
= 6.76 (Н ∙ м)
Мс каб = С ∙ ,
где С =0.064 Н ∙ м⁄рад
α – угол поворота антенны.
Тогда : М с каб  = 0.064 · 176° ∙

90
° = 0.39 (Н ∙ м)
Мс тр = Мс тр

∙ .
Момент сухого трения зависит от направления вращения и
представляет собой функцию сигнатуры от скорости вращения. При
маленьких скоростях наблюдается так же резкий скачок момента, но
аппроксимируем то нежелательное явление до привычного вида
сигнатуры, обеспечив выбор двигателя с пусковым моментом больше,
чем требуется.
Мс тр

= 0.3 (Н ∙ м)
Теперь необходимо рассчитать требуемый электродинамический
момент, развиваемый двигателем, чтобы обеспечить требуемое
ускорение:
Мэ/дин = 

,

где J - момент инерции объекта оси вращения.

 20
=4∙
∙
= 33.5 (Н ∙ м)

30 0.25
Используя полученные выше значения, найдем максимальный момент,
Мэ/дин = 
который должен развить двигатель:
М=М
э
дин
+ Мс тр

+ М с каб  + Мну

=
= 33.5 + 0.3 + 0.39 + 6.76 = 40.95 (Н ∙ м)
1.6 Выбор элементов системы
В качестве электромеханического преобразователя для привода
слежения был взят моментный двигатель RSMR-T24-145x25 (рис.1.8),
обеспечивающий необходимый выходной момент при приемлемой для
привода скорости.
Рис.1.8 Моментный двигатель RSMR-T24-145x25.
Конструкция двигателя:
Двигатель серии RSMR состоит из неподвижного шихтованного статора с
трехфазной системой обмоток, залитых теплопроводящим компаундом и
вращающегося
постоянными
стального
магнитами.
ротора
с
наклеенными
Равномерность
редкоземельными
перемещения
и
точность
позиционирования достигается синусоидальной модуляцией токов статора и
регулированием их амплитуды в зависимости от рассогласования по
положению. Усилие передается непосредственно через воздушный зазор, т.е.
отсутствует
механическая
трансмиссия.
Это
гарантирует
высокие
точностные и динамические параметры, и надежность двигателя.
Свойства:
 Трехфазный синхронный высокомоментный серводвигатель.
 Безредукторный привод, отсутствие люфта, низкая высота 42 мм,
полый вал Ø40 мм.
 Встроенный
подшипник,
прецизионный
синусный
шариковый
оптический
радиально-упорный
инкрементальный
датчик
положения, термисторы защиты от перегрева.
 Высокие точность, повторяемость, разрешение, равномерность частоты
вращения.
Основные параметры двигателя RSMR-T24-145x25 приведены в табл.1.1.
Таблица 1.1
В качестве датчика углового положения ротора в системе управления
был выбран датчик БВТА100-16-С30 бесконтактный многополюсный ВТ
типа "редуктосин", двухотсчетный аксиального исполнения ("А") (рис.1.9).
Рис.1.9 Внешний вид датчика БВТА100-16-С30.
Выбранный датчик обеспечивает точность ±30", что соответствует
требуемой точности. Особенностью датчика является
возможность его
эксплуатации в жёстких условиях. Основные характеристики датчика
приведены в табл.1.2.
Таблица 1.2
Габариты, мм DxL
100 x 40
Внутренний диаметр ротора, мм
50
Тип выводов
гибкие
Число электрической редукции
16 и 3
Напряжение возбуждения, В
12
Частота напряжения возбуждения, Гц 2000
Полное входное сопротивление, Ом
150
Коэффициент трансформации
0,1 и 0,2
Погрешность следования, угл. ед.
,±45",±60" и ±56'
Частота вращения, об/мин
3000
Масса, кг, не более
0,84
В качестве аналого-цифрового преобразователя сигналов вращающегося
трансформатора был выбран АЦПВТ-16П-Д1К (рис.1.10).
Основные
характеристики датчика приведены в табл.1.3.
Таблица 1.3
Тип преобразователя
АЦПВТ-16П-Д1К
Тип первичного датчика
БВТ100
Число разрядов кода угла
16
Погрешность смены кода
3,0"
Предельная частота вращения вала, рад/с
5,0
Тип выходного кода
Параллельный
Напряжения питания, В
±5, ±15
Габариты, мм
100х100х16
Диапазон рабочих температур, °С
0...±50
Рис.1.10 Внешний вид АЦПВТ-16П-Д1К .
1.7 Инвертор.
В
качестве
усилителя
мощности,
питающего
фазные
обмотки
исполнительного двигателя, была реализована схема с драйвером DRV8402
фирмы Texas Instruments (рис.11).
Рис.1.11 ДрайверDRV8402 (расположение выводов).
DRV8402
–
это
высокоэффективный
интегрированный
двойной
полномостовой моторный драйвер с усовершенствованной системой защиты.
Из-за низкого сопротивления канала RDS(on) (сток-исток в открытом
состоянии) и саморегулируемого затвора двигателя, К.П.Д. этого моторного
драйвера может доходить до 96%, что позволяет использовать блоки питания
и радиаторы меньшей мощности и является хорошим вариантом для
рационального использования энергии. На управляющие входы драйвера
поступают широтно-модулированные сигналы непосредственно с выходов
управляющего процессора. При параллельном полномостовом действии,
DRV8402 может работать при частоте переключения до 500 kHz. У
устройства
также
имеется
инновационная
защитная
система,
интегрированная в тот же кристалл, предохраняя устройство от широкого
спектра дефектов, которые могут повредить системе. Эти предохранительные
устройства защищают от короткого замыкания, перегрузки по току,
пониженного напряжения, а также обеспечивают двухступенчатую тепловую
защиту. У DRV8402 токоограниченная цепь, предотвращающая отключение
прибора в течение нагрузок от переходных процессов, таких как включение
двигателя.
Принципиальная схема инвертора представлена на рис.1.12.
Рис.1.12 Принципиальная схема инвертора.
Для хорошей работы системной схемы, драйвер DRV8402 необходимо
запитать напряжением 12V. С этой целью использовался преобразователь
напряжения DKA 15B-12 производства фирмы Mean Well, способный
работать в заданном диапазоне температур.
Для обеспечения электрических особенностей, путь прохождения сигнала
PWM, включая вентиль-формирователь и выходной каскад, разработан в
форме идентичных независимых полумостов. В связи с этим каждый
полумост имеет отдельное питание вентиля-формирователя (VdG_X),
выводы начальной загрузки (Bstrp_X), и выводы питания силового каскада
(Vdd_Bridge_X). Особое внимание нужно уделить расположению всех
разделяющихся конденсаторов настолько близко к их выводам, насколько
возможно.
Для более правильной работы схемы начальной загрузки, нужно каждый
вывод начальной загрузки (Bstrp_X) соединить с выходным выводом
(OUT_X)
силового
каскада
посредством
маленького
керамического
конденсатора. Когда пропускная способность силового каскада низка,
конденсатор начальной загрузки заряжен через внутреннее диодное
соединение между выводом блока питания вентиля-формирователя (VdG_X)
и выводом начальной загрузки. Когда мощность силового каскада велика,
потенциал
конденсатора
начальной
загрузки
превышает
потенциал
мощности, и таким образом обеспечивает подходящее вольтажное питание
для вентиля-формирователя высокого напряжения.
1.8 Разработка принципиальной схемы контроллера
Выбор микроконтроллера является одним из важных решений, от которого
зависит успех или провал задуманного проекта, при этом необходимо учесть
и оценить большое количество факторов.
Основная цель выбрать наименее дорогое устройство, чтобы снизить
общую стоимость системы, но в то же время удовлетворяющее требованиям
системы
(производительности,
надёжности,
простоты
обслуживания,
ремонтопригодности, дальнейшего усовершенствования и т.д.).
Управление электроприводами требует значительной производительности
микроконтроллера и использования специализированных процессоров,
адаптированных к решению задач цифрового регулирования в реальном
времени. Ряд фирм (Intel, Texas Instruments, Analog Devices, Atmel и др.)
выпускают контроллеры для управления двигателями на базе процессоров
для
обработки
сигналов.
производительность, но
и
Они
не только
содержат ряд
обеспечивают
встроенных
требуемую
периферийных
устройств, предназначенных для оптимального сопряжения с силовыми
преобразователями
электронном
и
блоке
датчиками
обратных
управления
связей.
предполагалось
В
частности,
в
использование
микроконтроллеров семейства TMS320F28xx фирмы Texas Instruments.
В дальнейшем, выбор был сделан в пользу Atmega128 фирмы Atmel
(рис.1.13) как наименее дорогостоящий, простой в эксплуатации, с доступной
информационной поддержкой со стороны производителя, в том числе и
русскоязычной, что немало важно.
Корпорация ATMEL, основанная в 1984, является в настоящее время
признанным мировым лидером в областях разработки, производства и
маркетинга современных электронных компонентов, включая логические
микросхемы
с
расширенными
функциональными
возможностями,
микросхемы энергонезависимой памяти, а также интегральные схемы для
радиочастотного диапазона и для смешанной обработки сигналов.
ATMEL-одна из немногих прогрессивных компаний, способных к
объединению различных типов микроэлектронных ячеек на площади единого
кремниевого кристалла. Кремниевые пластины изготавливаются по самым
современным технологиям, включая BiCMOS, CMOS и SiGe, при этом
энергонезависимая память большого объема, логические элементы и
аналоговые электронные ячейки комбинируются интегральным способом в
одну микросхему.
Рис.1.13 Контроллер Atmega128 (расположение выводов).
ATmega128 – маломощный 8-разр. КМОП микроконтроллер, основанный
на расширенной AVR RISC - архитектуре. За счет выполнения большинства
инструкций
за
один
машинный
цикл
ATmega128
достигает
производительности до 16 млн. операций в секунду/МГц, что позволяет
проектировщикам систем оптимизировать соотношение энергопотребления и
быстродействия.
Ядро AVR сочетает богатый набор инструкций с 32 универсальными
рабочими регистрами. Все 32 регистра непосредственно подключены к
арифметико-логическому устройству (АЛУ), который позволяет указать два
различных регистра в одной инструкции и выполнить ее за один цикл.
Данная архитектура обладает большей эффективностью кода за счет
достижения производительности в 10 раз выше по сравнению с обычными
CISC-микроконтроллерами.
Микроконтроллер
производится
по
технологии
высокоплотной
энергонезависимой памяти компании Atmel. Встроенная внутрисистемного
программируемая флэш-память позволяет перепрограммировать память
программ
непосредственно
внутри
системы
через
последовательный
интерфейс SPI с помощью простого программатора или с помощью
автономной программы в загрузочном секторе. Загрузочная программа
может использовать любой интерфейс для загрузки прикладной программы
во флэш-память. Программа в загрузочном секторе продолжает работу в
процессе
обновления
прикладной
секции
флэш-памяти,
тем
самым
поддерживая двухоперационность: чтение во время записи. Поддерживается
полным набором программных и аппаратных средств для проектирования, в
т.ч.:
Си-компиляторы,
отладчики/симуляторы,
макроассемблеры,
внутрисистемные
эмуляторы
программные
и
оценочные
наборы[14].
Основные параметры процессора приведены в табл.1.4.
Таблица 1.4
Atmega128
Производительность, MIPS
F, МГц
16
от 0 до 16
Память: Flash, К
128
Память: RAM, К
4
Память: EEPROM, К
4
Порты ввода/вывода ( I/O), шт
32
Каналы ШИМ, шт
6
Таймеры: 8-бит, шт
2
Таймеры: 16-бит, шт
2
Таймеры: Каналов ШИМ, шт
8
Интерфейсы: SPI, шт
1
Аналоговые входы: разрядов АЦП, бит
Аналоговые входы: каналов АЦП, шт
VCC,В
10
8
от 4.5 до 5.5
от -55 до 85
TA,°C
Корпус
TQFP
Принципиальная схема контроллера представлена на рис.1.14.
Рис.1.14 Принципиальная схема контроллера.
Питание:
Для работы микроконтроллерам серии AVR необходимо подать питание.
На все входы Vcс, AVcc (также питание для порта А), AREF подаём 5 вольт, а
все входы GND ведём на землю. Ставим керамический конденсатор на 100нФ
между Vcc и GND у каждой микросхемы, как можно ближе к выводам
питания - он сгладит краткие импульсные помехи в шине питания вызванные
работой цифровых схем. Конденсатор между AVcc и GND дополнительно
успокоит питание на АЦП.
Для
определения
наличия
питания
микроконтроллера
подключаем
светодиодную лампочку, предварительно подтянув её резистором в 510Ом.
Это необходимое условие, так как прямое сопротивление светодиода мало,
если не ограничивать ток, то он может сгореть.
Схема сброса:
У AVR есть своя внутренняя схема сброса, а сигнал RESET изнутри уже
подтянут резистором в 100кОм к Vcc, но подтяжка это слишком маленькая,
так как контроллер ловит сброс, например, от касания пальцем ножки RST.
Поэтому RST подтягиваем до питания резистором в 10к и конденсатором на
1мкф. При включении схемы конденсатор разряжен и напряжение на RST
близко к нулю — микроконтроллер не стартует, так как ему непрерывный
сброс. Но со временем, через резистор, конденсатор зарядится и напряжение
на RST достигнет лог1 - процессор запустится. Задержка будет примерно
T=R*C - около 1 секунды. Эта задержка нужна для того, чтобы контроллер
не начал работу раньше, чем все девайсы платы запитаются и выйдут на
установившийся режим.
Функции контроллера:
 генерация ШИМ-сигналов для усилителей, управляющих напряжением
на обмотках двигателя;
 считывание данных с датчика обратной связи об угловом положении
ОУ;
 считывание данных с датчика положения ротора;
 связь с ЭВМ через последовательный интерфейс RS-485.
1.9 Расчёт САУ
1.9.1 Цель и задачи проекта
Цель
разработки
корректирующего
заключается
устройства,
в
выборе
обеспечивающего
типа
и
параметров
требуемые
свойства
проектируемой САУ. При этом решаются следующие основные задачи:
 идентификация объекта управления, т.е. построение математической
модели исполнительного механизма;
 обоснование
рациональной
линеаризованной
САУ,
структуры
и
обеспечивающей
выбор
параметров
необходимые
запас
устойчивости и качество переходных процессов системы;
 уточнение параметров САУ с помощью имитационной модели,
учитывающей нелинейные свойства объекта управления;
1.9.2 Идентификация объекта управления
Далее
необходимо
построить
модель
устройства,
являющегося
преобразователем сигналов управления от иерархически более высокой части
системы
в
сигналы
управления
исполнительным
устройством
(электроприводом антенны). Для создания таких моделей необходимо учесть
инерционность
всех
звеньев
САУ.
Параметры
линейных
звеньев
определяются по техническим характеристикам соответствующих им
устройств.
Наличие в составе неизменяемой части САУ элемента с ШИМ
формально ведет к необходимости расчета процессов в САУ методами
теории дискретных систем, однако, выполнение условий, обоснованных в
работе [15] свидетельствует о возможности замены усилителя с ШИМ
эквивалентным непрерывным элементом с достаточной для практических
целей точностью.
В этом случае элемент с ШИМ может быть заменён нелинейным
усилителем "медленно меняющегося" сигнала. Где "медленно меняющейся"
будем считать функцию, спектр которой, в разложении по Фурье,
расположен в полосе пропускания непрерывной линейной части системы
(НЛЧ) с передаточной функцией Wнлч (рис.1.15). В проектируемой САУ
НЛЧ представляет собой объект регулирования и корректирующие цепи.
Рис.1.15 Структурная модель элемента с ШИМ
Условие принципиальной применимости данной модели можно
сформулировать следующим образом:
max1  exp jT 1,
(1.6)

где T - время, 0  ω  ωc– частота сигнала в полосе пропускания НЛЧ,
ограниченной сверху значением с.
Формула (4.1) математически описывает условие, при котором
функция
будет
«медленно
меняющейся».
При
этом
для
оценки
относительной погрешности, обусловленной такой заменой применяют
соотношение
(t)cp  0,25 E  max  T  WНЛЧ( j)

(1.7)
где E – максимальное значение выходного сигнала ШИМ. Причём
погрешность является допустимой при выполнении неравенства (1.7).
Частота широтно-импульсной модуляции определяется заимствованным
усилителем
мощности,
осуществляющим
поочерёдную
коммутацию
синусной и косинусной обмоток исполнительного двигателя, и составляет 20
кГц. Проверка условий (1.6 и 1.7) выполнена с помощью системы
автоматизации математических расчетов Mathcad 2000 Pro [16]. Фрагмент
расчетного документа показан на рис.1.16.
Рис.1.16 Проверка условий замены усилителя с ШИМ эквивалентным
непрерывным звеном.
Проведённые вычисления подтверждают возможность применения
эквивалентного непрерывного элемента в качестве модели устройства с
ШИМ с достаточной для практических целей точностью. Значение
погрешности удовлетворяет указанному в (1.7) условию и составляет
значение много меньше единицы.
С учётом результата расчёта и технических параметров усилителя
мощности с ШИМ, модель этого элемента можно представить в виде
последовательного
соединения
инерциального
звена
с
передаточной
функцией W3 и ограничителя (рис.1.17).
Рис.1.17 Модель звена с ШИМ.
Передаточная функция линейной части усилителя имеет вид:
W3 (p) 
K3
,
1  p  T3
(1.8)
где K3  UN / max{Uy}  2.7 – коэффициент передачи, зависящий от
номинального напряжения питания исполнительного двигателя (UN) и
максимального значения сигнала управления;
T3  103 c – постоянная времени усилителя.
Уровни ограничения эквивалентного выходного сигнала усилителя
мощности с ШИМ определяются напряжением питания.
Линеаризованную
математическую
модель
исполнительного
механизма строится на основе уравнений механики вращательного движения
[17]:
d 2 1
 (MД  MС ), ,
2
J
dt
где Θ – угол поворота ротора двигателя;
(1.9)
dΘ/dt = Ω и d2Θ/dt2 – скорость и ускорение вращения ротора,
соответственно;
МД - вращающий момент двигателя;
МС - момент сопротивления, включающий в себя сумму MN – момент
нагрузки, приведённый к валу двигателя и MT – момент трения;
J - момент инерции, приведённый к валу двигателя.
Преобразуем уравнение (1.9) с учетом моментной характеристики
исполнительного двигателя
MД  K1  U    ,
(1.10)
где U – напряжение питания исполнительного двигателя;
 -параметр,
называемый
«жесткостью»
характеристики
исполнительного электродвигателя;
K1-коэффициент.
Выполнив подстановку зависимости (1.10) в уравнение (1.9) получаем
линейную динамическую систему 2 порядка
 d
J  ( dt )      MP  M N  MT ,
,

d

 

dt
(1.11)
где MP  K1  U – пусковой момент.
Перейдем к изображениям по Лапласу.
Jp        MP  M N  MT ;
  p  J    MP  M N  MT  M0 ;
M0
 J 
   p   1,

  
В
результате,
выполненных
выше
преобразований,
получаем
передаточную функцию механической части объекта управления
W2 (p) 
K2

1/ 


,,
M0 p(J / )  1 pT2  1
(1.12)
где K2 = 1/β, T2 = J/β.
Таким образом, линеаризованная структурная модель механической
части привода может быть представлена в виде последовательного
соединения инерционного звена с передаточной функцией W2 и интегратора,
что показано на рис.1.18.
Рис.1.18 Модель механической части привода.
Электрическая часть привода представляет инерционное звено с
передаточной функцией:
W1 ( p) 
где
K1
,
1  p  T1
(1.13)
K1  MP / UN  0.085 – коэффициент передачи инерционного
звена;
T1  1103 c – электромагнитная постоянная двигателя.
Линеаризованная структурная модель привода в целом, построенная на
основе выражений (1.11 – 1.13), представлена на рис.1.19.
Рис.1.19 Модель электромеханического привода.
1.9.3 Выбор математической структуры и параметров САУ
Универсальным методом параметрического синтеза САУ является
моделирование. Однако этот метод не может быть эффективно использован
без предварительного аналитического исследования выбранной структуры и
предварительного выбора параметров корректирующих устройств. На
начальном этапе разработки осуществим выбор типа корректирующего
устройства и способа его включения. С учетом наличия неконтролируемых
возмущений будем строить САУ с управлением по отклонению. Такая
система компенсирует влияние возмущений, даже не контролируя их.
Структурная схема САУ, замкнутой по регулируемой величине, приведена на
рис.1.20.
Рис.1.20 Структурная схема САУ.
Изменяемой частью САУ является элемент с передаточной функцией
WP. Эту часть далее будем называть регулятором. На рис.1.20 передаточная
функция регулятора не определена.
Рассмотрим пропорциональный регулятор, для которого Wp=KP.
Исходя из требования ТЗ к максимальному значению погрешности выходной
величины САУ в статическом режиме, рассчитаем значение KP по формуле:
Kp  100 MN / (2    [%] K1  K3)  27.679,………….......(1.14)
где MN – момент нагрузки;
[%] 0.5 – допустимая статическая погрешность;
K1, K3 – коэффициенты передаточных функций (1.13) и (1.8).
Проверим динамические параметры САУ с учетом требования
апериодического характера переходного процесса САУ.
Анализ динамики САУ выполним методом D-разбиения в плоскости
коэффициента kp [18]. Метод предполагает расширение области значений kp
до всей комплексной плоскости, путем добавления ему свободной мнимой
составляющей. В последствии, области D-разбиения, построенные в
комплексной плоскости, обрезаются до отрезков на оси вещественных чисел,
в силу физической природы параметров. При этом будем учитывать
соотношение:
k  a  j  b  k  e jk  k  e
 jcp кр
 k  e j1 ,……………(1.15)
Сравнив выражение (1.15) с передаточной функцией звена чистого
запаздывания получим, что расстояние от начала координат до конкретной
точки границы - есть значение коэффициента усиления. Если при данном
значении kp система устойчива, то угол до этого отрезка - есть запас
устойчивости по фазе, который присущ системе. Потребуем выполнения
следующих условий [18]:
1. Запас по фазе должен находиться в пределах от 35° до 65°.
2. Запас по амплитуде 1/1 должен составлять [0,5..0).
Области D-разбиения, построенные средствами программы Mathcad
2000 Pro. показаны на рис.1.21, где красная линия – граница области
устойчивости САУ, точки пересечения
которой с дугой окружности и
лучами определяют значения KP, обеспечивающие заданные запасы по
амплитуде и фазе соответственно.
Рис.1.21 Области D-разбиения для коэффициента усиления
пропорционального регулятора.
На рис.1.22 изображена рассматриваемая область D-разбиения в более
крупном масштабе
Рис.1.22 Области D-разбиения крупным планом.
Как следует из рис. 1.21 и рис. 1.22, САУ с П-регулятором устойчива и
обеспечивает заданные значения запасов по амплитуде и фазе для 18.383≤
KP≤135.667, что позволяет реализовать в том числе и заданные точностные
характеристики системы. Для уточнения характера переходных процессов на
рис.1.23 показаны графики АЧХ замкнутой системы для некоторых значений
KP.
Рис.1.23 АЧХ замкнутой системы.
Из рисунка видно, что характер переходного процесса существенно
изменяется в зависимости от KP. Уточним максимальное значение этого
коэффициента, соответствующее апериодическому характеру переходного
процесса. Расчет выполним методом сканирования [19] по KP с остановкой
по критерию появления комплексных корней характеристического уравнения
замкнутой САУ. Программный блок расчетного документа программы
Mathcad 2000 Pro, осуществляющий такое сканирование, показан на рис.1.24.
Рис.1.24 Фрагмент расчета максимального значения kp,
соответствующего апериодическому характеру переходного процесса.
Вектор-функция пользователя A(, kp) возвращает коэффициенты
характеристического многочлена замкнутой САУ в зависимости от значения
коэффициента kp. Программный блок функционирует по следующему
алгоритму.
1. В заданном диапазоне изменения параметра kp вычисляется шаг (dt)
варьирования коэффициента kp, и для начального значения коэффициента
передачи
осуществляется
проверка
принадлежности
корней
характеристического многочлена (вектор H) множеству действительных
чисел. Если среди вычисленных корней находится хотя бы одна комплексносопряженная пара, то вычисления прекращаются. В случае действительных
корней выполняются следующие операции.
2. Текущее значение (t) коэффициента передачи увеличивается, и для
этого
значения
осуществляется
проверка
принадлежности
корней
характеристического многочлена множеству действительных чисел.
3. При отрицательных результатах проверки текущее значение
коэффициента передачи уменьшается на 1 шаг и выводится в качестве
оценки предельного значения kp, соответствующего апериодическому
характеру переходного процесса. Если все корни характеристического
многочлена – действительные числа, то выполняются операции пункта 2.
Во
избежание зацикливания предусмотрено ограничение числа
итераций.
Полученное в результате расчета предельное значение коэффициента
оказалось меньше необходимого для обеспечения точностных показателей
САУ, поэтому осуществим коррекцию САУ.
Одним
из
способов
реализации
средств
коррекции
электромеханических систем является использование принципа построения
подчиненных
контуров
регулирования.
В
этом
случае
регулятор
электропривода образуется из нескольких вложенных друг в друга контуров
управления. В каждом контуре имеется выходное звено или собственно
объект регулирования, а также регулятор, в состав которого входят
усилитель и последовательное корректирующее устройство, предназначенное
для улучшения динамических свойств создаваемого контура регулирования.
Контуры
регулирования
взаимосвязанную
соединяются
многоконтурную
последовательно,
систему.
Отдельные
образуя
контуры
соединяются таким образом, что выходное напряжение регулятора каждого
контура служит задающим напряжением для контура, являющегося
внутренним по отношению к рассматриваемому. На входе каждого
регулятора сравниваются два воздействия: задающее, пропорциональное
заданному значению регулируемой величины, и сигнал обратной связи,
пропорциональный действительному значению этой величины.
Выходной сигнал регулирования первого самого внутреннего контура
служит для выработки регулирующего воздействия на объект регулирования.
При таком соединении внутренние контуры оказываются подчиненными
внешним контурам регулирования. Главным в системе является параметр
самого внешнего контура регулирования, так как он определяет основную
цель
автоматического
регулирования.
Остальные
параметры
вспомогательные и подчинены главному. Кроме того, вспомогательные
параметры также находятся в подчинении один другому. Для широкого круга
управляемых механических систем, САУ образуется из двух регуляторов –
положения и скорости. Структура проектируемой САУ с обратной связью по
скорости показана на рис.1.25.
Рис.1.25 Структурная схема скорректированной САУ.
Поскольку
скорость
не
является
непосредственно
измеряемой
величиной, в качестве звена скоростной обратной связи применим реальное
дифференцирующее звено с передаточной функцией WD.
WD(p) 
k D  TD
,
1  p  TD
(1.16)
где TD, kD – пока не определенные параметры.
Как показано в [20] такой способ коррекции эквивалентен введению в
прямой тракт САУ измененным объектом виртуального ПИ регулятора.
Выбор начальных значений параметров дифференцирующего устройства
осуществим по методике [20], путем оптимизации параметров виртуального
регулятора по критерию минимума среднеквадратического отклонения
регулируемой величины при низкочастотных возмущениях и ограничении
на показатель колебательности M=1.05. Расчет выполнен в программе
Mathcad 2000 Pro с применением электронных приложений к монографии
[20], размещенных на сайте кафедры АСУТП МЭИ по адресу [21]. Фрагмент
расчетного
документа
приведен
на
рис.
1.25.
В
геометрической
интерпретации требование должного запаса устойчивости сведется к тому,
что комплексная частотная характеристика (КЧХ) разомкнутого контура
системы не должна заходить внутрь М-окружности радиусом центр которой
расположен на отрицательной вещественной полуоси на расстоянии r = rM от
начала координат. В предельном случае должно происходить касание КЧХ с
этой окружностью. Поэтому начальные значения параметров виртуального
регулятора,
и
соответствующие
им
параметры
реального
дифференцирующего устройства, рассчитаны на частоте, соответствующей
максимуму вспомогательной функции F() [21]. Расчет максимального
значения KP, соответствующего апериодическому характеру переходного
процесса, с учетом выбранных параметров дифференциатора, выполненный
аналогично показанному на рис.1.26. показал, что переходные процессы
носят апериодический характер при KP ≤ 68.815.
Рис.1.26 Фрагмент расчета параметров дифференциатора.
Таким
образом,
дифференциатора
уже
при
синтезированная
начальных
САР
значениях
обеспечивает
параметров
выполнение
требований ТЗ. А при уточненных значениях TD =0,1 с и KD = 2.7 переходные
процессы носят апериодический характер для KP ≤ 135.
Полученные в результате этого расчета параметры уточним с помощью
программы объектно-ориентированного моделирования VisSim [22, 23].
1.9.4 Исследование САУ с помощью имитационной модели
Модель
сегодняшний
в
программе
день
VisSim,
программой
являющейся
визуального
самой
быстрой
моделирования
на
[21],
представляет собой несколько составных блоков. Общая схема модели
приведена на рис.1.27.
Рис.1.27 Общий вид модели в VisSim.
1. Блок Zadanie, определяющий регулирующее воздействие реализован на
основе блоков step и ramp [22] генерирующих соответственно
ступенчатый
и линейно нарастающий сигналы(1[t] и vt). В нём
задаётся угол поворота антенны в пределах от 0 до 2 радиан.
2. Блок M_nagr определяющий сопротивление работе электропривода,
представляет собой блок const, в котором задаётся момент нагрузки
антенны от 0 до максимальной расчётной нагрузки.
3. Блоки “plot” представляющие графики процессов в системе –
зависимость задания, управляющего воздействия и рассогласования от
времени и зависимость скорости вращения ротора электродвигателя от
времени.
4. Регулятор (блок DP), в состав которого входят (рис.1.28) сумматоры,
пропорциональные звенья с коэффициентами kp и kD, а также реальное
дифференцирующее звено с постоянной времени TD. Нелинейные
свойства, присущие практической реализации регулятора отражены
блоком ограничения его выходной величины
Рис.1.28 Модель регулятора в VisSim
5. Объект управления (блок Objekt) иерархическая структура которого
включает модели усилителя мощности с ШИМ, исполнительного
двигателя и редуктора. Причем нелинейные свойства усилителя
мощности отражены ограничителем его выходного сигнала.
Результаты моделирования наглядно отражены на рис.1.29, где красной
линией представлен сигнал задания, синей – реальное положение, зелёной –
рассогласование.
Рис.1.29 График результатов моделирования
График представляет статическую и динамическую ошибки системы. В
частности, статическая ошибка САУ при Kp=100, максимальной нагрузке и
минимально допустимом питании составляет 0,139 %, что соответствует
допустимому значению погрешности 0,5%. При более высоком напряжении
питания и более низком моменте сопротивления нагрузки ошибки ещё
меньше.
По результатам моделирования САУ в целом можно представить в
виде
упрощённой
макромодели,
которую
можно
использовать
проектирования систем более высокого уровня (рис.1.30).
Рис.1.30 Эквивалентная модель САУ.
для
При этом в линейном режиме модуль представляется инерционным
звеном с постоянной времени Tэкв = 3,81,2 с. При работе САУ в нелинейном
режиме ограничение скорости привода составляет 0,370,07 рад/сек.
Как показали исследования имитационной модели, синтезированная
САУ соответствует требованиям по допустимой нагрузке и точности работы,
является устойчивой, и характеризуется апериодическими переходными
процессами.
Таким
образом,
построенная
структура
подчиненного
регулирования обеспечивает соответствие САУ требованиям технического
задания.
1.10. Выводы по разделу
В результате проделанной работы было проведено проектирование
автоматического
модернизируемой
цифрового
следящего
электропривода
антенны
радиолокационной станции (АФАР) в составе системы
управления самолётного комплекса автосопровождения воздушных целей на
базе моментного двигателя RSMR-T24-145x25.
При этом были успешно решены следующие задачи:
 расчёт нагрузок, действующих на вал двигателя;
 выбор
элементов
системы,
удовлетворяющих
условиям
эксплуатации и заданным показателям качества;
 расчёт САУ;
 выбор силового усилителя;
 моделирование системы управления;
Привод слежения соответствует требованиям по допустимой нагрузке и
допускаемого значения основной статической погрешности.????
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа