Geum.ru

Разработка электроприводов для высокоточных оптических измерений

Вид материалаДокументы

Содержание


Энергетическая подсистема
Информационная подсистема
Подобный материал:
РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ДЛЯ ВЫСОКОТОЧНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ.

ПРОБЛЕМЫ И ДОСТИЖЕНИЯ.


В.С.Томасов, К.М.Денисов, А.В.Гурьянов
(Санкт-Петербург, ГОУВПО "Санкт–Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики")


Аннотация. В докладе приводятся основные достижения и проблемы, связанные с разработкой и внедрением следящих электроприводов оптических комплексов высокоточных наблюдений. Приводятся характеристики цифровых следящих электроприводов различных оптико-механических комплексов специального назначения и проблемы, возникающие при их проектировании, изготовлении и наладке.

Abstract. The given article describes achievements and questions, connected with the developing and embedding of the tracking servo drives used in high precision watching optical apparatuses. The characteristics of the digital controlled servo drives used in the series of the variant optic-mechanical complexes of special predestination and its projecting, manufacturing and arrangement problems are discussed.


Кафедра электротехники и прецизионных электромеханических систем (ЭТ и ПЭМС) Санкт- Петербургского университета информационных технологий, механики и оптики более 25 лет занимается исследованиями, проектированием и вводом в эксплуатацию систем прецизионного электропривода для информационно – измерительных систем ракетно-космической техники, уникальных оптических комплексов наблюдения космического пространства, Российской сети лазерных стаций. За это время разработаны десятки прецизионных электромеханических следящих систем с максимальными моментами на исполнительных осях от 5 до 5000 Нм на базе эффективных транзисторных инверторов напряжения и высокомоментных, встраиваемых в опорно-поворотные устройства (ОПУ) двигателей различного типа.

Характерными особенностями прецизионных следящих электроприводов комплексов высокоточных оптических измерений являются [1-2]:

- широкий диапазон скоростей слежения (18000) при малых значениях среднеквадратичных ошибок, требующий высоких значений добротности системы по скорости (от 200 до 2000);

- инфранизкие скорости движения оптической оси комплекса: единицы угловых секунд за секунду;

- использование уникальных прецизионных датчиков координат;

- нежесткость конструкции ОПУ и возникновение механического резонанса на частотах от единиц Гц;

- необходимость ограничения допустимой полосы пропускания частот в системе регулирования угла на уровне более чем на порядок меньшем механической резонансной частоты;

- шаговый характер движения следящей оси на инфранизких скоростях, обусловленный нагрузкой реактивного характера и дискретными по уровню и времени сигналами датчиков координат.

Комплексы высокоточных оптических измерений, использующие в своих системах управления прецизионные электропривода, разрабатываемые на кафедре ЭТ и ПЭМС СПбГУ ИТМО, предназначены для преобразования кодов задания траектории движения оптической оси телескопов, поступающих либо от центральной ЭВМ, либо от телевизионных автоматов (ТА), либо и от ЭВМ и от ТА в углы поворота следящих осей, чаще всего по двум координатам - углу места (ось А) и азимуту (ось В) [1].


В настоящее время на кафедре проектируются цифровые следящие привода для оптико-электронного комплекса автономного поиска, обнаружения космических объектов (КО) и сбора информации о них («Прицел»), автономного многофункционального оптического локационного комплекса национальных информационно-измерительных средств судна связи «Маршал Крылов» («МОЛК»), большого алтайского телескопа траекторных и сигнальных измерений с диаметром зеркала 3, 12 метра (ТИ-3.12), а также серии малогабаритных многофункциональных квантово-оптических систем различного назначения («Сажень-ТМ»).

Основные функциональные характеристики таких комплексов в значительной степени определяются реальной точностью слежения за наблюдаемыми объектами. В решении подобных задач важную роль играет конструктивное исполнение всех элементов измерительного телескопа и его опорно-поворотного устройства, представляемое в процессе моделирования и проектирования электроприводов, как правило, двухмассовым механизмом. Угловая частота резонанса этого механизма, вызванная крутильными деформациями [3] , в конечном итоге определяет полосу пропускания частот контуров регулирования системы управления и, как следствие ее быстродействие. Для разрабатываемых систем полоса пропускания частот внешнего контура регулирования положения составляет десятые доли и единицы Герц в зависимости от конструкции ОПУ того или иного телескопа.

В этих условиях, именно на цифровой следящий электропривод возлагается задача компенсировать все возможные несовершенства конструкции механических узлов телескопа, его кабельного перехода и обеспечить заданную точность при относительно невысоком быстродействии системы, определяемым низкой резонансной частотой осей ОПУ. Стремление к уменьшению сроков проектирования, повышению точности, увеличению быстродействия, широкое использование современных элементов и устройств силовой электроники и вычислительной техники совершенно очевидно, требуют комплексного подхода к проектированию, исследованию и реализации комплексов высокоточных наблюдений. При этом силовые привода измерительных телескопов этих комплексов необходимо проектировать с учетом дискретности протекания электромагнитных и электромеханических процессов, нелинейностей, упругих связей, сил трения, возмущающих воздействий со стороны подшипников и кабельного перехода, значительно осложняющих процессы управления [2,5]. Комплексный подход сегодня невозможно реализовать без активного использования информационных технологий на всех этапах проектирования, исследования и эксплуатации современных систем прецизионного электропривода комплексов высокоточных наблюдений.


Структурно комплексы высокоточных оптических измерений содержат двухканальные (по азимуту и углу места) энергетические и информационные подсистемы [1,2].

^ Энергетическая подсистема включает в себя силовые цепи первичного источника питания, полупроводникового и электромеханического преобразователей и обеспечивает протекание процессов электромеханического преобразования энергии. ЭП определяет предельно достижимые динамические характеристики электроприводов комплекса (максимальные скорости и ускорения следящих осей) и, в значительной степени, массогабаритные показатели систем управления [3] . Причем следует иметь в виду, что в электроприводах, работающих на нагрузку с упругими связями, к энергоподсистеме предъявляются требования по достижению больших значений ускорения с целью демпфирования этих колебаний [4].

В качестве электромеханического преобразователя в последних разработках кафедры используются синхронные машины с постоянными магнитами на роторе. В проектах «Прицел» и «МОЛК» в следящих осях ОПУ предполагается установить высокомоментные синхронные двигатели белорусско-немецкой компании Ruchservomotor (Kollmorgen), а в остальных системах устанавливаются двигатели, разработанные и изготовленные в СКБ «Львивска Политехника» (www.lvivmotor.com.ua) Двигатели этих производителей характеризуются большим отношением вращающего момента к моменту инерции ротора, определяющим предельное быстродействие машины. Возможность уменьшения неравномерности момента за счет подбора формы фазных токов обеспечивает приближение свойств вентильного двигателя к идеальному источнику момента. Причем, необходимо отметить, что для увеличения надежности и снижения величины напряжения в звене постоянного тока инвертора, двигатели обеих осей телескопа ТИ-3.12 секционированы и представляют собой совокупность трех электромашин с одинаковыми параметрами.

Для управления вентильными двигателями во всех проектах кафедры применяются автономные инверторы напряжения с широтно-импульсной модуляцией [1,2,3] на интеллектуальных силовых модулях, которые представляют собой интегрированные силовые устройства со схемами управления и защиты. Интеллектуальные модули пятого поколения по сравнению с предыдущими разработками обладают более низкими значениями напряжения насыщения и оптимальной траекторией переключения силового транзистора, достигаемой благодаря применению схем управления, формирующих необходимую траекторию переключения, а также использованию обратных диодов с малым временем и мягкой характеристикой восстановления. Применяемый способ коммутации позволяет при частоте коммутации транзисторов в 10 кГц, коммутировать фазные обмотки двигателя частотой в 20 кГц.

При питании автономных инверторов напряжения от сети переменного тока с последующим выпрямлением, возникают наиболее тяжелые условия работы конденсатора силового фильтра в моменты отвода энергии вращающихся частей нагрузки в силовые цепи энергоподсистемы. Для энергоподсистем всех проектов, кроме ТТИ-3.12 по условиям их работы и учитывая параметры ОПУ и двигателя, оказывается возможным не устанавливать параллельно конденсатору тормозного сопротивления и всю энергию торможения принимать в конденсатор и рассеивать на сопротивлениях фаз двигателей [5, 6, 7]. Для обеспечения безопасной работы всей системы двухкоординатного электропривода большого алтайского телескопа ТИ-3.12, в связи со значительными маховыми массами осей телескопа и максимальной скоростью переброса (20 град/сек) возникает необходимость в совместной установки конденсаторов фильтра и тормозного сопротивления для преобразования электрической энергии торможения в тепло.


^ Информационная подсистема обеспечивает сбор информации от датчиков обратных связей, реализацию цифровых контуров регулирования переменных состояния системы, выработку сигналов управления силовыми преобразователями, оперативную диагностику и отработку аварийных ситуаций, связь с компьютером верхнего уровня иерархии.

Для обеспечения требуемых точностных и динамических характеристик в подобных системах реализуются прямые цифровые регуляторы и цифровые фильтры до 10 порядка. При этом частота дискретизации составляет десятки килогерц. Указанные условия требуют применения в качестве вычислительных устройств высокопроизводительных сигнальных процессоров с плавающей точкой, обладающих вычислительной производительностью до 300 миллионов инструкций в секунду. В особо критических случаях, где требуется распараллеливание вычислений, часть вычислительного алгоритма приходится реализовывать аппаратно с помощью программируемых логических матриц.

Настройка и подбор параметров регуляторов в сложных прецизионных системах управления затруднен без предварительного детального моделирования системы. На сегодняшний день существуют очень развитые пакеты моделирования (такие, как Matlab), позволяющие детально промоделировать механическую и электрическую части системы, подобрать оптимальную структуру и настроить регуляторы. Однако, при переходе от модели к реальной системе зачастую возникают проблемы, связанные с неполной идентичностью модели реальному объекту регулирования и различной точности реализации вычислительных алгоритмов на модели и в реальном управляющем устройстве. Для решения данных проблем была разработана специальная технология отладки и настройки реальных объектов с помощью пакета Matlab. Был создан специальный драйвер и протокол, позволяющие управлять реальным оборудованием непосредственно из пакета Matlab [8]. Были разработаны вычислительные алгоритмы базовых управляющих функций, позволяющие прозрачный перенос параметров регуляторов из модели в реальную систему, при котором обеспечивается повторяемость результатов работы модели и реального объекта.

Для связи с компьютером верхнего уровня наиболее оптимальным представляется использование CAN-интерфейса, который адаптирован для работы в системах реального времени и гарантирует минимальное время доставки пакета информации в отличие от других последовательных многоточечных интерфейсов. С помощью такого интерфейса удается обеспечить выдачу целеуказаний по траектории движения инструмента с частотой дискретизации до нескольких килогерц, которая является вполне достаточной с учетом полосы пропускания современных оптических систем слежения, которая лежит в пределах от единиц до десятков герц.

В качестве датчиков положения оси инструмента в современных системах чаще всего используются высокоточные оптические энкодеры, обеспечивающие точность определения положения на уровне 0.01” – 0.05”. Ведущие фирмы-производители подобных датчиков оснащают свои изделия специализированными высокоскоростными последовательными интерфейсами. В качестве примера можно привести интерфейс EnDat (фирма Heidenhain) и интерфейс BISS (фирма Renishaw), обеспечивающие передачу информации со скоростью до 10 Мбит/с с аппаратным обеспечением командного протокола обмена информацией и контроля ее достоверности. В проектах «Прицел», «МОЛК» и «Сажень – ТМ» в следящих осях ОПУ устанавливаются оптические энкодеры фирма Renishaw. Однако, следует учитывать, что на сегодняшний день не существует серийно выпускаемых микроконтроллеров со встроенными интерфейсами подобного типа. Поэтому, данные интерфейсы приходится реализовывать с использованием программируемых логических матриц. В частности, для реализации интерфейса EnDat в соответствии со стандартом 2.2, требуется около 500 логических ячеек программируемой логической матрицы. В сложных крупногабаритных прецизионных системах стандартной практикой является установка нескольких (от двух до четырех) датчиков положения на каждой оси инструмента. Это позволяет учесть механические нежесткости конструкции, и скомпенсировать геометрические погрешности установки датчиков и других элементов конструкции. При проектировании следящих электроприводов для большого алтайского телескопа ТИ – 3.12 в качестве датчиков угла используются датчики больших диаметров фирмы Heidenhain с четырьмя считывающими головками на азимутальной оси и двумя датчиками угла, устанавливаемыми на двух массах угломестной оси с двумя считывающими головками каждый. В этом случае, информационная подсистема должна обладать соответствующим количеством описанных интерфейсов для параллельной обработки информации со всех датчиков.

Для управления силовыми преобразователями энергии информационная подсистемы должна вырабатывать многофазные широтно-модулированные сигналы, подаваемые на управляющие входы энергетической подсистемы. Для этого в информационной подсистеме должны присутствовать многофазные широтно-импульсные модуляторы. Причем, как нами указывалось выше, для увеличения надежности и снижения величины напряжения в звене постоянного тока инвертора, двигатели обеих осей телескопа ТИ-3.12 секционированы и представляют собой совокупность трех электромашин с одинаковыми параметрами, что требует управления каждой секцией одного трехфазного двигателя от отдельного силового преобразователя. Для обеспечения такой возможности требуется параллельная реализация контуров регулирования токов отдельных секций с выработкой отдельных широтно-импульсных сигналов управления силовыми преобразователями каждой из секций. Это накладывает дополнительные условия на вычислительную производительность информационной подсистемы и количество интегрированных в нее многофазных широтно-импульсных модуляторов.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что оптимальной структурой информационной подсистемы может являться комбинация высокопроизводительного цифрового сигнального процессора с плавающей точкой и программируемой логической матрицы, объемом до 10000 логических ячеек. При этом цифровой сигнальный процессор выполняет основные функции цифрового регулирования, в то время как на программируемой логической матрице реализуются вычислительные функции, требующие параллельной реализации, специфические интерфейсы с датчиками положения и широтно-импульсные модуляторы. Для повышения скорости обмена информацией между цифровым сигнальным процессором и программируемой логической матрицей, они должны быть связаны друг с другом по параллельной многоразрядной магистрали.

Совершенно очевидно, что рассмотренные возможности, достижения и перспективы являются прямым следствием внедрения последних достижений силовой электроники и современных информационных технологий на всех этапах проектирования, исследования и эксплуатации таких сложных мехатронных систем, какими безусловно являются оптические комплексы высокоточных измерений.


Литература




1. Синицын В.А., Толмачев В.А., Томасов В.С. Системы управления комплексом позиционирования и слежения. Изв. вузов. Приборостроение. 1996. Т. 39, № 3, с. 22-27.

2. Глазенко Т.А., Томасов В.С. Состояние и перспективы применения полупроводниковых преобразователей в приборостроении. Изв. вузов. Приборостроение. 1996. Т. 39, № 3, с. 5-10.

3. Борцов Ю.А., Соколовский Г.Г. Автоматизированный электропривод с упругими связями. СПб: Энергоатомиздат, 1992.

4. Синтез следящего электропривода оси опорно-поворотного устройства/ В.А. Толмачев // Изв. Вузов. Приборостроение, 2008. № 6. с. 68-72.

5. Синицын В.А., Томасов В.С. Энергоподсистемы следящих электроприводов измерительных телескопов. Изв. вузов. Приборостроение. 2008. Т. 51, № 6, с. 12-17.

6. Томасов В.С., Серебряков С.А., Борисов П.А. Электромагнитные процессы в силовой цепи источника питания транзисторного ШИП, работающего в замкнутой системе электропривода. Изв. вузов. Приборостроение. 2002. Т. 45, № 8. с. 42-50.

7. Томасов В.С., Синицын В.А., Борисов П.А. Исследование электромагнитных процессов в энергетическом канале замкнутой системы электропривода постоянного тока. Изв. вузов. Приборостроение. 2004. Т. 47, № 11. с. 9-16.

8. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009611420 «Программный комплекс СБПЭТ (система быстрого прототипирования электропривода телескопа» от 12.03. 2009. Авторы Гурьянов А.В., Денисов К.М.