数字伺服调速（精选7篇）
数字伺服调速 篇1
测控雷达伺服系统是测控雷达的重要组成部分,它直接担负着天线的驱动,使雷达能够迅速而又准确地跟踪目标。其控制技术水平的高低直接影响着测控设备跟踪性能的好坏,从而直接影响测控雷达设备外测数据的测量精度。因此,测控雷达伺服系统应具有良好快速响应和稳定跟踪的性能。目前国内测控雷达天线伺服驱动系统中大部分仍使用的是模拟直流调速度器,难以实现变结构变参数控制,且元件参数具有离散、漂移等特点,这些都不利于提高系统性能及可靠性,因而将新技术应用于伺服驱动系统显得十分迫切和必要。
近代电子技术的发展和大功率半导体器件的出现,为实现直流调速系统的全数字控制创造了良好条件。本文提出了一种基于全数字直流调速器实现的测控雷达伺服驱动系统,它运用全数字直流调速器高速的处理性能,先进的速度环、电流环控制方式以及灵活丰富的组态功能,组合完善的控制方案,能很好地控制电机的静态性能,以及天线运行时的稳定性和动态补偿,使得系统性能得到改善,跟踪目标精度得到提高,而且它具有完善的数字控制和保护功能,提高了设备的可靠性、抗干扰性。
1系统概述
1.1系统环路结构
测控雷达伺服驱动系统一般分为方位、俯仰两条驱动支路,为充分发挥全数字直流调速器的性能,系统环路结构由独立速度环、独立电流环构成。设置独立电流环的目的主要是为了克服力矩控制的死区和非线性、保持电流可控、不发生过流、改善电机的动态特性,为速度环提供频率较宽的控制对象[1]。独立速度环的设置可提高系统的低速平稳性,扩大系统的调速范围,提高抵抗负载扰动的能力,同时可方便地实现力矩偏置。环路原理方框图如图1所示。
方位、俯仰分别采用直流电机双链驱动,利用直流调速器内置电流偏置功能,分别将两个电机组成一对,PCC通过CAN总线进行联控,实现力矩偏置,从而完成电消隙功能,提高传动链刚度,改善系统性能。
1.2 系统组成
测控雷达伺服驱动系统主要完成功率放大和能量转换,最终推动天线转动,是实现天线运动的基础。其系统硬件组成如图2所示,系统主要由直流调速器、PCC同步控制器、PLC及安装在天线上的执行电机、传感器等构成。直流调速器作用是将接收到的控制信号进行功率放大供电机驱动天线。PCC多电机控制器完成双电机之间的协调控制。PLC负责完成直流调速器开关机控制、运行与停止控制、故障保护及驱动单元开关机控制,完成本地控制信号的输入。
1.3 系统工作原理
天线驱动工作原理:系统将天线控制单元(ACU)送来的速度指令或PLC采集到电位计的电压信号Un送到PCC同步控制器,PCC再通过CAN总线进行联控,实现力矩的合理分配,给每个数字直流调速器送出相应的速度指令信号Un′,与直流电动机测速机反馈回电机的实际转速信号-Un共同给定速度调节器,经速度调节器PI整定后输出Ui′和电流的反馈信号-Ui共同给定电流调节器,经PI整定后再输入给控制晶闸管整流器的触发装置来控制加在电机两端的电压驱动天线朝指定的方向运动[2]。
2 直流调速器接口电路设计
2.1 直流调速器的选择
在天线驱动系统中,工作要求频繁可逆,所用直流调速器也必须可逆,使电机工作在四个象限,从而加快电机加速、换向等动态性能,因此全数字直流调速装置选用英国欧陆公司的590+系列四象限逻辑无环流全数字晶闸管可逆直流电机调速装置,590+系列中所有的控制算法都由最新的高速16位微处理(单片机)完成,以获得优越的动态控制性能;自整定算法可自动计算出电流环的P、I常数及电流断续点,使系统获得最佳动态性能;其电流环的自适应功能使系统变化较大时,也可获得平稳的速度响应。它使用交流380 V的三相电源,提供直流输出电压和电流,用于直流电动机的电枢和励磁控制,适用于直流他励电动机和永磁电动机的控制。
2.2 接口电路设计
如图3所示,TB1为CAN总线接口,实现PCC对直流调速器的实时信息监控,和接收PCC速度控制信号完成多电机的协同控制。A1为零伏基准,它是调速器中所使用的所有模拟信号的通用基准点; A6为主电流极限或辅助电流限幅;A9为电枢电流的输出电流计指示; B3为+10 V基准电源;B6为调速器正常数字输出;B8 为程序停车,当程序停车输入保持在+24 V时,调速器将按照输入信号的要求运行,当程序停车输入为开路或零伏时,控制器将按照程序性停止参数的定义,产生受控停止或程序性停止;B9 为惯性停止,当惯性停止输入为+24 V时,控制器正常运行,当惯性停止为零伏或开路时,主接触器打开,同时调速器不再运行,电机滑行停止;C1为零伏基准;C2为电动机过热保护;C3 为启动/运行;C5 为启用输入;C9为+24 V电源;D5为主接触器线圈L; D6为主接触器线圈N ;L为电抗器,抑制开关电流和线路干扰,使正常条件下线电压压降空盒子在2%～5%范围内;L1,L2,L3为380 V三相交流电源;A+为电枢正接线端;A- 为电枢负接线端;TH1、TH2为电机温度检测端子,系统中没有使用电机温度检测,用短接线将TH1、TH2端子短接。B6是驱动器正常数字输出,当驱动器接收到信号时,经过自检大约2 s之后便输出正常的信息,PLC通过这个信号的状态可以实现590+数字直流调速系统的故障诊断。G3、G4为测速机反馈信号测试点,当速度反馈选择模拟测速机时,需要配置测速板。
3 系统调试
为了减小大口径测控雷达传动链长度、提高系统钢度、改善跟踪性能,选用低转速、高扭矩的永磁伺服电机。选取电机主要参数如下:额定转速:2 000 r/min;额定力矩:160 N.m;电枢电压:280 V;电枢电流:70 A;测速机:20 V/1 000 r/min。根据电机的铭牌参数,参照590 系列使用手册中文说明书设置好电枢电流、电枢电压、励磁电流、交流或直流反馈,反馈电压的设定值。这里我们选用的是永磁电机,所以FIELD CONTROL(磁场控制)参数中FIELD ENABLE(磁场使能)设置为DISABLE。
3.1 直流调速器运行逻辑
直流调速器加380 V高压,同时给直流调速器加220 V控制电压后,按下控制面板上运行按钮(直流调速器初始化未完成,不能按下运行按钮),PLC给直流调速器发出控制指令,继电器K5吸合,随后主交流接触器KM3吸合,直流调速器使能,继电器K6吸合,RUN指示灯闪烁或点亮,当测速机极性不正确或发生其他故障时,直流调速器会立即关断主交流接触器,并报测速机或其他故障,这时应调换测速机接线或排除故障。
3.2 电流环参数自调整
自调整过程如下:安全固定电机,用专门机械装置卡死电机转子(避免用制动器抱闸的方式),直流调速器加电,电流环参数中AUTOTUNE设为ON,按下运行按钮,主交流接触器吸合,直流调速器使能,自调整开始,大约经过10秒钟,调整结束,主交流接触器关闭,AUTOTUNE变为OFF,最后用人工方式保存参数。自整定一般做3 次,3 次所得的比例增益(PROP GAIN)、积分增益(INT GAIN)和电流断续点(DISCONTINOUS)数值不应相差很大, 3 次自整定做好后,取一组中间值既可。
直流调速器如果显示AUTOTUNE ABORTED或AUTOTUNE ERROR,主交流接触器会关闭,自调整停止,这时检查电机参数设置、转子固定装置或再次进行自调整程序。
参数设置完毕后用阶跃法测量电流环特性曲线,以验证参数设置的合理性。
3.3 速度环参数设置
设置“SPEED SETPOINT”参数为5%左右,设定端输入为0.5 V,设定SPEED FBK SELECT参数为ENCODER,慢慢增加MAIN CURR.LIMIT参数达到20%的最大值,若所有的连接都正确的话,电机应该开始运转,速度为全速的5%左右,检查编码器反馈的参数。停止调速器重新设定SPEED FBK SELECT参数为编码器反馈,在执行如上相同的检查,如果相同的话执行“参数保存”。如果超过了5%的速度且电机继续加速,则表示接反了,重新接线。将“SPEED SETPOINT”参数为10%左右,设定输入点1.0 V的电压,电机将加速到这个速度,观察个参数的变化。把“SPEED SETPOINT”的值提高到最大,并检查转速是否正确[3]。
参数设置完毕后同样用阶跃法测量速度环特性曲线,以验证参数设置的合理性。
4 改进效果
4.1 调速范围
模拟直流调速器控制的测控雷达伺服驱动系统采用电压负反馈,其调速范围D=600。高速16位微处理器控制的晶闸管可逆数字直流调速器采用光电编码器做转速负反馈,其调速范围D=1 000。
4.2 稳态精度
模拟直流调速器实现的测控雷达伺服驱动系统的稳态精度为到0.1%,数字直流调速器实现的测控雷达伺服系统的稳态精度却能达到0.01%(光电编码器反馈)。
4.3 运行可靠性
模拟直流调速器实现的测控雷达伺服驱动系统由于调整电阻多,且元件参数具有离散、漂移等特点,系统运行的可靠性难以得到保证。数字直流调速器实现的测控雷达伺服驱动系统充分发挥了计算机软件灵活的优势,调试参数自整定,数字控制调整点少,控制电路的简化,提高雷达伺服驱动系统的运行可靠性。
5 结束语
用全数字直流调速器实现的雷达伺服驱动系统,调速范围、稳态精度、调速平滑性等技术指标均有所提高,从实验结果来看全数字直流调速器实现的雷达伺服驱动系统工作更加稳定可靠、精度更高,基本上达到了预定设计目标,也为以后深空探测等高精度雷达的发展做好了重要铺垫。
摘要：针对目前测控雷达天线伺服驱动系统中采用传统模拟直流调速度器难以实现变结构变参数控制,且具有离散、漂移等不足,阐述了一种基于全数字直流调速器实现的雷达伺服驱动系统。每个直流调速器控制一台电机运转,多个电机之间的协同工作则采用PCC同步控制器完成。与传统模拟直流调速度器相比,全数字直流调速器伺服驱动系统的参数方便调整、抗干扰能力强、可靠性高。有效增强测控系统的跟踪性能。
关键词：数字直流调速器,伺服驱动,PCC同步控制器
参考文献
[1]陈伯时.电力拖动控制系统.北京:机械工业出版社,1991
[2]鲁尽义.测角分系统.中国电子集团公司第三十九研究所,2006
[3]欧陆公司.590+全数直流调速器操作手册
调速器升压伺服器故障分析 篇2
利用压缩空气起动柴油机时,使起动空气进入气缸的同时也进入升压器,起动升压器便可通过调速器将油泵拉杆移向油量稍大的位置,适当地减小起动时的过量空气系数,以利于柴油机的起动和发火燃烧,使柴油机起动迅速,提高其起动性能。起动升压器在船用调速器上有较广泛的应用,绝大部分PGA、部分UG和需要大扭矩的电-液调速器上都可选配升压器。根据调速器调节能力的大小可以选用单缸、双缸和两级的升压伺服器,其结构及工作原理大同小异。
1 故障实例
故障一:XM轮主机为6RTA48型,装有WOODWARD PGA调速器。一天航行中忽然主机车速在110~90 r/min左右波动,不能稳定,且有周期性。转为机旁应急手柄操纵,主机转速稳定。不久又转换为调速器操纵,转速波动依旧。
手动操纵没问题,说明不是柴油机自身问题,调速器和连接设备有问题的可能性较大。一开始以为是调速器内滑油问题,检查油位、油质,一切正常。又对补偿针阀进行调节,转速也不能恢复稳定。进港后,轮机人员检查调速器和柴油机的传动构件,发现连接稳定,未有异常。检查调速器的连接管路,发现控制空气和扫气空气连接管压力正常、稳定。在船上的检修就到此结束,故障没有解决。不久赶上本轮进厂小修,就将调速器交厂方解体检查、校验,未发现有异。在码头试车时仍有游车现象,试航时亦如此。最后,还是本轮轮机员发现与调速器连接的还有三个管,是连接升压器的。拆解发现有一根管上的单向阀失灵,将阀解体维修装复后试车,转速波动消失。
故障二:TH轮主机型号为MAN-BW6L80MC,采用的WOODWARD PGA500液压调速器配有二级伺服升压器。某日在离泊备车冲车时发现,主机起动正常,但听不到缸内燃油爆炸声,应该是只冲车,不发火。切换至机旁应急操作,起动正常。经检查,调速器的输入气压正常,油门杆无卡阻,升压器故障可能性较大。拆开其升压器进气管检查,压缩空气压力正常,进一步拆解发现活塞油封一只碎裂,另一只硬化失去弹性,油漏入油缸和活塞之间的空间。更换活塞油封O令,装复试车,起动正常。
2 故障分析及经验总结
2.1 结构介绍及故障分析
升压器结构大同小异,以最简单的单缸升压伺服器为例,升压器上的三根油管上都装有单向止回阀,见图1。1#和2#是出油阀(直径为6 mm的弹子),分别与调速器的动力油缸底部和调速器的速度设定伺服器油缸相通。3#为吸油止回阀,它与调速器的油池直接沟通。起动时,压缩空气从下面进入伺服器,活塞上行,推动压力油打开止回阀1和2,压力油进入调速器,使油门快速增大,起动柴油机。此时,吸油阀3关闭,防止油从伺服器流回调速器油池。起动完成后,起动空气泄入大气,弹簧伸长使活塞到达初始位置。此时,出油阀1#,2#关闭止回,而3#吸油阀从油池吸油,以备下次起动。升压器下方的升程限制螺栓可以限制活塞的行程,进而控制起动油量。
从升压器的结构可以看出,单向止回阀的状态非常关键,如果密封性不好的话,会影响调速器的性能。具体来说,如果1#、2#止回阀关闭不严,会导致调速器的高压油漏回伺服器,使调速系统内的滑油压力降低,导致加速困难,游车,反应慢等故障。而3#吸油阀密封不良,主要是导致起动故障。在故障1中1#出油阀中的弹簧导套脱落,使其中起阀门作用的弹子进入升压器内,这样就使管路中的控制油来回贯通,使滑阀(PILOT VALVE PLUNGER)上下移动,不能稳定,反应到主机车速异常,转速来回频繁变化成游车状态。
在伺服器中,另一个易损件是活塞的密封圈,即油封和气封。例如在图2的二级升压器结构中,活塞与油缸之间形成密闭空间,通过泄气孔(VENT)及旋塞通大气。所以通过此孔也可以观察油封和气封的密封情况。故障2中,因为油封损坏,压力油进入活塞和油缸之间,因为旋塞错误地旋死,油便积存在封闭空间,因油不能压缩,活塞的行程变小。当积存油量达到一定量时,活塞行程小到供出油量、油压不足以推动油门杆时,便产生起动失败。
2.2 心得体会与总结
a.遇到柴油机转速方面的故障,一定要整体分析,首先判断是柴油机自身问题,还是调速器及相关连接的问题。如果两方面都排除了,则还有可能是辅助装置的故障。
b.升压器是调速器特别是大型主机调速器常见的辅助装置,相对于调速器主体复杂的结构,升压器结构较简单,轮机员在船就可以检修。所以,当柴油机出现起动困难、转速波动等方面问题的时候,升压器也要充分考虑。船厂检修的时候也是应该主体部分和相关辅助设备一起检修。故障1中升压器就没有在船厂及时拆检,贻误船期。
c.升压器止回阀漏油,滑油泄压,工作油压不足是常见故障。弹簧导套脱落导致弹子进入升压器是一种极端现象。泄漏程度不一样,表现现象不尽相同,但本质是一样的。漏油的原因很多,滑油脏污导致垃圾把止回阀卡住,使阀关闭不严是最常见的原因。只要及时更换滑油,彻底清洁各阀,滑油泄漏完全可以避免。为了避免泄压产生的故障,船上临时处理可以把三个外接管接头拆掉把它用闷头闷起,或设计一个应急截止阀,一来便于应急操作,二来便于隔离检修升压器
d.升压器故障导致起动困难的常见原因有:
·气封不良、气封卡阻。
·活塞行程太短,主要原因有升程限制螺栓调整不当;滑油漏入,活塞不能被压缩(故障2);气腔内有锈渣,造成活塞不能落座。再有就是检漏旋塞要保持开启,以便从此孔检查油封和气封的状态。
参考文献
[1]周明顺.船舶柴油机[M].大连:大连海事大学出版社,2007:187-200.
[2]丁连生,顾明,姜耀华.柴油机常见故障与调速器的关系[J].农机化研究,2005,(6):218-220.
数字伺服调速 篇3
关键词：抽油机,多功能调速装置,伺服,试验,对比
截至2012年底, 大庆油田采油三厂抽油机总井数共有2 778口, 开井数2 559口, 平均装机功率46.28 kW, 平均单井产液57.14 t/d, 平均单井日耗电270.5 kWh, 功率利用率28.43%, 机采井系统效率31.39%, 吨液耗电4.73 kWh。
通过加强节能精细管理, 加大高效节能技术措施应用力度, 取得了能耗下降、系统效率提升的好效果, 有效降低了举升成本。
1 多功能调速装置试验
抽油机多功能调速装置以变频调速、单片机测量控制为基础, 通过半导体器件的通断进行变频调速, 从而实现不停机条件下冲速的连续调节, 满足油井的供排协调需求, 实现动态节能优化。
1.1 试验情况及分析
2012年8月在7-P282井进行试验, 现场对多种工作状态进行了测试对比, 见表1。
现场测试表明, 在功率随动状态下有功节电率达到9.85%, 综合节电率为15.1%, 说明功率随动控制具有较好的自动跟踪调整的节能效果;而同一个冲程周期内, 通过上快下慢的设计, 有功节电率为6.79%, 综合节电率为12%, 说明对上、下行程进行不同的速度设计同样具有较好的节电效果。而上慢下快的运行状态由于下行阻力的加大, 会导致能耗上升, 见表2。
现场对工频与上快下慢状态的示功图及电流进行了测试。分析表明, 上快下慢运行时的最大载荷呈明显下降趋势, 通过载荷波动变化看, 上快下慢的下行载荷明显平缓, 振动载荷幅度明显降低。从电流测试对比看, 上快下慢比工频有显著降低。
1.2 功能特点
多功能调速装置具备以下功能:
1) 在线的无级调速功能, 以及功率随动 (即动态的跟踪调整) 功能。
2) 可测量抽油机井的电参数、电流平衡度、功率平衡度, 以及电量累计计量, 可实现数据的连续存储、提取 (U盘) 和回放, 方便抽油机井的生产管理与能耗管理。
3) 可对工况数据进行分析判断, 检测设备运行的平稳性, 对工况实现杆断、皮带断、过载、欠载等保护控制功能。现场安装见图1。
2 无级调速交流伺服电动机拖动系统试验
2.1 技术原理
无级调速交流伺服电动机拖动系统, 由异步交流伺服控制器和低速大扭矩异步交流伺服电动机构成。
伺服控制器是伺服控制电动机系统的核心。伺服控制器采用数字信号处理器作为控制核心, 可实现比较复杂的控制算法, 通过位置、速度和力矩三种方式对电动机进行控制, 实现高精度的传动系统定位[2]。
2.2 试验情况及分析
2011年6月在试验井上分别采取工频、伺服状态进行了能耗参数的测试, 试验数据见表3。
试验表明, 在相同抽汲参数下 (冲程、冲速) , 对比工频, 伺服控制的有功节电率可达到14.38%, 说明通过伺服内置编码器实现速度、位置、力矩的闭环控制可有效实现电能的及时响应与供给;而上快下慢的冲速设计有功节电率可达到15.8%, 说明同一冲程周期内进行变参数的设计同样具有较好的节能效果。
2.3 功能特点
1) 伺服电动机为低转速大扭矩的交流伺服电动机, 可大范围无级调速, 抽油机可以实现无级调参。
2) 伺服具备完善的监控、保护功能, 以及过电压、过电流、短路、缺相、超载等保护功能。可在线调整上下冲程的速度, 有利于提升泵效。
3) 可实现软起动、软停, 同时系统过载能力强, 具有3倍的过载能力。
3 抽油机多功能调速装置与伺服试验对比
1) 多功能调速装置、伺服控制系统均是基于变频调速、自动响应原理的节能技术。不但可实现无级调速控制, 而且均可以通过设计的闭环控制和快速响应特性对电动机转矩的实时调节, 可以合理地协调驱动装置的运行状态, 有效降低系统能耗。
2) 二者相比, 多功能调速装置属变频类, 侧重于速度控制, 多用于开环控制, 无需编码器;伺服属于闭环控制系统, 更侧重于位置与力矩的精确控制。
3) 初步试验表明, 抽油机井在一个冲程周期内上快下慢的参数设计, 可降低油井有功消耗, 同时可提高泵效, 减少漏失量。此外分析表明, 下行速度的降低, 可有效起到缓解杆管偏磨的作用。
4) 二者均可以通过配套仪表、传感器及软件系统, 实现油井的闭环控制, 智能的自动启停控制, 以及油套压、示功图、产量等多参数的测量记录与数据远程传输。
参考文献
[1]赵来军, 倪振文, 职黎光, 等.游梁式抽油机智能控制装置的研制[J].石油矿场机械, 1998 (6) :25.
数字伺服调速 篇4
永磁同步电机内是无刷结构的,很少需要维修,体积比较小,并且对转速和功率的提高很有帮助。笔者对由伺服驱动器所构成的永磁同步伺服系统进行了数学描述,并采用电压空间矢量对永磁同步交流伺服系统进行控制,在MATLAB环境中,固有的永磁同步电机模块虽然参数可以设定,但由于模型是不完全开放的,所以限制了一些算法的应用。笔者对永磁同步电动机进行了完整的数学建模并设计得出全开放的永磁同步电机仿真模块。依据系统模型着重研究了矢量控制策略,并改进了传统的空间矢量脉宽调制算法。
1 永磁同步电机伺服驱动系统的构成
永磁同步电动机伺服系统由于具有控制简单、低速运行性能较好、运行效率比较高、转动惯量小、转矩波动小、可以高速运作及较高的性价比等特点,已在交流伺服系统中占有主导地位[1]。图1为永磁同步电机伺服控制的系统结构。
2 永磁同步电机模型的建立
MATLABSimulink中集成的永磁同步电机模型在调速系统中存在着参数不可动态修改,坐标定义不符合常规逻辑等不足,笔者重新建立了永磁同步电机的仿真模型。永磁同步电机的转子结构十分特别,是利用多磁极的永磁体取代常规同步机的励磁绕组[2]。旋转磁势在空间呈正弦分布,它一般是由交流电机三相定子绕组通以三相正弦电流所产生的,也可以给二相对称绕组通以多相平衡电流获得旋转磁势。笔者应用坐标变换来实现永磁同步电机模型的简化和解耦[3,4]。
通过Clark变换,有:
以A相为例,ua、ia、ψa正交变换如下:
以永磁同步电机的磁路和绕组对称,电机磁场线性不饱以及磁势空间正弦分布为前提,功率不变的条件下,d-q坐标系下的电压方程为:
转矩方程为:
根据式(3)～(5),可以得到d-q坐标系上的永磁同步电机状态方程为:
依据对永磁同步电机进行的分析与研究,在Simulink环境下搭建永磁同步电机模型,并将永磁同步电机封装成PMSM模块,在笔者所研究的控制系统仿真中接上输入信号和反馈信号,可完成相应的永磁同步伺服电机的仿真。
3 SVPWM的算法设计与实现
空间矢量脉宽调制(SVPWM)主要是将逆变器系统与电机看作一个整体来考虑,作用是使电动机获得圆满磁场[5,6]。笔者将电压由ABC坐标系变换到α-β坐标系,可得到图2所示的8种电压矢量[7]。
利用MATLAB建立仿真模型,计算所判断扇区内工作电压矢量的分配的时间tα、tβ;确定可控电力电子器件对应开通关断的状态,进而得到SVPWM波形。传统的SVPWM算法是基于电压矢量的正交分量实现的,电压矢量所在的扇区、作用时间的求解均需要对正交分量进行复杂的运算得到。为了避免运算量过大,需要对扇区的判断与作用时间两个环节进行改进。在改进的SVPWM算法中,扇区的判断根据电压矢量的角度值进行,作用时间的求解利用三相定子电压之间的差值进行。改进的这种方法只需要用到加减运算,即可对扇形区进行判断并对作用时间进行求解,大大降低了计算的复杂度。
3.1 扇区的判断
笔者采用的SVPWM算法是将三电平空间矢量在α-β平面上分成6个区域,首先要确定合成电压矢量所处的扇区,电压矢量uref可以由其相邻的基本电压矢量相加得到。控制逆变器开关状态可得到相应的电压矢量uref。扇区的判断可以根据θ值直接进行判断(表1)。
直接判断uref所在扇区编号的公式为:
式中 N——扇区位置;
θ ——对应矢量的角度。
改进后的SVPWM算法与传统SVPWM算法相比省去一些复杂运算。
3.2 电压矢量作用时间的计算
矢量方向是连续变化的,因此需要不断地计算矢量作用时间,为了计算机处理的方便,在合成时一般是定时去计算,这样只要算出在调制周期T内的两个基本矢量作用时间tα、tβ即可。通过扇区判断,可以确定合成电压矢量uref的基本电压分量。并且在不同的扇区内,uref由其所在扇区的边界矢量电压合成。然后将6个矢量方向的作用时间与周期T进行比较,6个矢量方向作用时间以外的剩余时间由零矢量to来补充。考虑到uref位于不同的扇区,合成该矢量的相邻基本矢量作用时间设为tα、tβ,可以归纳为公式:
Turef=tαui+tβuj (8)
式中 ui、uj——合成uref的两个相邻的基本电压矢量。
当uref位于其他扇区时,可以用类似的方法计算出所在扇区的两个相邻有效电压矢量导通时间百分比。变量X、Y、Z可以通过三相电压Va、Vb、Vc两两做差的方式得到,即:
电压矢量作用时间tα、tβ可以通过变量X、Y、Z获取,见表2。
改进的SVPWM算法可直接利用三相电压两两之间的差值求得,通过式(9)求解电压矢量持续时间的辅助变量,可以节省传统SVPWM算法中电压合成与正交分解过程中带来的计算量。
3.3 计算电压矢量的切换点和生成PWM波形
PWM波形的产生需对逆变器开关状态进行控制,所以必须建立各扇区逆变器的开关导通模式。定义3个变量Tcm1、Tcm2、Tcm3(表3),可以总结出uref位于不同扇区内时,控制器中运用连续增减计数模式下的3个比较单元的定时器周期值。
根据电压空间矢量输出时序,可确定各扇区的矢量切换点。
利用Tcm1、Tcm2、Tcm3与三角波进行比较从而形成对应的空间矢量PWM的波形,并在MATLAB/Simulink环境下建立SVPWM仿真模型。
4 系统仿真结果与分析
笔者采用矢量控制的目的是为实现永磁同步电机的精确定位控制,仿真模型根据永磁同步电机的数学模型建立,接近实际永磁同步伺服系统的情况,并进行了仿真实验。仿真中的各参数为:Udc=300V、pn=4、J=0.0008kg·m2、ψf=0.175Wb、R=2.9705Ω、Ld=Lq=8.6mH,开关频率为10kHz。根据永磁同步伺服电动机Id=0的控制原理,在MATLAB/Simulink中搭建控制系统仿真模型如图3所示。
通过改变给定转速或负载转矩信号从而检测永磁同步电机伺服系统位置跟随的情况。图4为给定转速为1 500r/min、负载转矩为的转速曲线、转矩曲线。
启动初期电磁转矩较大,可保证电机转速迅速上升,当转速达到1 500r/min以后,转矩快速回落到左右并且很快稳定。
图5a是电机负载转矩为,启动时给定转速为1 500r/min,在0.03s时给定转速由1 500r/min突变为1 000r/min的速度曲线;图5b为该变化的转矩曲线。从速度曲线可以看出,系统在各种转速下的速度曲线都具有良好的动态跟随性。
图6是电机给定转速为1 500r/min,启动时负载转矩为,其中在0.03s时负载转矩由6突变为1,得出的转速曲线。从图6可以得出当突然有很大的负载扰动时,系统的速度曲线只受到很小的干扰并可以迅速跟随原来的速度,说明系统的动态跟踪性能很好,同时也说明了系统的抗扰动性能很好。图7是给定转速为斜坡输入信号r(t)=1500t所得出的斜坡输入与输出转速曲线,由图7可以得出该系统具有较小的跟随偏差。
从仿真结果得出,该系统在不同给定值时速度曲线都有较好的稳定性能,说明系统的跟踪性能好。有外部扰动时系统又能很快恢复,说明该系统具有很好的抗干扰能力。综上所述,位置反馈能够跟随给定信号变化,具有动态跟随的快速性,同时具有较强的抗扰动性。
5 结束语
笔者通过对交流伺服系统进行完整的数学描述,在MATLAB/Simulink环境下建立有效的永磁同步伺服电机矢量控制仿真模型,并对模型进行合理有效的简化。该伺服驱动系统采用矢量控制策略和空间矢量脉宽调制技术,最终通过仿真验证了所提出的基于SVPWM控制的永磁同步伺服电机调速系统的可行性。笔者研究的永磁同步电机调速系统控制方法可为其他电机调速控制起到借鉴作用,同时也为实际系统开发奠定了基础。
摘要：通过电压空间矢量控制方法对永磁同步伺服电机进行了研究。在传统SVPWM算法的基础上,对扇区判断环节、电压矢量作用时间求解环节进行改进,化简了传统计算方法中的繁琐过程。应用MATLAB/Simulink软件搭建了永磁同步电机的伺服控制系统,最终实现电压空间矢量脉宽调制的控制算法。通过仿真结果验证了所研究的永磁同步伺服电机控制系统跟随性和抗扰动性的效果,以及系统具有良好的转速伺服性能。
关键词：永磁同步电机,空间矢量脉宽调制,MATLAB仿真,电机调速
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数字伺服调速 篇5
二滩水电站安装6台单机容量为550 MW的水轮发电机组。控制水轮机系统的调速器为瑞士HYDRO VEVEY公司设计制造的双微机MIPREG600型。调速器三级伺服阀由电液转换器、辅助接力器、差动接力器与主配压阀组成, 电液转换器属于喷嘴挡板与滑阀结合式的伺服阀, 完成电气——液压信号转换, 并将液压信号三级放大后输出至主接力器。调速器主配压阀直径150 mm, 额定操作油压6 MPa, 电转输出最大电压10 V, 颤振信号频率25 Hz、电压0.13 V, 挡板颤振幅值0.01～0.02 mm, 接力器容量2 136 kN·m。
二滩水电站调速器自投运以来, 三级伺服阀多次发生液压故障, 严重影响机组安全稳定运行。本文中, 选择5个典型伺服阀液压故障进行原因分析。
2调速器三级伺服阀典型液压故障及原因分析
2.1 节流孔堵塞导致机组溜负荷
2000年2月2日19时52分, 调节1号水轮发电机组出力由430 MW增加至500 MW时, 1号水轮发电机组溜大负荷, 调速器出现大量故障信息, 系统频率降低至49.76 Hz。
机组溜大负荷, 且与增负荷调节方向相反, 说明事故现象与调节过程无关。检查调速器电气控制部分、导叶开度反馈装置无异常。从机械液压回路方面分析:溜负荷, 则导叶开度减小、主接力器活塞向关机方向移动、主配压阀及差动接力器活塞向下移动, 必然有外因导致差动接力器控制腔 (下腔) 油压降低。因机组在运行状态, 所以开停机电磁阀工作位正确;因机组转速正常, 故机械过速保护装置未动作, 控制油阀rDC控制腔压力正常, 控制油阀未动作;检查节流孔126, 未发现异常。因此, 不是开停机电磁阀工作位不正确、控制油阀rDC动作、节流孔126堵塞, 而是辅助接力器活塞下移导致差动接力器控制腔油压降低。又由于电气调节器工作正常, 未输出引起挡板移动的信号, 所以, 一定是电液转换器的喷嘴113a或节流孔117b堵塞导致辅助接力器活塞下移。拆下喷嘴113a和节流孔117b, 检查发现117b被杂质堵塞, 故节流孔117b堵塞是引起机组溜负荷的根本原因。
2.2 节流阀堵塞导致开导叶速度缓慢, 同时伺服阀有异音和振动
2005年5月, 5号水轮发电机组检修试验中增加导叶开度时, 导叶开度增加缓慢, 调速器三级伺服阀发出啸叫异音并伴随剧烈振动。另外, 据运行操作人员反映, 一直以来, 5号水轮发电机组执行开机流程的时间比其他机组时间长。综合分析认为, 故障在液压系统方面, 开机操作油路不畅。
在开机回油路上设有节流阀, 阀上有6个直径约10 mm的通孔, 对开机过程回油进行节流, 以对最大开机速度进行限制。由于孔径较大, 透平油中金属磨屑、氧化物、胶物质等不会使其堵塞。取出节流阀后, 发现一大块白布留存于节流阀内附着在节流孔上, 节流阀有效过流面积减小约一半。由于节流阀堵塞, 透平油的流量被大大限制, 致使主接力器活塞移动减慢, 导叶开启速度变慢, 执行开机流程时间变长;同时, 因节流阀堵塞引起油液紊流和液压冲击发生, 导致三级伺服阀产生啸叫异音和剧烈振动。
2.3 节流孔堵塞导致机组开机流程超时报警
2006年6月11日, 5号水轮发电机组开机, 当流程执行到开导叶时, 实际开度不能跟上开限, 以致计算机监控系统发出“开机流程超时”报警信号。
现地查看设备无其他异常, 计算机监控系统也无其他报警信号。实际开度不能跟上开限, 驱动伺服阀活塞移动的“动力不足”, 节流孔或喷嘴可能轻微堵塞。
检查电液转换器的喷嘴和节流孔, 发现长约2 cm宽约3 mm的滤芯纤维, 堵在节流孔117b处。节流孔117b部分堵塞, 因而进入辅助接力器活塞下腔油量减少, 压力较正常偏小, 同时上腔油量增加, 压力较正常偏大。而开机电流引起辅助接力器活塞下腔压力应增大, 上腔压力应减小。所以, 节流孔117b堵塞, 减小了正常开机操作时辅助接力器上下腔的压差, 使得开机速度减慢, 开机流程时间延长。
2.4 伺服阀液压卡紧导致超调现象
2009年8月4-7日, 5号水轮发电机组5次出现负荷波动情况, 表现在机组增负荷调节过程中, 调节初期调节滞后, 调节后期又出现超调和振荡过程。以5号水轮发电机组出力调整时第4次负荷波动情况为例分析故障发生的原因。5号机有功功率波动时各特征量波形见图1。
观察故障发生时, 外部功给、电转信号、导叶开度、开度限制、机组出力波形图, 以解读故障发生时的现象。当外部功给增加时, 电转随即给出开导叶信号, 一段时间之后, 导叶开度、机组出力增加, 电转输出的开导叶信号逐渐减小, 当机组出力达到外部功给时, 电转输出信号减小至零, 可导叶开度继续增加、机组出力超过外部功给值继续增大, 电转随即给出关导叶信号, 直到电转关导叶信号达到5.7 V时 (正常调节70 MW负荷, 对应电转电压约1 V) , 导叶开度、机组出力才急剧下调, 振荡后系统趋于稳定。
调速器三级伺服阀因有调节边界的设置, 所以灵敏度高、速动性好。电转给出信号一段时间之后, 导叶开度、机组出力才增加, 显然是调节滞后。当机组出力达到外部功给、电转输出信号减小至零时, 所有调节应该结束却没有结束, 出现了超调现象。符合典型的液压卡紧故障特征。
此次液压卡紧故障发生在设备投产10余年后, 属于中期液压故障, 所以排除滑动副之间几何形状误差和同轴度变化导致径向液压力不平衡引发的液压卡紧, 应归结于透平油中脏物楔入伺服阀间隙引发的液压卡紧[1]。
2.5 机械杂质堵塞节流孔或喷嘴, 导致机组自行增负荷
2010年9月8日7时26分, 计算机监控系统发“5号机故障录波器触发, 5号机励磁电压越上限1、2、5号机无功反馈故障发生, 5号机有功输出值越上限1 (上限1为 580 MW) , 5号机有功调节故障”等报警信号。事后查询IMS报表数据, 当时5号机组无功功率曾瞬间达到-73.13 MVA (原3.75 MVA) 、5号机组有功功率曾瞬间达到616.08 MW (设定值500 MW) 、5号机励磁电压曾瞬间达到527.25 V。此次故障发生时刻, 运行人员无调节机组的任何操作, 机组一次调频装置未动作, 开限保持在77%。
根据故障表象, 励磁电压的突变与机端电压的变化无关, 与机组有功、无功功率的波动变化几乎同时发生, 无功功率大幅波动是由于机组原动机功率的快速改变导致机组运行功角波动而引起;调速器测量元件、控制器工作正常, 输入输出数据正确, 因此, 可以确定是液压系统问题引发一系列故障。下面从调速器三级伺服阀机械液压原理、结合有关特征量波形图 (图2) , 对故障原因进行具体分析。
由图2可以看出, 故障发生时刻, 外部功给、开度限制未做调整, 电转输出关导叶信号, 而导叶开度、机组出力不减反而增加。 (补充说明一点, 2010年对调了电转信号录波装置的信号线, 因此电转关机信号在图1与图2中分别为向上和向下。) 查询系统报表数据可知, 最大有功输出达到635.58 MW, 电转输出最大关导叶信号4.79 V, 调节过程剧烈波动, 振荡持续了19 s。
正常情况且不调整机组外部供给和开度限制时, 电转仅输出颤振信号, 该信号不会导致机组出力变化。此次, 5号水轮发电机组在无任何调节信号的情况下, 电转输出关导叶信号时, 导叶开度、机组出力反而在增加。能够合理解释这一故障现象的就是:某种原因导致三级伺服阀活塞的平衡状态被打破, 活塞向开导叶方向移动, 引起导叶开度和机组出力自行增加;当机组出力大于外部供给时, 电转参与正常的自主调节, 输出关导叶信号, 以便控制机组出力与外部功给一致。
从三级伺服阀的结构原理可知, 节流孔117a或喷嘴113b发生轻微堵塞, 会导致辅助接力器、差动接力器、主配压阀活塞向上移动, 主接力器活塞向开导叶方向移动, 导叶开度增大、负荷自行增加。因此, 节流孔117a或喷嘴113b发生局部堵塞是造成机组自行增负荷的直接原因。由于电转输出的强调节信号作用, 液流冲掉了堵塞位置的杂质, 调节系统经剧烈波动后趋于新的平衡状态。
3 结语及建议
通过以上分析可知, 二滩水电站调速器三级伺服阀液压故障, 是由于安装或检修维护过程中残留于系统中的机械杂质、系统工作中不断生成的污染物堵塞节流孔或喷嘴以及卡紧伺服阀等导致的。
据有关资料统计, 液压控制系统80%的故障是由于油液的污染造成的。二滩水电站喷嘴挡板式伺服阀, 对透平油污染耐受度较低, 更应严格控制油液污染度, 以提高伺服系统工作可靠性。为避免此类故障重复发生, 保障机组安全稳定运行, 提出如下建议。
(1) 定期对调速器液压系统进行清洗和净化, 并控制检修维护工作中的残留污染物。
(2) 防止透平油存储、运输、使用过程中外界侵入污染物。
(3) 加强运行机组透平油技术监督工作, 采取有效的过滤措施控制油液中的生成污染物。
参考文献
数字伺服调速 篇6
随着PLC技术的发展,PLC的功能明显增强。现在很多品牌、很多型号的PLC[1]中都集成了高速脉冲输出功能,这为运动控制提供了极大的方便。目前直流电机常用的调速方法是PWM调速、弱磁调速[2]等,但是一般PLC的高速脉冲输出频率在很大范围内可以变动,而占空比固定不变,对于占空比不变的高速脉冲输出来说,直接应用PWM调速、弱磁调速等方法就很难实现。现在开关器件一般开关频率都很高,集成直流电机驱动芯片开关时间也非常短,本文中选用的L298N是μs级的,还有ns级的LMD18200等芯片,这些驱动芯片的存在为定占空比调频调速的应用提供了便利。本文充分利用PLC高速脉冲输出功能,不增加外围器件,利用L298N芯片,提出一种固定占空比、通过改变输入脉冲频率实现直流伺服电机转速调节的方法。
2 定占空比调频调速原理
改变电机端电压是目前实现直流电机调速的主要方法,只要改变直流伺服电机的端电压就可以实现电机的调速[3]。如图1所示,在以PLC为控制核心的直流伺服电机控制系统中,利用驱动芯片L298N构建驱动电路,以PLC高速脉冲输出作为驱动电路输入。在保证直流伺服电机电枢电流不断续的情况下改变PLC输出脉冲频率,研究脉冲频率对直流伺服电机端电压的影响。
利用L298N驱动直流伺服电机,为了提高L298N的驱动电流,将两路输入、输出并联使用,若要实现电机的正反转,将图1中的1,2端短接,即可实现电机M1的正反转。为了实现电机的速度可调,在输入端采用高速脉冲输入。现以直流伺服电机M1的速度控制为例分析。
假设输入脉冲周期分别为T1,T2,T3,占空比ρ为1/2,脉冲高低电平为TTL电平,理想条件下M1的端电压波形u(t)见图2。根据图2可知,电机M1端电压u(t)在1个周期内的平均值,即电机的端电压Ud在不同脉冲周期下均为下式的值,
无论脉冲频率如何改变,均不会改变直流伺服电机的端电压Ud。
在实际情况下,由于L298N内部开关延迟时间的影响,电机M1端电压u(t)的实际波形并不是严格的脉冲方波,将驱动芯片L298N的开关延迟时间考虑在内,分2种情况讨论直流伺服电机端电压Ud与PLC输出脉冲频率f的关系。
2.1 L298N开关频率大于PLC高速脉冲频率
在保证PLC输出脉冲频率大于使直流伺服电机电枢电流连续的最小频率条件下,电机M1两端电压u(t)的实际波形如图3所示。
当输入脉冲周期T大于L298N的开关延迟时间时,忽略L298N内部每次动作开关延迟时间上的微小差异,把L298N每次开关造成通断时间上的延迟看做相同的。在高速脉冲周期为T,脉冲频率为f时,分析电机M1上的直流电压Ud。如图4所示,L298N导通时的延迟时间在电压u(t)波形上形成的面积为Δs1,关断时的延迟时间在电压u(t)波形上形成的面积为Δs2,占空比为ρ,则得到下式:
在式(2)中,由于L298N的关断延迟时间大于导通延迟时间,Δs2必然大于Δs1,这就说明在考虑L298N内部开关延迟时间影响后,实际情况下驱动电路输入脉冲周期不同时,直流伺服电机M1上的端电压Ud是不相同的。在高速脉冲频率小于驱动芯片开关频率、大于保证电枢电流连续的最小频率条件下,直流伺服电机的端电压Ud与占空比ρ成正比,与输入脉冲频率f成正比,2个变量都与驱动芯片输出的端电压Ud具有线性对应关系,固定占空比调频可以改变直流端电压Ud,从而改变直流伺服电机的转速。
2.2 L298N开关频率小于PLC高速脉冲频率
此种情况下,L298N会长期处于一直导通的状态,实际电机的端电压u(t)波形如图5所示。在这种情况下固定占空比、调节输入脉冲频率仍然可以改变直流伺服电机M1的端电压Ud,从而达到调速的目的。随着脉冲频率f的不断提高,相应的电机端电压Ud会不断增大,电机的旋转速度也会不断加快,但是这种脉冲频率f的改变与端电压Ud的变化不再是线性关系,控制器只能定性地知道脉冲频率f改变引起端电压Ud改变和电机速度变化的趋势,很难定量得到脉冲频率f的变化量与电机端电压Ud变化量、电机旋转速度变化量之间的具体对应关系。所以当PLC输出的脉冲周期T小于驱动芯片L298N的开关延迟时间时,定占空比调频调速只适合应用于直流伺服电机的定性调速,不能用于电机速度的精确控制。
3 在IC卡生产线上的实际应用
IC卡生产线是由入卡、写磁、翻转、烫金、凸凹字、出卡等多个模块组合而成的生产线,其中每个模块均采用FP∑型号的PLC进行集成控制。IC卡生产线上很多小型传输电机因走卡数量、不同模块工作速度及机械结构的不同,需要在3000～5000r/min高速范围内进行调速。由于过多的外围电路不利于模块集成和生产线的稳定,定占空比调频调速又可以减少外围器件和芯片,利用松下FP∑型号PLC的高速脉冲输出功能,使用F172指令为L298N的输入端提供高速脉冲,就可以直接控制IC卡生产线上小型直流伺服电机的运动速度,这使IC卡生产线上小型高速直流伺服电机的控制变得非常方便。
3.1FP∑PLC高速脉冲输出功能及F172指令简介
FP∑ PLC配备标准的高速脉冲输出功能,脉冲输出频率单路时可达100kHz,双路时可达60kHz;可使用Pulse/Sign输出方式或CW/CCW输出方式进行高速脉冲的输出。PLC通过高速脉冲输出功能可以轻松实现步进电机、直流伺服电机等电机的控制。
F172[4]指令是FP∑PLC 中可设定目标值的JOG运行指令。该指令通过数据表设定高速脉冲输出的控制代码(含频率范围、输出方式等)、脉冲频率和输出通道。F172指令的应用如图6所示,执行图中的数据表程序后,当XB为ON时,PLC就会从Y0输出300Hz的脉冲。
3.2 PLC输出脉冲频率f的选取
在实际应用中,为了保证PLC输出脉冲频率与直流伺服电机端电压的线性对应关系,脉冲频率的选取要估算驱动芯片L298N的开关频率。根据L298N输入电流上升、下降及开关延迟时间[5]可知L298N开关时间一般为
tL298=(1.5+0.2+2+0.7)μs=4.4μs (3)
考虑二极管续流等其它因素的影响,实际使用时将总的开关时间选为
tALL=5μs (4)
若要求电机能够正反转,还需要考虑L298N的电流换向频率,一般换向频率为25kHz;同时为了保证直流伺服电机电枢电流不出现断续,PLC脉冲输出频率要大于电枢电流断续的下限,经测定选择的带减速箱的PITTMAN 8222系列直流电机的下限为20Hz。
综合上述多方面的考虑,PLC输出的脉冲频率f应该满足:
20Hz<f<25kHz (5)
3.3 具体应用
取L298N的电源为28.14V,即Us=28.14V,占空比取ρ=1/2,所使用的直流伺服电机额定转速为5420r/min,额定电压为24V,电枢电阻基本为0;减速箱型号为PITTMAN G35A,减速比为19.5∶1。在20Hz和20kHz之间选择PLC输出的脉冲频率,由于电机转速不易测量,在不同频率下测得L298N的输出端电压,即电机M1的端电压Ud,并计算出相对应的转速,得到表1。
利用Matlab曲线拟合工具箱,将上述Ud和f的数据进行曲线拟合得到图7,拟合方程选为
f(x)=ax+c (6)
其中,自变量为f,因变量为Ud,由前面的理论推导可知,此处的a=(Δs1-Δs2)Us,c=ρUs,也就是说在电源电压固定的情况下,占空比ρ只会改变曲线的截距,与曲线的斜率无关。图7所示的曲线是ρ=1/2时的端电压U与驱动电路输入脉冲频率f的对应关系,得到拟合方程为
U(f)=0.0007296f+7.072 (7)
从图7及得到的式(7)可以看出:L298N输出端连接的电机M1端电压Ud与PLC的输出脉冲频率f具有严格的线性对应关系,随着脉冲频率f的增加,端电压Ud是线性增加的,从而带动直流伺服电机的转速线性增大;当PLC的脉冲输出频率在50Hz～15kHz变化时,IC卡生产线上的小型直流伺服电机转速在3188.83～5706.87r/min间变化,满足生产线上小型传输电机的工作调速需求范围3000～5000r/min,并且减少了常规PWM调速所需外加的器件。
4 结论
定占空比调频调速由于考虑驱动芯片的开关频率,使PLC的高速脉冲功能在直流伺服电机调速系统中得到充分利用,并保留了PWM调速范围宽、可实现均匀无极调速的优点;在FP∑PLC控制的IC卡生产线上,定占空比调频调速通过简单的F172指令,实现了生产线上小型直流伺服电机在要求的转速范围内可调,并且大大减少了生产线的外围电路,提高了集成模块的可靠性。另外,占空比保持在1/2不变,只调节脉冲频率进行调速可以实现电子器件完全导通、完全关断,能够提高电子器件的使用寿命;同时,较高的电子器件开关频率还能保证电枢电流输出波形比较光滑、谐波较少,这对电机的运行、维护也大有好处。
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某炮塔数字伺服控制系统误差分析 篇7
任何一个实际的数字伺服控制系统,在满足系统稳定的前提下,总存在一定的误差。数字伺服系统在运行过程中的误差是多种多样的,但归结起来,误差主要源于元件误差、原理误差(系统误差)以及环境变化引起的误差[1]。
数字伺服系统由各种各样控制元件组成,如测量元件、执行元件等,而每种元件都有自身的误差。由于元件在系统结构中所处的位置不同,其本身的误差对系统误差影响程度也不同。
原理误差是指在控制机理方面必然产生的误差,它与系统的结构及控制作用的性质有关。原理误差分为确定型和随机型两类;确定型的原理误差就是在确定的输入信号和扰动作用产生的误差,而随机型的原理误差则是在随机输入和随机扰动下系统产生的误差。
环境的变化,例如温度、振动、冲击等的变化而使系统产生误差。
1 数字伺服控制系统误差的一般分析方法
在分析系统误差时,假定系统的结构是已知的。一个确定系统能传递和转化有效的控制信息,也能传递和转化干扰信息。如果把系统内部各元件的误差看成干扰信息,那么,它对系统精度的影响也就不难分析了。
在讨论系统的各种误差的定量分析和计算之前,首先来讨论一下本系统各环节对输入信号、干扰信号引起的误差传递和归化。设如图1所示结构的系统,输入为R(S),输入干扰噪声为N0(S),输出为C(S),误差为E(S),各级的等效扰动信号分别为N1(S)、N2(S)、N3(S)。因为对单位反馈系统而言,总的误差就是R(S)、N1(S)、N2(S)、N3(S)所引起的误差归化到E(S)点上的总和。
如果各量均为确定函数,那么可以用拉式转换归化:
undefined
如果系统中各变量是随机变量,而各变量相互独立,则可用统计理论来处理。设它们的功率谱分别为SR(ω)、SN0(ω)、SN1(ω)、SN2(ω)、SN3(ω),则
undefined (2)
σundefined=∫∞0Se(ω)dω (3)
实际上,系统的输入和扰动会有确定性函数和随机变量同时施加于其上。那么可以把它们分别进行计算和分析,误差是某时刻的确定于某个随机变量之和。在工程实际中因为每个干扰信号甚至输入信号引起的误差很小(可以取专门的措施来抑制某个比较严重的干扰),同时又可以假定它们各自独立,因此认为误差向量是满足高斯分布的随机过程,这样式(2)就更有用处了。计算时,先算出均值,再算出方差σundefined,整个误差的概率分布函数就确定了,把误差待定为3σundefined,系统就有99.73%的概率分布达到了精度,需要指出的是,以上分析和处理有普遍的适用性。
对于非单位反馈系统,可以转化为单位反馈系统来处理;对于调节系统,实际上就是输入为常值或阶段变化的系统,以上的分析也适用。
在上面分析的各级干扰信号方面,没有规定是什么样的干扰。实际上,每个环节,包括测量、放大执行元件的误差都可以计算到它的输出端,作为对系统的干扰处理。对于多回路系统,可以从内环算起,等效为图1所示结构的单回路系统。每个回路的误差折算到输入(或输出)端作为某个干扰ni(t)[2]。
从以上的分析可以看到,图1所示的串级系统本身就具有抑制干扰的能力,而其干扰部位越靠近输出端C(S),抑制能力越强。系统抑制前级的干扰能力一般比后级差,这就是一般数字伺服控制器系统要求测量元件和前级信号放大器精度高的原因所在。
2 系统元件误差分析
本炮塔数字伺服控制系统的元件主要包括执行元件、测量元件等。
2.1 执行元件的误差
执行元件主要由俯仰轴系和方位轴系组成。
2.1.1 俯仰轴系误差
(1) 俯仰轴于垂直轴的不垂直度误差σ1
设计要求IT6级精度。方位座圈径向跳动是0.1 mm,高度取1.4 m,则如图2工作所示的几何关系。
undefined
即:σ=14.7〞
(2) 偏移量σ2
主要是由支承俯仰轴的轴承内环不同心引起的。不同心度的最大值为0.2 mm,轴心跨轴为820 mm～940 mm之间,按反余弦分布,偏移的均方差根为σ2=45″。考虑所有在俯仰轴上的设备不一致性为0.8 mm,即:σ2=59″。
(3) 随机偏移量为σ3
由于运动产生惯性力,这次误差最大不超过100″,即σ3=100″。
(4) 计算结果
由上述计算可见三项误差为:
undefined
2.1.2 方位轴系误差
根据实践经验,方位误差为俯仰误差的50%。
即σ方=0.975′=0.29 mrad
2.1.3 俯仰和方位轴系总误差
综合俯仰和方位两项综合误差,加上机架安装误差σ安=1.3′。则均方差为:
undefined
2.1.4 减小执行元件误差的方法
(1) 执行元件属传动动力链范畴,其误差(主要指末级误差)在系统闭环外。
该误差可通过测量经软件或调整环节弥补。
(2) 本系统轴系末级传动比i俯仰=8,i方位=12。
真正误差应为undefined。
2.2 测量元件(即位置传感器)的误差
数字伺服控制系统中的测量元件对系统精度的影响是直接的,因为一般反馈用测量元件来测量被控对象或过程与给定输入的差值,然后将其放大后再驱动直接机构去调节。可见测量元件的误差是系统中最直接的误差。一般来说,测量元件的误差分量是很重的,至于反馈所包围回路中的各种放大、执行等元件的误差或环境变化而引起的误差,一般都会得到有效地抑制。
(1) 位置传感器的误差分析
本系统中位置传感器选用德国海德汉公司生产的绝对式光电编码器(型号为ROC425),其最大误差σ生产≤20″,根据经验,其安装误差σ安装≤1.3′,则均方差为:
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(2) 减少位置传感器误差的方法
减小安装误差,适当提高传感器分辨率。
3 原理误差分析
其原理误差分为确定型和随机型两类。
3.1 确定型原理误差
3.1.1 建模误差
由于本系统设计为带前馈补偿的Ⅱ阶无差系统,加之建模误差对系统影响较小,可忽略。
3.1.2 计算机有限字长产生的量化误差
由于数字伺服控制系统0～360°用16位字长表示,即量化单位为:
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所以量化误差为0.1 mrad。
3.2 随机型原理误差
本系统在跟踪输入信号运动的过程中要克服各种干扰,其中很多为随机干扰。对于随机噪声干扰,可用统计理论来计算该干扰引起的误差的统计值。随机干扰值多种多样,全面分析比较困难,一般在设计中具体问题具体分析。根据实际经验,一般来说随机型原理误差在系统误差中所占比重不超过10%。
4 环境变化引起的误差分析
4.1 振动冲击引起的误差
由于炮塔的质量大,固有频率低,振动冲击引起的误差可忽略。
4.2 温度变化引起的误差
由于转塔结构材料均选用铝或钢,其对温度不敏感,控制设备的元器件均选用宽温器件,加之系统的PID调节,所以,由温度引起的误差可忽略。
5 误差分析统计
表1是本炮塔误差分析统计,可供数字伺服控制系统分析参考使用。
6 结论
本文针对数字伺服控制系统运行过程的元件误差、原理误差、环境变化引起的误差进行了分析,并将其误差分析方法实际应用于某炮塔数字伺服控制系统误差分析中,给出本炮塔的误差分析统计,实践证明该方法行之有效,为数字伺服控制系统的设计分析提供了指导。
摘要：介绍了数字伺服控制系统的误差源,对由其产生的误差进行了误差分析,并将该分析方法应用于某炮塔数字伺服控制系统,提出降低或削除误差的有效途径,为数字伺服控制系统的设计分析提供参考。
关键词：误差源,误差,误差分析,数字伺服控制系统
参考文献
[1]卢志刚,吴杰,吴潮.数字伺服控制系统与设计[M].北京:机械工业出版社,2007.