Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Электротехнические комплексы и системы

Диссертационная работа:

Семисалов Виталий Вениаминович. Разработка математической модели для исследования динамических режимов работы шагового электропривода с трехфазным инвертором напряжения : диссертация ... кандидата технических наук : 05.09.03.- Москва, 2005.- 193 с.: ил. РГБ ОД, 61 05-5/3830

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Список сокращений 5

Введение 6

1 ОБЗОР МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ШАГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА 21

1.1 Допущения, принимаемые при моделировании шагового электропривода 21

1.2 Преобразование координат 22

1.3 Система относительных единиц и обобщенные параметры шагового электропривода 26

1.4 Математическая модель шагового электропривода в фазной системе координат 33

1.5 Математическая модель шагового электропривода в двухфазной ортогональной статорной системе координат 35

1.6 Модель шагового электропривода в двухфазной ортогональной роторной системе координат 37

1.7 Упрощенные модели шагового электропривода 43

1.8 Рекомендации по использованию различных математических моделей шагового электропривода 50

1.9 Выводы по главе 51

2 УТОЧНЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ШАГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА 52

2.1 Функциональная схема шагового электропривода 52

2.2 Особенности работы системы трехфазный транзисторный инвертор напряжения - шаговый электродвигатель 55

2.3 Формирование вектора напряжения в разомкнутом шаговом электроприводе з

2.4 Формирование вектора напряжения в замкнутом шаговом электроприводе 70

2.5 Выводы по главе 73

3 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ШАГОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ 74

3.1 Выбор компьютерных сред моделирования 74

3.2 Моделирование разомкнутых шаговых электроприводов 75

3.3 Моделирование замкнутых шаговых электроприводов 94

3.4 Моделирование электроприводов с шаговыми двигателями с электромеханической редукцией скорости 107

3.5 Рекомендации по применению полученных компьютерных моделей 125

3.6 Выводы по главе 126

4 ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ И ОБОБЩЕННЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШАГОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ 127

4.1 Исследование устойчивости шагового электропривода 127

4.2 Переходные режимы работы шагового электропривода 134

4.3 Исследование обобщенных динамических характеристик электроприводов с магнитоэлектрическими шаговыми двигателями 136

4.3.1 Обобщенные динамические характеристики при коммутации сХ=180° 136

4.3.2 Обобщенные динамические характеристики при коммутации с Х= 120° 147

4.3.3 Обобщенные динамические характеристики при коммутации с Х,= 150° 150

4.4 Обобщенные динамические характеристики электроприводов с шаговыми двигателями с электромеханической редукцией скорости 155

4.5 Выводы по главе 159

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ШАГОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ С ЭЛЕКТРОМЕХА1ІИЧЕСКОЙ РЕДУКЦИЕЙ СКОРОСТИ 160

5 Л Снятие предельных динамических характеристик 165

5.2 Переходные процессы в электроприводах с шаговыми двигателями с электромеханической редукцией скорости 167

5.3 Выводы по главе 174

Заключение 175

Список литературы 178

Приложение 1  

Введение к работе:

Актуальность работы.

Шаговый электропривод широко применяется в современных автоматизированных системах с управлением от ЭВМ и микропроцессорных устройств. В настоящее время шаговые электроприводы используются в станках с программным управлением, в различной бортовой аппаратуре летательных аппаратов, в системах управления стержнями ядерных реакторов, в робототехнических системах и различного рода комплексах автоматизации технологических процессов.

На базе шагового электропривода строятся как разомкнутые дискретные системы, отличающиеся структурной простотой и надежностью, так и замкнутые системы, отличающиеся высокими динамическими качествами и широтой решаемых функциональных задач.

Широкое практическое применение получили дискретные электроприводы с быстроходными магнитоэлектрическими шаговыми двигателями (ШД) с большой ценой шага и тихоходными индукторными и реактивными двигателями с малой ценой шага. В качестве высокоточных высокомоментных исполнительных ШД могут использоваться шаговые двигатели с электромеханической редукцией скорости, к которым относятся ШД с катящимся эксцентрическим ротором (ШДК) и волновые с деформирующимся ротором (ШДВ). На базе ШДК и ШДВ можно создавать компактные тихоходные дискретные электроприводы с высокой разрешающей способностью до 1000 шагов на оборот, способные работать при значительных инерционных нагрузках, с большим вращающим моментом на единицу массы и высокой точностью позиционирования. Такие электроприводы отличаются высокой надежностью и возможностью работать в широком диапазоне окружающих температур, в глубоком вакууме и агрессивных средах.

Исследованию шаговых электроприводов посвящено большое количество работ. Однако в них мало рассмотрены динамические режимы работы шаговых электроприводов с трехфазным инвертором напряжения. В частности, не исследовано влияние алгоритмов коммутации силовых ключей инвертора на устойчивость и обобщенные динамические характеристики. Недостаточно внимания уделено исследованию работы шаговых электроприводов с исполнительными двигателями с электромеханической редукцией скорости в системе с трехфазным инвертором напряжения.

Для работы шагового электропривода характерны переходные процессы, связанные с коммутацией обмоток исполнительных ШД, и различные динамические режимы работы, связанные с пуском, реверсом и остановом, а также с программным управлением приводом. Это требует уточнения математической модели шагового электропривода.

Прогресс в области вычислительной техники и информационных

технологий, появление разнообразных программных продуктов для расчета и моделирования сложных систем позволяет быстро и эффективно осуществлять разработку, проектирование и исследование различных режимов работы шаговых электроприводов.

Это определило тему и основные задачи исследования настоящей диссертационной работы.

Значительный вклад в развитие теории дискретного шагового электропривода внесли отечественные ученые: Ивоботенко Б.А., Исмаилов Ш.Ю., Лабзин М.Д., Луценко В.Е., Садовский Л.А., Рубцов В.П., Цаценкин В.К., Чиликин М.Г. и др.

В своей работе автор также опирался на труды, посвященные вопросам теории, применения и исследования динамики различного класса маломощных электроприводов, опубликованные в работах: Грузова В.Л., Лебедева М.Д., Миловзорова В.П., Овчинникова И.Е. Полковникова ВА, Постникова ВА, Сабинина ЮА, Стеблецова В.Г., Хасаева О.И. и др.

Диссертационная работа выполнена в рамках: НИР "Компьютерное моделирование и автоматизация расчетов шагового и вентильного электроприводов для летательных аппаратов", № ГР 01200409281 (грант А03-3.14-1 для поддержки НИР аспирантов вузов Минобразования РФ); проекта "Моделирование динамических процессов в шаговых и вентильных электроприводах" (программа "Развитие научного потенциала высшей школы", подпрограмма 3, код проекта: 313); НИР "Создание основ теории и моделирование систем управления, навигационных приборных комплексов и электроэнергетических систем летательных аппаратов", № ГР 01200110876.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка математических и компьютерных моделей системы "Трехфазный транзисторный инвертор напряжения - шаговый двигатель", исследование на их основе динамических режимов работы разомкнутых и замкнутых шаговых электроприводов и выработка рекомендаций по проектированию таких систем для обеспечения требуемого качества динамических процессов.

Основные задачи исследования.

  1. Анализ работы системы "Трехфазный транзисторный инвертор напряжения — шаговый двигатель" при различных алгоритмах коммутации силовых ключей инвертора и формирование вектора напряжения с учетом влияния коммутационных процессов на форму фазного напряжения в разомкнутом и замкнутом шаговом электроприводе.

  2. Разработка математической модели системы "Трехфазный транзисторный инвертор напряжения - шаговый двигатель", учитывающей дискретный характер изменения магнитного поля и движения ротора, особенности частотного и позиционного способов управления, влияние ЭДС вращения и электромагнитной постоянной времени, а также различные алгоритмы коммутации силовых ключей инвертора в электроприводах с исполнительными магнитоэлектрическими шаговыми двигателями с

активным ротором и индукторными шаговыми двигателями с электромеханической редукцией скорости с возбуждением от постоянных магнитов.

  1. Компьютерное моделирование и исследование характерных динамических режимов работы разомкнутого и замкнутого шагового электропривода на базе предложенной математической модели системы "Трехфазный транзисторный инвертор напряжения - шаговый двигатель".

  2. Определение диапазона резонансных частот шагового электропривода на базе системы "Трехфазный транзисторный инвертор напряжения -шаговый двигатель" при различных алгоритмах коммутации силовых ключей инвертора и исследование областей устойчивой работы такой системы в пространстве обобщенных параметров шагового электропривода.

  3. Определение обобщенных динамических характеристик шагового электропривода на базе системы "Трехфазный транзисторный инвертор напряжения - шаговый двигатель" и получение расчетных выражений для предельных частот пуска, реверса и останова в функции обобщенных параметров электропривода при различных алгоритмах коммутации ключей инвертора.

  4. Экспериментальное исследование динамических режимов работы шагового электропривода с исполнительными двигателями с электромеханической редукцией скорости ШДК и ШДВ для подтверждения результатов компьютерного моделирования.

Методы исследования. В диссертационной работе используются методы теоретического исследования, имитационного моделирования и экспериментального исследования. При проведении теоретических исследований применяются методы теории электрических машин, теории автоматизированного электропривода, теории автоматического управления. Компьютерное имитационное моделирование выполнено с использованием современных универсальных интегрированных сред Mathcad, MATLAB, OrCAD, CASPOC, Delphi. При составлении компьютерных моделей используются методы математического моделирования и электрических аналогий в сочетании с координатными преобразованиями уравнений (переменных состояния и параметров) обобщенной электрической машины. Для решения нелинейных математических моделей применяются численные методы. В работе используются также метод планирования эксперимента и метод анализа и обработки данных с применением компьютерного универсального пакета STATGRAPHICS Plus for Windows. Экспериментальные исследования проводились на лабораторных и научных стендах кафедры "Электроэнергетические, электромеханические и биотехнические системы" Московского авиационного института.

Достоверность полученных результатов диссертационной работы определяется корректностью поставленных в ней задач, обоснованностью

принятых допущений и адекватностью используемых математических моделей для описания рабочих процессов, что подтверждается сравнением результатов моделирования с экспериментальными данными. Научная новизна.

  1. Разработана уточненная математическая модель системы "Трехфазный транзисторный инвертор напряжения - шаговый двигатель", которая учитывает различные алгоритмы коммутации ключей инвертора, несинусоидальную форму фазного напряжения на обмотках шагового двигателя, влияние ЭДС вращения и электромагнитной постоянной времени, дискретный характер изменения магнитного поля и движения ротора, особенности частотного и позиционного способов управления.

  2. Предложенная математическая модель шагового электропривода реализована в современных компьютерных средах Mathcad, MATLAB, OrCAD, CASPOC, Delphi, что позволило оценить сложность моделирования и выбрать наиболее удобную компьютерную среду для решения поставленных задач по исследованию динамических режимов работы шагового электропривода.

  3. Проведено исследование и анализ влияния алгоритмов коммутации силовых ключей трехфазного инвертора напряжения, законов управления и обобщенных параметров на динамические режимы работы шаговых электроприводов с исполнительными магнитоэлектрическими двигателями с активным ротором и индукторными двигателями с электромеханической редукцией скорости ШДК и ШДВ с возбуждением от постоянных магнитов.

  4. Определен диапазон резонансных частот системы "Трехфазный транзисторный инвертор напряжения - шаговый двигатель" для различных алгоритмов коммутации и получены в пространстве обобщенных параметров области неустойчивой работы шагового электропривода на резонансных частотах управления.

  5. Получены, с использованием метода планирования эксперимента, для различных алгоритмов коммутации силовых ключей трехфазного инвертора напряжения аппроксимирующие выражения предельных частот пуска, реверса и останова в функции обобщенных параметров рассматриваемых типов шаговых электроприводов.

Практическая ценность.

Полученные математические модели, реализованные в современных компьютерных средах, позволяют эффективно проводить моделирование и исследование динамических режимов работы шаговых электроприводов с исполнительными магнитоэлектрическими ШД с активным ротором и индукторными двигателями с электромеханической редукцией скорости ШДК и ШДВ с возбуждением от постоянных магнитов, в системе "Трехфазный транзисторный инвертор напряжения - шаговый двигатель".

Проведенные исследования позволяют на стадии расчета и

7 проектирования правильно выбирать сочетания обобщенных параметров шагового электропривода для получения устойчивой работы и качества динамических процессов при различных алгоритмах коммутации силовых ключей инвертора.

Полученные выражения для предельных частот пуска, реверса и останова позволяют проводить расчеты на стадии проектирования шагового электропривода при различных алгоритмах коммутации силовых ключей инвертора и разных сочетаниях обобщенных параметров.

Реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы используются в МАИ в учебном процессе при подготовке специалистов по направлению 654500 "Электротехника, электромеханика и электротехнологии" при чтении курсов лекций "Динамика и регулирование источников и преобразователей электроэнергии летательных аппаратов" и "Электротехнические системы и основы робототехники", а также при проведении лабораторных работ, при выполнении курсовых и дипломных проектов. Имеются акты о внедрении результатов диссертационной работы в НИР и об использовании моделей и рекомендаций по проектированию на предприятии ОАО "Аэроэлектромаш". Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах:

Международный научно-технический семинар "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации". - Алушта, 2001-2004.

Второй международный конгресс "Нелинейный динамический анализ" (NDA'2). - Москва, 2002.

Международная конференция "Авиация и космонавтика". - Москва, 2003-2004.

Одиннадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика". - Москва, 2005.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ: 5 научных статей в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ; 14 публикаций в трудах международных конференций. Отдельный материал включен также в 3 отчета по НИР.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертационной работы составляет 193 страницы, в том числе основная часть - 172 страницы, 83 рисунка, 28 таблиц, список литературы из 113 наименований на 11 страницах, приложение на 5 страницах.

Подобные работы
Королева Татьяна Николаевна
Математическая модель синхронного генератора для исследования несимметричных режимов работы судовых электростанций
Рожков Вячеслав Владимирович
Разработка и исследование замкнутых систем и некоторых специальных режимов работы асинхронного электропривода с фазовым управлением в роторной цепи
Ильин Андрей Викторович
Разработка и исследование моделей энергосберегающего управления электромеханическими системами
Саков Виталий Витальевич
Исследование и разработка математических моделей и методики расчета электрических нагрузок жилых зданий
Пеховский Владимир Станиславович
Исследование режимов работы самовозбуждающихся синхронных генераторов гребной электрической установки неизменного тока
Бруев Иван Васильевич
Рациональные режимы работы электроприводов турбокомпрессоров магистральных газопроводов
Селепина Роман Александрович
Улучшение режимов работы синхронных электроприводов буровых установок и их показателей
Поляков Данил Валерьевич
Разработка оптимальной по уровню электропотребления системы автоматического регулирования вентильного электропривода механизмов длительного режима работы
Тумаева Елена Викторовна
Синхронный электропривод с оптимальными режимами работы
Лычагин Антон Геннадьевич
Особенности управления автономным инвертором напряжения на IGBT-транзисторах для тягового асинхронного привода

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net