Автоматизированный синтез цифровых алгоритмов импульсного управления исполнительным механизмом привода с трёхфазным вентильным двигателем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.02, кандидат технических наук Гагарин, Сергей Алексеевич

• Гагарин, Сергей Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гагарин, Сергей Алексеевич

Перечень сокращений.

Список условных обозначений.

Введение.

Глава 1. Анализ существующих способов векторной широтно-импульсной модуляции и их систематизация.

1.1 Множества состояний управляющего слова.

1.2 Векторная интерпретация элементов множества допустимых состояний управляющего слова.

1.3 Формирование результирующего вектора напряжения якоря

1.4 Обзор современных способов векторной широтно-импульсной модуляции.

1.5 Разработка классификации способов векторной широтно-импульсной модуляции.

1.6 Выводы по главе.

Глава 2. Разработка автоматизированного подхода к получению математического описания управляющих булевых функций.

2.1 Определение совокупности условий управления ключевыми элементами и их формализация в виде системы логических переменных.

2.1.1 Логические переменные, характеризующие сектор, в котором находится текущее положение ротора

2.1.2 Логические переменные, определяющие угловое положение и абсолютную величину результирующего вектора напряжения якоря.

2.1.3 Логическая переменная, характеризующая необходимое направление вращения.

2.2 Формализация алгоритма импульсного управления

2.2.1 Описание состояний кода текущего сектора.

2.2.2 Описание «подключающих» и «отключающих» состояний управляющего слова

2.2.3 Описание состояний управляющего слова, соответствующих аварийным ситуациям.

2.3 Формирование таблицы состояний.

2.4 Программная реализация автоматизированного подхода к получению управляющих булевых функций.

2.4.1 Разработка модуля формирования таблицы состояний

2.4.2 Модуль получения аналитических выражений управляющих булевых функций.

2.4.3 Модуль экспорта таблицы состояний в МАТЬАВ.

2.5 Выводы по главе.

Глава 3. Формирование математического описания цифрового устройства управления мехатронного модуля.

3.1 Трёхстоечная векторная широтно-импульсная модуляция

3.1.1 Формирование системы логических переменных.

3.1.2 Формализация алгоритма импульсного управления

3.1.3 Формирование таблицы состояний и получение аналитических выражений управляющих булевых функций

3.2 Двухстоечная векторная широтно-импульсная модуляция

3.2.1 Формирование системы логических переменных.

3.2.2 Формализация алгоритма импульсного управления

3.2.3 Формирование таблицы состояний и получение аналитических выражений управляющих булевых функций

3.3 Комбинированная векторная широтно-импульсная модуляция

3.3.1 Формирование системы логических переменных.

3.3.2 Формализация алгоритма импульсного управления

3.3.3 Формирование таблицы состояний и получение аналитических выражений управляющих булевых функций . 78 3.4 Выводы по главе.

Глава 4. Разработка компьютерной модели мехатронного модуля и программного комплекса, автоматизирующего этапы моделирования.

4.1 Разработка компьютерной модели мехатронного модуля.

4.1.1 Блок цифрового устройства управления.

4.1.2 Блок импульсного усилителя мощности.

4.1.3 Блок трёхфазного синхронного двигателя.

4.1.4 Блок источника питания постоянного напряжения

4.1.5 Блок измерений.

4.2 Разработка программного обеспечения для автоматизации этапов моделирования работы мехатронного модуля.

4.2.1 Главный модуль программного комплекса.

4.2.2 Графический интерфейс пользователя.

4.2.3 Модуль расчёта.

4.2.4 Модули визуализации и сохранения результатов расчёта

4.3 Выводы по главе.

Глава 5. Анализ физических процессов, протекающих в энергетическом канале мехатронного модуля.

5.1 Анализ эпюр фазных токов и напряжений

5.2 Динамические характеристики исполнительного механизма привода.

5.3 Статические характеристики исполнительного механизма привода

5.3.1 Механические характеристики.

5.3.2 Регулировочные характеристики.

5.4 Энергетические характеристики исполнительного механизма привода.

5.4.1 Потребляемая мощность.

5.4.2 Механическая мощность.

5.4.3 Дополнительные потери мощности.

5.4.4 Коэффициент полезного действия.

5.5 Зависимости энергетических характеристик от частоты широтно-импульсного сигнала.

5.6 Выводы по главе.

Глава 6. Экспериментальные исследования макета мехатрон-ного модуля.

6.1 Экспериментальный стенд.

6.2 Разработка программного обеспечения для автоматизации формирования кода управления.

6.3 Результаты экспериментальных исследований лабораторного макета мехатронного модуля.

6.4 Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизированный синтез цифровых алгоритмов импульсного управления исполнительным механизмом привода с трёхфазным вентильным двигателем»

Повышение эффективности использования потребляемой энергии является одной из основных тенденций развития современных приводных систем и сложных электротехнических комплексов, что связано с такими потребностями, как увеличение продолжительности работы автономных устройств, сокращение рассеиваемой мощности и снижение массовых и габаритных показателей. Основное преобразование энергии в электрическом приводе происходит в его исполнительном механизме (им), где всё чаще применяются трёхфазные вентильные двигатели (вд) вследствие целого ряда технических и эксплуатационных преимуществ перед коллекторными двигателями постоянного тока и асинхронными двигателями.

Идея практического использования электрической энергии для приведения в движение агрегатов и механизмов восходит к концу xviii в. — началу xix в. Теоретические и практические исследования, проведённые в этот период такими учёными, как Г.X. Эрстед (Н.С. 'Orsted), А.-М. Ампер (А.-М. Ampere), M. Фарадей (M. Faraday), Э.Х. Ленц, Г. С. Ом (G.S. Ohm), А. Вольта (A. Volta), П. Барлоу (P. Barlow) и Д. Генри (J. Henry), послужили основой для создания первых электродвигателей постоянного тока, разработанных в 1834 г. Т. Дэвенпортом (Т. Davenport) в Америке [88] и Б. С. Якоби в России. Оба двигателя были оснащены коллектором, осуществляющим автоматическое переключение запитываемых фаз двигателя при его вращении.

В 1836 г. У. Стэрдженом (W. Sturgeon) было сделано первое описание принципов работы двигателя постоянного тока обращённой конструкции, которое благодаря работам Э. Керна (Е. Kern) [99] и Э. Александре-сона (Е. Alexanderson) [83, 84] по использованию тиратрона для коммутации фаз двигателя легло в основу первых вд, появившихся в 30-х гг. xx в. В СССР большой вклад на раннем этапе развития вд с применением ионных преобразователей внесли Б. H. Тихменев [77], Д. А. Завалишин и О. Г. Вег-нер [36, 37, 38], а также Е. JI. Эттингер [9].

Появление полупроводниковых вентилей (транзисторов в 1947 г. и тиристоров в 1956 г.) позволило усовершенствовать не только конструкцию коммутатора, но и развить теорию импульсного управления электрическими двигателями. Первые ВД с коммутаторами на основе полупроводниковых устройств были запатентованы Г. Д. Брайлсфордом (H. D. Brailsford) в 1-955 г- в США [85], К. Матасаро (К. Matasaro) в 1957 г. в Японии [58] и Р. Цаубитцером (R. Zaubitzer) в i960 г. в Германии [119]. Развитию теории и конструкции вд с использованием полупроводниковых преобразователей в СССР, а затем и в России, в значительной степени способствовали работы И. А. Вевюрко [12, 13], А. А. Дубенского [35], А. И. Бертинова [6, 7], Ш.И. Лутидзе [57], В. А. Балагурова и В. К. Лозенко [3], И.Е. Овчинникова [62, 63, 64, 65, 66], Н. И. Лебедева [66], Ю.М. Беленького и А. Г. Микеро-ва [4, 5], а также Н. И. Куликова [56].

Появление в 8о-х и 90-х гг. xx в. микроконтроллеров и цифровых сигнальных процессоров, ориентированных на управление электрическими двигателями, элементов программируемой логики, позволяющих реа-лизовывать параллельные алгоритмы управления, а также соответствующих программных и аппаратных средств, ускоряющих разработку цифровых алгоритмов импульсного управления и обеспечивающих их программирование в выбранное устройство, послужило началом нового этапа развития вд. В настоящее время ряд зарубежных фирм занимается производством микросхем и программных сред, а также выпуском демонстрационных плат (evaluation boards) с примерами их использования, что позволяет значительно ускорить этапы разработки цифровых устройств управления. Фирма Microchip Technology Inc. (США) для разработки и реализации цифровых алгоритмов управления вд предлагает микроконтроллеры PIC18F, PIC24F (PIC24H), dsPIC30F и dsPIC33F и программную оболочку MPLAB. Компания Atmel Corporation (США) производит 8-разрядные AVR-микроконтроллеры серии Automative, программную среду AVR Studio, а также драйверы усиления для обеспечения связи с усилителем мощности. Фирмой Analog Devices Inc. (США) разрабатываются быстродействующие микроконтроллеры с высокой разрешающей способностью аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей серии Precision Analog Microcontrollers, драйверы усиления, датчики тока и программный комплекс VisualDSP++. Компания Texas Instruments (США) выпускает высокопроизводительные 32-разрядные цифровые сигнальные процессоры семейства С2000 (Piccolo, Dclfino и Conccrto) с плавающей точкой. Производством и совершенствованием программируемых логических интегральных схем, которые можно использовать для реализации быстродействующих и параллельных алгоритмов цифрового управления, занимаются американские фирмы Actel, Altera, Lattice Semiconductor Corporation и Xilinx.

Миниатюризация цифровых устройств и элементов силовой электроники привела к сокращению габаритов электротехнических комплексов, снижению рассеиваемой мощности, а также способствовала интеграции им, датчиков обратной связи (дос) и устройства управления в единый функциональный блок, называемый мехатронным модулем (мм). Среди ведущих мировых производителей вд и мм на их основе, следует отметить ABB (Швейцария), Aveox (США), Harmonic Drive (Германия), КЕВ (Германия), Махоп Motor (Швейцария), Nidec (США), Omron (Япония) и Siemens (Германия).

Параллельно с совершенствованием аппаратной составляющей электротехнических комплексов осуществлялось развитие подходов к их управлению. Вследствие высокого коэффициента полезного действия (кпд) современных силовых ключей, работающих в режиме переключения, наибольшее распространение среди методов управления электрическими двигателями получил импульсный метод, основанный на принципе широтно-импульсной модуляции (шим). Теории импульсного управления двигателями различного типа посвящено большое количество работ. В трудах К. Блауфус-са (К. Blaufuss) [86], B.C. Кулебакина [54, 55], В.Д. Нагорского [55, 60, 61],

В. Г. Константинова [43, 44], O.A. Коссова [45, 46, 47, 48], Ю.И. Конева [42], Т. А. Глазенко [29, 30], JI.A. Шпиглера [79], Л.Д. Панкратьева, Б. И. Петрова, В. А. Полковникова, Н.П. Паппе и Б.Н. Попова [68, 69, 81], Е. В. Машукова [59], М.Е. Гольца, A.B. Гудзенко и В.М. Остреро-ва [10], С. Г. Германа-Галкина [28] рассматриваются вопросы импульсного управления коллекторными двигателями постоянного тока. В работах Д. А. Дубенского [35], Е.И. Овчинникова [62, 63, 64, 65, 66, 67], Н. И. Лебедева [1, 66, 67], В. Т. Гращенкова [1], Б.Н. Попова [70, 71, 72] и A.B. Кри-вилёва [50, 51, 52] исследуются алгоритмы импульсного управления трёхфазными вд на основе скалярных способов шим. Различные подходы к управлению электрическими двигателями посредством синусоидальной и векторной шим приведены в работах О. В. Горячева и Е.А. Ерош-кина [31], В.Ф. Козаченко [41], A.A. Усольцева [78], А. Б. Виноградова [14], а также в трудах зарубежных авторов: А. Счёнунга (А. Schönung) и Г. Стеммлера (Н. Stemmler) [113], К. Г. Кинга (К. G. King) [100], М. Депен-брока (М. Depenbrock) [89], Д.А.Гранта (D.A. Grant) и Ж. А. Хоулс-ворда (J.A. Houlsworth) [97], Г. Ван Дер Броека (Н. Van Der Broeck) [118], О. Огасавары (О. Ogasawara) [109], Ж. Хольтца (J. Holtz) [95, 96], A.M. Хавы (A.M. Hava) [91, 92, 93], Д.Г.Холмса (D. G. Holmes) [94], Т. А. Липо (Т. A. Lipo) [92, 93, 94] и многих других.

В настоящее время сфера применения цифровых электроприводов с им на базе трёхфазных вд охватывает робототехнику, авиационную, космическую и автомобильную промышленность, офисное и медицинское оборудование, компьютерную и бытовую технику. Ведущими отечественными предприятиями, занимающимися разработкой и введением в эксплуатацию перспективных электромеханизмов на основе вд, являются московские организации ОАО «Аэроэлектромаш» [39, 40, 73], ОАО «МАШИНОАППАРАТ», НПК «Российские электрические машины», ОАО «АКБ «Якорь», а также КБ «Мехатроники» (г. Златоуст) и ЗАО «Чебоксарский электроаппаратный завод».

Постановка задачи. В диссертационной работе рассматривается вариант мм цифрового электропривода с им на базе трёхфазного вд, управляемого посредством импульсного метода на основе векторной шим (рис. 0.1). Вентильный двигатель включает в свой состав импульсный усилитель мощности (иум), выполненный по мостовой схеме, и трёхфазный синхронный двигатель с постоянными магнитами на роторе (сд). Фазы якорной обмотки СД могут быть соединены как по схеме «звезда» (У), так и по схеме «треугольник» (А). г

Энергетический канал Г ип щ г

Кп мм

ИУМ ил ^ ив ^ сд

I ф

I —I \ Iи1:.,и6 1П 1% \гг

К У Кп т т ▼ смв -1-► ■"Ж, 1 ЦУУ ^— АЦП (ДОС) Р

МП I у

Кг.

АЦП (ДОС)

Фс

Фс

Информационный канал

Рис. 0.1. Структурная схема цифрового электропривода

Требуемый закон движения выходного вала электропривода формируется управляющей машиной верхнего уровня в виде входного кода (Кв), который наряду с кодом обратной связи (Кс) по контролируемой координате используется специализированным микропроцессорным вычислителем (смв) для формирования кода управления (Ку). Также смв может формировать ряд дополнительных сигналов (Еу), предназначенных для выбора алгоритма импульсного управления и его параметров. Цифровое устройство управления (цуу) мм принимает код управления и код обратной связи (Кд), а также формирует совокупность логических сигналов (СД, и2, £/3, [/4, [/5, [/б), поступающих на управляющие входы КЭ ИУМ (рис. 0.2). Код управления несёт информацию о требуемом направлении и скорости вращения ротора ВД, а код обратной связи соответствует текущему угловому положению ротора (ср), определяемому с помощью датчика положения ротора (ДПР). Также ЦУУ ММ может принимать сигналы о текущей скорости вращения ротора ВД (О), напряжениях (ид), токах (гд) и других координатах ВД, необходимых для реализации сложных алгоритмов импульсного управления. г

Г--"Ч

СБА

Соединение фаз по схеме Д

Рис. 0.2. Структура ММ на основе трёхфазного ВД

Импульсный усилитель мощности преобразует постоянное напряжение ИП в совокупность прикладываемых к фазам якорной обмотки ВД импульсных напряжений (пд, ив, ис), значения которых наряду с фазными противо-ЭДС и ЭДС самоиндукции определяют в каждый момент времени величины токов и контуры их протекания в системе «иум — сд». Протекание тока через фазы якорной обмотки вд приводит к возникновению электромагнитного поля, взаимодействие которого с полем индуктора обеспечивает формирование электродвижущего момента, стремящегося повернуть ротор ВД так, чтобы векторы магнитной индукции поля якоря и поля индуктора совпали. Вращение ротора вд посредством механической передачи (мп) преобразуется в угловое перемещение выходного вала ММ, фактическое положение которого определяется с помощью дос и приводится к цифровому виду аналого-цифровым преобразователем (ацп).

Отличительной чертой методов импульсного управления является наличие динамических потерь мощности в кэ иум [1, 8, 74] (потери на переключение [29, 30], switching losses [103, 112, 115]) и дополнительных потерь в двигателе [23, 25, 81], вызванных пульсациями фазных токов. Работы по созданию и исследованию энергетически эффективных алгоритмов импульсного управления электрическими двигателями на основе векторной шим ведутся на протяжении двух последних десятилетий. Большинство как зарубежных, так и отечественных работ в данной области направлено на анализ спектрального состава фазных токов и напряжений [105, 106, 107], сокращение коммутационных потерь мощности в кэ иум [93, 95, 96, 120] и расширение диапазона регулирования скорости [91, 104]. Однако, зависимости статических, динамических и энергетических характеристик им с трёхфазным вд от способа векторной шим, как правило, остаются за рамками проводимых исследований, что существенно затрудняет выбор приемлемого цифрового алгоритма для той или иной задачи управления.

Учитывая практически неограниченное количество возможных вариантов алгоритмов импульсного управления на основе векторной шим, развитие автоматизированных подходов к проектированию цуу и исследованию мм являются актуальными задачами, решение которых позволит не только улучшить показатели приводных систем, но и сократить временные затраты на их проектирование.

Целью работы является разработка метода синтеза цифровых алгоритмов импульсного управления исполнительным механизмом привода с трёхфазным вентильным двигателем на основе векторной широтно-импульсной модуляции, позволяющего автоматизировать получение математического описания цифрового устройства управления мехатронного модуля, а также статических, динамических и энергетических характеристик исполнительного механизма привода.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе необходимо было поставить и решить следующие задачи:

1. Сделать обзор существующих цифровых алгоритмов импульсного управления на основе векторной широтно-импульсной модуляции, выполнить их систематизацию и определить возможные направления для разработки новых алгоритмов, которые позволят улучшить статические, динамические и энергетические характеристики исполнительного механизма привода с трёхфазным вентильным двигателем.

2. Разработать автоматизированный подход к получению математического описания управляющих булевых функций для произвольного алгоритма импульсного управления на основе векторной широтно-импульсной модуляции и применить его для описания цифровых алгоритмов.

3. Разработать компьютерную модель мехатронного модуля с трёхфазным вентильным двигателем, позволяющую исследовать информационные и энергетические процессы при произвольном алгоритме импульсного управления на основе векторной широтно-импульсной модуляции.

4. Разработать программный комплекс на основе компьютерной модели мехатронного модуля, позволяющий автоматизировать этапы расчёта и построение статических, динамических и энергетических характеристик, а также эпюр цифровых сигналов, фазных токов и напряжений.

5. Провести исследование физических процессов, протекающих в ме-хатронном модуле; определить статические, динамические и энергетические характеристики исполнительного механизма; выявить влияние схемы соединения фаз вентильного двигателя и частоты широтно-импульсной модуляции на указанные характеристики, а также выработать рекомендации по применению соответствующих цифровых алгоритмов импульсного управления.

6. Выполнить экспериментальные исследования лабораторного макета мехатронного модуля для подтверждения соответствия разработанной модели мехатронного модуля реальному устройству.

Характер перечисленных задач определил структуру размещения материала в диссертационной работе, которая состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников и четырёх приложений.

Заключение диссертации по теме «Машиноведение, системы приводов и детали машин», Гагарин, Сергей Алексеевич

6.4 Выводы по главе

1. На языке С++ с использованием инструментария С^ разработано программное обеспечение ССос1еСеп, которое предназначено для автоматизации формирования кода управления и его передачи на вход цифрового устройства управления мехатронного модуля для имитации управляющих воздействий. Разработанное приложение нашло применение в учебном процессе МАИ, что подтверждено актом о внедрении (приложение Г).

2. Проведены экспериментальные исследования работы лабораторного макета мехатронного модуля, в результате которых были получены эпюры фазных токов и напряжений при вариантах соединения фаз статорной обмотки вентильного двигателя в «звезду» и в «треугольник». Осуществлён сравнительный анализ экспериментальных данных с результатами моделирования, в результате которого было установлено их качественное и количественное совпадение с точностью до ю%. Совпадение экспериментальных данных и результатов моделирования свидетельствует о достоверности разработанной модели мехатронного модуля и, следовательно, полученных с её помощью результатов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработан автоматизированный метод синтеза цифровых алгоритмов импульсного управления исполнительным механизмом привода с трёхфазным вентильным двигателем на основе векторной широтно-импульсной модуляции. При разработке метода были получены следующие результаты:

1. Предложена классификация способов векторной широтно-импульсной модуляции, которая позволяет учесть количество рабочих стоек импульсного усилителя мощности, ключевые элементы которых используются для подключения фаз вентильного двигателя к источнику питания. В соответствии с разработанной классификацией способы векторной широтно-импульсной модуляции можно разделить на двухстоечные, трёхстоечные и комбинированные.

2. Разработан автоматизированный подход к синтезу управляющих булевых функций и осуществлена его программная реализация для способов двухстоечной, трёхстоечной и комбинированной векторной широтно-импульсной модуляции в виде модуля, написанного на языке МаШета^са и позволяющего автоматизировать соответствующий этап проектирования цифрового устройства управления мехатронного модуля.

3. Сформировано математическое описание цифрового устройства управления мехатронного модуля, реализующего способы двухстоечной, трёхстоечной и комбинированной векторной широтно-импульсной модуляции. Математическое описание основано на описании системы логических переменных и аналитических выражениях управляющих булевых функций, что позволяет создавать быстродействующие реализации соответствующих методов как на языках программирования, так и на языках описания цифровых устройств.

4. Разработана компьютерная модель мехатронного модуля на основе трёхфазного вентильного двигателя, отличающаяся от известных тем, что позволяет исследовать как информационные, так и физические процессы в мехатронном модуле при различных алгоритмах импульсного управления на основе векторной широтно-импульсной модуляции для случаев соединения фаз вентильного двигателя как по схеме «звезда», так и по схеме «треугольник». Модель мехатронного модуля разработана в среде БтиНпк с использованием компонентов библиотеки SimPowerSystems и учитывает контуры протекания токов в системе «ИУМ — СД» и форму распределения индукции в зазоре. При создании блока цифрового устройства управления модели мехатронного модуля использованы Б-функции, написанные на языке С, которые могут быть взяты за основу при программировании устройства.

5. С целью сокращения временных затрат, связанных с многократным выполнением моделирования установившегося режима работы мехатронного модуля при построении статических и энергетических характеристик исполнительного механизма привода, на языке МАТЬАВ разработан программный комплекс, который позволяет автоматизировать задание комбинаций значений частоты широтно-импульсного сигнала, статического момента нагрузки, индекса модуляции и напряжения источника питания, выполнить серию вычислительных экспериментов с задействованием параллельных вычислений, визуализировать и сохранить полученные результаты. Программный комплекс был использован при проектировании привода воздуходувки аппарата искусственной вентиляции лёгких нового поколения, разрабатываемом ООО «ФакторМедТехника».

6. Проведены исследования физических процессов, протекающих в мехатронном модуле, определены динамические, статические и энергетические характеристики мехатронного модуля. Выявлен прерывистый характер токов, вытекающих из импульсного усилителя мощности, в случае применения двухстоечной и комбинированной векторной широтно-импульсной модуляции, что является причиной нелинейностей статических характеристик исполнительного механизма привода. Увеличение частоты широтно-импульсного сигнала приводит к росту степени нелинейностей. В случае комбинированной векторной широтно-импульсной модуляции нелинейности незначительны (менее 5%), в то время, как при двухстоечной векторной широтно-импульсной модуляции имеет место существенное ухудшение характеристик. При использовании способа трёхстоечной векторной широтно-импульсной модуляции токи непрерывны, а статические характеристики — линейны с точностью до 5%.

7. Проведённые исследования позволяют рекомендовать к применению в мехатронном модуле цифрового электропривода способ трёхстоечной векторной широтно-импульсной модуляции, в связи с такими преимуществами, как относительная простота реализации (по сравнению с комбинированной векторной широтно-импульсной модуляцией), линейные статические и высокие динамические характеристики мехатронного модуля (по сравнению с двухстоечной векторной широтно-импульсной модуляцией). Способ комбинированной векторной широтно-импульсной модуляции наиболее сложен в реализации среди рассмотренных способов векторной широтно-импульсной модуляции, однако позволяет обеспечить меньшие коммутационные потери мощности в импульсном усилителе мощности и дополнительные потери в двигателе при статических и динамических характеристиках, незначительно уступающих характеристикам способа трёхстоечной векторной широтно-импульсной модуляции. При создании энергосберегающего режима работы автономного устройства целесообразно использовать комбинацию из двухстоечной, трёхстоечной и комбинированной векторной широтно-импульсной модуляции с переключением на способ, обладающий наибольшим коэффициентом полезного действия в рабочей области механических характеристик.

8. Предложена методика определения дополнительных потерь мощности в трёхфазном вентильном двигателе, основанная на компьютерном моделировании и отличающаяся от известных тем, что позволяет определить величину дополнительных потерь мощности при любых комбинациях заданного статического момента нагрузки и скорости вращения ротора вентильного двигателя при импульсном управлении на основе векторной широтно-импульсной модуляции. С использованием разработанной методики определены максимальные значения дополнительных потерь мощности в двигателе при различном соотношении Т/Тя, которые при Т/Тя ^ 0,5 в случае двухстоечной векторной широтно-импульсной модуляции составляют менее 5% от основных потерь, при комбинированной — менее 2%, а при трёхстоечной — не превосходят 0,5%.

9. Форма динамических, статических и энергетических характеристик исполнительного механизма привода при соединении фаз вентильного двигателя по схеме «звезда» и по схеме «треугольник» в случае применения рассмотренных алгоритмов векторной широтно-импульсной модуляции совпадает. Использование схемы «треугольник» приводит при прочих равных условиях к увеличению электродвижущего момента и скорости в \/3 раз по сравнению с использованием схемы «звезда». Указанное обстоятельство позволяет развить втрое большую механическую мощность на выходном валу мехатронного модуля. Однако, при проектировании мехатронного модуля следует учитывать, что в случае использования схемы «треугольник» величина тока, протекающего через фазы вентильного двигателя, импульсный усилитель мощности и источник питания, увеличивается в три раза по сравнению с применением схемы «звезда», что влечёт за собой увеличение массовых и габаритных показателей мехатронного модуля.

10. Проведены экспериментальные исследования лабораторного макета мехатронного модуля с использованием написанного на языке С++ приложения, позволяющего автоматизировать процесс формирования и передачи на вход цифрового устройства управления последовательностей значений кода управления для имитации управляющих воздействий на мехатронный модуль. Результаты экспериментальных исследований мехатронного модуля подтвердили достоверность моделирования процесса электромеханического преобразования энергии и, соответственно, полученных при компьютерном моделировании результатов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гагарин, Сергей Алексеевич, 2012 год

1. Адволоткин Н. П., Гращенков В. Т., Лебедев Н. И. и др. Управляемые бесконтактные двигатели постоянного тока JI.: Энергоатомиз-дат. Ленингр. отд-ние, 1984. — 160., ил.

2. Аракелян А. К. Вентильные электрические машины в системах регулируемых электроприводов: Учеб. пособие для вузов: В 2 т. Т. 1 /

3. A. К. Аракелян, A.A. Афанасьев. — М.: Высш. шк, 2006. — 546 е.: ил.

4. Балагуров В. А., Гридин В.М., Лозенко В. К. Бесконтактные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. — М.: Энергия, 1975. 128 с.

5. Беленький Ю.М., Зеленков Г. С., Микеров А. Г. Бесконтактный моментный привод. Технико-экономическая информация. — Л.: ЛДНТП, 1990.

6. Беленький Ю. М., Микеров А. Г. Выбор и программирование параметров бесконтактного моментного привода. — Л.: ЛДНТП, 1990.

7. Бертинов А. И., Бут Д.А., Мизюрин С.Р., Алиевский Б.Л., Синева Н.В. Специальные электрические машины / Под ред. Б. Л. Али-евского. В 2-х кн. Изд. 2-е, перераб. и доп. — М.: Энергоатомиз-дат, 1993. 366 с.

8. Бертинов А. И., Лотоцкий Е. Л. Бесконтактные электрические машины. М.: Информстандартэлектро, 1967. 68 с.

9. Бочкарёв Д. О. Способы уменьшения динамических потерь в импульсных регуляторах мощности на силовых МДП-транзисторах: Дис. работа на соискание учёной степени канд. тех. наук: 05.09.03. — Москва, 2005.

10. Бутаев Ф.И., Эттингер Е. Л. Вентильный электропривод. — М-Л.: Госэнергоиздат, 1951. 248 с.

11. Быстродействующие электроприводы постоянного тока с широтно-импульсным преобразователями / М. Е. Гольц, А. Б. Гудзенко,

12. B.М. Остреров и др. — М.: Энергоатомиздат, 1986. — 184 е.: ил.

13. Важнов А. И. Основы теории переходных процессов синхронной машины. M.-JL: Госэнергоиздат, 1960.

14. Вевюрко И. А. Некоторые вопросы теории бесконтактных микродвигателей с замкнутыми обмотками / Двигатели постоянного тока с полупроводниковыми коммутаторами — Сборник статей под редакцией И.Е. Овчинникова. Л.: Наука, 1972.

15. Вевюрко И. А. Некоторые особенности расчёта и проектирования бесщёточных микродвигателей постоянного тока // Электротехника. 1964. №4. С. 8-12.

16. Виноградов А. Б. Векторное управление электроприводами переменного тока / ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина». — Иваново, 2008. — 298 с.

17. Гагарин С. А. Исследование режимов работы двигателя постоянного тока при импульсном управлении с использованием Simulink / Компьютерное моделирование 2006: Труды Международной научно-технической конференции. СПб: Изд-во Политехи, ун-та, 2006. 192 с.

18. Гагарин С. А. Энергетические характеристики мехатронного модуля на основе трёхфазного вентильного двигателя с фазами, соединёнными по схеме «треугольник» / Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012.

19. Гагарин С. А., Кривилёв А. В. Метод коммутации ключевых элементов в трёхфазном вентильном двигателе с учётом знака противо-ЭДС / Через тернии к звёздам / Под ред. проф. Ю.Ю. Комарова и проф. В. П. Махрова. — М.: Изд-во МАИ, 2007.

20. Гагарин С. А., Кривилёв А. В., Ситникова А. В. Способ цифрового управления угловой скоростью трёхфазного вентильного двигателя с учётом знака противо-ЭДС. Патент РФ №2438158.

21. Герман-Галкин С. Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0.: Учебное пособие. — СПб.: КОРОНА принт, 2001. — 320 е., ил.

22. Герман-Галкин С. Г., Лебедев В. Д., Марков Б. А. и др. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями. —JI.: Энер-гоатомиздат, 1986. — 248 с.

23. Глазенко Т. А. Импульсные полупроводниковые усилители в электроприводах. «Энергия» M.-J1., 1965.

24. Глазенко Т. А., Гончаренко Р. Б. Полупроводниковые преобразователи частоты в электроприводах. «Энергия» Д., 1969.

25. Горячев О. В., Ерошкин Е. А. Векторное управление асинхронными трёхфазными двигателями / Электроника: НТВ, 1999, № 4.

26. Дубенский А. А. Бесконтактные двигатели постоянного тока. — M.-JL: Энергия, 1967.

27. Завалишин Д. А. Электрические машины малой мощности. М.-Л. 1963 г.

28. Завалишин Д. А., Вегнер О. Г. Новые схемы вентильных двигателей. — Электричество, 1936, №3. С. 6-13.

29. Завалишин Д. А., Вегнер О. Г. Теория и основы расчёта вентильного двигателя, коммутируемого с помощью тиратронов. — В кн.: Труды Ленингр. индустриального ин-та. — Л., 1936, вып. 5. С. 245-271.

30. Иванов Б. В., Гордон А. В., Григорьев Г. В., Трубачёв А. Т. и др. Состояние и перспективы разработки и производства авиационных электроагрегатов и систем // Авиационная промышленность, №1, 2001 г. С. 55-63.

31. Иванов Б. В., Григорьев Г. В., Ромашкин О. Г., Трубачёв А. Т.

32. Повышение технического уровня исполнительных электромеханизмов и систем электропривода авиационно-космических комплексов / Актуальные проблемы российской космонавтики. Труды XXI академических чтений по космонавтике (Москва, 30 января i февраля 2007 г.).

33. Комиссия РАН по разработке научного наследия пионеров освоения космического пространства. Материалы секции 17. С. 414-416.

34. Козаченко В. Ф. Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам // Chip news. 1999. № 1. С. 2-9.

35. Конев Ю. И. Транзисторные импульсные устройства управления электродвигателями и электромагнитными механизмами. — M.-J1.: Энергия, 1964. 120 с.

36. Константинов В. Г. Многофазные преобразователи на транзисторах. — М.: Энергия, 1972. 96 с.

37. Константинов В. Г., Крылов B.C. Вентильные двигатели с аналоговыми и цифровыми системами регулирования, управления для электроприводов автономных объектов // Электротехника. 1996. — №5. — С. 32-41.

38. Коссов О. А. Усилители мощности на транзисторах в режиме переключений. M.-J1.: Энергия, 1964. 304 с.

39. Коссов O.A. Усилители мощности на транзисторах в режиме переключений. М.: Энергия, 1971. 432 с.

40. Коссов O.A., Манычкина Е. А. Реверсивный электропривод постоянного тока с импульсным регулированием скорости при помощи транзисторов // Вестник электропромышленности. 1961, № 10. С. 19-23.

41. Коссов O.A., Хасаев О. И. Усилители мощности с широтно-импульсной модуляцией на переключающих транзисторах // «Электричество», 1961, № 12.

42. Кривилёв А. В. Автоматизированный синтез управляющих булевых функций мехатронного модуля привода с трёхфазным вентильным двигателем // Изв. РАН. ТиСУ. 2010. №2. С. 153-163.

43. Кривилёв А. В. Методы проектирования цифровой системы управления мехатронного модуля привода с вентильным двигателем. — М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2009. 192 е.: ил.

44. Кривилёв A.B. Цифровая система управления мехатронного модуля с трёхфазным бесконтактным двигателем постоянного тока: Дис. работа на соискание учёной степени канд. тех. наук: 05.09.03. — Москва, 2002.

45. Кривилёв A.B., Гагарин С. А. Отчёт о НИР «Разработка модели мехатронного модуля на основе трёхфазного бесконтактного двигателя постоянного тока», тема №32860-07020, Москва, МАИ, 2007 г.

46. Кулебакин B.C. К теории импульсного метода регулирования скорости вращения электродвигателей с независимым или постоянным возбуждением, Труды ВВИА им. Н. Е. Жуковского, 1948, вып. 304.

47. Кулебакин B.C., Нагорский В. Д. Электропривод самолётных агрегатов и механизмов. М.: Оборонгиз, 1958. 388 с.

48. Куликов Н.И. Вентильные двигатели для станкостроения и робототехники. — М.: Информэлектро, 1991.

49. Лутидзе III.И. Основы теории электрических машин с управляемым полупроводниковым коммутатором. — М.: Наука, 1968. 303 с.

50. Матасаро К. Патент Японии, №9820, 1957.

51. Машуков Е. В. Уменьшение динамических потерь в транзисторах импульсных усилителей мощности. — ЭВА / Под. ред. Ю. И. Конева. — М.: Радио и связь, 1981, вып. 12.

52. Нагорский В. Д. Мостовая схема управления реверсивным двигателем постоянного тока на полупроводниковых триодах // Сборник I «Применение управляемых полупроводниковых вентилей в промышленности». М.: МДНТП, 1961, С. 16-31.

53. Нагорский В. Д. Управление двигателями постоянного тока с помощью импульсов повышенной частоты // Известия Академии наук СССР, ОТН, Энергетика и автоматика, 1960, №2, С. 38-43.

54. Овчинников И. Е. Вентильные электрические двигатели и привод на их основе (малая и средняя мощность) / И.Е. Овчинников: Курс лекций. — СПб.: КОРОНА-Век, 2007. — 336 е.: ил.

55. Овчинников И. Е. Классификация схем обмоток бесконтактных двигателей. В кн.: Двигатели постоянного тока с полупроводниковыми коммутаторами. Л.: Наука, 1972. С. 38-44.

56. Овчинников И. Е. Теория вентильных электрических двигателей. — Л.: Наука, 1985.

57. Овчинников И. Е. Энергетические характеристики бесконтактных двигателей и их оптимизация / Двигатели постоянного тока с полупроводниковыми коммутаторами — Сборник статей под редакцией И.Е. Овчинникова. Л.: Наука, 1972.

58. Овчинников И. Е., Лебедев Н. И. Бесконтактные двигатели постоянного тока. — Л.: Наука, 1979.

59. Овчинников И. Е., Лебедев Н. И. Бесконтактные двигатели постоянного тока автоматических устройств. — Л.: Наука, 1966.

60. Панкратьев Л. Д., Паппе И. Г., Петров Б. И., Полковников В. А. Импульсные и релейные следящие приводы постоянного тока с полупроводниковыми усилителями. М., «Энергия», 1969.

61. Полковников В. А., Паппе В. П. Защита транзисторов, работающих в режиме переключения, в выходных каскадах усилителей. — Электронная техника в автоматике / Сборник статей под ред. Ю. И. Конева. М.: Сов. Радио, 1972, №3.

62. Попов Б. Н. Методы проектирования микропроцессорных устройств управления мехатронными модулями систем приводов: Дис. работа на соискание учёной степени док. тех. наук: 05.02.02. — Москва, 2001.

63. Попов Б. Н. Микропроцессорное управление синхронными трёхфазными двигателями / Электротехника — 1993, № 1. — С. 32-37.

64. Попов Б. Н. Цифровые устройства систем приводов летательных аппаратов: Учебное пособие. — М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2008. — 124 е.: ил.

65. Решетов С. А., Трубачёв А. Т., Лашин В.Ю. Перспективы создания авиационных следящих приводов с рекуперацией энергии // Научный вестник МГТУ ГА, №148, 2009 г. С. 34-42.

66. Розанов Ю. К. Электронные устройства электромеханических систем: Учеб. пособие для студентов высш. учеб. заведений / Ю. К. Розанов, Е. М. Соколова. — Издательский центр «Академия», 2004, 272 с.

67. Сонных М., Ганнель Л. Основные технические особенности вентильных двигателей // «РИТМ» (Ремонт Инновации Технологии Модернизация), №9 (57), 2010. С. 40-42.

68. Тихменёв Б. Н. Новые схемы вентильного двигателя. — Электричество, 1935, №12. С. 39-46.

69. Усольцев А. А. Частотное управление асинхронными двигателями / Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2006.

70. Шпиглер Л. А. Вопросы проектирования электропривода постоянного тока с ШИП. В кн.: Элементы оборудования и автоматики металлорежущих станков. М.: НИИМАШ, 1968. С. 178-216.

71. Шрейнер Р. Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург: УРО РАН, 2000, 654 с.

72. Электропривод летательных аппаратов: Учебник для авиационных вузов / В. А. Полковников, Б. И. Петров, Б. Н. Попов и др.; Под общ. ред. В. А. Полковникова. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1990. — 352 е.: ил.

73. Abraham L., Blumel R. Optimization of three phase pulse pattern by variable zero sequence component // Proc. Conf. Rec. EPE, 1991. Pp. 272-277.

74. Alexanderson E.F.W., Mittag A.H. Thyratron motors // Electrical Engineering. No. 53. Nov. 1934. Pp. 1517-1523.

75. Alexanderson E. F.W., Mittag A.H. The Thyratron motor // Power Plant Eng. 1935. Vol. 39. No. 4. Pp. 232-234.

76. Brailsford H.D. Commutatorless direct current motor. Патент США 2,719,944, 1955.

77. Blaufuss К. Drehzahlregelung von Gleichstrommmotoren durch Stromstosse, Archiv fur Electrotechnik, 1940, № 10.

78. Buja G., Indri G. Improvement of pulse width modulation techniques / Archive fur Electrotechnik, vol. 57, 1975. Pp. 281-289.

79. Davenport T. Improvement in propelling machinery by magnetism and electro-magnetism. Патент США №132, 1837.

80. Depenbrock M. Pulse width control of a 3-phase inverter with nonsinusoidal phase voltages // IEEE-ISPC Conf. R.ec., 1977. Pp. 399—403.

81. Handley P. G., Boys J. T. Practical real-time pwm modulators: An assessment // Proc. Inst. Elect. Eng. B. Vol. 139, Mar. 1992. Pp. 96-102.

82. Hava A.M. Carrier based pwm-vsi drives in the overmodulation region. A dissertation sumitted in partial fulfillment of the requirementsfor the degree of Doctor of Philosophy (Electrical and Computer Engineering), 1998.

83. Hava A. M., Kerkman R. J., Lipo T. A. A high performance generalized discontinuous pwm algorithm / IEEE-APEC Conf. Records, Atlanta, Georgia, Feb. 1997. Pp. 886-894.

84. Hava A. M., Kerkman R. J., Lipo T. A. Simple analytical and graphical methods for carrier-based pwm-vsi drives / IEEE Trans. Power Electron. Vol. 14, Jan. 1999. Pp. 49-61.

85. Holmes D. G., Lipo T. A. Pulse width modulation for power converters: principle and practice, New Jersey: Willey-IEEE Press. 2003.

86. Holtz J. Pulsewidth modulation — a survey / IEEE Trans. Ind. Electron. Vol. 39. No. 5. Oct. 1992. Pp. 410-420.

87. Holtz J. Pulsewidth modulation for electronic power conversion / Proceeding of the IEEE. Vol. 82. No. 8. Aug. 1994. Pp. 1194-1214.

88. Houldsworth J. A., Grant D. A. The use of harmonic distortion to increase output voltage of a three-phase pwm inverter / IEEE Trans. Industry Appl. Vol. IA-20, Sept./Oct. 1984. Pp. 1124-1228.

89. Jenni F., Wueest D. The optimization parameters of space vector modulation / Fifth European conf. Power Electronics and Applications, 1993. Pp. 376-381.

90. Kern E. Der kommutatorlose einphasen-lokomotivmotor für 40 bis 60 Herz // Elektrische bahnen. 1931. Vol. 7. Pp. 313-321.

91. King K. G. A three phase transistor class-b inverter with sinewave output and high effiency // Inst. Elec. Eng. Conf. Publ. 123, 1974. Pp. 204-209.

92. Kolar J.W., Ertl H., Zach F. C. Influence of the modulation method on the conduction and switching losses of a pwm converter system // IEEE Trans. Ind. Applicat. Vol. 27, Nov./Dec. 1991. Pp. 1062-1075.

93. Kovac K.P., Racz I. Transiente Vorgange in Wechselstrom-maschinen, Verlag der ungarischen Akademie der Wissenschaften, Budapest, 1959.

94. Krishnan R. Permanent magnet synchronous and brushless DC motor drives. CR.C Press. 2009. P. 611.

95. Lee D.-Ch., Lee G-M. A novel overmodulation technique for space-vector pwm inverters / IEEE Trans, on power electronics. Vol. 13. No. 6. Nov. 1998.

96. Mehrizi-Sani A., Filizadeh S. An optimized space-vector modulation sequence for improved harmonic performance / IEEE Trans. Ind. Electron., submitted for publication.

97. Mehrizi-Sani A., Filizadeh S., Wilson P. L. Harmonic and loss analysis of space-vector modulated converters / Int. Conf. on Power Systems Transients (IPST 07), Lyon, France, Jun. 2007.

98. Ohm D. Y., Oleksuk R.J. Influence of pwm schemes and commutation methods for dc and brushless motors and drives // P.E. Technology 2002 Conference, Stephens Convention Center (Rosemont, IL, U.S.), Oct. 27-31, 2002.

99. Ogasawara O., Akagi H., Nabel A. A novel pwm scheme of voltage source inverters based on space vector theory // Proc. EPE European Conf. Power Electronics and Applications, 1989. Pp. 1197-1202.

100. Pillay P., Krishnan R. Modeling of permanent magnet motor drives / IEEE Trans. Ind. Electron. Vol. 35. No. 4. Nov. 1988. Pp. 537-541.

101. Pillay P., Krishnan R. Modeling, simulation, and analysis of permanentmagnet motor drives. Part I. The permanent-magnet synchronous motor drive / IEEE Transactions on Industry Applications. Vol. 25. 1989. Pp. 265-273.

102. Rashid M. H. Power electronics handbook. Academic Press, 2001.

103. Schönung A., Stemmler H. Static frequency changers with subharmonic control in conjuction with reverseable variable speed ac drives // Broown Boveri Review. Sep. 1964. Pp. 555-577.

104. Schörner J. Bezugsspannung zur umrichtersteuerung / ETZ-b, Bd. 27, 1975. Pp. 151-152.

105. Sutikno Т., Jidin A., Basar M. F. Simple realization of 5-segment discontinuous svpwm based on fpga // International Journal of Computer and Electrical Engineering. Vol. 2. No. 1. Feb. 2010.

106. Taniguchi K., Ogino Y., Irie H. PWM technique for power mosfet inverter // IEEE Trans. Power. Electron. July 1988. Pp. 328-334.

107. Van Der Broeck H. W. Analysis of the harmonics in voltage fed inverter drives caused by pwm schemes with discontinuous switching operation / European Power Electron. Conf. R.ec., 1991. Pp. 261-266.

108. Van Der Broeck H., Skudelny H., Stanke G. Analysis and realization of a pulse width modulator based on voltage space vectors // IEEE Transactions on Industry Applications. Vol. IA-24. No. 1. Jan. 1988. Pp. 142-150.

109. Zaubitzer R. Kollektorloser gleichstrom motor. Патент AHU, №1075207, 1960.

110. Zhang W.-F., Yu Y.-H. Comparison of three svpwm strategies / JESTC. Vol. 5. No. 3. 2007. Pp. 283-287.