Квазиоптимизация быстродействия при управлении позиционированием шагового двигателя

• Автор: Солоха, Алексей Александрович
• Шифр специальности: 05.13.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Ростов-на-Дону
• Количество страниц: 187 с. : ил.

1 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

1.1 Шаговый двигатель как элемент системы управлении

1.1.1 Краткая характеристика свойств шагового двигателя.

1.1.2 Особенности применения шаговых двигателей в системах управления

1.1.3 Основные принципы управления движением шагового двигателя

1.1.4 Схема управления шаговым двигателем и возможности

исследования е свойств.

1.2 Принцип действии и конструктивные особенности шагового двигатели.

1.2.1 Основные принципы работы шагового двигателя.

1.2.2 Основные типы шаговых двигателей

1.2.3 Шаговый двигатель гибридной конструкции.

1.3 Проблемы и методы построении математических моделей электрических машин.
1.3.1 Модель обобщнной электрической машины
1.3.2 Электромагнитный момент шагового двигателя
1.3.3 Требования к математической модели шагового двигателя
1.4 Анализ существующих подходов к управлению шаговым двигателем
1.4.1 Режимы работы шагового двигателя в зависимости от способа управления ротором
1.4.2 Режимы работы шагового двигателя в зависимости от способа коммутации обмоток
1.4.3 Рабочие характеристики шагового двигателя.
1.4.4 Схемы включения обмоток шагового двигателя
1.5 Анализ известных способов увеличении быстродействия шагового двигателя
1.5.1 Сущность повышения быстродействия с помощью напряжения импульсов управления.
1.5.2 Способы ограничения тока, применяемые на практике при повышенном коммутируемом напряжении источника электропитания .
1.5.3 Анализ возможных путей построения квазиоптимального управления шаговым двигателем па основе существующей методики увеличения быстродействия
1.6 Выводы по первому разделу
2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ.
2.1 Построение математической модели шагового двигатели па основе модели обобщенной электрической машины.
2.1.1 Математическая модель обобщнной двухфазной двухполюсной синхронной электрической машины
2.1.2 Допущения и упрощения, использованные при составлении уравнений модели шагового двигателя
2.1.3 Уравнения математической модели шагового двигателя.
2.1.4 Математическая модель шагового двигателя с учтом электронной схемы управления.
2.1.5 Пример численного решения уравнений модели
2.2 Идентификации параметров математической модели на основе экспериментальных данных.
2.2.1 Общая постановка задачи идентификации динамики исследуемого объекта
2.2.2 Идеологические предпосылки решения задачи идентификации математической модели шагового двигателя.
2.2.3 Техническая и информационная схема исследования и обработки данных в рамках решения задачи об идентификации параметров модели шагового двигателя.
2.2.4 Статистическая идентификация модели на основе измеренных
данных.
2.3 Поиск иаилучших параметров математической модели.
2.3.1 Поиск на основе методики планирования экспериментов
2.4.6.2 Случайный поиск
2.4.6.3 Общий поиск
2.4.3 Результаты идентификации параметров.
2.5 Аппроксимация динамических свойств шагового двигателя линейной математической моделью.
2.5.1 Линейная модель 3его порядка.
2.5.2 Линейная модель 4ого порядка.
2.6 Выводы но второй главе
3 КВАЗИОПТИМАЛЫЮЕ ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ УПРАВЛЕНИЕ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
3.1 Постановка задачи квазиоптимизации быстродействия полиошагового режима работы шагового двигателя за счет управление
3.1.1 Концептуальная оценка возможного результата оптимизации но быстродействию управления полношаговым движением ротора
3.1.2 Ограничения по форме управляющих сигналов.
3.1.3 Ограничения по полярности управляющих сигналов
3.1.4 Ограничения по структуре управляющих сигналов.
3.1.5 Ограничения по характеру нагрузки, действующей в период шагового управления
3.1.6 Возможности и целесообразность аналитического, имитационного и экспериментального решения задачи оптимизации быстродействия управления ШД.
3.1.7 Формулировка понятия квазиоптимизации применительно к задаче
управления позиционированием ШД.
3.2 Решение задачи оптимизации быстродействия позиционирования ШД для аппроксимациопной модели.
3.2.1 Аппроксимациоиная модель ШД.
3.2.2 Постановка задачи оптимизации быстродействия решения для аппроксимациопной модели ШД
3.2.3 Необходимые условия оптимальности быстродействия для аппроксимациопной модели ШД
3.2.4 Качественное исследование структуры решения задачи оптимизации быстродействия для аппроксимациопной модели ШД
3.3 Постановка задачи для нелинейной модели
3.4 Вспомогательные оценки качества управлении.
3.5 Квазнонтимальное по быстродействию управление шаговым двигателем на базе пол пошагового режима работы
3.5.1 Структурный синтез векторного управления.
3.5.2 Проверка решения с помощью нелинейной модели.
3.5.3 Поиск параметров управляющих импульсов с помощью модели
3.5.4 Анализ решения задачи с помощью математической модели
3.5.5 Экспериментальная проверка решения.
3.6 Результаты исследования
4 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ КВАЗИОПТИМАЛЫЮГО ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
4.1 Экспериментальная оценка влияния механической нагрузки на динамику шагового двигателя
4.2 Методика исследования электрических двигателей с целыо улучшения динамических характеристик с помощью управления
4.3 Оценка возможности пракгпчсской реализации разработанного
управления
4.3.1 Изменяемая часть в системе управления
4.3.2 Элементная база систем управления шаговыми двигателями
4.4 Выводы по четвертой главе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА


Разработанная и обоснованная в диссертации методика исследования динамических характеристик шагового двигателя и синтеза закона квазиоптимапьного управления им применима к широкому классу шаговых и синхронных двигателей. Поэтому эта методика может быть рекомендована для внедрения в научноисследовательские и проектные институты и конструкторские бюро соответствующего профиля. В технической литературе 1. Шагом такого двигателя называют величину угла между двумя устойчивыми ближайшими положениями ротора. Шаг двигателя наряду с вращающим моментом и максимальной скоростью является основным параметром. В технической литературе 1. Вт и поэтому должен выполнять вспомогательные функции 1, 2, 3, 9. С другой стороны шаговый двигатель рассматривается как основной движитель , обладающий мощностью до Вт 5, . Вопросы, связанные с систематизацией информации о шаговом двигателе как о самостоятельном типе электрических машин, выходят за рамки настоящей работы и поэтому рассматриваются в ограниченном объме. Такое явление наблюдается в любой синхронной электрической машине. Шаговые двигатели обычно применяются в системах автоматического управления, обеспечивающих высокоточное позиционирование какоголибо механизма. В последнем случае для гарантии штатной работы шагового двигателя нужен датчик положения, особенно, при легких нагрузках и очень коротких перемещениях. Системы программного управления без физического датчика положения, как правило, используются в технических конструкциях с постоянными механическими нагрузками. Современное развитие систем позиционирования с программным управлением идт по пути построения специальной системы, которая должна обеспечить контроль за совершением двигателем шага при переменной нагрузке, что должно привести к упрощению и удешевлению системы позиционирования . В системах позиционирования с обратной связью по положению могут использоваться, как шаговые двигатели, так и другие типы электрических двигателей, например, двигателей постоянного тока , . Выбор разработчиком типа двигателя обусловлен техническими и субъективными факторами. В настоящее время для систем позиционирования выпускаются электрические двигатели шаговые, синхронные, постоянного тока и др. Например, в работе показано, что для двигателя постоянного тока с помощью типовых автоматических регуляторов достижима высокая точность позиционирования при динамической ошибке около . Применение шаговых двигателей позволяет контролировать динамическую ошибку в пределах одного шага двигателя 4. Шаговый двигатель специально разработан п рассчитан на отработку дискретных перемещений с удержанием заданного положения ротора иод управлением электронной системы регулирования 5. Погрешность отработки одного шага определяется конструкцией и не может быть больше определнной величины, характерной для данного шагового двигателя. Точность отработки большой серии шагов не зависти от их числа и находится в пределах точности отработки одного шага. Такой системе с программным управлением необходим датчик начала отсчта или базового положения, относительно которого программное управление обеспечит любое перемещение с заданной точностью. Нужно отметить, что, несмотря на общее усложнение системы управления, использование датчиков положения совместно с шаговым двигателем способствует существенному повышению точности позиционирования исполнительного устройства за счт использования дробных шагов, такое техническое решение называется микрошаговым режимом работы, который описан ниже 5,6, . Упрощнная схема управления шаговым двигателем показана на рисунке 1. Рис. Появление схемы с двойным преобразованием электрической энергии стало возможным благодаря развитию силовой полупроводниковой элементной базы , что обусловило большое внимание к синхронным электрическим двигателям со стороны конструкторов систем управления. До появления электронных систем управления использование синхронных двигателей было ограничено, так как они не обеспечивали нужные для систем управления характеристики исполнительного устройства.