Модернизация электропривода КОС «Сажень-ТОС».
Байконур, апрель 2010 г.
Проведение монтажных и пусконаладочных работ комплекта 3-х координатного цифрового следящего
электропривода работниками кафедры электротехники и прецизионных электромеханических
систем (Э и ПЭМС) Санкт-Петербургского национального исследовательского
университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО).
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Измерение скорости ветра.
 
А на ОПУ "Сажени" взгромоздили АФУ П-200 :)
РАЗРАБОТКА  ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ДЛЯ ВЫСОКОТОЧНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ.
ПРОБЛЕМЫ И ДОСТИЖЕНИЯ.
 
В.С.Томасов, К.М.Денисов, А.В.Гурьянов. Санкт-Петербург, ГОУВПО
"Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики"
 
Кафедра электротехники и прецизионных электромеханических систем (ЭТ и ПЭМС) Санкт- Петербургского университета информационных технологий, механики и оптики более 25 лет занимается исследованиями, проектированием и вводом в эксплуатацию систем прецизионного электропривода для информационно - измерительных систем ракетно-космической техники, уникальных оптических комплексов наблюдения космического пространства, Российской сети лазерных стаций. За это время разработаны десятки прецизионных электромеханических следящих систем с максимальными моментами на исполнительных осях от 5 до 5000 Нм на базе эффективных транзисторных инверторов напряжения и высокомоментных, встраиваемых в опорно-поворотные устройства (ОПУ) двигателей  различного типа.
 
Характерными особенностями прецизионных следящих электроприводов комплексов высокоточных оптических измерений являются [1-2]:
- широкий диапазон скоростей слежения (18000) при малых значениях среднеквадратичных ошибок,  требующий высоких значений добротности системы по скорости (от 200  до 2000);
- инфранизкие скорости движения оптической оси комплекса: единицы  угловых   секунд   за   секунду;
- использование уникальных прецизионных датчиков координат;
- нежесткость конструкции ОПУ и возникновение механического      резонанса на частотах от единиц Гц;
- необходимость ограничения допустимой полосы пропускания частот в системе регулирования угла на уровне  более чем на порядок меньшем механической резонансной частоты;
- шаговый характер движения следящей оси на инфранизких скоростях, обусловленный нагрузкой реактивного характера и дискретными по уровню и времени сигналами датчиков координат.
 
Комплексы высокоточных оптических измерений, использующие в своих системах управления прецизионные электропривода, разрабатываемые на кафедре ЭТ и ПЭМС СПбГУ ИТМО, предназначены для преобразования кодов задания траектории движения  оптической оси телескопов, поступающих либо от центральной ЭВМ, либо от телевизионных автоматов (ТА), либо и от ЭВМ и от ТА в углы поворота следящих осей, чаще всего по двум координатам - углу места (ось А) и азимуту (ось В) [1].
 
В настоящее время на кафедре проектируются цифровые следящие привода для оптико-электронного комплекса автономного поиска, обнаружения космических объектов (КО) и сбора информации о них («Прицел»), автономного многофункционального оптического локационного комплекса национальных информационно-измерительных средств судна связи «Маршал Крылов» («МОЛК»), большого алтайского телескопа траекторных и сигнальных измерений  с диаметром зеркала 3, 12 метра (ТИ-3.12), а также серии малогабаритных многофункциональных квантово-оптических систем различного назначения («Сажень-ТМ»).
 
Основные функциональные характеристики таких комплексов в значительной степени определяются реальной точностью слежения за наблюдаемыми объектами. В решении подобных задач важную роль играет конструктивное исполнение всех элементов измерительного телескопа  и его опорно-поворотного устройства, представляемое в процессе моделирования и проектирования электроприводов, как правило, двухмассовым механизмом. Угловая частота резонанса  этого механизма, вызванная крутильными деформациями   [3] , в конечном итоге определяет полосу пропускания частот контуров регулирования системы управления и, как следствие ее быстродействие. Для разрабатываемых систем полоса пропускания частот внешнего контура регулирования положения составляет десятые доли и единицы Герц в зависимости от конструкции ОПУ того или иного телескопа.
 
 В этих условиях, именно на цифровой следящий электропривод возлагается задача компенсировать все возможные несовершенства конструкции механических узлов телескопа, его кабельного перехода и обеспечить заданную точность при относительно невысоком быстродействии системы, определяемым низкой резонансной частотой осей ОПУ. Стремление к уменьшению сроков проектирования, повышению точности, увеличению быстродействия, широкое использование современных элементов и устройств силовой электроники и вычислительной техники совершенно очевидно, требуют комплексного подхода к проектированию, исследованию и реализации комплексов высокоточных наблюдений. При этом  силовые привода измерительных телескопов этих комплексов необходимо проектировать с  учетом дискретности протекания электромагнитных и электромеханических процессов, нелинейностей, упругих связей, сил трения, возмущающих воздействий со стороны подшипников и кабельного перехода, значительно осложняющих процессы управления [2,5]. Комплексный подход сегодня невозможно реализовать без активного использования информационных технологий на всех этапах проектирования, исследования и эксплуатации современных  систем прецизионного электропривода комплексов высокоточных наблюдений.
 
Структурно комплексы высокоточных оптических измерений содержат двухканальные (по азимуту и углу места) энергетические  и информационные  подсистемы [1,2]. 
 
Энергетическая подсистема включает в себя силовые цепи первичного источника питания, полупроводникового и электромеханического преобразователей и обеспечивает протекание процессов электромеханического преобразования энергии. ЭП определяет предельно достижимые динамические характеристики электроприводов  комплекса (максимальные скорости и ускорения следящих осей) и, в значительной степени, массогабаритные показатели систем управления [3] . Причем следует иметь в виду, что в электроприводах, работающих на нагрузку с упругими связями, к энергоподсистеме предъявляются требования по достижению больших значений  ускорения с целью демпфирования этих колебаний [4]. 
 
В качестве электромеханического преобразователя в последних разработках кафедры используются синхронные машины с постоянными магнитами на роторе. В проектах «Прицел» и «МОЛК» в следящих осях ОПУ предполагается установить высокомоментные синхронные двигатели белорусско-немецкой компании Ruchservomotor (Kollmorgen), а в остальных системах устанавливаются двигатели, разработанные и изготовленные в СКБ «Львивска Политехника» (www.lvivmotor.com.ua) Двигатели этих производителей характеризуются большим отношением вращающего момента к моменту инерции ротора, определяющим предельное быстродействие машины. Возможность уменьшения неравномерности момента за счет подбора формы фазных токов обеспечивает приближение свойств вентильного двигателя к идеальному источнику момента. Причем, необходимо отметить, что для увеличения надежности и снижения величины напряжения в звене постоянного тока инвертора, двигатели обеих осей телескопа ТИ-3.12 секционированы и представляют собой совокупность трех электромашин с одинаковыми параметрами.
 
Для управления вентильными двигателями во всех проектах кафедры применяются автономные инверторы напряжения с широтно-импульсной модуляцией [1,2,3] на интеллектуальных силовых модулях, которые представляют собой интегрированные силовые устройства со схемами управления и защиты. Интеллектуальные модули пятого поколения по сравнению с предыдущими разработками обладают более низкими значениями напряжения насыщения и оптимальной траекторией переключения силового транзистора, достигаемой благодаря применению схем управления, формирующих необходимую траекторию переключения, а также использованию обратных диодов с малым временем и мягкой характеристикой восстановления. Применяемый способ коммутации позволяет при частоте коммутации транзисторов в 10 кГц, коммутировать фазные обмотки двигателя частотой в 20 кГц.
 
При питании автономных инверторов напряжения от сети переменного тока с последующим выпрямлением, возникают наиболее тяжелые условия работы конденсатора силового фильтра в моменты отвода энергии вращающихся частей нагрузки в силовые цепи энергоподсистемы. Для энергоподсистем всех проектов, кроме ТТИ-3.12 по условиям их работы и учитывая параметры ОПУ и двигателя, оказывается возможным не устанавливать параллельно конденсатору тормозного сопротивления и всю энергию торможения принимать в конденсатор и рассеивать на сопротивлениях фаз двигателей  [5, 6, 7]. Для обеспечения безопасной работы всей системы двухкоординатного электропривода большого алтайского телескопа ТИ-3.12, в связи со значительными маховыми массами осей телескопа и максимальной скоростью переброса (20 град/сек) возникает необходимость в совместной установки конденсаторов фильтра и тормозного сопротивления для преобразования электрической энергии торможения в тепло.
 
Информационная подсистема обеспечивает сбор информации от датчиков обратных связей, реализацию цифровых контуров регулирования переменных состояния системы, выработку сигналов управления силовыми преобразователями, оперативную диагностику и отработку аварийных ситуаций, связь с компьютером верхнего уровня иерархии.
 
Для обеспечения требуемых точностных и динамических характеристик в подобных системах реализуются прямые цифровые регуляторы и цифровые фильтры до 10 порядка. При этом частота дискретизации  составляет десятки килогерц. Указанные условия требуют применения в качестве вычислительных устройств высокопроизводительных сигнальных процессоров с плавающей точкой, обладающих вычислительной производительностью до 300 миллионов инструкций в секунду. В особо критических случаях, где требуется распараллеливание вычислений, часть вычислительного алгоритма приходится реализовывать аппаратно с помощью программируемых логических матриц.
 
Настройка и подбор параметров регуляторов в сложных прецизионных системах управления затруднен без предварительного детального моделирования системы. На сегодняшний день существуют очень развитые пакеты моделирования (такие, как Matlab), позволяющие детально промоделировать механическую и электрическую части системы, подобрать оптимальную структуру и настроить регуляторы. Однако, при переходе от модели к реальной системе зачастую возникают проблемы, связанные с неполной идентичностью модели реальному объекту регулирования и различной точности реализации вычислительных алгоритмов на модели и в реальном управляющем устройстве. Для решения данных проблем была разработана специальная технология отладки и настройки реальных объектов с помощью пакета Matlab. Был создан специальный драйвер и протокол, позволяющие управлять реальным оборудованием непосредственно из пакета Matlab [8]. Были разработаны вычислительные алгоритмы базовых управляющих функций, позволяющие прозрачный перенос параметров регуляторов из модели в реальную систему, при котором обеспечивается повторяемость результатов работы модели и реального объекта.
 
Для связи с компьютером верхнего уровня наиболее оптимальным представляется использование CAN-интерфейса, который адаптирован для работы в системах реального времени и гарантирует минимальное время доставки пакета информации в отличие от других последовательных многоточечных интерфейсов. С помощью такого интерфейса удается обеспечить выдачу целеуказаний по траектории движения инструмента с частотой дискретизации до нескольких килогерц, которая является вполне достаточной с учетом полосы пропускания современных оптических систем слежения, которая лежит в пределах от единиц до десятков герц.
 
В качестве датчиков положения оси инструмента в современных системах чаще всего используются высокоточные оптические энкодеры, обеспечивающие точность определения положения на уровне 0.01” - 0.05”. Ведущие фирмы-производители подобных датчиков оснащают свои изделия специализированными  высокоскоростными последовательными интерфейсами. В качестве примера можно привести интерфейс EnDat (фирма Heidenhain) и интерфейс BISS (фирма Renishaw), обеспечивающие передачу информации со скоростью до 10 Мбит/с с аппаратным обеспечением командного протокола обмена информацией и контроля ее достоверности. В проектах «Прицел», «МОЛК» и «Сажень - ТМ» в следящих осях ОПУ устанавливаются оптические энкодеры фирма Renishaw. Однако, следует учитывать, что на сегодняшний день не существует серийно выпускаемых микроконтроллеров со встроенными интерфейсами подобного типа. Поэтому, данные интерфейсы приходится реализовывать с использованием программируемых логических матриц. В частности, для реализации интерфейса EnDat в соответствии со стандартом 2.2, требуется около 500 логических ячеек программируемой логической матрицы.
 
В сложных крупногабаритных прецизионных системах стандартной практикой является установка нескольких (от двух до четырех) датчиков положения на каждой оси инструмента. Это позволяет учесть механические нежесткости конструкции, и скомпенсировать геометрические погрешности установки датчиков и других элементов конструкции. При проектировании следящих электроприводов для большого алтайского телескопа ТИ - 3.12 в качестве датчиков угла используются датчики больших диаметров фирмы Heidenhain с четырьмя считывающими головками на азимутальной оси и двумя датчиками угла, устанавливаемыми на двух массах угломестной оси с двумя считывающими головками каждый. В этом случае, информационная подсистема должна обладать соответствующим количеством описанных интерфейсов для параллельной обработки информации со всех датчиков.
 
Для управления силовыми преобразователями энергии информационная подсистемы должна вырабатывать многофазные широтно-модулированные сигналы, подаваемые на управляющие входы энергетической подсистемы. Для этого в информационной подсистеме должны присутствовать многофазные широтно-импульсные модуляторы. Причем, как нами указывалось выше, для увеличения надежности и снижения величины напряжения в звене постоянного тока инвертора, двигатели обеих осей телескопа ТИ-3.12 секционированы и представляют собой совокупность трех электромашин с одинаковыми параметрами, что требует управления каждой секцией одного трехфазного двигателя от отдельного силового преобразователя. Для обеспечения такой возможности требуется параллельная реализация контуров регулирования токов отдельных секций с выработкой отдельных широтно-импульсных сигналов управления силовыми преобразователями каждой из секций. Это накладывает дополнительные условия на вычислительную производительность информационной подсистемы и количество интегрированных в нее многофазных широтно-импульсных модуляторов.
 
Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что оптимальной структурой информационной подсистемы может являться комбинация высокопроизводительного цифрового сигнального процессора с плавающей точкой и программируемой логической матрицы, объемом до 10000 логических ячеек. При этом цифровой сигнальный процессор выполняет основные функции цифрового регулирования, в то время как на программируемой логической матрице реализуются вычислительные функции, требующие параллельной реализации, специфические интерфейсы с датчиками положения и широтно-импульсные модуляторы. Для повышения скорости обмена информацией между цифровым сигнальным процессором и программируемой логической матрицей, они должны быть связаны друг с другом по параллельной многоразрядной магистрали.
 
Совершенно очевидно, что рассмотренные возможности, достижения и перспективы являются прямым следствием внедрения последних достижений силовой электроники и современных информационных технологий на всех этапах проектирования, исследования и эксплуатации таких сложных мехатронных систем, какими безусловно являются оптические комплексы высокоточных измерений.
 
Литература
 
1. Синицын В.А., Толмачев В.А., Томасов В.С. Системы управления комплексом позиционирования и слежения.  Изв. вузов. Приборостроение. 1996. Т. 39, № 3, с. 22-27.
2. Глазенко Т.А., Томасов В.С. Состояние и перспективы применения полупроводниковых преобразователей в приборостроении. Изв. вузов. Приборостроение. 1996. Т. 39, № 3, с. 5-10.
3. Борцов Ю.А., Соколовский Г.Г. Автоматизированный электропривод с упругими связями. СПб: Энергоатомиздат, 1992.
4. Синтез следящего электропривода оси опорно-поворотного устройства/ В.А. Толмачев //  Изв. Вузов. Приборостроение, 2008. № 6. с. 68-72.
5. Синицын В.А., Томасов В.С. Энергоподсистемы следящих электроприводов измерительных телескопов. Изв. вузов. Приборостроение. 2008. Т. 51, № 6, с. 12-17.
6. Томасов В.С., Серебряков С.А., Борисов П.А. Электромагнитные процессы в силовой цепи источника питания транзисторного ШИП, работающего в замкнутой системе электропривода. Изв. вузов. Приборостроение. 2002. Т. 45, № 8. с. 42-50.
7. Томасов В.С., Синицын В.А., Борисов П.А. Исследование электромагнитных процессов в энергетическом канале замкнутой системы электропривода постоянного тока. Изв. вузов. Приборостроение. 2004. Т. 47, № 11. с. 9-16.
8. Свидетельство о государственной  регистрации программы для ЭВМ № 2009611420 «Программный комплекс СБПЭТ (система быстрого прототипирования электропривода телескопа» от 12.03. 2009.  Авторы Гурьянов А.В., Денисов К.М.
 
Источник: www.ets.ifmo