Черкаський державний Технологічний УНІВЕРСИТЕТ

ЛУКАШЕНКО Андрій Германович

УДК 681.325.5:621.382

Удосконалення методів, моделей елементів та пристроїв локальних підсистем керування

для рішення траєкторних задач

05.13.05 – елементи та пристрої

обчислювальної техніки та систем керування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Черкаси – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Черкаському державному технологічному університеті

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

Лега Юрій Григорович,

Черкаський державний

технологічний університет,

завідувач кафедри комп’ютерних систем.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Кочкарьов Юрій Олександрович,

Черкаський державний технологічний університет,

професор кафедри інформатики та інформаційної безпеки;

доктор технічних наук, професор

Кошовий Микола Дмитрович,

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського (Харківський авіаційний інститут),

завідувач кафедри авіаційних приладів і вимірювань.

Провідна установа: Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і

науки України, кафедра звукотехніки та реєстрації

інформації, м. Київ.

Захист відбудеться "22" 12 2005 р. о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К73.052.01. в Черкаському державному технологічному університеті за адресою: 18006, м. Черкаси, бул. Шевченка, 460.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Черкаського державного технологічного університету за адресою: 18006, м. Черкаси, бул. Шевченка, 460.

Автореферат розісланий "18" 11 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Палагін В.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення ефективності роботи проблемно-орієнтованих систем, які містять локальні підсистеми керування, тісно пов’язане з постійно зростаючою складністю задач керування рухом автономними спеціалізованими об’єктами. Область застосування локальних підсистем керування широко використовується для рішення траєкторних задач аеронавігації, космічної техніки, робототехнічних комплексів та ін. Багато локальних підсистем керування, що вирішують траєкторні задачі, складаються з електродвигунів, перетворюючих та керуючих пристроїв, які об’єднуються під загальною назвою – електропривід. Управління роботою електропривода здійснюється за допомогою електричного блока, який керує електричним перетворювачем або безпосередньо електродвигуном. Усі елементи електропривода взаємно пов’язані та в процесі роботи впливають один на одного. При цьому неухильно зростають вимоги до точності, надійності функціонування та швидкодії керуючих елементів та пристроїв. Питанням побудови локальних підсистем керування присвячений ряд робіт Є.Є. Олександрова, В.Д. Байкова, В.М. Бродовського, Є.С. Іванова, Ю.Т. Костенка, І.В. Кузьміна, Б.І. Мокіна, А.М. Оранського, К.Д. Жука, К.Г. Самофалова, Ю.О. Скрипника, В.Б. Смолова, В.П. Тарасенка, В.М. Тімонтеєва та ін. До основних недоліків у сучасних локальних підсистемах керування для рішення траєкторних задач слід віднести похибки формування струмів керування і, як наслідок, вплив на відтворення траєкторії з відповідною точністю.

Створення блоків керування в єдиному кристалі або в мікрозбірці з використанням сучасної мікроелектронної технології, які забезпечують високу надійність і точність керування, простоту реалізації, малу потужність споживання та низьку вартість, є перспективним напрямком.

Отже, пошук нових точних методів керування, моделей елементів та пристроїв локальних підсистем керування для рішення траєкторних задач, у тому числі: високоточних, високонадійних блоків керування мостовими інверторами електричних перетворювачів, датчиків струму навантаження мостових інверторів; високоточних пристроїв перемноження аналогових і гібридних сигналів; формувачів континуальних функцій на базі таблично-алгоритмічних методів реалізації, є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційний напрямок дослідження пов'язаний з тематикою НДР за такими темами з відповідними номерами державної реєстрації: "Створення високоефективних методів управління електричними машинами" (194U023411), “Розробка континуальних і гібридних таблично-алгоритмічних моделей для вирішення проблемно-орієнтованих задач у науці та техніці” (0104U002723), “Синтез та аналіз характеристик систем радіозв’язку з кумулянтно-часовою модуляцією параметрів сигналів” (0103U003680), виконаними у Черкаському державному технологічному університеті, в яких здобувач приймав участь.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є удосконалення елементів і пристроїв локальних підсистем керування для рішення траєкторних задач шляхом розробки нових методів керування електричними перетворювачами та методу виміру струму навантаження мостового інвертора, побудови нових моделей датчиків струму, пристроїв перемноження аналогових і гібридних сигналів та формувачів континуальних функцій на базі таблично-алгоритмічних методів. Удосконалення спрямоване на підвищення якісних і експлуатаційних показників.

Для досягнення цієї мети поставлені і розв’язані такі наукові задачі: –

аналіз і синтез теоретичних основ апаратурної реалізації методів керування електричними перетворювачами в локальних підсистемах керування за їхніми моделями, операційних обчислювальних пристроїв, формувачів континуальних функцій при апаратурній реалізації на базі таблично-алгоритмічних методів;–

розробка нових високонадійних методів керування електричними перетворювачами: метод керування мостовим інвертором (МІ), метод керування МІ з регульованим струмом навантаження; метод вимірювання струму навантаження МІ; –

побудова нових образно-знакових моделей підвищеної точності датчиків вимірювання струму навантаження МІ для симетричного та несиметричного режимів комутації; –

розробка методу перемноження аналогових сигналів та нових моделей, які підвищують точність і швидкодію обчислювання аналогових і гібридних сигналів; –

побудова нової образно-знакової моделі формувача континуальних функцій.

Об'єкт дослідження – проблемно-орієнтовані процеси спеціалізованих систем керування.

Предмет дослідження – удосконалення методів, моделей елементів і пристроїв локальних підсистем керування для рішення траєкторних задач.

Методи дослідження базуються на використанні теорій: фільтрації і надійності – в методах керування МІ, перемножувачем аналогових сигналів; апроксимації – для створення формувачів континуальних функцій; алгебри логіки – при створенні датчиків струму, перемножувача гібридних сигналів; теорії керування – у методах керування електричними перетворювачами та у замкнутих локальних підсистемах керування електричними машинами при рішенні траєкторних задач.

Вірогідність результатів перевірялася розрахунками і модельними експериментами та проведенням експертизи по суті на винаходи.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в такому.

1. Вперше розроблені методи керування електричними перетворювачами: метод керування мостовим інвертором з регульованим струмом навантаження, метод керування мостовим інвертором, метод вимірювання струму навантаження мостового інвертора електричних перетворювачів. Відмітними рисами цих методів є: для перших двох – підвищення надійності функціонування за рахунок виключення наскрізних струмів; підвищення точності за рахунок зменшення похибки фільтрації та виключення впливу флуктуації нульового рівня, крім того, у другому методі зменшується систематична похибка, яка обумовлена великими значеннями струму задання; для третього – підвищення точності виміру струму забезпечується за рахунок “вирізання” помилкових імпульсів, що з'являються в процесі перемикання ланцюга струму навантаження.

2. Вперше розроблені чотири образно-знакові моделі датчиків вимірювання струму навантаження мостового інвертора: перша і друга – розроблені на основі запропонованої математичної моделі для формування вихідного керуючого сигналу. Відмітною рисою першого датчика є підвищення точності вимірювання струму навантаження в області малих значень струмів при несиметричному режимі комутації ключів мостового інвертора, при цьому другий – удосконалений відносно першого і дозволяє вимірювати струм навантаження як при симетричному, так і при несиметричному режимах комутації ключів мостового інвертора. Крім того, точність вимірювання підвищується за рахунок виключення непрямого контролю в розподілі струму навантаження по вимірювальних елементах датчиків струму. Третій та четвертий датчики струму здійснюють вимірювання струму навантаження при симетричному режимі комутації ключів мостового інвертора і побудовані за пропонованими математичними моделями умов формування значення напруги на виході джерела опорних напруг. Відмітною рисою цих датчиків є підвищення точності вимірювання струму навантаження при симетричному режимі комутації. Четвертий – вдосконалений і забезпечує вимірювання струму навантаження при розширених режимах комутації ключів мостового інвертора, зберігаючи високу точність вимірювання струму.

3. Вперше розроблений метод перемножування аналогових сигналів, відмітною рисою якого є висока точність завдяки відніманню статичної похибки та зменшенню динамічної похибки.

4. Вперше розроблені дві образно-знакові моделі перемножувачів для аналогових і гібридних сигналів. Відмітною рисою першої моделі є збільшення точності перемноження за рахунок використання модулятора з високою несучою частотою, керованого перемикача з пам'яттю, усереднюючого суматора із широкою смугою пропускання. Друга модель має високу швидкодію за рахунок збільшення швидкості перерозподілу зарядів на керуючих шинах і малу потужність споживання завдяки організації функціонування від імпульсного живлення.

5. Вперше розроблена образно-знакова модель формувача континуальних функцій, відмітною рисою якої є зменшення інструментальної та динамічної похибок.

Практичне значення одержаних результатів полягає в такому:

На основі наукових досліджень розроблені нові інженерні рішення:

? прості схеми датчиків вимірювання струмів навантаження мостових інверторів, які використовуються в ланцюзі зворотного зв’язку по струму в обмотках керованих двигунів, що дозволяє підвищити точність керування і надійність функціонування;

? структурні й принципові схеми перемножувачів аналогових і гібридних сигналів, що знайшли застосування в електроприводах з частотно-струмовим способом керування при формуванні сигналів зворотного зв'язку по струму та можливе їх використання в локальних підсистемах з кореляційною обробкою сигналів;

? методика розрахунку значень уставок і вагових коефіцієнтів для формування значень континуальних функцій, що дозволяє скоротити час при проектуванні локальних підсистем керування.

Результати дисертаційних розробок і досліджень знайшли застосування в промисловості України (НВО “РОТОР”, ПВКП “ІНЕКС”, м. Черкаси), а також у навчальному процесі в дисциплінах “Фізичні процеси в приладах та системах” і “Оптимізація прийняття рішень у техніці” Черкаського державного технологічного університету.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення і практичні результати, що містяться в дисертаційній роботі, автором отримані самостійно. У роботах, написаних у співавторстві, дисертантом теоретично і математично обґрунтовані напрямки удосконалення методів і моделей [1-8, 19], розроблені образно-знакові моделі [14-18, 20, 23-24] і методи керування [11-13, 21-22] для різних режимів комутації, а також отримані результати [9, 10] експериментів.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідалися й обговорювалися на 27 міжнародних, республіканських, обласних конференціях і семінарах: 22, 23 НТК Посвященных Дню радио. – Новосибірськ: НТОРЕС ім. О.С. Попова, 1989; 1990; Обласна НТК “Социально-экономические и научно-технические проблемы развития народного хозяйства”. – Черкаси – КПІ, 1990; IV НТК “САПР и АСУТП в химической промышленности”. – Черкаси – КПІ, 1991; Українська конф. “Автоматика –95, –96, –97, –99”. – Львів, 1995; Севастополь, 1996; Черкаси, 1997; Харків, 1999; 2-га Міжнар. конф. “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. – Харків–Туапсе: ХТУРЕ, 1996; Міжнар. конф. “Сучасні технології в аерокосмічному комплексі”. – Житомир: ЖІТІ, 1997; Міжнар. конф. “Приборостроение–97”. – Вінниця–Симеїз, 1997; LII Научная сессия, посвященная Дню радио. – Москва: РНТОРЕС ім. О.С. Попова, 1997; ІХ НТК “Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления” (Датчик – 97, 2004). – Гурзуф: МГІЕМ, 1997; Судак: МГІЕМ, 2004; Міжнар. симпозіум “Наука и предпринимательство”. – Вінниця–Львів: ВСХІ, 1999; 6-та НТК “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах”. – Хмельницький: ВОТТП, 1999; IX-th National sciеntific symposium "Metrology and metrology assurance`99". – Sozopol, Bulgaria: SNU, 1999; Международная конференция по математическому моделированию – 2000. – Херсон–Лазурное: ХНТУ, 2000; 12, 13 МТК “Приборостроение – 2003, – 2004”. – Вінниця–Кореїз: МГІЕМ, 2003; 2004; МТК “Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні (ІКТМ–2003)”. – Харків: ХНТУ “ХАІ”, 2003; МНТК “Сенсорная электроника и микросистемные технологии” (СЭМСТ–1). – Одесa; ОНПУ, 2004; Міждерж. НМК “Проблеми математичного моделювання”. – Дніпродзержинськ: ДТУ, 2004; 5, 6-та МНПК “Современные информационные и электронные технологии – 2004, – 2005”. – Одеса: ОНПУ, 2004; 2005; МНТК “Прогрессивные направления развития машино-приборостроительных отраслей и транспорта”. – Севастополь: СевДТУ, 2004. III НТК “Приладобудування 2004: стан і перспективи”. – Київ: НТУУ “КПІ”, 2004.

Публікації. Результати досліджень доповідались на 27 наукових конференціях в Україні, Росії, Болгарії. Основні наукові результати, що отримані в дисертаційній роботі, відображено у 31 науковій праці, у тому числі 13 статей, опублікованих у фахових журналах i наукових збірниках, та 12 патентів України та Росії (11 патентів отримані з проведенням експертизи по суті).

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Дисертація викладена на 169 сторінках, ілюстрована 41 рисунком і 5 таблицями на 18 сторінках; список використаних літературних джерел зі 123 найменувань займає 12 сторінок, додатки розміщені на 27 сторінках (3 акти впровадження, програма).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проблемної задачі, сформульовані мета і задачі досліджень, розглянута характеристика роботи, висвітлений її зв'язок з науковими програмами, описана її наукова і практична значимість, наведена інформація про апробацію, опублікування, використання результатів дослідження.

У першому розділі проведено декомпозиційний аналіз стану предмета дослідження та формулювання розв’язуваної задачі.

Показано, що при рішенні траєкторних задач в автономних спеціалізованих об'єктах широко використовуються електроприводи з частотно-струмовим керуванням. Доведено, що відносна шкідлива похибка (?) моменту обертання М вала двигуна залежить від шкідливої складової ?М моменту обертання М, амплітуди вихідної напруги формувача синусоїдальних коливань Aс та напруги керування Uу. Вона має такий вигляд:

е = д? / maxМо io Aс Uу,

де Мо, io – коефіцієнти пропорційності. Обґрунтовано математично, що точність регулювання моментом обертання обмежується, у тому числі максимальною похибкою max блока перемноження:

е 2max.

Тому розглянуті ті методи, моделі елементів і операційні пристрої формування відповідних значень сигналів для керування рухом по заданій траєкторії, параметри яких істотно впливають на основні техніко-економічні показники цих локальних підсистем керування. До них відносяться: методи керування мостовим інвертором електричного перетворювача; метод виміру струму навантаження мостового інвертора; моделі датчиків струму навантаження мостового інвертора; метод перемножування аналогових сигналів; моделі перемножувачів аналогових і гібридних сигналів; моделі формувачів континуальних функцій.

На підставі аналізу та синтезу сформульовані проблемні задачі дослідження.

У другому розділі розроблені два нові методи керування мостовим інвертором електричного перетворювача і метод виміру струму навантаження мостового інвертора в локальних підсистемах керування.

Підвищення точності керування мостовим інвертором електричного перетворювача досягається за рахунок використання фільтруючих властивостей керованого двигуна. Він має вигляд послідовно з’єднаного безінерційного ланцюга, який перетворює струм в момент обертання, та динамічного ланцюга, який має прямокутну амплітудно-частотну характеристику з верхньою частотою гр. Сформований струм iд(t), має вигляд:

iд(t)= iз(t ) - ?(t),

де ?(t) – величина розбіжності струмів;

iз(t ) – струм задання.

Виявлено, що ?(t) і iз(t ) є взаємонекоррелірованими випадковими функціями часу. Тоді, згідно з теорією Н. Вінера, мінімум середньоквадратичної похибки через енергетичний спектр корисної складової струму Gs() та енергетичний спектр завади Gп() має такий вигляд:

З цієї формули видно, що , коли їх спектри не перекриваються.

Задача зводиться до розробки методу реалізації, при якому спектри струму задання і розбіжності не перекриваються, тобто

Gs()Gп()=0.

Другою задачею розробки є створення методу керування мостовим інверто-ром, у якому виключається виникання наскрізного струму при формуванні струму задання навколо нульового рівня. Це підвищує надійність функціонування локальної підсистеми керування.

Розроблено метод керування мостовим інвертором з регульованим струмом навантаження, який характеризується використанням принципу формування біля струму задання Із зони шириною 2I. На підставі сукупності логічних принципів формування керуючих сигналів одновібраторами та силовими ключами, властивостей гістерезисних релейних елементів, принципу порівняння сигналів формуються змінні: верхній і нижній рівні, які фіксовані щодо Із. Для визначення знака струму навантаження Ін використовуються порогові елементи, а значення цих рівнів сигналів задаються шириною петлі гістерезису релейних елементів. Сутність методу пояснюється роботою пристрою (рис. 1) та часовою діаграмою, яка наведена у дисертації. Блокування затримки керуючих імпульсів дозволяє підвищувати частоту пульсації формованого в навантажені струму, що дає можливість розділити спектри та одержати збільшення точності.

З метою виключення флуктуацій нульового рівня порогові елементи 4, 5 виконані зі зсувом у негативну і позитивну області відповідно.

Отже, формування в момент вимикання перемикачів однієї діагоналі моста тимчасового інтервалу заданої тривалості і заборона протягом цього інтервалу вмикання перемикачів іншої діагоналі моста дозволяє підвищити надійність шляхом виключення протікання наскрізних струмів у мостовому інверторі при формуванні струму задання в межах нульового рівня.

Розроблено метод виміру струму навантаження мостового інвертора, відмітною рисою якого є підвищення точності завдяки “вирізанню” помилкових імпульсів, які з'являються на вимірювальних елементах при перемиканні ланцюга струму навантаження. На рис. 2 а, б показані результати реалізації цього методу.

Цей метод ґрунтується на вимірі струму навантаження за різницею вихідних напруг одного з вимірювальних елементів: для цього фіксується значення вимірюваного струму в момент початку перемикання ланцюга протікання струму навантаження в мостовому інверторі та використовується зафіксоване значення струму як оцінка струму навантаження протягом усього часу перемикання ланцюга, по якому протікає струм. При цьому основними засобами апаратурної реалізації методу є: елементи виміру струму навантаження мостового інвертора; схема обчислення; аналоговий комутатор з пам'яттю; одновібратор; блок керування.

Запропоновано удосконалений метод керування мостовим інвертором (рис. 3), суть якого полягає у вимірюванні відстані струму навантаження від струму задання, фіксуванні за величинам до основних та допоміжних рівнів, виборі і запам’ятовуванні черговості включення. За результатами вимірювання з основними рівнями вмикають силові елементі відповідно до запам’ятовуваної черговості.

Формування інтервалу показано на рис. 4, де І – струм І0, що заданий;

ІІ – струм навантаження; ІІІ, V – перший, другий додаткові постійні позитивні рівні; ІV, VІ – перший, другий додаткові постійні негативні рівні; VІІ, VІІІ – змінні верхній, нижній рівні; а – сигнали для керування ключами 1, 2; b – сигнали для керування ключами 3, 4; А–Р – особисті точки часу. Цей метод забезпечує високу точність завдяки зменшенню систематичної похибки, яка обумовлена великими значеннями струму задання; виключенню впливу флуктуації нульового рівня, надійність підвищується за рахунок виключення протікання наскрізних струмів у мостовому інверторі.

У третьому розділі розроблені нові образно-знакові моделі датчиків струму навантаження, відмітними рисами яких є висока точність, надійність і розширений режим комутації.

Запропонована оригінальна модель датчика струму навантаження (рис. 5), яка побудована за пропонованою математичною моделлю для формування керуючого вихідного значення напруги датчика струму:

Uвих = Kп4(-UR1 + KуUR2),

де Kп4 – коефіцієнт підсилення віднімаючого блока; UR1, UR2 – напруги на вимірювальних елементах 1, 2; Kу – коефіцієнт управління, тобто коефіцієнт передачі по неінвертуючому входу (Kу дорівнює 1 або 0). Якщо одночасно UR1 0; UR2 0, але Ку = 0, то немає помилки у вихідному сигналі, тобто Uвих iн.

У табл. 1 наведені значення напруги Uвих на виході віднімаючого блока 4, які пропорційні струму навантаження iн від різних значень сигналів на виході схеми формувача 7 (U1, U2, U3, U4) і стану ключів (К1, К2, К3, К4, К5) мостового інвертора відповідно, а також сформованого логічною схемою 6 сигналу V, що керує ключем К5.

Зазначені стани ключів:

З – замкнений; Н – розімкнутий; iш1, iш2 – значення струмів на першому і другому вимірювальних елементах відповідно; iн – значення струму в навантаженні 8.

Робота логічної схеми 6 відповідає алгоритму:

З табл. 1 видно, що вихідна напруга Uвих пропорційна струму в навантаженні (iн) при різних станах ключів, і підтверджується, що це значення струму відповідає тільки одному вимірювальному елементу R1 або R2. Це дозволяє підвищити точність перетворення в області малих струмів при симетричному і несиметричному режимах комутації завдяки своєчасній зміні коефіцієнта передачі по неінвертуючому входу. Отже, виключається проходження інформації на вихід при протіканні струму навантаження одночасно по обох вимірювальних елементах. Це забезпечується формуванням сигналу логічним блоком для керування ключем К5, що дозволяє передачу інформації про струм тільки з одного вимірювального елемента UR1.

Таблиця 1

Значення вихідної напруги

залежно від стану ключів К1– К5

U1 | U2 | U3 | U4 | K1 | K2 | K3 | K4 | K5 | V | iш1 | iш2 | Uвих

1 | 0 | 0 | 1 | З | Н | Н | З | Н | 0 | 0 | iн | iн

0 | 0 | 0 | 1 | Н | Н | Н | З | З | 1 | iн | 0 | iн

0 | 1 | 1 | 0 | Н | З | З | Н | Н | 0 | iн | 0 | iн

0 | 1 | 0 | 0 | Н | З | Н | Н | З | 1 | iн | 0 | iн

Недоліком цього пристрою є несвоєчасна зміна коефіцієнта передачі віднімаючого підсилювача по неінвертуючому входу. Це обумовлено суттєвою різницею по швидкодії силових ключів мостового інвертора та управляючого ключа. В результаті на виході датчика струму з’являються імпульси, які вносять спотворення (збільшується динамічна похибка). Тому запропонована нова модель датчика струму навантаження мостового інвертора для безпосереднього виміру струму навантаження, яка зменшує вплив динамічної похибки на результат виміру (рис. 6).

У датчику логічна схема 10 формує сигнал, що керує ключем К9, аналізуючи безпосередньо значення напруги на виході навантаження 11 мостового інвертора 1. Сигнал, пропорційний струму навантаження з виходу вимірювального елемента 3, проходить через резистор 6 і з’являється на виході датчика струму. При цьому на виході резистора 4 потенціал дорівнює потенціалу загальної шини. Моменти початку протікання струму по вимірювальних елементах 2, 3 та замкнення ключа 9 співпадають, завдяки цьому у вихідному сигналі датчика струму немає хибного імпульсу.

Отже, перевагою запропонованого датчика струму навантаження мостового інвертора є підвищення точності виміру струму за рахунок безпосереднього визначення дійсного розподілу струму навантаження по вимірювальних елементах завдяки своєчасній зміні коефіцієнта передачі віднімаючого підсилювача по неінвертуючому входу. Крім того, відсутність непрямого контролю розподілу струму навантаження по вимірювальних елементах розширює функціональні можливості датчика струму за рахунок використання в автономному інверторі того ключа пристрою, який не потребує для свого відкривання і підтримки відкритого стану тих керуючих сигналів, тривалість яких порівнянна з тривалістю протікання струму через цей ключ (наприклад, тиристорів). Однак, слід зазначити, що у моделей датчиків струму з вимірювальними елементами, включеними в плечі моста мостового інвертора в моменти комутації ключів інвертора, виникає похибка виміру, яка обумовлена інерційністю і неідентичністю зворотних характеристик діодів мостового інвертора. .Відсутність цих недоліків і висока точність виміру спостерігається у таких нових двох датчиках вимірювання струму. Перший працює при симетричному, а другий – при симетричному або несиметричному законах комутації ключів мостового інвертора (рис. 7). У розроблених датчиках використовується особливість комутації ключів К16, К17, К18, К19 мостового інвертора, яка полягає в тому, що в будь-який момент часу роботи інвертора один із вимірювальних елементів, включених у плечі навантаження 3, виявляється під напругою загальної шини споживання. Це дозволяє без гальванічної розв'язки і без масштабування знімати інформацію про струм навантаження із вимірювального елемента, що знаходиться під низькою напругою, а інформацію з вимірювального елемента, який знаходиться під напругою споживання мостового інвертора 4, виключати. Одержати інформацію допомагає блок умови 6, який має резистори 7, 8, 9, 10, діоди 11, 12, 13, 14 і джерело опорної напруги 15. Його побудовано за пропонованою математичною моделлю умов формування значення на виході джерела опорної напруги Uoп:

(Uk + Rш Імакс) < Uoп < (Uп - Uk - Rш Імакс), (1)

Uоп Uдоп, (2)

де Uдоп – припустима вхідна напруга підсилювача; Uk – напруга на відкритому ключі мостового інвертора; Rш – активний опір вимірювальних елементів; Імакс – максимальний струм навантаження; Uп – напруга джерела споживання.

Отже, підвищення надійності і точності регулювання струму навантаження при симетричному законі комутації забезпечується виключенням протікання наскрізного струму завдяки сформульованим умовам визначення значення вихідної опорної напруги. Розширення режиму роботи при збереженні високої надійності і точності вимірювання струму навантаження забезпечується завдяки використанню властивостей функцій диз’юнкції та заперечення для формування імпульсу, що керує ключем при несиметричному режимі комутації.

У четвертому розділі розроблено таке.

1. Метод підвищення точності перемножування аналогових сигналів, що ґрунтується на сукупності таких ознак: співвідношенні ефективної смуги пропускання ФНЧ із спектральною характеристикою корисного сигналу перемножування; співвідношенні граничної частоти ФНЧ і формування значення знакозмінної несучої частоти для вилучення статичної перешкоди; на алгоритмі, що передбачає вимір, запам'ятовування і віднімання похибки перемножування. При цьому апаратними засобами є: модулятори, безінерційний перемножувач, керований перемикач з пам'яттю, усереднюючий суматор, блок синхронізації.

2. Модель перемножувача аналогових сигналів Х і У (рис. 8), відмітною рисою якого є підвищення точності.

Цикл роботи визначається періодом проходження керуючих імпульсів перемикача 4 з пам'яттю, розроблена часова діаграма наведена в дисертації. У проміжках між керуючими імпульсами, коли ключ 9 замкнутий, а ключ 10 розімкнутий, на виході безінерційного перемножувача 1 формується сигнал:

U = XУ + f(ХУ + УХ) + ХУ + , (3)

де Х, У – зміщення сигналів на відповідних входах безінерційного перемножувача 1 з урахуванням зміщень, внесених перемикачами 2 і 3; – зміщення сигналу на виході безінерційного перемножувача; f – періодична знакозмінна функція з одиничною амплітудою і періодом, що дорівнює 2; – період імпульсів ГТІ 5; f(ХУ+УX) – модульована перешкода, що залежить від несучої частоти, тобто від частоти 1 знакозмінної періодичної функції f. Сигнал U проходить через замкнутий ключ 9 на неінвертуючий вхід суматора 6. З надходженням керуючого імпульсу 8 ключ 9 розмикається, а ключ 10 замикається. Накопичувальний конденсатор 11 відключається від виходу безінерційного перемножувача 1, запам'ятавши вихідну напругу безінерційного перемножувача 1 у момент розмикання ключа 9. Керуючі імпульси виробляються досить вузькі, щоб за час тривалості імпульсів збережений вихідний сигнал безінерційного перемножувача 1 не зміг помітно змінитися. Через це під час надходження керуючих імпульсів на вхід перемикача 4 з пам'яттю сигнал на неінвертуючому вході суматора 6 відповідає формулі (3). На час тривалості керуючих імпульсів накопичувальна ємність 12 з’єднується через ключ 10 з виходом безінерційного перемножувача 1. У цей час на перший і другий входи перемножувача подаються “нульові” сигнали і на його виході формується сигнал

U1 = ХУ + . (4)

Значення зміщень Х, У и змінюються повільно і є слабко мінливими параметрами. Тому після надходження декількох керуючих імпульсів накопичувальна ємність 12 зарядиться до значення U1 (вибір величини ємності від часу зберігання пропонується за залежністю зображеною на рис. 9). Тоді вихідний сигнал суматора 6 можна записати так:

Z = Ф{ХУ + f (ХУ + УХ)},

де Ф{} – оператор, відображенням якого в комплексній області є амплітудно-фазова характеристика фільтру Ф(j?) усереднюючого суматора. Високочастотна перешкода f(ХУ+УХ) має несучу частоту ?1 = р/, що в 2 рази більша, ніж у близьких по технічній сутності сучасних пристроїв. Ця властивість дозволяє при виборі усереднюючого суматора 6 виконати умову: еф1 (еф – гранична частота його ефективної смуги пропускання). При цьому, чим ширша смуга частоти пропускання блока 6, тим менша внесена похибка.

3. Модель перемножувача гібридних сигналів, у якій відмітною рисою є зменшення потужності споживання завдяки організації імпульсного споживання n-розрядних комірок та висока швидкість перерозподілу зарядів, що сприяє збільшенню швидкодії.

4. Образно-знакова модель формувача значень континуальних функцій (рис. 10), яка побудована на використанні таблично-адитивного методу, тобто формування прецизійного значення функції, діє як суперпозиція фіксованої і трансформованої по цілих ступенях двійки стабілізованої незалежної змінної, адекватної вхідної інформації аргументу, і уставки, обраної під час дії імпульсу керування.

В основі побудови формувача функції є апроксимуюча функція такого вигляду:

G(x)xjхxj+1=f(xj)+Dj-хj{[f(xj+1)+Dj+1]-

-[f(xj)+Dj]}/(xj+1-xj)+x{[f(xj+1)+Dj+1]-

-[f(xj)+Dj]/(xj+1-xj) = аj + вjх,

де х – аргумент на вході пристрою; хj – фіксоване значення аргументу; аj – значення уставки; вj = 2і – коефіцієнт трансформації; f(x) – функція для відтворення; (xjхxj+1) – інтервал аргументу для відтворення G(x) з методичною похибкою: G(x)-f(x); D = /2і (і=0,1,2...).

Відмітною рисою запропонованої моделі є висока технологічність конструкції завдяки однорідності перемикаючих матриць, що забезпечує високий відсоток придатного кристалу, зменшує час виробництва і тим знижує вартість формувача функції, а виключення впливу порогової напруги зменшує динамічну похибку. На рис. 11 зображена принципова електрична схема n-розрядної комірки, а на рис. 12, 13, 14 показано її динамічні характеристики.

ВИСНОВКИ

Запропоновані методи, моделі елементів створюють можливість підвищити точнісні, експлуатаційні показники пристроїв управління, що використовуються в промисловості, космонавтиці, а також в спеціалізованих локальних підсистемах керування промислової електроніки та обчислювально-вимірювальних комплексів.

В роботі одержані такі основні результати.

1. Нові наукові результати:

? Розроблений метод керування мостовим інвертором з регульованим струмом навантаження, побудований за математично обґрунтованим принципом формування управляючих імпульсів для симетричного режиму комутації з частотою формованого струму >гр (гр – гранична частота, що характеризує фільтруючі властивості обмотки керованого електродвигуна). Відмітною рисою цього методу є висока точність, обумовлена формуванням спектрів корисного сигналу і перешкоди, що не перекриваються. Експериментально підтверджено, що пристрій, який реалізує цей метод, має частоту керування ключами мостового інвертора майже на два порядки більшу ніж гр. Це забезпечує мінімальну середньоквадратичну похибку фільтрування.

? Удосконалено метод керування мостовим інвертором, відмітною рисою якого є підвищена точність формування струму навантаження мостового інвертування. За рахунок введення додаткових фіксованих рівнів зменшується зсув середнього струму в навантаженні, що приводить до зменшення систематичної помилки відтворення струму задання в 1,5-2 рази. Керуючі сигнали для симетричного режиму роботи всіх ключів мостового інвертора формуються за сукупністю таких прийомів: визначення величини відстані між значеннями дійсного та заданого струмів; визначення області належності миттєвого дійсного струму (додатної, від’ємної або навколо нуля); формування інтервалу часу між вимиканням ключів однієї діагоналі і вмиканням іншої, що виключає можливість появи наскрізних струмів через послідовне з'єднання відповідних ключів і тому підвищується надійність локальної підсистеми керування в цілому.

? Розроблений метод вимірювання струму навантаження мостового інвертора, відмітною особливістю якого є підвищення точності завдяки “вирізанню” помилкових імпульсів. Метод ґрунтується на вимірі струму навантаження за різницею вихідних напруг одного з вимірювальних елементів; фіксації значення вимірюваного струму у момент початку перемикання ланцюга протікання струму навантаження в мостовому інверторі та використанні зафіксованого значення струму як оцінки струму навантаження протягом всього часу перемикання ланцюга протікання струму. Виграш у співвідношенні сигнал/перешкода становить (Т/) разів, де Т – інтервал часу процесу вимірювання; – тривалість фіксуючого імпульсу.

? Розроблені чотири моделі датчиків струму навантаження мостового інвертора: перша і друга - розроблені на основі запропонованої математичної моделі для вихідного керуючого сигналу. Відмітною рисою цих датчиків струму є підвищення точності вимірювання струму навантаження в області малих значень струмів при несиметричному режимі комутації ключів мостового інвертора. Своєчасні зміни коефіцієнта передачі по неінвертуючому входу суматора виключають проходження інформації при протіканні струму навантаження одночасно по обох вимірювальних елементах, що збільшує точність результату вимірювання майже в два рази. Другий датчик вдосконалений щодо першого і дозволяє вимірювати струм навантаження як при симетричному, так і при несиметричному режимах комутації ключів мостового інвертора, при цьому точність підвищується і за рахунок безпосереднього визначення розподілу дійсного струму навантаження по вимірювальних елементах.

Третій і четвертий датчики струму здійснюють вимірювання струму навантаження при симетричному режимі комутації ключів мостового інвертора і побудовані з урахуванням запропонованих математичних моделей умов формування значення напруги на виході джерела опорної напруги, при реалізації яких підвищуються надійність і точність вимірювання струму навантаження при симетричному режимі комутації, оскільки виключається протікання наскрізного струму. Четвертий датчик струму вдосконалений і забезпечує вимірювання у розширеному режимі керування ключами мостового інвертора. Датчики струму випробовувалися у складі регульованого джерела струму. При напрузі живлення 150В, індуктивності навантаження 20 мГн, в діапазоні від мінус 10 А до плюс 10 А, частота формованого струму – 12 кГц, максимальна частота струму завдання – 300Гц. Одержана похибка вимірювання струму – 0,1%.

? Розроблений метод підвищення точності перемножування аналогових сигналів, який побудовано за такими ознаками: співвідношення ефективної смуги пропускання фільтра нижніх частот і спектральної характеристики корисного сигналу перемножування; співвідношення граничної частоти фільтра нижніх частот і формування значення знакозмінної несучої частоти; операція віднімання статичної перешкоди; алгоритм, який передбачає вимірювання, запам'ятовування і віднімання похибки перемножування. При цьому засобом реалізації цього методу є розроблена модель перемножувача для аналогових сигналів. Відмітною особливістю перемножувача є збільшення точності перемножування за рахунок використовування модулятора з високою несучою частотою; керованого перемикача з пам'яттю; усереднюючого суматора з широкою смугою пропускання. Оригінальне рішення схемотехніки дозволяє вимірювати, запам'ятовувати і віднімати статичну похибку, відфільтрувати перешкоди перемножування, зменшити динамічну похибку за рахунок можливості збільшення смуги пропускання ФНЧ в 2 рази.

? Побудована модель перемножувача гібридних сигналів, відмітною рисою якої є висока швидкість перерозподілу зарядів завдяки формуванню високого потенціалу і мала потужність споживання (не більше 100 мкВт на одну n-розрядну комірку при Т=297К) за рахунок імпульсного живлення.

? Розроблена модель формувача значень континуальних функцій, побудована на базі таблично-адитивного методу реалізації, відмітними рисами якої є: скорочення об'єму таблиць для коректуючих і управляючих констант при формуванні прецизійних значень функцій (наприклад, для реалізації з похибкою 0,003% об'єм таблиць зменшується більш ніж в 200 разів порівняно з класичним табличним методом); простий алгоритм реалізації при збереженні прецизійності, обумовлений формуванням значення функції як суперпозиції фіксованої і трансформованої по цілих степенях двійки стабілізованої незалежної змінної, адекватної вхідної інформації аргументу та уставки, яка вибрана під час дії імпульсу керування; використовування стабілізованої вхідної незалежної змінної у формувача, що забезпечує зменшення інструментальної похибки; а виключення впливу порогової напруги сприяє зменшенню динамічної похибки при відтворенні значення функції.

Наукова й інженерно-технічна новизна підтверджена патентами Україні та Росії з проведеним експериментом по суті.

2. Практична значимість одержаних результатів полягає в такому.

На основі наукових досліджень розроблені нові інженерні рішення, які знайшли застосування при проектуванні локальних підсистем керування: прості схеми датчиків вимірювання струму навантаження мостових інверторів, які використовуються в ланцюзі зворотного зв'язку по струму в обмотках керованих двигунів, що дозволяє підвищити точність управління і надійність функціонування; структурні й принципові схеми перемножувачів аналогових і гібридних сигналів, формувачів континуальних функцій, які реалізуються за мікроелектронною технологією, підвищують надійність на 3-4 порядки; методика розрахунку значень уставок і вагових коефіцієнтів для формування значень континуальних функцій, яка дозволяє скоротити час при проектуванні локальних підсистем керування.

3. Результати дисертаційних розробок і досліджень знайшли впровадження в промисловості України (НВО “РОТОР”, ЧПКП “ІНЕКС”, м. Черкаси), а також в навчальному процесі в дисциплінах “Фізичні процеси в приладах та системах” і “Оптимізація прийняття рішень в техніці” при підготовці бакалаврів, спеціалістів і магістрів Черкаського державного технологічного університету.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Методы совершенствования функционально ориентированных преобразователей / Лукашенко В.М., Лега Ю.Г., Кисиль Т.Ю., Лукашенко А.Г., Корпань Я.В. // Вісник ЧДТУ. – 2003. – № 4. – С. 63-68.

2. Лукашенко А.Г., Лукашенко В.М. Высокоточная образно-знаковая модель датчика тока нагрузки мостового инвертора // Вісник ЧДТУ. – 2003. – № 2. – С. 38-40.

3. Уменьшение динамической погрешности в аналоговых перемножителях/ Лукашенко А.Г., Шелягін В.Д., Лега Ю.Г., Лукашенко В.М. // Вісник ЧДТУ. – 2004. –№ 1. – С. 62-66.

4. Гармонійний аналізатор спектра / Лукашенко А.Г., Лукашенко В.М., Лега Ю.Г,. Корпань Я.В., Лукашенко М.Г. // Вісник НТУУ “КПІ”. – 2004. – № 27. – С. 10-14.

5. Лукашенко В.М., Лега Ю.Г., Лукашенко А.Г. Таблично-алгоритмическое устройство умножения n-разрядных чисел // Вестник ХГПУ. – 1999. – Вып. 73. – С. 98-104.

6. Состояние и перспективы перемножителей аналоговых сигналов / Лега Ю.Г., Лукашенко А.Г., Лукашенко В.М., Караван Н.А. // Вісник ЧДТУ.– 2004.– № 2.– С. 125-131.

7. Лукашенко А.Г., Лукашенко В.М. Современный электропривод с частотно-токовым управлением // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – 1999. – № 3. – С. 94-98.

8. Лукашенко А.Г., Лукашенко В.М. Многодвигательные электроприводы с независимым регулированием линейных перемещений // Вісник Вінницького державного сільськогосподарського інституту. – 1999. – Спец. вип. – С. 138-141.

9. Лукашенко А.Г., Лукашенко В.М. Быстродействующий привод для современных прецизионных технологических комплексов // Вісник ЧІТІ. – 1999. – № 2. – С. 73-75.

10. Перспективні елементи локальних підсистем керування ВПК верстатів / Лукашенко А.Г., Лукашенко В.М., Лега Ю.Г., Корпань Я.В., Лукашенко М.Г. // Вестник ХНТУ. – 2005. – № 2(22). – С. 174-179.

11. Лукашенко А.Г., Быков В.И., Лукашенко В.М. Быстродействующий цифро-аналоговый преобразователь // Автоматика – 97. – Черкаси: ЧІТІ , 1997. – Т. 3. – С. 124.

12. Динамічні параметри в лінійних багатополюсних перетворювачах / Лукашенко А.Г., Лукашенко В.М., Корпань Я.В., Лукашенко Д.А. // Вибрация машин: измерение, снижение, защита. – 2005. – №