ru en

    Направления исследований Направления

    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.    

    Тяговый электропривод

    Научно-производственный центр «Прецизионная электромеханика» имеет опыт проектирования и разработки системы управления тяговым преобразователем электропоезда переменного тока 25 кВ (далее - СУ ПТ) для пригородного и межрегионального сообщения. СУ ПТ предназначена для управления электромагнитными процессами в системе однофазный трансформатор - транзисторный преобразователь - асинхронный тяговый двигатель (далее - АТД). СУ ПТ выполняет следующие функции: преобразует переменное напряжение вторичной обмотки силового трансформатора в постоянное напряжения звена постоянного тока; выполняет функцию коррекции коэффициента мощности в первичной обмотке силового трансформатора; обеспечивает формирование преобразователем момента на валу АТД оси моторной тележки электропоезда в соответствии с заданием на силу тяги, получаемую от системы управления верхнего уровня электропоезда (далее - СУ поезда), которая задается в процентах от максимально допустимой силы тяги электропоезда; реализует систему защиты от буксования и юза; отрабатывает команды, поступающие от СУ поезда; обрабатывает сигналы датчиков тока, напряжения, температуры, скорости оси и формирует импульсы управления силовыми IGBT-модулями; выполняет контроль состояния силового и коммутирующего оборудования тягового преобразователя; передает в СУ поезда информацию, необходимую для реализации режимов работы электропоезда и диагностики состояния тягового преобразователя, включая измеряемые и вычисляемые параметры контролируемого оборудования; выполняет обмен данными с СУ поезда по интерфейсам CAN по протоколу CANopen и Ethernet. Аппаратное обеспечение: СУ ПТ построена на базе нескольких многоядерных микроконтроллеров фирмы Texas Instruments семейства C2000, что позволяет реализовать вычислительно сложные алгоритмы управления на частотах 10–50 кГц.  Для поддержки информационного обмена между контроллерами они связаны в единую CAN-сеть с помощью разработанного протокола на базе CANopen. Модули контроллеров управления содержат ПЛИС для управления современными драйверами MOSFET и IGBT, что позволяет гибко реализовывать сложные алгоритмы ШИМ с переменной частотой коммутации, а также обрабатывать при необходимости сигналы обратных связей, генерируемых драйверами. Для подключения управляющего компьютера к сети CAN разработаны CAN-платы, поддерживающие стандарт PCI или PCI Express, и драйвера под ОС семейств Windows и Linux. Для ОС Linux разработан вариант драйвера, поддерживающего интерфейс CAN-sockets, что позволяет взаимодействовать с CAN-платой (и соотв. узлами CAN-сети) нескольким независимым приложениям пользователя. Контроллеры СУ ПТ поддерживают скорость обмена по сети CAN до 1 Мбит/с. Данная скорость позволяет организовать цикл обмена информацией (обратные связи и статус в направлении компьютера, задание и команды в сторону привода) на частотах 1–5 кГц. Реализована возможность записи на SD-карту данных в режиме так называемого “чёрного ящика” с сохранением, в случае аварийной ситуации, значений контролируемых величин за несколько секунд до и после аварии. Надежность и безопасность функционирования СУ ПТ обеспечивается гальванической развязкой всех аналоговых и цифровых сигналов с контроллером управления и использованием сигма-дельта преобразования для их обработки. Оптический интерфейс управления ключами позволяет свести к минимуму влияние помех. Программно-математическое обеспечение системы управления тяговым преобразователем реализует: блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) для фазовой синхронизации задания для регулятора тока фазы и напряжения в первичной обмотке трансформатора; регулятор тока фазы, осуществляющий формирование тока в первичной обмотке тягового трансформатора; регулятор напряжения звена постоянного тока (ЗПТ) для стабилизации напряжения в ЗПТ на заданном уровне; алгоритмы регулирования и ограничения мощности АТД на основе оценки напряжения сети на первичной обмотке трансформатора для обеспечения близкого к единице коэффициента мощности в широком диапазоне нагрузок; согласованную работу на общее звено постоянного тока нескольких преобразователей для улучшения динамических характеристик системы привода; алгоритм векторного регулирования электромагнитного момента АТД с поддержанием максимально возможного потока тягового двигателя во всем диапазоне изменения скорости в режимах тяги и рекуперативного торможения; алгоритм определения величины напряжения на обмотках АТД по сигналам состояния силовых ключей с учетом «мертвого времени» и падения напряжения на питающих проводах и силовых ключах; электромагнитную модель АТД с наблюдателем активного сопротивления ротора для компенсации изменения температуры ротора; тепловую модель АТД для ограничения нагрузки тягового двигателя; алгоритм защиты от буксования в тяге и юза при электрическом торможении для предотвращения проскальзывания колёс оси моторной тележки электропоезда; Программно-математическое обеспечение микроконтроллеров реализует: перепрограммирование встроенной Flash-памяти с компьютера по сети CAN с использованием собственного протокола программирования, что позволяет отказаться от использования JTAG при обновлении прошивки контроллера и перемычек, определяющих источник загрузки программы микроконтроллера; встроенный «виртуальный осциллограф», позволяющий на управляющем компьютере получать обратные связи быстропротекающих процессах с частотой квантования 10–100 кГц; многоуровневые механизмы защиты по току, напряжению, температуре и т. д.; изменение уставок, настроек защиты, других параметров в режиме реального времени; протоколирование протекающих процессов и событий с сохранением, в случае аварийной ситуации, значений контролируемых величин, произошедших за несколько секунд до и после аварии. Для отладки ПО микроконтроллеров и СУ ПТ в целом был разработан программный комплекс для компьютера под операционные системы Windows и Linux. Компьютерная часть ПО обеспечивает визуализацию в реальном времени протекающих процессов (токи в обмотках двигателя, напряжение ЗПТ, скорость двигателя и т. д.) и протоколирование информации в текстовом формате, который даёт возможность быстро загружать данные в различные инструменты обработки (Excel, Python, MATLAB и т. п.) без предварительных преобразований. Для быстрого прототипирования алгоритмов управления силовыми преобразователями АТД реализована возможность автоматической генерации из MATLAB/Simulink исходных текстов модулей программного обеспечения микроконтроллеров.  

    Интеллектуальные преобразователи электроэнергии

    В рамках инициативной НИОКР были разработаны экспериментальные образцы интеллектуальных двунаправленных преобразователей, предназначенных для преобразования для преобразования постоянного тока в переменный и обратно в распределенных микроэнергосистемах. Устройства обеспечивают возможность комбинированного потребления электроэнергии от центральной сети электроснабжения и генераторов электроэнергии из возобновляемых источников и передачи накопленной энергии между потребителями и накопителями для снижения нагрузки (прежде всего пиковой) на центральную электросеть. Для испытания экспериментальных образцов разработан и изготовлен испытательный стенд для силовых преобразователей электроэнергии распределённых микроэнергосистем. Аппаратное обеспечение: Экспериментальные образцы функционально состоят из управляющего контроллера и усилителя мощности с трехфазным мостовым инвертором. Управляющие контроллеры (далее - УК) реализуют контуры регулирования тока и напряжения на основе соответствующих сигналов обратной связи с выдачей ШИМ-сигналов управления ключами, а также сигналов текущего состояния. На УК выполняется мониторинг сигналов аварии ключей, которые вызываются по причине нештатной ситуации с силовыми ключами и управляющей схемой. Обмен информацией между УК и контроллеров верхнего уровня осуществляется по CAN-интерфейсу с использованием протокола CANopen. Установлены датчики тока и напряжения фаз и звена постоянного тока, что позволяет обеспечивать работу преобразователя как к режиме инвертора, так и в режиме активного выпрямителя напряжения. Для повышения помехозащищенности каналов передачи измеренных значений датчики фазных токов и напряжений базируются на сигма-дельта преобразователях, преобразующих входное напряжение в сигма-дельта последовательность. Для коммутации SIC-транзисторов были разработаны платы драйвера управления затвором, конструктивно устанавливаемые на модуль транзистора. Технические характеристики: Экспериментальный образец на основе SIC-транзисторов: Наименование параметра Единица измерения Значение Предельное отклонение, % Номинальное значение напряжения постоянного тока В 690 ±15 Номинальное значение переменного тока А 40 ±10 Номинальное значение линейного переменного напряжения В 400 ±20 Коэффициент небаланса выходного напряжения при симметричной нагрузке, не более % 5 - Частота коммутации, не менее кГц 100 - Номинальная частота выходного переменного тока Гц 50 ±2       Экспериментальный образец на основе IGBT-сборки: Наименование параметра Единица измерения Значение Предельное отклонение, % Номинальное значение напряжения постоянного тока В 690 ±10 Номинальное значение линейного переменного напряжения В 380 ±15 Номинальное значение переменного тока А 15 ±10 Частота коммутации, не менее кГц 10 -     Испытательный стенд для силовых преобразователей электроэнергии распределенных микроэнергосистем с альтернативными источниками энергии: Разработанный и изготовленный испытательный стенд позволяет: устанавливать и проводить испытания новых образцов преобразовательной техники мощностью до 15 кВт с информационным обменом по сети CAN; исследовать работу силовых преобразователей и микроэнергосистемы в целом при различных типах электрического питания (от сетевого напряжения, от сетевого напряжения совместно с накопителями энергии и альтернативными источниками энергии) за счет наличия гибридного инвертора; исследовать работу силовых преобразователей и микроэнергосистемы в целом при подключении различных типов нагрузок переменного и постоянного тока мощностью на общую шину постоянного тока; исследовать эффективность работы ветроэнергетических и фотоэлектрических установок в рамках распределенной энергосистемы; разрабатывать и исследовать алгоритмы для мультиагентных систем управления энергетическими системами за счет наличия HiL-симулятора. Функциональный состав испытательного стенда: блок накопителей электрической энергии с контроллеров заряда; информационные шины обмена данными; распределительные шины переменного тока; измерительные модули; гибридный инвертор для заряда блока накопителей энергии от альтернативных источников электрической энергии и для обеспечения электрического питания стенда (имитации сетевого напряжения) при автономной работе; дополнительные силовые преобразователи (первичный сетевой инвертор и управляемый сетевой инвертор) для формирования распределительной шины постоянного тока; универсальное установочное место испытуемых силовых преобразователей для обеспечения возможности установки новых силовых преобразователей в стенд; программно-аппаратный комплекс, состоящий из маршрутизатора и микрокомпьютеров, для имитационного моделирования взаимодействия стенда с другими энергосистемами; внешние разъемы для подключения исследуемых нагрузочных и генераторных устройств по шине постоянного тока с напряжением 500 – 800 В.              

    Последние публикации Публикации

    2021 год
    • Орловска-Ковальска Т., Ловлин С.Ю., Цветкова М.Х., Мусалимов В.М., Абрамчук М.В.

      Численные методы оптимизации робастного управления робототехническими и мехатронными системами // Известия высших учебных заведений. Приборостроение - 2021. - Т. 64. - № 9. - С. 728-740

    • Poliakov N., Demidova G.L., Zolov P.D., Vorobev K., Lukichev D.V., Strzelecki R.

      Distributed Energy Laboratory Concept Focused on Power Electronics Units // 11th International Conference on Electromechanical and Energy Systems, SIELMEN 2021 - 2021, pp. 387-392

    • Усольцев А.А., Томасов В.С., Денисов К.М., Демидова Г.Л., Поляков Н.А.

      Расчет характеристик трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором - 2021

    • Lovlin S., Tsvetkova M., Abdullin A., Abramchuk M., Lukichev D.

      Numerical Method of Optimization in Robust Control of Robotic and Mechatronic Complex Systems // 28th International Workshop on Electric Drives: Improving Reliability of Electric Drives, IWED 2021 - 2021, pp. 9376338

    • Bratchikov S., Abdullin A., Demidova G.L., Lukichev D.V.

      Development of Digital Twin for Robotic Arm // 19th IEEE International Power Electronics and Motion Control Conference, PEMC 2021 - 2021, pp. 717-723

    • Tomasov V.S., Usoltsev A.A., Moravets M., Shchepankovsky P., Stsheletsky R.

      Asymmetrical Modes in Polyphase Motors and Drives // Russian Electrical Engineering - 2021, Vol. 92, No. 7, pp. 351-360

    Информация © 2015-2024 Университет ИТМО
    Разработка © 2015 Департамент информационных технологий