Следящий электропривод
Научно-производственный центр «Прецизионная Электромеханика» занимается проектированием, разработкой и вводом в эксплуатацию следящих электроприводов для высокоточных оптических, оптико-электронных и лазерных комплексов системы контроля космического пространства РФ. Разработано, изготовлено и поставлено заказчикам более 50 электроприводов мощностью от 250 Вт до 10 кВт, которые эксплуатируются на многих объектах в России - от Мурманска до Комсомольска-на- Амуре – и за рубежом - Казахстан, Бразилия, ЮАР, Вьетнам. На следящий прецизионный электропривод ложатся задачи обеспечения заданных траекторий движения исполнительных осей и поддержания требуемой точности наведения и слежения в условиях: упругости связей механической части, что приводит к наличию резонансов на частотах от единиц до нескольких десятков Гц; наличия нелинейных моментов сопротивления и возмущений (момент «сухого» трения, ветровой момент и др.); вращающихся масс от нескольких десятков килограмм до нескольких десятков тонн; наличия нелинейностей энергетической подсистемы электропривода и электромеханического преобразователя («мертвое» время инвертора, пульсации вращающего момента и д. р.). Разработанные и поставленные заказчикам безредукторные (прямые) электропривода на базе синхронных двигателей с постоянными магнитами обеспечивают: широкий диапазон скоростей вращения (от единиц угловых секунд в секунду до десятков градусов в секунду); уникально высокую точность наведения и слежения за исследуемым объектом: не более 1″ на скоростях вращения от 5 ″/с до 6 °/с; плавность движения оптической оси комплекса при сверхнизких скоростях слежения (до единиц угловых секунд в секунду). Аппаратное обеспечение: Аппаратная часть следящих электроприводов состоит из следующих функциональных узлов, разрабатываемых и изготавливаемых специалистами Центра: усилители мощности (далее - УМ), представляющие собой многофазные инверторы напряжения. В зависимости от требований технического заданияи особенностей назначения в портфолио Центра присутствуют УМ, построенные с применением следующих технических решений: дискретные MOSFET, IGBT транзисторы или транзисторные сборки; датчики тока фаз и звена постоянного тока в виде токоизмерительных шунтов или датчиков Холла; цепь предварительного заряда конденсаторов звена постоянного тока; гальваническая изоляция управляющих ШИМ-сигналов; схемы защиты транзисторов от превышения тока. модули сопряжения с датчиками обратных связей (тока, напряжения, положения, концевых выключателей и др.), в том числе: модули ввода однополярных и дифференциальных дискретных сигналов; модули ввода аналоговых сигналов; модули вывода дискретных сигналов типа «сухой контакт» и с открытым коллектором; модули ввода цифровых сигналов для сопряжения с датчиками положения, в частности с оптическими инкрементальными или абсолютными энкодерами различных производителей (Renishaw, HeidenHain, СКБ ИС) с различными интерфейсами – квадратурным, BiSS, EnDAT. Также специалисты центра имеют опыт применения синусно-косинусных вращающихся трансформаторов и индуктосинов. контроллеры управления на базе микроконтроллеров и ПЛИС. У нас есть опыт применения микроконтроллеров производства Analog Devices, Texas Instruments, НИИЭТ, GigaDevices, ПЛИС производства Intel (Altera), GOWIN. Функции и назначение контроллеров управления подробнее раскрываются в разделе о программно-математическом обеспечении. интерфейсные PCI и PCI Express платы для реализации линий связи CAN, RS-485 и т. п. с компьютерами верхнего уровня; Программно-математическое обеспечение: Программно-математическое обеспечение следящих электроприводов позволяет: управлять положением, скоростью и ускорением исполнительного устройства; регулировать момент на валу двигателя посредством формирования переменного напряжения в обмотках двигателя заданной частоты и формы; проводить диагностику составных частей опорно-поворотного устройства (ОПУ) и привода в автоматизированном режиме; проводить пуско-наладку привода в системе комплекса в автоматизированном режиме, включающую фазировку двигателя и датчика положения, настройку смещений нулей АЦП, настройку смещений головок датчиков положения, определение рабочего диапазона перемещений, идентификацию параметров преобразователя, двигателя и исполнительного механизма, настройку параметров регуляторов; обнаруживать неисправности обмоток двигателя и силового каскада транзисторного преобразователя частоты, датчика положения, концевых выключателей, датчиков тока, линий синхросигналов системы синхронизации; контролировать состояние оборудования, величину момента сопротивления (активного и реактивного), фазировку обмоток двигателя, положение нулевой метки датчика положения. Следует отметить, что диагностическое программное обеспечение может работать в автоматизированном режиме или в режиме удаленного доступа, не требует высокой квалификации обслуживающего персонала на месте эксплуатации. Компьютерное ПО разрабатывается под операционные системы Windows и Linux (включая МСВС и AstraLinux) и обеспечивает следующую функциональность: параметрическую настройку многоуровневых защит (по току, напряжению, температуре, скорости, положению и т. д); анализ качества входных сигналов управления (пропадание информации, некорректные показания датчиков, неправильные временные интервалы и т. д.); протоколирование информации о сбоях в виде "чёрных ящиков"; обновление встроенного ПО микроконтроллеров электропривода по сети CAN; визуализация в реальном времени протекающих процессов (токи в обмотках двигателя, положение оси, состояние концевых выключателей и т. д.), протоколирование данных для последующей обработки в специализированных программах (Excel, Python, MATLAB и т. п.); изменение в реальном времени параметров регуляторов, уставок, защит и т. д. без необходимости перепрограммирования контроллера; программирование формы задающих воздействий по произвольному закону без необходимости переписывания/перекомпиляции ПО верхнего уровня; генерация заданий или создание замкнутого контура управления в реальном времени на стороне компьютера в MATLAB/Simulink или в сторонней среде с помощью загрузки динамической библиотеки пользователя, сгенерированной из MATLAB/Simulink; «виртуальный осциллограф» - возможность передавать на компьютер данные, собираемые на частоте большей, чем позволяет протокол связи между контроллером и компьютером. Компьютерное ПО характеризуется сильной модульностью (слабой связанностью отдельных модулей), что сильно упрощает его доработку/модификацию, особенно в условиях слабой формализации ТЗ. В ПО предусмотрены механизмы расширения функционала для формирования сложных сценариев работы, которые могут быть реализованы без привлечения разработчиков основного ПО. Для этого в ПО реализована поддержка скриптов на языке Python, а также поддержка пользовательского кода в виде внешних динамических библиотек. Оба механизма (скрипты на языке Python и внешние динамические библиотеки пользователя) позволяют разрабатывать генераторы заданий и даже замкнутые системы управления специалистами без знания специфики ПО, сильно ускоряя разработку конечного изделия. И то, и другое используются при: исследовании объекта управления; синтезе структуры регуляторов; подборе параметров алгоритмов управления; пусконаладке, диагностике и испытаниях.