Следящий безредукторный электропривод спутниковой антенны

В работе представлены результаты расчетов регуляторов тока, скорости и положения системы cлежения антенны ТНА-1,6 . Добротность системы выбрана из расчетов предельных возможностей следящей системы электропривода по критерию отсутствия мнимых корней передаточной функции контура положения. Для снижения ошибки в режиме установка азимута, сигнал задания отфильтрован фильтром низких частот, что дает лучшие результаты при перемещениях на заданный угол. Улучшить точность и уменьшить время отработки задания на перемещение по азимуту возможно путем формирования сигнала задания на перемещение посредством оптимального изменение его во времени, что позволит повысить добротность контура положения и повысить точность позиционирования. Следует отметить, что проверка результатов проводилась на модели, п ...

ВВЕДЕНИЕ 3
1. СИСТЕМЫ СЛЕЖЕНИЯ 5
3. ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ СЛЕДЯЩЕГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА 13
4. ПРИМЕНЕНИЕ МНОГОПОЛЮСНОГО СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ В СЛЕДЯЩЕМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ 17
5. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ 22
6. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ 31
7. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА КАНАЛА УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМЫ СЛЕЖЕНИЯ 34
8. РАСЧЕТ СЛЕДЯЩЕЙ СИСТЕМЫ 38
9. РАСЧЕТ РЕГУЛЯТОРОВ ТОКА 41
10. РАСЧЕТ РЕГУЛЯТОРА СКОРОСТИ 47
11. РАСЧЕТ КОНТУРА ПОЛОЖЕНИЯ СЛЕДЯЩЕЙ СИСТЕМЫ 52
12. РАССОГЛАСОВАНИЕ УСТАНОВКИ АЗИМУТА 55
ВЫВОД 59
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 60

Радиолокация представляет собой средство расширения возможностей человека определять наличие и положение объектов за счет использования явлений отражения радиоволн этими объектами. Развитие радиолокации явилось важной частью технической революции двадцатого века. Военная техника, использующая принципы радиолокации, впервые была создана перед самым началом второй мировой войны; с этого времени наблюдается быстрый и непрерывный прогресс в указанной области. Основная идея радиолокации состоит в том, что электромагнитные волны распространяются через атмосферу по определенным законам с известной скоростью, приблизительно равной скорости света в вакууме. Любые препятствия или изменения характеристик среды на пути распространения радиоволн приводят к возникновению отражений, которые могут быть об наружены и, таким образом, становятся источником информации о наличии и свойствах таких препятствий или изменений. Измерение времени запаздывания отраженного сигнала по отношению к излученному позволяет получить данные о положении препятствия, т. е. «цели». В случае обычной «однопозиционной» радиолокации (когда передатчик и приемник совмещены и расположены в одном месте в отличие от «двухпозиционных»1 систем , в которых отраженный сигнал принимается в пункте, удаленном от передатчика) время запаздывания непосредственно характеризует расстояние от места расположения приемника и передатчика до цели. Измерение времени запаздывания облегчается, если передатчик излучает короткие импульсы электромагнитной энергии [1]. Идея импульсного излучения лежит в основе большинства практических применений радиолокации. Информация о скорости целей может быть получена измерением доплеровского сдвига частоты между излученными и принятыми колебаниями, а угловые координаты удаленных целей — посредством сопоставления характеристик отраженных сигналов с диаграммами направленности передающей и приемной антенн. Наконец, сведения о размерах, форме и отражательной способности цели можно получить путем сравнения формы огибающей отраженных и излученных колебаний. Электромагнитная волна, падающая на объект, независимо от его природы вызывает вынужденные колебания свободных и связанных зарядов, синхронные с колебаниями падающего поля. Вынужденные колебания зарядов создают вторичное поле внутри или вне тела. В результате этого энергия электромагнитной волны, падающей на цель, рассеивается во всех направлениях, в том числе и в направлении к радиолокационной станции. Приходящая в точку приема, волна представляет собой отраженный целью сигнал, который анализируется следящей системой.

Такие магниты обладают наилучшими свойствами. Магнитная проницаемость постоянных магнитов, как и ферритов, близка к магнитной проницаемости воздуха.Появление высокоэнергетических магнитов на основе Nd-Fe-B позволяет решить проблему создания многих механических устройств на принципиально новом уровне. Срок службы высокоэнергетических постоянных магнитов на сегодняшний день составляет 20 – 25 лет и более. Высокое значение коэрцитивной силы делает такие устройства практически нечувствительными к воздействию внешних магнитных полей.Постоянные магниты в синхронных машинах предназначены для создания магнитного поля возбуждения. Его использование позволяет получить требуемые регулировочные характеристики по напряжению и частоте вращения при значительно уменьшенной мощности возбуждения и объеме магнитной системы по сравнению с классическими электромагнитными системами возбуждения синхронных машин. Применение постоянных магнитов с высокой удельной энергией позволяет улучшить массогабаритные, энергетические и стоимостные показатели двигателя.     Применение многоплюсного синхронного двигателя с постоянными магнитами в следящей системе позволяет фиксировать ротор в любом произвольном требуемом положении, задавая необходимое соотношение значений токов в соседних фазных обмотках – электрическое дробление шага. Это позволяет существенно увеличить точность и быстродействие следящих систем. При этом повышается устойчивость объекта управления при отработке внешних возмущающих воздействий (порывы ветра, качка, тряска, механические удары и т.п.).Если осуществлять ориентацию объекта управления (антенны, платформы и т.п.) без механического редуктора с использованием ИД большого диаметра, то точность позиционирования может быть существенно увеличена, и ограничиваться лишь прецизионными характеристиками подшипниковых узлов объекта управления и точностью датчика положения [7]. При этом датчик положения может выполнять две функции одновременно - датчика положения исполнительного механизма и датчика положения ротора для управления током в фазных катушках. Кроме того, по сигналам датчика положения, вычисляется и скорость двигателя, что необходимо для систем управления электрической машиной.Пассивный зубчатый венец ротора двигателя может быть выполнен как составная часть исполнительного механизма, а зубцы статора с обмотками могут быть размещены непосредственно в корпусе устройства. В результате этого двигатель, как обособленная конструктивная единица перестает существовать, что резко улучшает массогабаритные и динамические показатели объекта. Схематично пример использования двигателя в системе слежения радиолокатора показан на рисунке 4.   Рисунок 4. Применение электродвигателя в качестве основания антенны  При такой конструкции не используются механически зацепленные элементы, а, следовательно, при механических возмущающих факторах (удар), превышающих допустимые значения, будет происходить лишь проскальзывание ротора в магнитном поле статора, без выхода из строя механической и электрической частей системы. Динамические и статические требования  к объекту управления определяют мощность двигателя . Чем больше масса объекта вращения и скорость отработки задания, тем более мощный привод требуется . В режиме разгона двигатель потребляет электроэнергию от источника питания. При торможении двигателя может возвращать накопленную энергию в источник питания (рекуперативное торможение), либо тормозить за счет потребления дополнительной энергии от источника питания. Рекуперативное торможение с сохранением высвобожденной энергии позволяет существенно снизить энергопотребление и нагрузку на питающую сеть объекта в старт-стопных режимах работы. Обеспечение необходимых значений токов в фазных обмотках в различных режимах работы двигателя осуществляется фазными инверторами посредством широтно-импульсной модуляции. Электропривод целесообразно реализовать на основе специализированного микроконтроллера, который может с достаточным быстродействием осуществлять обработку сигналов в цифровом виде.  Применение в электроприводе микроконтроллера  позволяет:·  существенно упростить, удешевить конструкцию и уменьшить энергопотребление  электропривода;·  использовать адаптивные алгоритмы управления, что значительно улучшает быстродействие следящей системы;·  производить адаптацию одного типа электропривода к исполнительным механизмам с различными механическими характеристиками путем оперативного  изменения  программного обеспечения контроллера;·  подключаться к персональному компьютеру через внешний разъем, и отлаживать, загружать в контроллер программное обеспечение, отображать на дисплее компьютера состояние системы в динамическом режиме;·  реализовывать значительный набор защитных функций следящей системы, что позволяет повысить ее надежность.  Следящие системы могут контролировать не только положение, но и другие физические величины, например, вращающий момент.Схема без редукторного электромеханического усилителя показана на рисунке 5.Рисунок 5. Без редукторный электромеханический усилительМомент развиваемый двигателем (Мупр) прикладывается к валу. Датчик момента (ДМ) преобразует текущее значение момента (Мтек) в электрический сигнал. Мтек это разница между моментами, создаваемым исполнительным механизмом (Мим) и Мупр. Если Мтек больше, чем заданный порог Мзад, то блок управления (БУ) подает такой ток на фазные катушки ИД, чтобы момент, создаваемый ИД (Мид), уменьшил Мтек. Таким образом, к исполнительному механизму прикладывается выходной момент равный сумме моментов Мупр и Мид. Если ИМ присоединить к валу управления, то тогда к ИМ будет прикладываться момент,  задаваемый по входу Мзад. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИВ современной теории электрических машин используется ряд преобразований, позволяющих существенно упростить математическое описание электрической машины. Линейное преобразование – это по существу изменение системы координат в которых производится отсчёт величин. Переход от трёх исходных осей (А, В, С) к двум, означает замену трёхфазной машины двухфазной, в которой магнитные оси фазных обмоток сдвинуты на 90 электрических градусов. С этой целью оси координат рекомендуется располагать неподвижно относительно того элемента машины (статора или ротора), где имеет место магнитная или электрическая несимметрия. При анализе переходных процессов, а также несимметричных режимов синхронных машин удобно использовать оси α, неподвижные в пространстве [8]. В этом случае ось α совпадает с осью А исходной системы координат А, В, С. Применение линейных преобразований токов, потокосцеплений и напряжений обмоток делает необходимым определение мощности и электромагнитного момента машины в новых системах координат. Иными словами, эти величины должны быть выражены через переменные, измеряемые в одной системе координат. Рассматриваемые величины являются инвариантными, т.е. не должны изменять своего значения при переходе от одной системы координат к другой. Если мгновенная потребляемая мощность pm трехфазной электрической машины с фазными напряжениями uА, uВ, uС и токами iА, iВ, iС равна pm = uАiА + uВiВ+ uСiС ,то, подставив в это уравнение токи и напряжения, в виде соотношений, получим значение потребляемой мощности электрической машины рассматриваемой в системе координат и : pm = 1.5( ui + ui ) +3 uоiо, где u, u, uо представляют собой , и нулевую составляющую фазных напряжений.Соотношения между исходными и новыми переменными могут быть записаны следующим образом: Обратные соотношения имеют вид: i0 – нулевая составляющая тока присутствует только при невыполнении условий трехфазной симметрии переменных по мгновенным значениям: ua = + Ri u = + Ri, Существующая взаимосвязь между токами I и потокосцеплениями представлена следующими уравнениями: , =LI +LmIrβ , Дифференциальные уравнения напряжений обмоток машины содержат ЭДС, определяемые производными от потокосцеплений по времени. Потокосцепления зависят от времени не только вследствие изменения токов обмоток, но и за счёт индуктивностей, являющихся функцией угла поворота ротора. Дифференциальные уравнения напряжений становятся уравнениями с переменными коэффициентами. Решение таких уравнений весьма сложно, соответственно усложняется и анализ переходных процессов. Поэтому возникает задача такого преобразования дифференциальных уравнений, которое позволило бы существенно упростить их и, в частности, получить уравнения с постоянными коэффициентами. Эта задача решается с помощью линейных преобразований. id = ia cos + i sin, iq = -ia sin + i cos. Для организации векторного управления синхронной машиной, необходимы и обратные преобразования: = id cos - iq sin, i = id sin + iq cos, В результате выполненных преобразований, уравнения Кирхгофа явнополюсной синхронной машины [9] представлены следующим образом. , . Lmd, Lmq, - взаимные индуктивности по продольной и поперечной оси.Угловое положение вала двигателя определено с помощью основного уравнения движения: р – число пар полюсов, Мст - момент сопротивления на валу двигателя, J – момент инерции на валу двигателя.На рисунке 6 изображена векторная диаграмма, поясняющая процессы, происходящие в двигателе. Ось d ориентирована по оси ротора. Ротор двигателя, являющийся постоянным магнитом, создает потокосцепление (Ψ0), равное произведению потока ротора на число витков обмотки статора. Направлен вектор этого потокосцепления по оси ротора (d) от положительного полюса к отрицательному.  Ток обмотки статора создает вращающееся магнитное поле статора (ψ), магнитные полюса которого притягивают противоположные магнитные полюса ротора. Вследствие этого возникает момент, вращающий ротор вслед за полем статора. Рисунок 6. Векторная диаграмма работы синхронного двигателя с постоянными магнитами. Структурная схема синхронного двигателя с постоянными магнитами, в системе вращающихся координат, в совокупности с преобразователем координат, представлена на   рисунке 7 в программном пакете MATLAB/Simulink. Параметры двигателя представлены в таблице 1.        Рисунок 7. Структурная схема синхронного двигателя с постоянными магнитами, в системе вращающихся координат, в совокупности с преобразователем координатСинхронный двигатель (СДПМ) имеет тангенциально расположенные постоянные магниты, обмотку якоря однозубцового типа, рабочее вертикальное положение с крепёжными отверстиями на щите со стороны вала, исполнение закрытого типа. Пакет статора устанавливается в кожух из стали 10 ГОСТ 1050, закреплённый между щитами из алюминиевого сплава марки АК12 ГОСТ 1583. Вывод конца обмотки статора обеспечен через отверстие левого щита. Пакет ротора выполнен с пазами для установки в них постоянных магнитов марки N42SH. Пакет ротора по средствам немагнитной втулки из бронзового сплава ЛС-59 ГОСТ 15527 устанавливается на вал из стали 45, ГОСТ 1050. С учётом действия только радиальной силы выбраны радиальные шарикоподшипники, ГОСТ 8338.Конструкция СДПМ (1 – левый щит, 2 – кожух статора, 3 – пакет статора, 4 – пакет ротора, 5 – правый щит, 6 – вал). Синхронный двигатель ЭД 40 для следящей системы№ПараметрОбозн.Ед. изм.ЗначениеПримечан1Основные параметры1.1Напряжение питания (DC в БУ)UDCВ5401.2Фазное напряжение (действ.)UфВ198.41.3Номинальный ток (действ.)IнА2.11.4Номинальный моментМнН·м401.5КПД в номинальном режимеη-0.4181.6Число пар полюсовp-211.7Скорость холостого ходаnххоб/мин1951.8Ток ограничения (амплитудн.)ImaxА17.7421.9Момент при ImaxMmaxН·м310.1721.10Ток при M = 270 НмI270A14.71.11Скорость ограниченияnmaxоб/мин1.12Константа моментаKMН·м/А191.13Константа противо-ЭДС(ампл. фаза-фаза)KUВ/рад/с50*10-31.14Момент инерции ротора(активная часть)Jркг·м20.0480661.15Исполнение2Активная зона2.1Диаметр расточкиDм0.172.2Зазор (радиальный)δм0.00082.3Длина пакета статораlδм0.12.4Длина магнитовlmм0.13Тепловое состояние3.1Время работыTрабс∞3.2Приведенный средний токIсрА2.8563.3Перегрев обмотки в средней частиTCuºC99.653.4Перегрев обмотки в лобовой частиTCu_лобºC99.63.5Перегрев зубцов статораTzºC92.83.6Перегрев ярма статораTaºC89.43.7Перегрев магнитовTmºC85.73.8Перегрев ярма ротораTjºC85.44Статор4.1Марка сталиСталь 22134.2Количество зубцовZ-364.3Диаметр наружныйDaм0.2334.4Высота ярмаhaм0.00454.5Высота зубцаhzм0.0274.6Ширина зубцаbzм0.00664.7Ширина шлицаbшм4.8Площадь пазаSпм24.9Масса магнитопроводаmFe_сткг5Ротор5.1Материал магнитаNeFeBr5.2Ширина магнитаbmм0.015.3Высота магнитаhmм0.0055.4Материал ярма ротораСталь 108805.5Высота ярма ротораhjм0.00435.6Масса магнитовmmкг5.7Масса втулкиmjкг6Обмотка6.1Количество фазm-36.2Соединениезвезда6.3Число пазов на полюс и фазуq-2/76.4Обмоточный коэффициентkоб-0.946.5Марка проводаПЭТ-1556.6Диаметр медиdгм1.06*10-36.7Диаметр проводаdизм1.123*10-36.8Сечение медиqэлм28.825*10-76.9Число витков в фазеW-7446.11Число витков в катушкеWк-626.13Количество параллельных ветвейа-16.14Количество элементарных проводников в одном эффективн.nэл-16.15Коэффициент заполнения пазаkз-0.6346.16Средняя длина виткаlв_срм0.256.17Вылет лобовой части со стороны выводовlлоб_1м0.0096.18Вылет лобовой части с противоположной стороныlлоб_2м0.0096.19Индуктивность фазыL1Гн0.036.20Индуктивность двигателя по оси dLdГн0.0746.21Индуктивность двигателя по оси qLqГн0.0746.22Активное сопротивление фазы при 20 ºCr1_20Ом3.7016.23Активное сопротивление фазы при максимальной рабочей температуреr1_maxОм5.6786.24Масса проводаmCuкг77.1Поток в зазоре максимальныйФ0Вб936*10-67.2Индукция в зазоре максимальнаяBδТл1.27.3Индукция в зубце максимальнаяBzТл1.737.4Индукция в ярме статора максимальнаяBaТл1.687.5Индукция в ярме ротора максимальнаяBjТл1.57 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ Техническое задание на разработку преобразователя частоты для управления синхронными двигателями на постоянных магнитах в составе силовых приводов антенных систем.Назначение Преобразователь частоты предназначен для работы в составе силовых приводов антенных систем РЛС.Состав Преобразователь должен состоять из:- ячейка управления.- силовой блок исполнения на токи нагрузки 5А, 15А, 50А (действующее значение). 3. Технические требования 3.1 Скорость вращения, Об/мин – 0,2-30 3.2 Момент нагрузки в течение оборота, от 3.3 Момент инерции нагрузки 3.3 Точность поддержания заданной скорости вращения, % от - ±5%(в диапазоне момента нагрузки). 3.4 Время изменения позиции на 2º не более, с - 0,8. 3.5 Точность позиционирования 3 угловые минуты.3.6 Преобразователь должен управляться от ПЭВМ по интерфейсу RS-485. Протокол обмена MODBUS.4. Требование к программному обеспечению 4.1. Рабочее и тестовое ПО должно обеспечивать управление скоростью и положением вала синхронного двигателя на постоянных магнитах.4.2 Система регулирования должна обеспечивать регулирование скорости вращения антенны по азимуту и углу места. 4.3 Система регулирования преобразователя частоты должна обеспечивать регулирование положения антенны. 4.4 Датчик обратной связиВ качестве датчика обратной связи должен использоваться абсолютный датчик положения с последовательным интерфейсом.4.5 Дискретные управляющие входы и выходыВ преобразователе должны быть предусмотрены два входа блокировки работы, ограничивающие рабочую зону.4.6 Требования к интерфейсу RS-232 и отладочному программному обеспечениюКонтроллер привода должен содержать интерфейс RS-232.Дополнительно, должно быть разработано отладочное программное обеспечение (ОПО) позволяющее с помощью ноутбука, подключаемого по RS-232, осуществлять наладку электроприводов.Отладочное ОПО должно обеспечивать программирование и настройку электроприводов.Отладочное ОПО должно обеспечивать индикацию всех параметров ПЧ. 4.7 Требования к защитам преобразователяВ преобразователе должны быть предусмотрены следующие виды защит:4.7.1 Защита от недопустимого снижения напряжения питанияСрабатывает, если входное напряжение снижается ниже заданного порога.4.7.2 Защита от недопустимого повышения напряжения питанияСрабатывает, если входное напряжение повышается выше заданного порога.4.7.3 Времятоковая защитаСрабатывает в случае превышения током двигателя заданного порога в течении заданного времени. 4.7.4 Максимально токовая защитаСрабатывает в случае превышения током преобразователя заданного максимального порога. 4.7.5 Защита от несимметрии токов фаз двигателяСрабатывает при недопустимой несимметрии токов фаз двигателя.4.7.6 Защита от недопустимой ошибки скоростиВыдает предупреждение при возникновении недопустимой ошибки по скорости. 4.7.7 Защита от обрыва датчика положения Срабатывает при обрыве цепей датчика.СТРУКТУРНАЯ СХЕМА КАНАЛА УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМЫ СЛЕЖЕНИЯ Аппаратура электропривода работает в трех режимах: "Вращение", "Слежение" и "Установка азимута". Основным режимом работы ВРЛ является режим слежения. Режим "Вращение" осуществляется путем подачи на вход усилителя следящей системы регулируемого по величине сигнала, вызывающего пропорциональное ему изменение скорости вращения антенны. Режим "Слежение" осуществляется подачей на вход усилителя следящей системы сигнала, пропорционального угловому рассогласованию антенн задающей радиолокационной станции (РЛС) и ВРЛ, приводящее к тому, что антенна ВРЛ стремится поддержать скорость вращения и угловое положение, занимаемое антенной РЛС. Режим "Установка азимута" производится подачей на вход усилителя следящей системы сигнала, пропорционального угловому рассогласованию задатчика азимута, установленному в ШУП, и антенной ВРЛ, приводящее к тому, что антенна ВРЛ стремится занять угловое положение, занимаемое задатчиком азимута.Блок управления осуществляет управление электрическим двигателем антенны на основании сигналов системы управления (СУ). Структурная схема блока управления приводом представлена ниже.Входная цепь содержит помехоподавляющий фильтр. Напряжение с входной цепи подается на источник питания и через датчик тока на инвертор напряжения. Источник питания блока управления электроприводом предназначен для формирования напряжений питания микропроцессорной системы управления (МПСУ), аналоговых и цифровых цепей.Для включения МПСУ на вход питания подаётся постоянное напряжение амплитудой 18÷32 В. Датчик тока обеспечивает контроль за током двигателя. Драйвер формирует управляющие напряжения транзисторов инвертора и является промежуточным звеном между контроллером и инвертором. Драйвер необходим для преобразования логических уровней контроллера в сигналы управления ключами инвертора и выполнен на микросхеме A4935. Помимо преобразования уровней драйвер выполняет функцию защиты ключей инвертора. Микропроцессорное устройство (МПУ) контролирует датчики обратной связи и формирует управляющие сигналы, в соответствии с заложенным алгоритмом.