Прецизионный электропривод с вентильным двигателем

Прямые (без кинематических преобразователей) электроприводы с вентильными двигателями (ВД) широко используются в современной прецизионной технологии, т.к. устранение кинематического преобразования позволяет кардинально улучшить динамические и статические показатели движенияи и создать действительно прецизионный электропривод. В системах управления прецизионных приводов используются высокие значения коэффициентов усиления, что позволяет достичь высокой динамической жесткости, плавности и точности хода. Однако эти потенциальные возможности можно реализовать только с использованием некоторых решений, рассмотренных ниже.
В разделе 2 статьи описывается структура опытного образца прецизионного электропривода DMS5, разработанного на кафедре Автоматизированного электропривода МЭИ (ТУ). Вентильный двигатель, использованный в поворотном варианте этого электропривода, реализован на базе оптимальной по цене синхронной машины с малым воздушным зазором и упрощенной конструкцией. Такая машина имеет существенные пульсации момента, которые необходимо компенсировать за счет управления, что и сделано в блоке управления DDU5 привода DMS5. Кроме того, в точном и высокодинамичном приводе необходимо следить за заданной траекторией с малой динамической ошибкой, что также реализуется блоком управления с помощью программного управления по скорости и ускорению и компенсации возмущений.
Точное измерение положения и скорости принципиально необходимо для достижения высокой точности привода. В разделе 3 статьи описываются программные методы коррекции сигналов датчиков положения, их калибровки и самокалибровки, увеличивающие точность датчиков. Там же описываются методы измерения скорости привода.
Раздел 4 посвящен оптимизации контуров управления привода. Выбор параметров управления привода реализуется в программном обеспечении (ПО) Easy Move блока DDU5. Процедура расчета параметров цифрового контроллера тока определяет его коэффициенты в соответствии со стандартными настройками с возможностью дополнительной автонастройки. Оптимизация управления контурами скорости и положения реализуется после идентификации механических параметров привода. Остальные инструменты настройки (цифровой осциллоскоп, интерактивная настройка контуров тока, скорости, положения, команды на движение по интерфейсу ПК) интегрированы в панель управления и позволяют изменять коэффициенты регуляторов, записывать реакцию на скачки воздействия, определять частотные характеристики, оценивать скоростную ошибку и т.д.

Структура прецизионного электропривода DMS5 с вентильным двигателем представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Структура электропривода DMS5 с ВД и блоком DDU5

Электропривод содержит:
– синхронную машину (СМ);
– датчик положения (ДП);
– блок управления DDU5.
Вентильный двигатель (ВД) образуют синхронная машина и датчик положения, а также входящие в состав блока DDU5 инвертор тока (ИТ) и модуль задания тока (ЗТ).
Управляющее устройство (УУ) в составе блока DDU5 содержит:
– генератор траектории (ГТ);
– наблюдатель (Н) механических координат, восстанавливающий неизмеряемые механические переменные состояния;
– регулятор (Р), вырабатывающий сигнал регулирования (коррекции) T_c;
– прямую связь (ПС), реализующую комбинированное управление подачей программного (по модели) динамического момента T_ff  от генератора траектории;
– корректор (К), преобразующий задание динамического момента идеальной машины T*_1dyn в задание момента T* реальной машины для ослабления влияния возмущений в приводе.
Генератор траектории содержит линейную модель второго порядка (механическую модель). На основании этой модели рассчитывается программа динамического момента T_ff для реализации идеальным вентильным двигателем заданного вектора механических переменных

— положения, скорости, ускорения. Корректор компенсирует неидеальности реального вентильного двигателя (статическую нагрузку и пульсации момента) путем изменения задания

T*_1dyn = T_ff + T_c .

Корректор строится не по модели, а на основании процедур идентификации систематических возмущений.
Скорректированное задание момента

совместно с оценками положения

и скорости

поступает на вход вентильного двигателя — в модуль задания тока (ЗТ). Назначение звена ЗТ — задание токов с учетом ограничений момента (усилия) и скорости машины. Ограничения определяются пиковым током и напряжением питания. В области «малых» скоростей и токов фаз, где действует только ограничение по току, ЗТ задает токи, обеспечивающие оптимальное электромеханическое преобразование по критерию максимума момента на ампер. При выходе управления T* и/или скорости маши­ны 

на границы рабочих областей механических характеристик, ЗТ изменяет алгоритм задания токов для сохранения нормального (без насыщения по напряжению) режима работы инвертора тока. Для обеспечения работы наблюдателя, восстанавливающего механические переменные состояния вентильного двигателя, на вход наблюдателя из ЗТ подается управление 

,

соответствующее ограниченным заданиям токов.
Фазы синхронной машины СМ питаются от инвертора тока ИТ с обратной связью I_dq по току в подвижной (dq) системе координат. Такой метод улучшает жесткость механической характеристики в зоне ограничения по току и дает широкий скоростной диапазон в зоне ограничения по напряжению. Вектор задания тока I*_dq формируется в модуле ЗТ в функции задания момента T* и оцененной наблюдателем скорости

.

Управление в dq-координатах можно реализовать по выбору потребителя в двух вариантах: с ПИ-регулятором тока или с апериодическим регулятором тока. Измерение положения СМ осуществляется датчиком положения ДП, который преобразует механическую координату θ_me (угловое или линейное положение) в цифровой код θ.
В режиме вентильного двигателя можно использовать любой тип синхронной машины с токовым питанием в функции положения. Для прецизионного привода применяются двигатели с синусоидальным токовым питанием в функции положения, или вентильные двигатели переменного тока (ВДПТ). ВДПТ подразделяются на: вентильные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов (ВДПМ), строящиеся на базе синхронных двигателей с постоянными магнитами (СДПМ), или на базе редукторных (индукторных) двигателей с постоянными магнитами (РДПМ), которые также называются гибридными.
Управление блоком реализуется по стандартному интерфейсу RS 232 от ПК. Блок также имеет входы управления от промышленного контроллера или системы ЧПУ. Некоторые параметры блока DDU5 (см. рис. 2) приводятся ниже:
– число осей — 1;
– число фаз двигателя — 3;
– длительный ток фазы — 20 А;
– пиковый ток фазы — 40 А;
– напряжение питания — 3 фазы по 220В;
– минимальная индуктивность нагрузки — 3 мГн;
– частота ШИМ — 17 КГц;
– модуль контроллера — 2 процессора TMS320F2812;
– период квантования контуров тока, скорости и положения — 67 мкс.

Рис. 2. Блок управления DDU5

Для коммутации вентильного двигателя требуется информация о положении его подвижной части. Источник этой информации — преобразователь механических перемещений, или датчик положения. В электроприводе датчик положения также требуется для отрицательной обратной связи (которую иногда называют путевой, или главной) и для вычисления скорости и ускорения электропривода.
Некоторые вентильные двигатели выпускаются с датчиками положения, имеющими одинаковые с двигателями числа пар полюсов. Как правило, используются датчики Холла, взаимодействующие с постоянными магнитами возбуждения машины. Эти датчики применяются для коммутации двигателя, и их точность обычно не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к главной обратной связи прецизионного электропривода. Поэтому в прецизионном электроприводе, как правило, используется один высокоточный датчик для обратной связи по положению и для коммутации.
Датчик положения состоит из первичного преобразователя, связанного с измерительным элементом, и представляющего информацию о положении в виде электрических сигналов, и вторичного преобразователя, обрабатывающего эту информацию и переводящего ее в аналоговую или цифровую форму. Основными элементами первичного преобразователя являются задающий элемент (шкала) и чувствительный элемент, имеющий на выходе электрические сигналы. При построении шкалы и чувствительного элемента используются разные физические явления, связанные, например, с модуляцией светового потока (энкодеры), электромагнитного поля (синусно-косинусный вращающийся трансформатор) или электрического поля (емкостный преобразователь).
Главные критерии выбора датчика: точность, разрешение, быстродействие, устойчивость к эксплуатационным факторам, показатели надежности, стоимость, алгоритмы обработки сигналов. С учетом названных показателей наиболее широко используются энкодеры и электромагнитные датчики.

3.1. Инкрементные энкодеры

Блок DDU5 имеет вход обработки сигналов инкрементного цифрвого энкодера, хотя использование цифровых инкрементных энкодеров в прецизионных приводах ограничено. Причина этого в следующем. Для получения необходимых динамики и точности прямого привода период квантования цифрового управления должен составлять 50…100 мкс. Тогда, например, при использовании инкрементного энкодера с периодом 80 угл. с (16200 линий/об) и встроенной интерполяцией 1000 минимальное изменение информации о положении на один инкремент за период квантования произойдет на минимальной определяемой скорости 0,037 об/мин. Если потребуется также и высокая скорость движения, например
100 об/мин., то частота инкрементных сигналов такого датчика составит 27 МГц. Это создаст серьезные проблемы при считывании обратной связи с учетом возможных помех. Напротив, при использовании аналогового варианта того же инкрементного энкодера частота синусоидальных сигналов на скорости 100 об/мин. составит 27 кГц, что не вызовет затруднений при их приеме, а разрешение обратной связи на практике будет ограничено только шумом принимаемых сигналов. Более того, на высокой скорости, когда большого разрешения обратной связи не требуется, можно считывать только периоды сигнала энкодера.
Основа преобразования синусно-косинусных сигналов аналогового инкрементного энкодера в цифровую форму в блоке DDU5 — арктангенсное преобразование отношения сигналов, которое реализуется цифровым сигнальным процессором (ЦСП) в сочетании с многоканальным быстродействующим АЦП. С помощью ЦСП также компенсируются низкочастотный дрейф, паразитная амплитудная модуляция и фазовые сдвиги сигналов датчика положения [1]. Квантование сигналов, например в 10-разрядном АЦП, дает достаточное разрешение: 1024 инкремента на полупериоде энкодера 40 угл. с дадут разрешение 0,039 угл. с/инкремент.

3.2. Двухканальный датчик угла

Электромагнитные преобразователи угла, к которым относятся синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ) и индукционные редуктосины (ИР), используются в жестких условиях эксплуатации, т.к. обладают высокой помехоустойчивостью и мало критичны к эксплуатационным воздействиям. Практика использования существующих конструкций индукционных преобразователей угла показывает, что они могут обеспечить уровень погрешности 0,1…1 угл. мин. Дальнейшее уменьшение погрешностей, особенно при жестких ограничениях по габаритно-массовым характеристикам, связано со значительными техническими и технологическими трудностями.
В то же время, в связи с удешевлением и значительным ростом производительности сигнальных процессоров возродился интерес к методам, позволяющим без усложнения первичного преобразователя обеспечить улучшение метрологических характеристик датчиков угла путем коррекции его погрешностей. В этом случае применяются в основном два метода. Первый состоит в измерении погрешностей датчика с помощью эталонного измерителя и запоминания кривой погрешности (калибровка датчика). Второй метод, названный методом частотной пространственной селекции, или самокалибровкой датчика, основан на использовании избыточной информации двухканального датчика. Такой метод позволяет проводить аттестацию и поддерживать требуемый уровень точности в процессе эксплуатации датчика без эталонного измерителя угла.
Метод самокалибровки базируется на двух важных предположениях: длиннопериодная (на целом обороте) погрешность каждого первичного преобразователя пренебрежимо мала, короткопериодная погрешность (внутри периода сигнала датчика) содержит ограниченное число кратных гармоник. Обычно гармонический состав спектра погрешности первичного преобразователя сохраняется от образца к образцу и во всех условиях эксплуатации. Меняются только амплитуды и фазы гармонических составляющих. Эти свойства первичного преобразователя позволяют эффективно использовать метод частотной пространственной селекции. Для его реализации устанавливаются два однотипных первичных преобразователя, имеющие различные по гармоническому составу спектры погрешности, что обеспечивается коэффициентами электрической редукции, которые не имеют общих множителей.
Двухканальный преобразователь угла, построенный на двух первичных преобразователях, коэффициенты электрической редукции которых не имеют общих множителей, позволяет реализовать в блоке DDU5 абсолютное позиционное преобразование угла в диапазоне 0—360° с точностью до нескольких угловых секунд.

3.3. Измерение скорости

При расчете скорости по путевой информации используются различные алгоритмы. Они отличаются различными статическими и динамическими характеристиками, чувствительностью к шумам квантования (путевой информации и алгоритмов счета) и к шумам измерения. Рассчитанная скорость характеризуется разрешением q_ω и максимальной задержкой

по отношению к мгновенной скорости. Эти два параметра влияют на статические и динамические характеристики измерения и, следовательно, на качество управления.
При простом дифференцировании рассчитывается средняя на периоде выборки

 скорость: 
 

(1).

При этом алгоритме разрешение по скорости

,

а максимальное запаздывание

.

Увеличение периода квантования улучшает разрешение (статические свойства), но ухудшает динамические свойства, т.к. увеличивается задержка и рассчитанная скорость отклоняется от мгновенного значения. Алгоритм (1) часто используется в стандартных контроллерах с дифференцированием (в ПД-регуляторах, например).
Простое дифференцирование по (1) — частный случай полиномиальной интерполяции. При такой интерполяции положение представляется полиномом n-го порядка

,

а скорость в момент времени 

рассчитывается как производная от

,

что требует знания последних n значений положения. Например, для квадратичной интерполяции скорость рассчитывается как
 

(2).

Полиномиальная интерполяция — не что иное как цифровая фильтрация. При интерполяции n-го порядка возможно следить без ошибки за скоростью, изменяемой как полином (n–1)-го порядка. На практике интерполяция (2) дает хорошие результаты из-за ограниченных шумов и отсутствия ошибки вплоть до движений с постоянным ускорением.
Для расчета скорости также широко используются наблюдатели, или модели, рассчитывающие неизмеряемые переменные. В блоке DDU5 можно использовать два варианта наблюдателей. Первый — наблюдатель скорости, описанный в [2], а второй — наблюдатель ошибок по положению, скорости и ускорению, описанный в [3]. Оба наблюдателя характеризуются шумом меньше, чем по (1) и (2).

4.1 Настройка привода и идентификаци я параметров

Блок DDU5 может работать с вращающимися и линейными двигателями. Для оптимизации параметров цифрового контроллера в ПО Easy Move блока DDU5 существует специальные средства. Настройка привода происходит в несколько этапов.
В специальном меню вначале задаются параметры двигателя: тип двигателя, постоянная момента (усилия), момент инерции (масса подвижной части), число пар полюсов (полюсное деление), сопротивление фаз, индуктивность, напряжение питания и т.д. Далее эти параметры преобразуются в нормализованный вид для представления описания привода в относительных единицах независимо от вида движения.
Затем включается процедура расчета параметров цифрового контроллера тока, определяющая его коэффициенты в соответствии со стандартными настройками, которые могут быть базой дальнейшей автонастройки. Дополнительная настройка контуров скорости и положения требует точной информации о механических параметрах привода. К этим параметрам относятся: момент инерции, момент сухого трения и момент активной нагрузки. Один из вариантов определения этих параметров описан в [4]. В замкнутом по положению приводе вводится положительная обратная связь по скорости с коэффициентом, создающим практически незатухающие автоколебания. В этом случае по смещению «центра» автоколебаний от заданного положения рассчитывается активный момент нагрузки. Момент инерции электропривода определяется по частоте автоколебаний, а из параметров автоколебаний определяются момент сухого трения и коэффициент вязкого трения привода. Эти параметры используются при компенсации пульсаций момента и программировании прямой связи.
Известно, что реализация заданной траектории движения только с использованием обратной связи не устраняет полностью влияния возмущений привода и часто приводит к насыщению регулятора и нелинейному поведению привода при задании динамичных режимов движения. Поэтому в следящем приводе DMS5 для уменьшения ошибки слежения используется разомкнуто-замкнутая структура управления, или управление с двумя степенями свободы по входу, часто обозначаемое термином 2-DOF. Кроме того, зачастую статическая и динамическая точности, достигаемые при управлении по отклонению, недостаточны. В особо точных устройствах необходимы значения этого параметра в единицы угловых секунд и единицы микронов. Для достижения таких показателей используется комбинированное замкнуто-разомкнутое управление с программной компенсацией эквивалентного возмущения.
На рис. 3 в относительной форме записи показана структура электропривода DMS5 с двумя степенями свободы по входу и корректором возмущений, содержащая регулятор (g_c), контроллер прямой связи (или прямую связь g_ff) и корректор возмущений (g_cor).

Рис. 3. Структурная схема следящего электропривода с двумя степенями свободы по входу и корректором возмущений

Вентильный двигатель представлен как двойной интегратор

с инерционным контуром момента

.

Система имеет два управляющих воздействия: u_ff — программное задание момента и θ* — задание положения, т.е. является разомкнуто-замкнутой по каналу управления, а также имеет вход компенсации μ_с = μ_d^c  + μ_L^c  возмущений — внутренних (μ_d) и внешних (μ_L).
Уравнение изображения ошибки по управлению в данной системе:
 

(3),

где

— передаточная функция ошибки по управлению.
Если отсутствует насыщение и система линейна, то передаточная функция g_ff рассчитывается из требования отсутствия ошибки слежения:

(4).

Таким образом, для тождественного равенства ошибки eu нулю, прямая связь должна иметь передаточную функцию g_ff, обратную передаточной функции объекта управления.
Ошибка выходной координаты eμ в функции возмущений (μ_d + μ_L ) и их коррекции (μ_d^c  + μ_L^c  ) представляется как 

(5).

Ошибка выходной координаты по возмущению будет отсутствовать (e_μ = 0) при соблюдении двух условий компенсации — точной оценке возмущений:

(6)

и передаточной функции корректора, обратно пропорциональной передаточной функции контура момента:

(7).

По (4), (6) и (7) реализованы программное управление, компенсация возмущений и нелинейная коррекция задания динамического момента в приводе DMS5.

4.2 Компенсация пульсаций момента

Структура электропривода DMS5 с компенсацией возмущений (калиброванного электропривода) показана на рис. 1, а на рис. 4 подробно представлена структура корректора в относительной форме записи.

Рис. 4. Структура корректора блока управления DDU5

Корректор реализует компенсацию внутренних возмущений μ_d и момента нагрузки μ_L привода в соответствии с (6) за счет добавления корректирующих компонент  μ_d^c  и μ_L^c  в ток i*_q при нейтральной коммутации (i*q = 0) с последующим делением на функцию пульсации . Для компенсации возмущающих моментов их можно условно разделить на медленно меняющиеся и переменные в функции положения. К медленно меняющимся возмущениям относятся: постоянная часть μ_Lc момента нагрузки, момент вязкого трения μLv , сухое трение и момент гистерезиса, которые в простейшем виде описываются как функция скорости (ω):

(8).

Переменные компоненты момента возмущений: зубцовый момент μ_cog(θ), момент пульсаций μ_MEh и момент возмущений μ_dcont  управления. Компенсирующие сигналы: μ_L^c   _c, μ_L^c   _v, Csign(ω), а также μ^c_c  og и

.

Скорректированное задание динамического момента

умножается на передаточную функцию корректора

и делится на функцию пульсаций :

(9)

Для определения параметров корректора в блоке DDU5 может использоваться процедура идентификации [5] по методу «ползучей скорости», когда привод перемещается при заданной постоянной скорости, близкой к нулевой. При этом практически отсутствует вязкое трение μ_Lv(ω) ≈ 0, присутствуют постоянная часть момента нагрузки μ_Lc, сухое трение и гистерезис

,

момент возмущений управления μdcont, зубцовый момент  μ_cog(θ)   и момент пульсаций μ_MEh .
При идентификации возмущений проделываются три опыта со снятием сигнала регулятора u_c :
– без дополнительной нагрузки и положительном направлении вращения

;

– без дополнительной нагрузки и отрицательном направлении вращения

;

– с дополнительным активным моментом нагрузки и положительным направлением вращения

.

Затем рассчитываются средние на одном обороте значения сигналов регулятора:

Из них можно рассчитать сигнал компенсации постоянной части момента нагрузки:

и коэффициент сигнала компенсации момента сухого трения и момента гистерезиса

:

. (11)

Коэффициент β эквивалентного вязкого трения μ_Lv(ω) = –βω оценивается по опыту пуска до установившейся скорости ω_∞ с малым заданным моментом (например, μ*≈0,1) по отношению:

. (12)

Идентификацию сигналов компенсации

,

C^c и βω можно произвести также методом автоколебаний, описанным выше.
Определение сигнала компенсации зубцового момента и коэффициента пульсаций производится вначале путем выделения переменной части сигналов регулятора:

(13)

И, в заключение, рассчитываются таблицы функции пульсаций и сигнала компенсации зубцового момента:

(14)

В результате получаются таблицы коррекции заданного момента

в функции заданного динамического момента идеальной машины 

и оценок положения 

и скорости

машины.

4.3 Программное управление

Прямая связь по (4) реализует так называемое условие воспроизведения, когда ошибка по управлению тождественно равна нулю при любых задающих воздействиях. Выражение (4) не реализуется напрямую, т.к. требует выполнения точных операций дифференцирования. Дифференцирования можно избежать, если формировать сигналы управления θ* и u_ff с использованием выходных переменных т.н. генератора траектории. Генератор траектории приближенно моделирует вентильный двигатель как инерционный источник момента или источник постоянного рывка, что соответствует заданию кубической параболы положения в функции времени с ограниченным рывком и ускорением и не создает возмущений в системе регулирования привода.
Результаты работы программного управления в приводе DMS5 иллюстрируются рис. 5, где показаны кривые скорости и динамической ошибки линейного привода с разными вариантами программного управления. Заметно существенное уменьшение динамической ошибки и колебаний при использовании полного программного управления.

Рис. 5. Отработка позиционного перемещения с различными вариантами программного управления

В опытной разработке блока прецизионного электропривода DMS5 использованы решения, позволяющие удовлетворить возросшие требования к этим устройствам: коррекция и самокалибровка датчиков положения, программное управление и коррекция возмущений привода. В результате значительно улучшается динамика процессов позиционирования и стабильность скорости. Разработанные процедуры настройки и идентификации параметров облегчают использование дополнительных возможностей блока управления.