Электромеханическая система компенсации силы тяжести с асинхронным частотно-регулируемым электроприводом

На правах рукописи

Барыльник Дмитрий Владимирович

Электромеханическая система компенсации
силы тяжести с асинхронным частотно-
регулируемым электроприводом

05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новочеркасск 2009 г.

Работа выполнена в Государственном общеобразовательном учреждении высшего профессионального образования Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Пятибратов Георгий Яковлевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Гайтов Багаудин Хамидович

кандидат технических наук, профессор Валюкевич Юрий Анатольевич

Ведущая организация:

Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск)

Защита диссертации состоится 30 июня 2009 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в 309 ауд. главного корпуса по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)», с авторефератом – на сайте www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан ___ мая 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Колпахчьян П.Г.

Актуальность. Наземная отработка динамики космических манипуляторов, кинетики процессов стыковки, раскрытия и сборки крупногабаритных космических конструкций, предназначенных для работы в условиях невесомости, обучение космонавтов выполнению работ на космических станциях становится всё более ответственным, трудоёмким и дорогостоящим этапом создания и освоения космической техники. Особенно ответственными с точки зрения обеспечения безопасности являются задачи обучения космонавтов. Используемые в настоящее время средства имитации невесомости на Земле, такие как самолёт-лаборатория и бассейн нейтральной плавучести, не позволяют в полной мере решать задачи обучения космонавтов в штатных скафандрах. Существующие на данный момент тренажеры с электромеханическими системами компенсации силы тяжести (СКСТ), выполненные на базе электроприводов (ЭП) постоянного тока, требуют улучшения технических параметров и расширения функциональных возможностей. Для решения перспективных задач подготовки космонавтов необходимы тренажеры с более высокими качественными характеристиками и интеллектуальными возможностями, которые могут быть обеспечены с применением микропроцессорного ЭП переменного тока. Дальнейшее повышение эффективности работы тренажеров с электромеханическими системами компенсации силы тяжести являются важной и актуальной задачей. Тема диссертационной работы соответствует научному направлению ЮРГТУ (НПИ) «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы, комплексы».

Объектом исследования являются электромеханические системы (ЭМС) с повышенными колебательными свойствами, способные обеспечить качественное управление усилиями в упругих механических передачах.

Предметом исследования является система регулирования усилия, осуществляющая имитацию в земных условиях движения объекта в невесомости путем компенсации силы тяжести обезвешиваемого объекта и других сил сопротивления его движению.

Цель диссертационной работы: создание электромеханической системы регулирования усилий с использованием асинхронного частотно-регулируемого электропривода, обеспечивающей повышение качества, надежности и безопасности функционирования тренажерных комплексов, осуществляющих на Земле подготовку космонавтов к работе в невесомости.

Задачи диссертационной работы:

• обосновать выбор электропривода СКСТ, который обеспечит требуемые показатели качества имитации невесомости в земных условиях;
• разработать обобщенную математическую модель, адекватно описывающую силовые взаимодействия в СКСТ с асинхронным частотно-регулируемым ЭП с учетом реальных свойств механических передач (упругости связей, зазоров, сил трения и т.д.);
• обосновать рациональную структуру ЭМС регулирования усилия при использовании современного асинхронного ЭП;
• выполнить синтез управляющего устройства, обеспечивающего требуемые статические и динамические показатели работы СКСТ с асинхронным ЭП;
• выполнить моделирование синтезированной СКСТ при изменении ее параметров;
• реализовать СКСТ с асинхронным частотно-регулируемым ЭП, выполнить ее экспериментальное исследование, определить достигнутые показатели качества имитации невесомости и пути дальнейшего совершенствования СКСТ;
• разработать технические решения и рекомендации по созданию СКСТ тренажера «Выход» на базе ЭП переменного тока.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использованы операционное и вариационное исчисления, методы активной идентификации, физического и математического моделирования в частотной и временной областях с применением ПЭВМ, теория синтеза дискретно-непрерывных систем управления, теория оптимального управления.

Достоверность полученных результатов работы определяется обоснованностью принятых допущений, корректным применением методов теории автоматического управления, адекватностью используемых при исследованиях математических моделей и экспериментальным подтверждением основных полученных результатов.

Научная новизна диссертационной работы:

• впервые научно обоснована целесообразность использования для построения СКСТ перспективных тренажерных комплексов по подготовки космонавтов асинхронного частотно-регулируемого ЭП с векторным управлением;
• разработана математическая модель СКСТ с асинхронным частотно-регулируемым ЭП, отличающаяся тем, что позволяет адекватно описывать электромагнитные и упругие силовые взаимодействия в ЭМС при учете сил трения и кинематических погрешностей механических передач;
• обоснована рациональная структура СКСТ с контуром регулирования усилия, отличающаяся наличием дополнительных каналов адаптации системы регулирования усилия к весу обезвешиваемого объекта, компенсации сил сухого и вязкого трения, ограничения на заданном уровне скорости и положение объекта при его перемещениях в рабочем пространстве тренажера;
• предложена методика синтеза оптимального регулятора усилия СКСТ, отличающаяся возможностью ее применения к дискретно-непрерывной системе управления асинхронным ЭП при учете реальных свойств механических передач;
• впервые обоснована минимально необходимая дискретность цифрового контура регулирования усилия, обеспечивающая требуемые статические и динамические свойства СКСТ.

Практическая ценность диссертационной работы:

• реализована компьютерная модель СКСТ с асинхронным частотно-регулируемым ЭП, которая позволяет исследовать ее работу в различных режимах с учетом свойств механических передач (упругих связей, сил трения, зазоров, кинематических погрешностей) и реальном изменении параметров ЭМС;
• предложены рекомендации по определению структуры и аналитические выражения для расчета параметров оптимального регулятора усилия в СКСТ с асинхронным частотно-регулируемым ЭП;
• получено аналитическое выражение, позволяющее определить требуемое быстродействие и период квантования микропроцессорной системы управления ЭП, при которых обеспечивается требуемое качество переходных процессов в СКСТ с упругими механическими передачами;
• получено аналитическое выражение, позволяющее с учетом требуемых свойств замкнутой СКСТ определить минимально необходимую дискретность по уровню цифрового контура регулирования усилия;
• предложены рекомендации по практической настройке регулятора усилия, позволяющие реализовать качественное управление усилием в условиях изменяющихся параметров электромеханической части СКСТ;
• разработана структура СКСТ, обеспечивающая автоматическую настройку системы регулирования усилия на вес обезвешиваемого объекта, эффективную компенсацию сил сухого и вязкого трения, ограничение скорости и положения объекта при его перемещениях на заданном уровне.

К защите представляются следующие основные положения:

• обобщенная математическая модель СКСТ с асинхронным частотно-регулируемым ЭП, адекватно описывающая электромагнитные и упругие силовые взаимодействия в ЭМС с учетом реальных свойств механических передач;
• структура СКСТ с асинхронным частотно-регулируемым ЭП, обеспечивающая требуемые показатели качества имитации невесомости;
• методика и результаты синтеза оптимального регулятора усилия для дискретно-непрерывной СКСТ с асинхронным ЭП;
• рекомендации по определению областей рационального применения предлагаемой методики синтеза регулятора усилия в дискретно-непрерывной СКСТ;
• результаты теоретического и экспериментального сопоставления возможностей СКСТ с ЭП постоянного и переменного тока;

Использование результатов диссертационной работы. Исследования выполнены в соответствии с государственным контрактом № 041-8543/97 от 10.04.97 между Российским космическим агентством и РГНИИЦПК им. Ю.А.Гагарина. Разработаны и переданы в Донской филиал центра тренажеростроения (г. Новочеркасск) предложения по модернизации системы вертикального перемещения существующего тренажера «Выход-2» (Звездный городок, Московская обл.). Результаты исследований и рекомендации использованы при разработке проекта и создании комплекса имитации деятельности космонавта в открытом космосе, выполняемого по заданию Мемориального музея космонавтики (г. Москва). Результаты теоретических и экспериментальных исследований частично были использованы при разработке проекта и наладке ЭП намоточного станка РПН380. Результаты диссертационной работы используются в ЮРГТУ (НПИ) при обучении студентов специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов».

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на III (30 мая – 10 июня 2003 г.) Международной научно-практической конференции «Современные энергетические системы и комплексы управления ими» (г. Новочеркасск), V (13-14 октября 2004 г) научно-техническом семинаре «Технические средства и технология для построения тренажёров» (г. Москва), 13-ой (14-18 марта 2005 г.) Международной научно-технической конференции «ЭППТ-05» (г. Екатеринбург), V (18-21 сентября 2007 г.) Международной (XVI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2007» (г. Санкт-Петербург), научно-технических конференциях студентов, аспирантов и преподавателей ЮРГТУ (НПИ) в 20032008 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований всего опубликовано 11 печатных работ общим объемом 12,6 п.л., в том числе монография, 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, результаты экспериментальных исследовании отражены в отчете о НИР.

Структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем диссертации: 178 страниц основного текста, 64 рисунка, 7 таблиц, 9 страниц списка используемой литературы из 87 наименований, 2 страницы приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определена цель исследований, представлена их научная новизна и практическая значимость. Сформулированы основные результаты, выносимые на защиту. Показаны перспективы развития исследований по теме диссертации.

В первом разделе диссертационной работы рассмотрены существующие подходы к имитации невесомости при отработке изделий космической техники и обучении космонавтов.

Рис.1 Активная СКСТ.

В настоящее время для решения поставленных задач наиболее универсальными и перспективными являются активные СКСТ (см. рис. 1), которые под действием внешних силовых воздействий должны обеспечивать движение центра масс обезвешиваемого объекта с параметрами близкими к движению в невесомости. Такие СКСТ позволяют решать многие задачи обучения космонавтов элементам внекорабельной деятельности при длительном пребывании в штатных скафандрах с различным оборудованием, предназначенным для работы в космосе. В активных СКСТ необходимая для обезвешивания объекта сила, создается электродвигателем М, управление которым осуществляется в замкнутой системе регулирования усилия . Усилие от двигателя, через редуктор Y и барабан, передается к обезвешиваемому объекту с весом , где измеряется с помощью датчика усилия BQ, установленного в точке подвеса. В этом случае, при приложении внешнего воздействия , должно быть обеспечено движение обезвешиваемого объекта с параметрами близкими к его движению в невесомости. Перемещения в горизонтальной плоскости, с целью уменьшения сил трения, обеспечиваются с помощью опор на воздушной пленке.

Существующий в настоящее время тренажер "Выход-2" с активной СКСТ, созданный в 2002 году в РГНИИЦПК им. Ю.А. Гагарина, обеспечивает силу трогания 50 Н, что составляет 2,0 % от веса объекта обезвешивания и ошибку воспроизведения ускорения 510 %.

На основании анализа перспективных задач подготовки космонавтов были сформулированы основные требования, предъявляемые к тренажерам:

• обезвешивание оператора в скафандре общей массой до 200–250 кг;
• перемещение по шести координатам в любую точку рабочего пространства в горизонтальной плоскости 5-30 м, в вертикальной плоскости 0,5-10 м;
• сила трогания не более 1 % от действующей силы тяжести оператора;
• сопротивление перемещению операторов не более 2 % от действующей силы тяжести;
• перемещение обезвешиваемого объекта в любом направлении с линейной скоростью до 0,4 м/с и максимальным ускорением до 0,2 м/с2;
• относительная ошибка воспроизведения требуемых ускорений не более 5 %;
• одновременное проведение тренировок для двух операторов в скафандрах;
• время сеанса моделирования невесомости до 4 часов.
• высокая надежность, безопасность эксплуатации, удобство управления и обслуживания.

Анализ показал, что для повышения качества имитации невесомости и повышения эффективности функционирования тренажерных комплексов по подготовке космонавтов, их СКСТ целесообразно реализовывать на базе асинхронных частотно-регулируемых ЭП с векторным управлением моментом двигателя.

На основании выполненного анализа и результатов предварительных исследований обоснована цель и сформулированы задачи диссертационной работы.

Во втором разделе рассматриваются особенности математического описания СКСТ с асинхронным частотно-регулируемым ЭП. При разработке математического описания СКСТ использовано ее поэлементное представление в виде механической, электрической и информационной частей.

С учетом реальных значений резонансных частот ЭМС и требуемого быстродействия ЭП обоснована целесообразность использования дискретных много массовых моделей при математическом описании упруго-диссипативных свойств механической части СКСТ.

Для корректного учета влияния упругости, зазоров и сил трения в механической передачи обоснована целесообразность применения трехмассовой расчетной схемы для исследования реальных свойств механической части СКСТ.

Исследования показали, что при использовании асинхронного двигателя (АД) основное действие сил трения сосредоточено в редукторе и составляет 1020 % от веса объекта, что необходимо учитывать в математической модели СКСТ.

Жесткость канатной передачи при перемещениях обезвешиваемого объекта не является постоянной величиной, а изменяется в зависимости от его длины в широких пределах, поэтому модель механической части СКСТ была дополнена выражением, позволяющим учесть влияние этого фактора.

При использовании в СКСТ современных частотно-регулируемых ЭП, реализующих векторное управление моментом с ориентацией по потокосцеплению ротора, систему дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные переходные процессы в АД с короткозамкнутым ротором, рекомендовано записывать в проекциях на оси системы координат (), вращающейся с электрической частотой поля статора, а вычисление электромагнитного момента АД осуществлять по выражению: , где , - коэффициент электромагнитной связи ротора; - число пар полюсов АД; , - проекции тока статора и потокосцепления ротора на соответствующие оси вращающейся системы координат ().