Разработка цифрового быстродействующего тиристорного электропривода с процессорным управлением

Основным направлением развития народного хозяйства СССР в XI пятилетке, принятым ХХУ1 съездом КПСС, является повышение интенсивности производства /I/. При этом в качестве важной социально-экономической задачи в стране рассматривается широкое внедрение электронно-вычислительной техники, микропроцессоров во все отрасли народного хозяйства*.

Большая роль в выполнении планов экономического развития СССР на 1981;1985 г. г. принадлежит регулируемому электроприводу" Так в XI пятилетке намечается рост производительности более, чем на 12% /1/щ Развитие электропривода имеет определяющее значение в выполнении этой задачи, так как применение регулируемых электроприводов постоянного тока дает удобное и экономичное регулирование технологическим процессом и позволяет поддерживать выходные параметры объекта регулирования с высокой точностью в широком диапазоне /2/.

Координационный план научно-исследовательских работ Академии Наук СССР по проблеме «Научные основы электротехники и электрофизики на 1981;1985 года» предполагает разработку основ теории и проектирования регулируемых электрических машин и электроприводов на базе современной силовой полупроводниковой техники. При этом планируется выполнение теоретических и экспериментальных исследований вентильных систем, а также разработка теории их раЬчета.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с вышеуказанными планами. Она посвящена разработке тиристорного электропривода повышенного быстродействия с управлением от микро-ЭШ.

Тиристорный электропривод постоянного тока является наиболее распространенным типом привода в механизмах, требующих высоких показателей регулирования®Основным преимуществом такого электропривода является высокое быстродействие, что связано с высокими динамическими показателями самого тиристорного преобразователя" Большинство современных систем тиристорного электропривода постоянного тока строятся по принципу подчиненного регулирования параметров с использованием разработанных унифицированных блочных систем регуляторов на аналоговых и дискретных интегральных схемах (УБСР-АИ и УБСР-ДИ). Совершенствование аналоговых и цифро-аналоговых систем связано с использованием гибридных интегральных схем специального назначения, аналоговых микропроцессоров. Однако, структура этих систем регулирования строго детерминирована, расти-. рение функциональных возможностей системы предполагает применение дополнительных средств.

Главным звеном рассматриваемых систем управления является тиристорный преобразователь. Он обладает рядом специфических особенностей. К ним можно отнести: дискретный характер работы, неполную управляемость вентилей, вследствие которой характер переходных процессов при увеличении и уменьшении сигнала управления различный, наличие пульсаций выходного напряжения. Тиристорный преобразователь является нелинейным импульсным звеном и применение методов синтеза непрерывных систем не позволяет использовать его потенциальных возможностей по быстродействию. Существенное увеличение быстродействия возможно лишь при построении систем регулирования с учётом дискретности работы цреобра зова теля. При этом необходимо точное математическое описание изменения регулируемой координаты на интервале дискретности. Такой подход к решению задачи повышения быстродействия позволяет добиться, предельного по быстродействию регулирования координат привода.

В промышленности существует целый ряд механизмов и устройств, где повышение быстродействия тиристорного преобразователя может сыграть положительную роль. Это системы, позиционирования, стенды для испытания специального оборудования, электроприводы подач металлорежущих станков, механизмы металлургического оборудования* Особая необходимость в таких системах управления возникает при использовании в электроприводе электродинамических линейных двигателей постоянного тока.

Практическая реализация предельного быстродействия в тирис-торном электроприводе возможна лишь при использовании средств вычислительной техники — быстродействующих микропроцессорных систем и микро-ЭШ.- Микропроцессорная система регулирования обладает свойством универсальности. Любые преобразования, представленные в виде конечного числа уравнений, могут. быть выполнены при помощи микро-ЭШ по введенной в нее программе. Следовательно, простые и сложные законы регулирования могут выполняться одним и тем же. устройством. Темпы развития и совершенствования, цифровой микроэлектроники значительно превосходят аналоговые /3/. Использование в данном случае микропроцессоров шеи микро-ЭШ в системе регулирования электроприводом позволит уменьшить конструктивную сложность устройства, упростить наладку, сократить сроки проектирования.

На данном этапе задача регулирования тока в якорной цепи тиристорного электропривода с предельным быстродействием теоретически и практически решена о применением аналоговых средств, однако сложность изготовления и наладки аналоговых вычислительных устройств препятствует внедрению этих систем управления в промышленность, В случае регулирования скорости задача решена в основном только на теоретическом уровне. Существующие технические решения быстродействующих регуляторов скорости имеют довольно много недостатков и работают в ограниченном диапазоне нагрузки.

На кафедре Автоматизированного электропривода МЭИ выполнен ряд работ в области повышения быстродействия регулирования координат тиристорного электропривода" Настоящая диссертационная работа является их продолжением. В ней поставлены следующие задачи:

1. Разработать способ регулирования скорости тиристорного электропривода с быстродействием, близким к предельному.

2. Разработать алгоритм регулирования с предельным быстродействием тока якорной цепи тиристорного электропривода с управлением от микро-ЭВМ.

3. Исследовать на ЦВМ алгоритм регулирования скорости тиристорного электропривода, основанного на разработанном способе.

4. Разработать структуру специализированной микро-ЭВМ для управления током и скоростью тиристорного электропривода по предложенным. алгоритмам.

5. Провести экспериментальные исследования регулирования тока с предельным быстродействием реверсивной тиристорной системы электропривода с управлением от специализированной микро-ЭВМ.

Данная работа раскрывает одну из проблем, возникающих при создании качественно новых систем прямого процессорного управления тирис торным электроприводом.

4. Результаты исследования на ЦВМ с помощью разработанной математической модели тиристорного электропривода с регулятором скорости, содержащим прогнозирующую модель электропривода, подтвердили, что предлогаемый алгоритм позволяет получить близкое к предельному регулирование скорости. Переходные процессы при отработке типовых управляющих воздействий заканчивается за 1−2 интервала проводимости тиристора при отсутствии достижения ограничений, а при скачкообразном изменении статического момента сопротивления, время переходного процесса и величина просадки скорости в 2 раза меньше, чем в традиционных системах подчиненного регулирования при тех же условиях. Расчетная полоса пропускания системы около 50 Гц.

5. Разработанные специализированные вычислительные устройства позволяют моделировать якорную цепь электродвигателя в ускоренном масштабе времени, причем процесс моделирования протекает для специализированного процессора в 180 раз, а для микро-ЭВМ в 128 раз быстрее реально протекающих, процессов.

6.* Созданный опытный образец реверсивного тиристорного электропривода с прямым процессорным управлением обладает предельным по быстродействию регулированием тока в якорной цепи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Реализация алгоритмов, обеспечивающих высокие динамические показатели цифрового тиристорного электропривода, требует создание высокопроизводительных специализированных вычислительных устройств. Перспективно в основе таких систем управления применять регуляторы, содержащие цифровые модели, позволяющие в ускоренном масштабе времени прогнозировать будущие траектории тока и скорости.

2. Предложен способ регулирования скорости тиристорного электропривода, обеспечивающий отработку типовых управляющих воздействий с быстродействием, близким к предельному.

3. Результаты исследований на ЦВМ с помощью разработанной математической модели тиристорного реверсивного электропривода с регулятором тока, содержащего прогнозирующую модель якорной цепи, подтвердили, что предлогаемый алгоритм позволяет получить предельное по быстродействию регулирование тока. Расчетная полоса пропускания исследуемой системы составляет около 70 Гц.