Система управления приводами антенны станции наведения

Система управления относится к системам управления приводами антенн и предназначена для слежения за целью по азимуту и углу места нормалью фазированной антенной решетки (ФАР) станции наведения.

Известна система управления вентильным электродвигателем вращения антенны радиолокационной станции (патент РФ №2541151, МПК H01Q 7/00, H01Q 3/00, H02P 7/00, G05B 15/00, G05D 3/00, публ.10.02.2015), включающая выпрямитель, инвертор, вентильный электродвигатель, на валу ротора которого установлены датчик скорости и редуктор, выходная ось которого механически соединена с валом антенны, преобразователь напряжения, выходом подключенный к первым входам приемопередающих устройств, входами-выходами соединенных с диполями антенны, а также расположенный на антенне датчик величины изгиба ее полотна, выход которого через устройство коррекции скорости, блок управления инвертором и блок драйверов соединен со вторым входом инвертора, причем второй вход блока управления инвертором соединен с первым выходом датчика скорости, а вход выпрямителя подключен к системе автономного электроснабжения, последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь и диаграммообразующая система, выход которой соединен со вторыми входами приемопередающих устройств, вход аналого-цифрового преобразователя - со вторым выходом датчика скорости, а вход преобразователя напряжения подключен к системе автономного электроснабжения, выход выпрямителя подключен к первому входу инвертора, выход которого соединен с входом вентильного электродвигателя.

Основными недостатками указанной системы управления вентильным электродвигателем вращения антенны радиолокационной станции являются:

- не обеспечивается векторное управление приводами, поэтому не обеспечивается максимальный момент двигателей на разных частотах вращения,

- не обеспечивается расширенный диапазон регулирования и точность регулирования частоты при номинальных моментах,

- не обеспечена быстрота реакции относительно изменении нагрузки, а в области малых частот вращения – плавность и отсутствие рывков.

Технический результат, достигаемый при использовании системы управления приводами антенны станции наведения, заключается в повышении надежности и улучшении управляемости приводов по частоте и моменту.

Технический результат достигается тем, что система управления приводами антенны станции наведения содержит привод антенно-пускового устройства (АПУ) по азимуту, привод фазированной антенной решетки (ФАР) по углу места, датчики положения по азимута и углу места, пульт ручного управления, при этом каждый из приводов с векторным управлением включает в себя преобразователь частоты и синхронный двигатель с датчиком положения ротора, система управления также содержит вычислительную систему, в которой реализован алгоритм экстраполяции координат целей, с блоком управления, соединенным последовательным интерфейсом с преобразователями частоты электроприводов по двум каналам позиционирования по координатам азимута и углу места, при этом датчики положения по азимута и углу места, соединены с вычислителем через блок преобразования угловых координат в цифровой код, каждый преобразователь частоты включает в себя узел фильтров входного напряжения, микроконтроллер, соединенный входами с блоком управления и датчиками положения роторов электродвигателей, а выходом с узлом драйверов, который в свою очередь через узел затворных резисторов и узел фильтров соединен с электроприводом.

На фигуре представлена структурная схема системы управления приводами антенны станции наведения.

Система управления состоит из двух подобных каналов (приводов) – антенно-пускового устройства (АПУ) по азимуту βн и фазированной антенной решетки (ФАР) по углу места ε_Н, вычислительной системы (ВС) 1 c блоком управления 2. В канал βн входят преобразователь частоты ПЧ-3,0 (3) соединенный с синхронным двигателем с датчиком положения ротора СДМ-3,0 (4), а в канал ε_Н – преобразователь частоты ПЧ-1,5 (5) и синхронный двигатель с датчиком положения ротора (ДПР) СДМ-1,5 (6). Каждый преобразователь частоты (ПЧ) 3 и 5 содержит микроконтроллер, соединенный через узел драйверов с силовым узлом, который включает узел фильтров с выпрямителем, узел затворных резисторов и инвертор.

С помощью ВС 1 осуществляется автоматическое управление каналами βн и ε_Н в различных режимах работы.

Выходная числовая магистраль ВС 1 приходит на вход блока управления 2, который соединен входами с пультами ручного управления 11, 12 по двум координатам. Выход блока управления 2 по интерфейсу RS-485 соединен со входами управления преобразователя частоты ПЧ-1.5( ПЧ-3.0) 3 и 5. Выходы ПЧ-1.5( ПЧ-3.0) соединены с синхронными двигателями СДМ-1.5(3.0) на валах которых установлены ДПР. Выходы ДПР соединены соответственно с входами обратной связи в ПЧ-1.5( ПЧ-3.0). Синхронные двигатели СДМ-1.5(3.0) через редуктор механически соединены с АПУ 13 и ФАР 14 на осях которых установлены блоки датчиков ɛн (βн) 7 и 8.

Информацию об угловых координатах βн и ε_Н снимают соответственно с блоков датчиков 7 и 8 и передают на преобразователи угловых координат 9 и 10, где сигналы с датчиков преобразуются в код, а затем передают в ВС 1.

Система управления приводами антенны работает следующим образом.

На основании показаний датчиков (βн и ɛн) 7 и 8, обрабатываемых преобразователями угловых координат 9 и 10, ВС 1 рассчитывает необходимое отклонение от требуемой координаты и передает это отклонение для обработки в блок управления 2. Блок управления 2 выполняет необходимые преобразования полученного от ВС 1 задания и отправляет на ПЧ 3 и 5 необходимую скорость вращения по интерфейсу RS-485. Микроконтроллеры в составе ПЧ 3, 5 на основании показаний с датчиков положения ротора в двигателях (СДМ-1,5 и СДМ-3,0) 4 и 6 формируют сигналы, которые усиливают и подают на двигатели, вращающие АПУ 13 и ФАР 14.

В ВС 1 реализован алгоритм экстраполяции координат цели, с положительной прямой связью по скорости цели, который компенсирует скоростную ошибку следящей системы. Информация об угловых координатах пересчитывается в значение скоростей приводов, которые передаются в микроконтроллеры преобразователей частот 3 и 5 соответственно посредством последовательного интерфейса передачи данных по протоколу RS-485.

Узел микроконтроллера преобразователя частоты 3 и 5 предназначен для формирования широтно-импульсно модулированных (ШИМ) сигналов управления заданной частоты и амплитуды по закону изменения частоты и напряжения. Функцией микроконтроллера также являются анализ сигналов схемы защиты от перегрузок и остановка или полное выключение изделия в случае возникновения перегрева, перегрузки или состояния ошибки изделия.

В преобразователях частоты 3 и 5 преобразуют переменное трехфазное напряжение 220 В и частотой 400 Гц на входе в регулируемое переменное напряжение, которое подается с силового узла на вход электродвигателей 4 и 6.

Канал βн (аналогично каналу ε_Н) является позиционной следящей системой, в которой главная обратная связь по положению реализована за счет оцифровки положения выходного вала с помощью ДПР, выполненных с применением вращающихся трансформаторов.

В качестве электромеханического узла электропривода применен синхронный электродвигатель с датчиком положения ротора, что обеспечивает требуемую управляемость привода по частоте и моменту.

Сигнал с датчика положения ротора типа синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ) передает данные в микроконтроллер преобразователя. СКВТ применен в качестве обратной связи для определения положения угла ротора и скорости вращения ротора электродвигателя с высокой точностью, а также относительного положения антенного аппарата в пространстве.

Узел силовой, входящий в состав преобразователей 3 и 5, преобразует входное напряжение. В состав узла входит узел фильтров, выпрямитель, звено постоянного тока и инвертор. Основу звена постоянного тока образует блок конденсаторов. Блок конденсаторов заряжается постоянным входным напряжением 300 В, сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Инвертор обеспечивает подачу на фазы двигателей 4 и 6 трех синусоидальных сигналов с требуемой частотой огибающей и величиной напряжения. Инвертор выполнен на 6 IGBT ключах, защищенных обратно смещенными диодами.

Узел фильтров преобразователей сглаживает импульсное напряжение и подавляет пульсации и предназначен для обеспечения питания нагрузки напряжением необходимого качества. Применение фильтров позволяет понизить уровни радиопомех, создаваемых электроприводом.

При торможении синхронный двигатель отдает энергию назад в преобразователь частоты (работает в генераторном режиме), вследствие чего напряжение в звене постоянного тока повышается. При осуществлении быстрого торможения используют тормозной ключ и резистор. При торможении электропривода тормозной резистор подключается к шине постоянного тока внутри преобразователя частоты, и на нем рассеивается энергия от электродвигателя. Это защищает преобразователь от блокировки по причине перенапряжения в звене постоянного тока и, соответственно, от остановки привода, а сеть от выбросов энергии.

Узел затворных резисторов, входящий в узел силовой, предназначен для защиты от перенапряжения в цепях управления силовых IGBT ключей.

Применение в преобразователях частоты микроконтроллера, соединенного входами с блоком управления и датчиками положения роторов электродвигателей, а выходом с узлом драйверов, который в свою очередь через узел затворных резисторов и узел фильтров соединен с электроприводом позволило повысить надежность системы управления антенной.

Использование обратной связи для определения положения угла ротора и скорости вращения ротора электродвигателя с высокой точностью с применением датчиков положения ротора типа синусно-косинусного вращающегося трансформатора с микроконтроллером преобразователя позволило улучшить управляемость приводов по частоте и моменту.