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.