Цифровая система управления мехатронного модуля с трехфазным бесконтактным двигателем постоянного тока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Кривилев, Александр Владимирович

• Кривилев, Александр Владимирович
• кандидат технических наук
• 2002

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кривилев, Александр Владимирович

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ. СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СИНТЕЗ БУЛЕВЫХ ФУНКЦИЙ, РЕАЛИЗУЮЩИХ МЕТОДЫ КОММУТАЦИИ КЛЮЧЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

1.1. Разработка метода синтеза управляющих булевых функций.

1.1Л. Анализ условий работы цифровой системы управления

1.1.1.1. Анализ влияния взаимного расположения векторов магнитной индукции индуктора и якоря на создаваемый движущий момент

1.1.1.2. Анализ методов коммутации ключевых элементов при 120-градусном управлении трехфазным бесконтактным двигателем постоянного тока.

1.1.1.3. Анализ типов широтно-импульсного сигнала.

1.1.1.4. Анализ подходов к формированию паузы на переключение ключевых элементов, расположенных в одной стойке.

1.1.2. Формирование минимально-необходимой системы логических переменных.

1.1.3. Определение математических выражений булевых функций, реализующих методы коммутации ключевых элементов

1.2. Определение математических выражений булевых функций, реализующих метод симметричной коммутации ключевых элементов.

1.3. Определение математических выражений булевых функций, реализующих метод поочередной коммутации ключевых элементов.

1.4. Вывод к разделу.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОБЪЕМНЫХ ГРАФОВ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ АНАЛИЗА СОСТОЯНИЙ УПРАВЛЯЮЩЕГО

СЛОВА ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МЕХАТРОННОГО

МОДУЛЯ.

2.1. Основные понятия и определения метода объемных графов

2.1 Л. Определение множества состояний управляющего слова

2.1.2. Пространственное размещение состояний управляющего слова.

2Л.З. Определение множества переходов управляющего слова

2.2. Анализ состояний и переходов управляющего слова при симметричной коммутации ключевых элементов.

2.3. Анализ состояний и переходов управляющего слова при поочередной коммутации ключевых элементов

2.4. Выводы к разделу.

3. ОСНОВЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МЕХАТРОННОГО МОДУЛЯ.

3.1. Систематизация входных сигналов цифровой системы управления.

3.1.1. Анализ входных сигналов мехатронного модуля.

3.1.2. Описание сигналов о положении ротора.

3.2. Анализ внутренних сигналов и описание блоков структуры цифровой системы управления.

3.2.1. Реализация блока загрузки внешних данных.

3.2.2. Описание блока преобразования загруженного кода управления

3.2.3. Формирование блока преобразования загруженного кода разрядности

3.2.4. Описание блока преобразования загруженного кода частоты

3.2.5. Реализация блока преобразования загруженного кода паузы

3.2.6. Описание блока формирования логических переменных

3.2.6.1. Создание блока первичной обработки внутренних данных

3.2.6.1.1. Делитель частоты.

3.2.6.1.2. Анализ влияния внутренних данных цифровой системы управления на определение периода широтно-импульсного сигнала

3.2.6.1.3. Описание блока формирования сигнала разрешения записи загруженных данных.

3.2.6.1.4. Формирование логической переменной ВЯ, определяющей заданное направление вращения

3.2.6.1.5. Анализ влияния типа широтно-импульсного сигнала на формирование логической переменной БР, определяющей заданную скорость вращения.

3.2.6.1.6. Формирование логической переменной РЯ, определяющей равномерную загрузку ключевых элементов по току

3.2.6.2. Описание блока вторичной обработки внутренних данных

3.2.6.2.1. Формирование блока задержки сигналов.

3.2.6.2.2. Формирование сигналов паузы на включение ключевых элементов.

3.2.7. Реализация блока приема сигналов о положении ротора.

3.2.8. Описание блока формирования управляющих булевых функций

3.2.9. Генератор импульсов

3.3. Описание выходных сигналов цифровой системы управления.

3.4. Выводы к разделу

4. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ В ИНФОРМАЦИОННОМ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ КАНАЛАХ

МЕХАТРОННОГО МОДУЛЯ

4.1. Формирование специализированной библиотеки блоков мехатронного модуля.

4.1.1. Разработка модели блока датчика положения ротора

4.1.2. Формирование модели блока цифровой системы управления

4.1.3. Создание модели блока импульсного усилителя мощности.

4.1.4. Формирование модели блока трехфазного синхронного двигателя.

4.2. Исследование влияния методов коммутации на характер выходных сигналов цифровой системы управления и дополнительные потери мощности в мехатронном модуле

4.2.1. Анализ процессов при максимальной скважности широтно-импульсного сигнала.

4.2.2. Применение математической модели для анализа метода диагональной коммутации ключевых элементов

4.2.3. Моделирование процессов при симметричной коммутации ключевых элементов

4.2.4. Исследование процессов при несимметричной коммутации ключевых элементов

4.2.5. Анализ процессов при поочередной коммутации ключевых элементов.

4.2.6. Анализ влияния пульсации токов на дополнительные потери мощности в силовой части мехатронного модуля при различных методах коммутации

4.3. Выводы к разделу

5. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ И РАЗРАБОТКА БЛОКОВ ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ НА ЯЗЫКЕ ОПИСАНИЯ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ

5.1. Обзор интегральных схем программируемой логики.

5.2. Разработка библиотеки блоков цифровой системы управления

5.2.1. Описание блоков цифровой системы управления

5.2.1.1. Блок загрузки кода управления

5.2.1.2. Блок преобразования загруженного кода управления.

5.2.1.3. Б л ок д е л ите ля частоты

5.2.1.4. Блок формирования периода широтно-импульсного сигнала

5.2.1.5. Блок формирования сигнала разрешения записи загруженных данных

5.2.1.6. Блок формирования сигнала заданного направления вращения

5.2.1.7. Блок формирования сигнала заданной скорости вращения

5.2.1.8. Блок формирования логических переменных

5.2.1.9. Блок приема сигналов о положении ротора

5.2.1.10. Блок формирования управляющих булевых функций

5.2.2. Создание файла для программирования интегральной схемы на основе структурного описания связей блоков цифровой системы управления.

5.3. Выводы к разделу.

6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА МЕХАТРОННОГО МОДУЛЯ

6.1. Разработка программного обеспечения, формирующего различные последовательности управляющих сигналов.

6.2. Описание элементов мехатронного модуля.

6.3. Результаты экспериментальных исследований работы мехатронного модуля.

6.4. Выводы к разделу.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Цифровая система управления мехатронного модуля с трехфазным бесконтактным двигателем постоянного тока»

В последнее время новые бесконтактные двигатели постоянного тока (БДПТ) стали серьезными конкурентами обычных коллекторных двигателей постоянного тока (ДПТ) и асинхронных двигателей в электрических приводах малой и средней мощности (до 10 кВт). Доля их использования в электротехнических комплексах неуклонно растет. Однако, как у ДПТ, так и у БДПТ были общие исторические корни, которые берут свое начало с 30-х годов XIX века.

В начале 30-х годов XIX века Б.С. Якоби впервые сконструировал коллекторный двигатель постоянного тока необращенной конструкции БДПТ были разработаны через сто лет на базе ДПТ обращенной конструкции, первый из которых был описан В. Стэрдженом в 1836 г. [36]. Несмотря на то, что двигатели Б.С. Якоби и В. Стэрджена были изобретены почти одновременно развитие электромашиностроения пошло по пути машин необращенной конструкции. Причины этого развития заключаются в том, что двигатели обращенной конструкции требуют значительно более сложного устройства, обеспечивающего коммутацию обмоток двигателя, и эффективность, используемых в то время магнитов, значительно уступала электромагнитам.

Развитие и становление БДПТ неразрывно связано с развитием электроники. Создание первого БДПТ стало возможным только после изобретения тиратрона, которому предшествовало открытие в 1896 г. Д. Томпсоном электрона. В 1930 г. Е. Керном и в 1934 г. Е. Александерсом были созданы первые БДПТ, которые назывались тиратронными [69]- Работы над БДПТ с использованием тиратронов проводились в 30-е годы и в СССР Д.А. Завалишиным, Б.Н. Тихме-невым и др. [.36]. Следующий скачок в развитии БДПТ стал возможен после изобретения в 1948 г. транзистора и в 1957 г. тиристора. Одним из первых транзисторных БДПТ был двигатель, предложенный Брайлсфордом в 1954 г. [6о\. Создание фирмой Intel микропроцессора в 1971 г. положило начало новому этапу в развитии БДПТ. С появлением в середине 90-х гг. прошлого века микроконтроллеров и цифровых сигнальных процессоров, ориентированных на управление двигателями, а также программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) стало возможным интегрировать все составные части БДПТ и устройство управления в одно единое целое, которое и получило название мехатронного модуля [¿?о]. Мехатронный модуль является сложным электротехническим комплексом.

Одной из основных причин возрастающей популярности БДПТ является появление новых магнитов на основе редкоземельных материалов и усовершенствование технологии их производства. За последние 40 лет магнитная энергия материалов, используемых для создания первичного магнитного поля, возросла в несколько раз. Если в 60-х годах использовались ферриты, максимальная магнитная энергия которых достигала 4 Мгс э, то с середины 90-х годов налажено производство магнитных материалов на основе сплава неодим-железо-бор, магнитная энергия которого достигает 40 Мгс э [5<5]. Самое последние достижение в производстве магнитов на основе редкоземельных материалов связано с созданием их в виде кольца, что позволяет уменьшить число соединений между ротором и магнитным материалом в отличие от сегментированного ротора. Уменьшение числа соединений ведет к удешевлению технологического процесса размещения магнитного материала на роторе.

Проблемам разработки и исследования вентильных двигателей посвящено большое количество работ, среди которых следует отметить работы: Балагурова В.А. [ 3 ], Беленького Ю.М. [ <5 ], Бертинова А.И. [ 5 ], Бута Д.А. [// ], Дубенского

A.А. [Завалишина Д.А. [2. /], Куликова Н.И. [ 7], Лебедева Н.И. [34], Лозенко

B.К. [4 ], Микерова А.Г. [$], ОчинниковаИ.Е. [39].

Наиболее широко известными Российским предприятиями, которые выпускают вентильные двигатели, являются "МАШИНОАППАРАТ", которое выпускает двигатели серии ДБМ, КБ "ЭЛЕКТРОПРИВОД" (бывший Кировский филиал ФМАЗ "Дзержинец"), выпускающий двигатели серии ДБ, "Авионика" (3-й МПЗ), выпускающий двигатели серии ДП, ОАО "АЭРОЭЛЕКТРОМАШ" (прежнее название "Дзержинец"), которое помимо выпуска двигателей серии ДБ широко использует их в своих разработках.

Среди зарубежных производителей вентильных двигателей следует отметить следующие фирмы АУЕОХ [76], КОШУЮЯОЕК [6/], МТ1-8Е [77].

Наряду с совершенствованием технологии производства элементов сложного электротехнического комплекса происходило развитие принципов управления двигателями. Вследствие высокого к.п.д. транзисторов, работающих в режиме переключения, широкое распространение получил импульсный метод управления.

Проблемам импульсного управления в основном ДПТ посвящено большое количество работ. Среди них следует отметить работы:

- Германа-Галкина С.Г. [47], где приведены метод синтеза управляющих сигналов на основе временных диаграмм, их математическое описание и представлена реализация методов симметричной, несимметричной и поочередной коммутации ключевых элементов с помощью дискретных элементов для ДПТ, а также показаны схемы для реализации импульсного управления асинхронными двухфазными двигателями и асинхронными трехфазными двигателями;

- Глазенко Т.А. [15], в которых проведен анализ процессов, имеющих место при методах симметричной и несимметричной коммутации ключевых элементов, определены дополнительные потери мощности;

- Гольца М.Е., Гудзенко А.Б., Острерова В.М.[/£], в которых введено понятие поочередной коммутации ключевых элементов и понятия совместного и раздельного управления ключевыми элементами;

- Конева Ю.И.[^?3], где впервые введены понятия первого, второго и третьего импульсных режимов;

- Машукова Е.В.[35], в которой введены понятия сквозных токов первого, второго и третьего родов, а также предложены способы защиты от их возможного возникновения;

- Петрова Б.И., Полковникова В.А. 49], где введены понятия диагональной коммутации ключевых элементов и двигательного режима с рекуперацией энергии в сеть, математически описаны дополнительные потери мощности в ДПТ, вызванные пульсациями тока в якорной обмотке при методах симметричной, несимметричной и поочередной коммутации ключевых элементов, и зона прерывистых токов при методе диагональной коммутации ключевых элементов в системе "импульсный усилитель - исполнительный двигатель";

- Попова Б.Н.[4о], в которых введены понятия комбинированного управления и управляющего слова, представлены метод синтеза управляющих логических функций (УЛФ) и метод анализа управляющего слова для разных типов двигателей и приведено математическое описание УЛФ для методов коммутации ключевых элементов при 180-градусном управлении ключевыми элементами трехфазного бесконтактного двигателя постоянного тока;

- W. Bolton [<£4], где показаны основные принципы проектирования цифровых устройств, входящих в состав мехатронных модулей и реализующих импульсное управление;

- D. Schröder [7/], в которой для трехфазного бесконтактного двигателя постоянного тока рассмотрены формы токов и напряжений при 120-градусном управлении ключевыми элементами в случае использования максимальной скважности широтно-импульсного сигнала и приведена матричная запись дифференциальных уравнений, описывающих электрическую часть двигателя.

В работе Кокорева П.В. [24] предложена цифровая схема управления двухдвигательным электпроприводом, которая может использоваться в классе высокоточных систем.

Мехатронные модули с трехфазными бесконтактными двигателями постоянного тока в настоящее время широко используются в электрических приводах средней и малой мощности (до 10кВт), где предъявляются жесткие требования к уровню шума, безопасности, сроку службы, стоимости и т.д. Среди областей применения таких мехатронных модулей следует отметить:

- исполнительные системы управления роботов манипуляторов;

- электропривод лентопротяжных механизмов звуко- и видеозаписываю-щей аппаратуры [$о, 57];

- устройства внешней памяти электронно-вычислительной машины (накопители на жестких и мягких магнитных, лазерных и оптических дисках);

- медицинские аппараты (аппаратах "искусственная почка", принудительного кровообращения, аппаратах искусственной вентиляции легких);

- электроприводы авиационно-космических систем.

Постановка задачи.

В диссертационной работе рассматривается вариант мехатронного модуля, который является сложным электротехническим комплексом и входит в состав цифрового следящего привода (ЦСП), представленного в виде блок-схемы на рис.1. Выбранная структура ЦСП обеспечивает прямое цифровое управление и позволяет уменьшить потребляемую мощность, вес и габариты, а также повысить надежность ЦСП по сравнению с другими структурами, приведенными в [33].

ЦУМ

Кп а> смв

Я,

БДПТ

ЦСУ

Л А Л кс ДополнитЕлыгае сигнаЬы I

ИУМ сд+мп дпр

Фг ацп

МЕХЛТРОННЬШ МОДУЛЬ1

Сигналы с дополнительных датчиков

Рис.1. Блок-схема цифрового следящего привода

Задачей ЦУМ является формирование требуемого закона движения выходного вала ЦСП в виде некоторой функции и передачи ее посредством п-разрядного двоичного кода К , в качестве задающего воздействия, на вход ЦСП. Специализированный микропроцессорный вычислитель (СМВ) принимает этот код, а также сигнал или сигналы обратной связи в виде двоичного кода К или кодов Кср КС2, ., Ксм и формирует код управления Ку и ряд дополнительных сигналов, поступающих на вход мехатронного модуля. Код управления несет информацию о желаемой скорости и необходимом направлении вращения ротора двигателя. Дополнительные сигналы определяют текущий период широтно-импульсного сигнала и длительности паузы на включение ключевых элементов импульсного усилителя мощности. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует перемещение выходного вала ЦСП Ф в соответствующий к-разрядный двоичный код К , а также, в случае необходимости, сигналы, поступающие с других датчиков (например, датчика скорости, тока, давления и т.д.), в пропорциональные им двоичные коды. С выхода АЦП коды обратной связи поступают на вход СМВ.

В случае реализации быстродействующего токового контура, соответствующий код обратной связи поступает на вход ЦСУ, входящей в состав мехатронного модуля.

Помимо ЦСУ мехатронный модуль, приведенный на рис. 1 и рис.2, состоит из импульсного усилителя мощности (ИУМ), электрического двигателя (ЭД), роль которого выполняет трехфазный синхронный двигатель (СД), механической передачи (МП) и датчика положения ротора (ДПР). Якорная обмотка трехфазного СД располагается на статоре. Индуктор в виде магнита с несколькими парами полюсов размещается на роторе. ДПР реализован с помощью трех датчиков Холла с цифровым выходом.

Управляющие булевы функции л ч §

05 К я ш с;

СЙ М В Й и О. к с О ^ Л я л ц ш н к

X Ц о с о ч:

Рис.2. Схема мехатронного модуля

На рис.2 используются следующие обозначения: А, В, С - обмотки трехфазного СД; N - нейтральная точка; ГВ1ч), - напряжения на соответствующих фазах относительно нейтральной точки; КЭ1, КЭ2, КЭЗ, КЭ4, КЭ5 и КЭ6 - первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой ключевые элементы; I]г

112, 11у II4, иу 116 - управляющие булевы функции (УБФ); +, - - выводы источника питания.

Цифровая система управления принимает сигнал кода управления и дополнительные сигналы, поступающие с выходов СМВ и АЦП, а также сигналы местной обратной связи, формируемые ДПР. Сигналы о положении ротора несут информацию о текущем положении ротора трехфазного бесконтактного двигателя постоянного тока (БДПТ) и используются наряду с сигналами кода управления и дополнительными сигналами для формирования необходимых значений управляющих булевых функций, которые реализуют заданные методы коммутации ключевых элементов импульсного усилителя мощности. При коммутации КЭ ИУМ с учетом ЭДС вращения в каждой фазе формируются фазные напряжения. Фазные напряжения наряду с топологией импульсного усилителя мощности и внутренней структурой источника питания определяют контуры протекания токов и их значения в каждый момент времени. Векторная сумма токов в каждой из обмоток определяет результирующее магнитное поле статора. Взаимодействие этого поля с полем индуктора создает электродвижущий момент относительно оси ротора. Создаваемый электродвижущий момент, преодолевая сопротивление моментов, действующих навстречу, стремится повернуть ротор двигателя на заданный угол. Следовательно, мехатронный модуль, входящий в состав ЦСП, преобразует энергию источника питания согласно входным сигналам и внутреннему алгоритму работы в соответствующее перемещение выходного вала.

В качестве исполнительного двигателя используется трехфазный БДПТ, в котором обмотки соединены по схеме "звезда" и импульсный усилитель состоит из шести ключевых элементов для обеспечения реверсивного питания. Двигатель, в котором обмотки соединены между собой и с источником питания таким образом, обладает самым большим к.п.д. (70 -ь 90%) по сравнению с схемами соединения в "треугольник" и "с общим проводом", а также по сравнению с двухфазными БДПТ [/£, Зд].

Среди методов управления ключевыми элементами ИУМ для создания контуров протекания тока внутри коммутационного интервала могут использоваться

120-, 180- и 150-градусные методы управления. Коммутационным интервалом (межкоммутационным периодом) называется угол (в эл. градусах), на который поворачивается ротор двигателя между двумя соседними переключениями фаз. В случае использования 120-градусного управления любой ключевой элемент ИУМ находится во включенном состоянии в течение 120 градусов относительно полного периода фазного напряжения, т.е. в течение двух коммутационных интервалов из шести; при 180-градусном управлении - 180 градусов (п), т.б. на протяжение трех коммутационных интервалов из шести; при 150-градусном управлении — 150 градусов т.е. в течение пяти коммутационных интервалов из двенадцати. При использовании 120-градусного управления КЭ ИУМ и трапецеидальной ЭДС пульсации тока внутри коммутационного интервала будут минимальными по сравнению с остальными методами. Пульсации тока на коммутационном интервале влияют на дополнительные потери и на пульсацию скорости выходного вала.

Управление скоростью вращения ротора трехфазного БДПТ с постоянным магнитом на роторе может осуществляться либо с помощью регулирования среднего значения напряжения на обмотках двигателя, либо с помощью изменения активного сопротивления в цепи протекания тока. При втором способе управления имеют место большие потери мощности и крутизна механических характеристик зависит от добавочного сопротивления. Первый способ управления реализуется с помощью широтно-импульсной модуляции, при которой полупроводниковые элементы внутри коммутационного интервала находятся в режиме переключения, обеспечивая, тем самым, высокий к.п.д.

В англоязычной литературе для управления скоростью вращения ротора трехфазного БДПТ используются два метода коммутации КЭ ИУМ: hard chopping и soft chopping [73]. При этом приводится только их словесное описание, без математических выражений. В отечественной литературе отсутствует математическое описание используемых для управления скоростью вращения ротора двигателя методов коммутации КЭ ИУМ их классификация при 120-градусном управлении ключевыми элементами.

С учетом вышеизложенного, целью работы является разработка цифровой системы управления мехатронного модуля привода с трехфазным бесконтактным двигателем постоянного тока при 120-градусном управлении ключевыми элементами, реализующей методы коммутации ключевых элементов импульсного усилителя мощности с учетом различного сдвига сигналов о положении ротора, типа широтно-импульсного сигнала и дополнительных потерь мощности, вызванных пульсациями токов в обмотках якоря в течение периода широтно-импульсного сигнала.

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

1. разработать метод синтеза управляющих булевых функций, который позволит получить их математические выражения для различных методов коммутации ключевых элементов импульсного усилителя мощности трехфазного бесконтактного двигателя постоянного тока;

2. разработать метод анализа управляющего слова, который позволит получить пространственное отображение всех его состояний и переходов при выбранном методе коммутации ключевых элементов, исследовать цикличность состояний и переходов управляющего слова, определить равномерность загрузки ключевых элементов импульсного усилителя мощности по току за один оборот ротора двигателя и выявить условия возможного возникновения сквозных токов в стойках импульсного усилителя мощности;

3. создать математическое описание внутренних сигналов цифровой системы управления, которые позволят реализовать различные методы коммутации ключевых элементов импульсного усилителя мощности;

4. разработать математическую модель мехатронного модуля, которая позволит проанализировать влияние метода коммутации ключевых элементов на вид выходных сигналов цифровой системы управления и исследовать влияние пульсаций токов в обмотках трехфазного бесконтактного двигателя постоянного тока для определения дополнительных потерь мощности при различных методах коммутации ключевых элементов импульсного усилителя мощности;

5. разработать библиотеку блоков на языке описания цифровых устройств, с помощью которых можно описать цифровую систему управления, реализующую выбранные методы коммутации ключевых элементов импульсного усилителя мощности, и в результате получить выходной файл, используемый при программировании интегральной схемы;

6. разработать лабораторный макет мехатронного модуля и провести его экспериментальные исследования для подтверждения теоретических положений и результатов математического моделирования.

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

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Кривилев, Александр Владимирович

6.4. Выводы к разделу

Создано программное обеспечение, которое позволяет автоматизировать экспериментальную проверку аналитических выражений логических переменных и управляющих булевых функций при различных методах коммутации ключевых элементов импульсного усилителя мощности.

Создан мехатронный модуль, состоящий из платы цифровой системы управления, платы импульсного усилителя мощности, датчика положения ротора и трехфазной синхронной машины ДБМ40-0.025-4-3 и позволяющий экспериментально проверить аналитические выражения логических переменных и управляющих булевых функций для различных методов коммутации ключевых элементов при 120-градусном управлении ключевыми элементами импульсного усилителя мощности, а также исследовать физические процессы, происходящие в энергетическом канале. Результаты экспериментальной проверки мехатронного модуля с использованием метода поочередной коммутации ключевых элементов импульсного усилителя мощности практически совпали с соответствующими результатами математического моделирования, выполненными с помощью приложения SIMULINK, и подтвердили теоретические положения, приведенные в Разделе 1.

Разработана плата цифровой системы управления с программируемой логической интегральной схемой EPM7064SLC44-10 (ALTERA), которая обеспечивает прямое цифровое управление трехфазным бесконтактным двигателем постоянного тока. Габариты платы 90x45x10 мм. Плата цифровой системы управления потребляет 50 миллиампер при напряжении питания 5 вольт.

Создана плата импульсного усилителя мощности, в состав которой входят три драйвера усиления IR2110S {International Rectifier) и шесть транзисторов IRFZ34N (International Rectifier). Габариты платы 90x45x15 мм. Плата импульсного усилителя мощности потребляет менее 10 миллиампер при напряжении питания 15 вольт. Плата может использоваться для управления скоростью вращения ротора трехфазного бесконтактного двигателя постоянного тока мощностью до 150 Вт с пусковым током до 14 А, работающих во всех квадрантах механической характеристики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан инженерный метод синтеза управляющих булевых функций, основанный на анализе электромагнитных процессов в двигателе и отличающийся от известных ранее методов на основе анализа временных диаграмм тем, что позволяет получить математические выражения для произвольных законов коммутации ключевых элементов многостоечных импульсных усилителей мощности.

Практическое использование метода показано на примере формирования управляющих булевых функций при 120-градусном управлении ключевыми элементами трехстоечного импульсного усилителя мощности.

2. Получены математические выражения управляющих булевых функций для методов симметричной, несимметричной и поочередной коммутации ключевых элементов, которые учитывают:

- влияние взаимного расположения векторов магнитной индукции индуктора и якоря на создаваемый движущий момент;

- тип широтно-импульсного сигнала;

- паузу на включение ключевых элементов.

Математические выражения управляющих булевых функций для метода несимметричной коммутации ключевых элементов являются частными случаями математических выражений, описывающих метод поочередной коммутации ключевых элементов.

Математическое описание метода поочередной коммутации ключевых элементов с учетом паузы на их включение при центрированном широтно-импульсном сигнале с одним обновлением данных за период ШИС и заднем фронтальном широтно-импульсном сигнале имеет одинаковый вид.

Аналитические выражения, описывающие метод поочередной коммутации ключевых элементов с учетом паузы на включение ключевых элементов при переднем и заднем фронтальных широтно-импульсных сигналах, являются частными случаями аналитических выражений при использовании центрированного широтно-импульсного сигнала с двумя обновлениями данных за цериод широтно-импульсного сигнала.

3. Разработан инженерный метод анализа управляющего слова на основе графов, отличающийся от известного метода, основанного на модифицированных картах Карно, тем, что позволяет:

- получить пространственное отображение всех состояний и переходов управляющего слова при выбранном методе коммутации ключевых элементов;

- исследовать цикличность состояний и переходов управляющего слова как за период фазных напряжений, так и внутри коммутационного интервала;

- определить равномерность загрузки ключевых элементов по току за период фазных напряжений;

- выявить условия возможного возникновения сквозных токов в стойках импульсного усилителя мощности.

Разработанный метод объемных графов был применен для анализа управляющего слова при законах симметричной, несимметричной и поочередной коммутации ключевых элементов как с учетом сигналов паузы на включение ключевых элементов, так и без их учета.

При использовании методов симметричной и поочередной коммутации ключевых элементов импульсного усилителя мощности за период фазных напряжений ключевые элементы равномерно загружены по току.

4. Получены математические выражения сигналов о положении ротора трехфазного бесконтактного двигателя постоянного тока и внутренних сигналов цифровой системы управления.

Математические выражения сигналов о положении ротора учитывают число пар полюсов и различные комбинации значений сигналов, поступающих с трех цифровых датчиков Холла.

Математические выражения внутренних сигналов цифровой системы управления описывают:

- загруженные код управления, код разрядности кода управления, код частоты следования импульсов из генератора импульсов и код длительности паузы на включение ключевых элементов;

- знак и абсолютное значение внутреннего кода управления;

- сигнал заданного направления вращения;

- сигнал заданной скорости вращения;

- сигнал равномерной загрузки ключевых элементов по току за оборот ротора двигателя;

- сигнал разрешения записи загруженных данных;

- сигнал паузы на включение ключевых элементов;

- внутренние сигналы о положении ротора двигателя.

В том случае, если основным критерием при проектировании цифровой системы управления является минимальная емкость, необходимая для реализации алгоритма работы, то следует использовать фронтальный широтно-импульс-ный сигнал. В противном случае необходимо применять центрированный широт-но-импульсный сигнал с двойным обновлением данных за период, обеспечивающий более высокое быстродействие.

5. Разработана математическая модель мехатронного модуля в системе визуального моделирования SIMULINK с использованием дополнений POWER SYSTEM Blocksets и STATEFLOW Blocksets, которая позволяет исследовать процессы в информационном и энергетическом каналах.

Разработанная модель мехатронного модуля была использована для:

1. исследования влияния методов коммутации на вид выходных сигналов цифровой системы управления и на характер момент-кинематических координат мехатронного модуля, которые показали, что на периоде широтно-импульс-ного сигнала при методе: а) диагональной коммутации ключевых элементов двигатель может находиться в:

- двигательном режиме;

- двигательном режиме с рекуперацией энергии в источник;

- режиме прерывистых токов; б) симметричной коммутации ключевых элементов двигатель може-]г находится в:

- двигательном режиме;

- двигательном режиме с рекуперацией энергии в источник;

- режиме противовключения;

- режиме рекуперативного торможения; в) несимметричной и поочередной коммутации ключевых элементов двигатель может находиться в:

- двигательном режиме;

- режиме электродинамического торможения;

- режиме рекуперативного торможения;

2. анализа влияния пульсаций токов на дополнительные потери мощности в силовой части мехатронного модуля, которые показали, что при методе симметричной коммутации ключевых элементов максимальные дополнительные потери в 3.5 и 8 раз превышают аналогичные потери при несимметричной и поочередной коммутации ключевых элементов соответственно.

Если основным критерием при проектировании мехатронного модуля является малое потребление энергии, то необходимо использовать метод поочередной коммутации ключевых элементов, в противном случае следует использовать метод симметричной коммутации ключевых элементов трехфазного бесконтактного двигателя постоянного тока, так как отсутствует зона нечувствительности.

6. Разработана библиотека блоков на языке описания цифровых устройств VHDL, которую можно использовать для описания работы цифровой системы управления, реализующей полученные методы коммутации ключевых элементов. Разработанная библиотека блоков использовалась для описания работы цифровой системы управления, реализующей метод симметричной коммутации ключевых элементов, при котором отсутствует зона нечувствительности, в отличие от методов несимметричной и поочередной коммутации ключевых элементов. В результате был получен выходной файл, необходимый для программирования ЦЛИС.

7. Проведены экспериментальные исследования разработанного лабораторного макета мехатронного модуля с использованием написанного на языке Object Pascal программного обеспечения, формирующего различные последовательности

192 значений управляющих сигналов на входе ЦСУ. Основные теоретические положения и результаты математического моделирования нашли подтверждение в проведенных экспериментальных исследованиях.

8. Основные теоретические положения диссертационной работы и их экспериментальные подтверждения были использованы при создании микроконтроллера имплантируемой системы обхода левого желудочка сердца, разрабатываемой Московским авиационным институтом соместно с НИИТиИО; в устройстве управления привода аппарата искусственной вентиляции легких, разрабатываемого ФГУП МОКБ "МАРС"; при создании рулевого привода маневренного летательного аппарата, разрабатываемого ОАО "Аэроэлектромаш"; а также в научных исследованиях и учебном процессе кафедры "Системы приводов авиационно-космической техники".

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кривилев, Александр Владимирович, 2002 год

1. Антонов А.П., Мелехин В.Ф., Филиппов A.C. Обзор элементной базы фирмы ALTERA. СПб.: Правда, 1997. - 142 е.: ил.

2. Антонов А.П. Язык описания цифровых устройств AlteraHDL. Практический курс. М.: ИП РадиоСофт, 2001. - 224 е.: ил.

3. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф., Ларионов Л.Н. Электрические машины с постоянными магнитами. «Энергия». 1964.

4. Балагуров В.А., Лозенко В.К., Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока. Труды третьей всесоюзной конференции по бесконтактным машинам. 1966.

5. Бертинов А.И., Горайко О.Г., Дубенский A.A. Бесконтактные двигатели постоянного тока. Труды третьей всесоюзной конференции по бесконтактным машинам. 1966.

6. Бесконтактные моментные электродвигатели ДБМ. Справочник. 1992. 90с.

7. Бесконтактный моментный привод. Технико-экономическая информация. Беленький Ю.М., Зеленков Г.С. и Микеров А.Г. Л: ЛДНТП, 1990 - 28с.

8. Беленький Ю.М., Микеров А.Г. Выбор и программирование параметров бесконтактного моментного привода. Л.: ЛДНТП, 1990. - 24с., ил.

9. Бибило П.Н. Основы языка VHDL. -М.: Солон-Р, 2000. 200с., ил.

10. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины: Учебное пособие для электромеханических и электроэнергетических спец. втузов. М.: Высшая школа, 1985.-255с., ил.

11. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины: Учебное пособие для электромеханических и электроэнергетических специальных вузов. М.: Высшая школа, 1990. 416 е.: ил.

12. Бут Д.А. Основы электромеханики: Учебное пособие. М.: Изд-во МАИ, 1996. -468 е.: ил.

13. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем. MATLAB 6.0 КОРОНА принт, 2001. - 320 с.

14. Глазенко Т.А. Импульсные полупроводниковые усилители в электроприводах. -М.-Л.: Энергия, 1965. 187 с.

15. Гольц М.Е., Макаров Г.А., Остреров В.М., Шпиглер Л.А. Устройство управления реверсивным электроприводом постоянного тока. Авт. свид. № 221118. СССР, опубл. «Бюллетень изобретений», 1968 №21

16. Гультяев A.K. MATLAB 5.2. Имитационное моделирование в среде Windows: Учебное пособие. СПб.: КОРОНА принт, 1999. - 288 с.

17. Двигатели постоянного тока с полупроводниковыми коммутаторами. Сборник статей под редакцией И.Е. Овчинникова. JL: Наука, 1972.

18. Дубенский A.A. Бесконтактные двигатели постоянного тока. М.: Энергия, 1967.

19. Ефремов Д.В., Радовский М.Н. Электродвигатель в его историческом развитии. М.-Л.: АН СССР, 1936.

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

21. Козаченко В.Ф. Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам // ж-л Chip News №1, 1999. -с.2-9.

22. Конев Ю.И. Транзисторные импульсные устройства управления электродвигателями и электромагнитными механизмами. М.-Л.: Энергия, 1964. 120 с.

23. Кокорев П.В. «Двухдвигательный моментный электропривод в прецизионных приборах». Динамические свойства следящих систем: Сб. науч. тр. М. МАИ, 1986.-80 е., ил.

24. Кривилев A.B., Попов Б.Н. "Однокристальный микроконтроллер пневмо- и гидродвигателей". Сборник докладов Всероссийской конференции "Пневмо-гидроавтоматика-99". Москва. 1999 г.

25. Крымов Б.Г., Рабинович J1.B., Стеблецов В.Г. Исполнительные устройства систем управления летательными аппаратами. М.: Машиностроение, 1987. 264 с.

26. Лебедев Н.И., Овчинников И.Е. Бесконтактные двигатели постоянного тока. -М.: Наука, 1979.

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

28. Микеров А.Г. Обзор исторического развития вентильных электродвигателей малой мощности, 1988. Электричество.

29. Нефедов В.Н., Осипова В.А. Курс дискретной математики: Учебное пособие. М.: Изд-во МАИ, 1992. -264 с. ил.

30. Общий курс электропривода: Учеб. для вузов. / Козаченко В.Ф., Ильинский Н.Ф. -М.: Энершатомиздат, 1992. 544 с : ил.

31. Овчинников И.Е. Теория вентильных электрических двигателей. Л.: Наука. 1985.- 164 с.

32. Попов Б.Н. Диссертационная работа на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва, 2001. - 385 с.

33. Практическое моделирование динамических систем. Е.Бенькович, Ю.Колесов, Ю.Сениченков. СПб.: BHV. 2001.

34. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Цифровые устройства: Учебное пособие для втузов. СПб.: Политехника, 1996. - 885 е.: ил.

35. Силовые полупроводниковые приборы. Перевод с английского Под ред. В.В. Токарева. Первое издание. Воронеж. 1995.

36. Силовые системы управления параппотируемыми объектами: Учебное пособие / В.И. Толмачев, А.Н. Геращенко, В.В. Глазунов, Б.Н. Попов; Под редакцией В.И. Толмачева. М.: Изд-во МАИ, 1995. - 168 е.: ил.

37. Стешенко В.Б. ПЛИС фирмы ALTERTA: проектирование устройств обработки сигналов. М.: ДОДЭКА, 2000. - 128 с.

38. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. СПб.: БХВ - Санкт-Петербург, 200. -528 е.: ил.

39. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями/ С.Г. Герман-Галкин, В.Д. Лебедев, Б.А. Марков, Н.И. Чичерин. Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1986. - 248 е., ил.

40. Электропривод систем управления летательных аппаратов./ Б.И. Петров, Л.Д. Панкратьев, В.А. Полковников, Н.П. Паппе, Под ред. Б.И. Петрова, М.: Машиностроение, 1973 359 с.

41. Электропривод летательных аппаратов: Учебник для авиационных вузов / В.А. Полковников, Б.И. Петров, Б.Н. Попов и др.: Под общей редакцией В.А. Полковникова, 2-е издание переработанное и дополненное. М.: Машиностроение, 1990. - 352 с. .

42. Энциклопедия ремонта. Выпуск 12: Микросхемы для управления электродвигателями. М.: Додека, 1999,288 с.

43. Энциклопедия ремонта. Выпуск 14 : Микросхемы для управления электродвигателями. Выпуск 2. М.: Додека, 2000. - 288 с.

44. ALTERA device data book (May 1999).

45. Brailsford. Commutatorless Direct Current Motor. Патент США. 2719.944, 1955.

46. Ellis G Advances in Brushless DC Motor Technology, Control and Manufacture. PCIM-Europe. 1996.

47. Control integrated circuits. Designers' Manual. International Rectifier. 1996.

48. IEEE DESIGN & TEST OF COMPUTURES, SUMMER 1996, FPGA and CPLD Architectures: A Tutorial. Stephen Brown, Jonathan Rose. University of Toronto.

49. Mechatronics: Electronic control systems in mechanical and electrical engineering / W. Bolton. Longman. 1999.

50. Using MATLAB. User's guide. Version 6. 2000

51. Using POWERSYS. User's guide. Version 2.1. 2000

52. Using SIMULINK. User's guide. Version 4. 2000

53. Using STATEFLOW. User's guide. 2000.

54. Wyk J. D. Van. Electronic control of electromechanical energy conversion in electrical machines. Rotterdam: Drukkerij Bronder-Offset, 1969.

55. WSTRO & WSTROU WaveStar™ Software for Oscilloscopes. User Manual.