Содержание к диссертации
Введение
1. Аппараты искусственной вентиляции легких 10
1.1 Классификация аппаратов ИВЛ и требования к ним 10
1.2 Медико-технические требования к аппарату ИВЛ 11
1.3 Принципы построения аппаратов ИВЛ 14
1.4 Привод 19
1.5 Сравнительная оценка приводов аппаратов ИВЛ. 24
1.6 Выводы 27
2 Электроприводы аппаратов ИВЛ 29
2.1 Затраты мощности в аппарате ИВЛ 29
2.2 Требования к электроприводу 30
2.2 Применяемые типы электроприводов 36
2.3 Функциональная схема электропривода, построенного на основе ВД и краткое описание её элементов 40
2.4 Математическое описание ВД как динамической системы 43
2.5 Анализ энергетических режимов привода 53
2.5 Выводы 62
3. Векторное управление ВД 64
3.1 Сравнительная оценка бездатчиковых способов управления ВД 64
3.2 Управляемый синхронный режим 68
3.3 Динамические свойства привода в управляемом синхронном режиме 73
3.4 Выводы 81
4. Диагностика состояния электропривода и методы повышения его живучести 83
4.1 Общие методы оценки состояния элементов электропривода 83
4.2 Определение электромагнитного момента и момента сопротивления ВД 88
4.3 Выводы 94
5. Практическая реализация и экспериментальные исследования 96
5.1 Турбинный компрессор КВМ-1 96
5.2. Поршневые компрессоры аппаратов Фаза и ZisLine 102
5.3 Исследование КПД электродвигателя 109
5.4 Выводы. 111
Заключение 112
Список литературы
- Принципы построения аппаратов ИВЛ
- Применяемые типы электроприводов
- Управляемый синхронный режим
- Определение электромагнитного момента и момента сопротивления ВД
Введение к работе
Актуальность работы определяется необходимостью организации производства и оснащения медицинских учреждений страны отечественной высокоэффективной медицинской техникой, в частности, аппаратурой искусственной вентиляции лёгких (АИВЛ).
Аппараты искусственной вентиляции лёгких используются, чаще всего, в критических ситуациях, связанных с угрозой жизни пациента. Поэтому эффективность и надёжность их действия напрямую влияют на решение вопроса сохранения его жизни. Более 80% потребностей отечественной медицины в АИВЛ покрывается за счет покупки аппаратов иностранного производства. В России на текущий момент производством АИВЛ занимается целый ряд предприятий например ОАО «Уральский приборостроительный завод», г. Екатеринбург, фирма «Тритон-Электронике», г. Екатеринбург, ООО «ФакторМед-Техника», г. Москва, НПК «Оптима», г. Санкт-Петербург. Однако, в своих разработках эти предприятия используют электроприводы преимущественно зарубежного производства, которые, наряду с очевидными достоинствами, имеют и определенные недостатки, такие как, например, ременные передачи, наличие которых значительно снижает ресурс и надежность электропривода. Учитывая солидные затраты зарубежных производителей на рекламу (маркетинг), отечественным предприятиям, при использовании тех же самых (импортных) электроприводов, пока удается охватить не более 15-20% отечественного рынка. При этом, современное состояние науки и техники в России позволяет разрабатывать и изготавливать электроприводы АИВЛ, которые не уступают зарубежным аналогам по основным характеристикам, а по некоторым и превосходят их, обеспечивая конкурентное преимущество как на отечественном, так и на зарубежном рынках.
В последнее время в электроприводах АИВЛ нашли применение вентильные электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов, имеющие высокие удельные показатели и отличную управляемость. При этом в поршневых компрессорах чаще всего использовались приводы с высокоскоростными двигателями и понижающими скорость вращения механизмами. Это существенно сокращало ресурс работы привода, понижало его надёжность и повышало стоимость. Кафедра ЭМЭМС ЮУрГУ одна из первых предложила использовать безредукторный привод. С одной стороны это позволило существенно уменьшить скорость вращения двигателя и исключить узел понижения скорости, соответственно повысив ресурс его работы и уменьшив стоимость. С другой стороны поставило ряд вопросов, возникающих при создании безредуктор-ного привода. К ним следует отнести обеспечение равномерности вращения, сокращение числа информационных датчиков, диагностики состояния, снижение энергопотребления и др.
Исследованием низкооборотных приводов с ВД, в том числе и для медицинской техники, занимались С.А. Петрищев, А.Ф. Шевченко, Д.В. Коробатов, В.А. Лифанов, С.Г. Воронин, Г. Б. Вяльцев и целый ряда других авторов. Однако в работах указанных авторов практически не рассмотрены вопросы вектор-
ного управления ВД, слабо освещены вопросы обеспечения заданных динамических свойств, равномерности вращения двигателя, минимизации электрических потерь, диагностики его состояния. Между тем, при создании электропривода АИВЛ эти вопросы выступают на первый план. Например, равномерность вращения двигателя напрямую влияет на равномерность воздушного потока, поступающего в лёгкие и строго регламентируется. Без их решения, как показала практика, невозможно создание удовлетворяющего специфическим требованиям, конкурентноспособного электропривода АИВЛ.
На основании изложенного целью работы является развитие теории без-редукторных электроприводов с вентильными двигателями для аппаратов искусственной вентиляции лёгких
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Анализ и систематизация требований, предъявляемых к электроприводам АИВЛ, обоснование выбранного типа и разработка электропривода, максимально удовлетворяющего предъявляемым требованиям на основе исследований способов коммутации и описания динамических процессов.
-
Определение алгоритмов коммутации вентильного двигателя, обеспечивающих максимальное значение электромагнитного к.п.д. двигателя
-
Разработка алгоритмов управления электроприводом аппарата искусственной вентиляции легких на основе исследований динамических режимов в управляемом синхронном режиме и методов демпфирования колебаний ротора.
-
Разработка методов непрерывной диагностики состояния электропривода в процессе его эксплуатации, обеспечивающих получение информации, необходимой для прогнозирования отказов.
-
Уточнение математических моделей динамических процессов электропривода в составе АИВЛ.
6. Внедрение разработанных электроприводов для аппаратов искусст
венной вентиляции легких.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались теоретические и эмпирические методы исследования, базирующихся на фундаментальных положениях теории электромеханического преобразования энергии, теории автоматического управления, а также методы математического моделирования с использованием стандартных компьютерных программ.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается следующим:
при математическом описании и моделировании электромеханических преобразователей использованы общепринятые в электромеханике и теоретической электротехнике, проверенные практическими разработками допущения;
адекватность используемых математических моделей, результаты моделирования и теоретических исследований подтверждены экспериментальными данными, полученными автором;
- основные положения диссертации докладывались и обсуждались на на
учно-технических конференциях различного уровня и опубликованы в печати,
в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК.
Научное значение работы:
теоретически обоснованы условия, в виде соотношения электромагнитной и электромеханической постоянных, при которых динамическая модель ВД с возбуждением от постоянных магнитов с достаточной степенью точности соответствует динамической модели классического коллекторного двигателя постоянного тока;
установлено, что при определённом соотношении параметров электродвигателя дискретная 120-градусная коммутация по энергетическим показателям не проигрывает векторному управлению и с этой точки зрения может оказаться даже более предпочтительной;
установлено, что при векторном управлении за счет регулирования угла коммутации ВД при изменении скорости вращения появляется возможность не только решать вопросы минимизации энергопотребления двигателя, но и существенно изменять его механические характеристики;
разработан упрощенный алгоритм векторного управления ВД в управляемом синхронном режиме, обеспечивающий высокую равномерность вращения двигателя при стабильной нагрузке на валу;
предложен новый метод оценки электромагнитного момента двигателя по измеряемым электрическим координатам, которая одновременно осуществляет диагностику механической части ИВЛ и управление электроприводом.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
- аналитические соотношения электромагнитной и электромеханической
постоянных, при которых динамические процессы в ВД могут рассматриваться
в виде линейных дифференциальных уравнений, либо в виде нелинейной модели с перекрестными связями;
упрощенный алгоритм векторного управления ВД в управляемом синхронном режиме;
метод оценки электромагнитного момента двигателя по измеряемым электрическим координатам;
Научная новизна работы заключается в следующем:
впервые определены условия, ограничивающие область существования упрощенной и полной моделей ВД;
теоретически показана возможность оптимизации энергетических показателей двигателя и качественного изменения вида его механической характеристики путем регулирования угла коммутации в функции от скорости вращения ротора;
разработан метод определения электромагнитного момента по измеряемым электрическим координатам, позволяющий одновременно решать вопросы диагностики состояния двигателя и управления им в рабочем режиме
дано теоретическое обоснование и разработана практическая схема реализации управляемого синхронного режима ВД, отличающегося значительным
сокращением требуемого вычислительного ресурса при реализации векторного управления по сравнению с другими известными методами.
Практическое значение работы заключается в следующем: -обосновано, что в большинстве случаев для АИВЛ компрессорного типа предпочтительно применение электропривода, построенного на основе вентильных электродвигателей (ВД) с векторным управлением;
определены соотношения параметров электродвигателя, при которых дискретная 120-градусная коммутация по энергетическим показателям не проигрывает векторному управлению;
разработан упрощенный, с точки зрения объёма используемого вычислительного ресурса, алгоритм векторного управления ВД обеспечивающий высокую равномерность вращения двигателя при стабильной нагрузке на валу;
внедрены в производство разработанные электроприводы, по техническим характеристикам и эксплуатационным свойствам не уступающие лучшим современным отечественным и зарубежным образцам
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на конференциях:
на XXXXI Всероссийском симпозиуме по механике и процессам управления «Механика и процессы управления» (г. Миасс, 2011 г.);
на IV международной научно-практической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (ТГУ, Тольятти, 2012 г.);
на международной научно-практической конференции «Измерения: состояние, перспективы развития» (ЮУрГУ, Челябинск, 2012 г.);
на международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (ИГЭУ, Иваново, 2013 г.);
на II научной конференции аспирантов и докторантов (ЮУрГУ, Челябинск, 2010 г.);
на научно технических конференциях Южно-Уральского государственного университета (2008-2013 гг.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ, из них 4 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав основного текста объемом 113 страниц, заключения, списка литературы из 112 наименований, трех приложений. Общий объем диссертации 145 страниц, включая 37 рисунков и 3 таблиц.
Принципы построения аппаратов ИВЛ
Искусственная вентиляция легких (ИВЛ) – метод поддержания газообмена в организме периодическим искусственным перемещением воздуха или другой газовой смеси в легкие и обратно в окружающую среду. Аппарат искусственной вентиляции лёгких (аппарат ИВЛ) – это медицинское оборудование, которое предназначено для принудительной подачи газовой смеси (кислород + сжатый осушенный воздух) в лёгкие с целью насыщения крови кислородом и удаление из лёгких углекислого газа. Аппарат ИВЛ может быть как ручным (мешок «АМ-БУ»), так и механическим. Сжатый воздух для работы механического аппарата может подаваться как из центральной системы газоснабжения медицинского учреждения или баллона сжатого воздуха (при транспортировке), так и от индивидуального миникомпрессора. Современные аппараты ИВЛ являются крайне высокотехнологичным медицинским оборудованием. Они обеспечивают респираторную поддержку пациента, как по объему, так и по давлению. Существует масса режимов вентиляции, в том числе те, которые позволяют пациенту переходить от контролируемого к спонтанному дыханию.
Способы проведения искусственной вентиляции Существует два основных способа искусственной вентиляции легких (ИВЛ): способ вдувания и наружный (внешний) способ. При первом способе ИВЛ осуществляется путем подачи газовой смеси непосредственно в верхние дыхательные пути; при втором – в результате наружного воздействия на стенки грудной полости: грудную клетку или диафрагму [1]. В настоящей диссертации речь идет об аппаратах первого типа.
При этом способе поступление дыхательного газа в легкие обеспечивается его нагнетанием в легкие. Существует два главных типа ИВЛ: вентиляция с положительным давлением и вентиляция с отрицательным давлением. Вентиляция с положительным давлением может быть инвазивной (через эндотрахеальную трубку) или неинвазивной (через лицевую маску) [2]. Возможна также вентиляция с переключением фаз по объёму и по давлению. К многочисленным разным режимам ИВЛ относятся управляемая искусственная вентиляция (CMV), вспомогательная искусственная вентиляция (ВИВЛ, ACV), перемежающаяся принудительная (мандаторная) вентиляция (IMV), синхронизированная перемежающаяся принудительная вентиляция (SIMV), вентиляция с контролируемым давлением (PCV), вентиляция с поддерживающим давлением (PSV), вентиляция с инвертированным отношением вдоха и выдоха (иИВЛ, IRV), вентиляция сбросом давления (PRV) [3, 4, 5] и высокочастотные режимы.
1) Аппарат должен обеспечивать подачу дыхательной смеси пациенту по нереверсивному дыхательному контуру. Необходимо также обеспечить возможность работы аппарата во многих режимах.
Для обеспечения этих требований целесообразно управление аппаратом осуществлять с помощью микропроцессора. Применение перепрограммируемой памяти программ позволит создать гибкую систему управления и производить диагностику состояния аппарата в рабочем режиме.
Индикацию установленных параметров для улучшения восприятия необходимо отображать на цифровых табло. При работе аппарата должны отображаться такие параметры: минутная вентиляция, частота вентиляции, отношение длительности вдоха к длительности цикла, объем вдоха, скорость вдувания, температура дыхательной смеси.
Во избежание несчастных случаев во время ИВЛ, особенно при длительной ИВЛ [9,10], должны быть предусмотрены световая и звуковая сигнализации в случаях: превышение температуры дыхательной смеси выше 41 С, непредвиденного отключения напряжения питающей сети, разгерметизации дыхательного контура.
Электрическое питание аппарата должно осуществляться как от сети переменного тока напряжением 220В с частотой 50Гц, так и переходить на автономный источник питания - аккумуляторные батареи напряжением 12В.
Аппарат ИВЛ должен быть надежным и удобным в эксплуатации и обеспечивать минимальные затраты времени, энергии и средств на ремонт. При этом минимальная рабочая температура +10С, максимальная рабочая температура +35 С.
В составе аппарата ИВЛ (АИВЛ) можно выделить три структурных блока: - источник газа, подаваемого пациенту (генератор вдоха); - распределительное устройство, представляющее собой совокупность исполнительных механизмов, обеспечивающих характеристики газового потока в различных фазах дыхательного цикла в соответствии с управляющими сигналами, поступающими на их входы; - система управления, формирующая эти сигналы по алгоритмам, определяемым выбранными режимами и параметрами ИВЛ [1].
Анализ принципов построения современных зарубежных АИВЛ показывает, что в конструкции распределительного устройства применяются электронно-управляемые исполнительные механизмы, а система управления и отображения информации построена, как правило, на мощной микропроцессорной технике.
Эти принципы построения позволяют обеспечить: - высокую надёжность работы аппарата и безопасность для пациента; - функциональность, то есть возможность реализации большинства апробированных методик ИВЛ; - мониторинг задаваемых параметров и параметров состояния пациента.
В отечественных образцах АИВЛ преобладает принцип построения распределительного устройства на комбинации пневмомеханических и электромеханических исполнительных механизмов. Этот принцип не позволяет использовать в системе управления все возможности микропроцессорной техники, так как многие параметры режимов ИВЛ приходится регулировать вручную.
Применяемые типы электроприводов
Генератором выдоха называют устройство, обеспечивающее во время выдоха выведение газа из легких пациента и характеризующееся максимальным создаваемым давлением и внутренним сопротивлением. Во время ИВЛ с пассивным выдохом в аппарате ИВЛ генератор выдоха отсутствует, но теоретически и в этом случае можно считать, что к пациенту во время выдоха подключен генератор выдоха с нулевым максимальным давлением и незначительным внутренним сопротивлением липни выдоха.
По мере развития ИВЛ появляется тенденция к усложнению требований к различным временным характеристикам дыхательного цикла. Организация в аппарате высокочастотного режима работы, задержки на вдохе, вспомогательной вентиляции, изменения отношения продолжительностей вдоха и выдоха, перемежающейся принудительной вентиляции – все это требует в определенные моменты обеспечить быстрое прекращение или, наоборот, начало вдувания газа в легкие пациента. Такое гибкое управление «ременными характеристиками дыхательного цикла практически неосуществимо в генераторах вдоха переменного потока с механическим приводом. Оно затруднительно и при других видах привода генераторов вдоха этого типа, поскольку такой генератор определенную долю дыхательного цикла находится в состоянии подготовки к следующему вдуванию газа.
Поскольку способ подведения энергии к аппарату ИВЛ оказывает глубокое влияние на потребительские свойства и конструкцию, целесообразно детально рассмотреть эти способы и проанализировать их особенности. В аппаратах с ручным приводом источником энергии является мускульная сила оператора. Непосредственное сжатие мешка или меха рукой полностью выявляет преимущества этого привода: простоту устройства, минимальные потери мощности и получение оператором ощущения непосредственного контакта с легкими пациента. Эти аппараты не являются, конечно, альтернативой всем другим и находят применение в скорой помощи и как аварийное средство.
Пневматический привод
Поскольку выходной энергией аппарата ИВЛ является энергия пневматическая, то и привод его от заранее сжатого газа кажется наиболее простыми удобным. О внедрении в практику такого привода свидетельствует развивающееся оснащение лечебных учреждений системами централизованной подачи кислорода. В России и во многих зарубежных странах организовано серийное производство элементов пневмоавтоматики, выполняющих роль силовой части аппаратов и системы их управления. Преимуществом аппарата с пневмоприводом является возможность выполнения его автономным, т.е. независящим от внешнего источника энергии, что имеет первостепенное значение для экстренной помощи пациенту в службе скорой помощи, горноспасательной службе, службе спасения утопающих и т.п. Даже в условиях стационарного лечебного учреждения может возникнуть необходимость проведения ИВЛ в ситуации экстренной реанимации в приемном и других неспециализированных отделениях, в оснащение которых аппаратура ИВЛ не входит. В таких случаях компактный аппарат, обеспечивающий ИВЛ в течение хотя бы 20 мин без подключения к внешнему источнику энергии, крайне необходим. В аппарате с пневмоприводом сравнительно просто обеспечить изоляцию дыхательных путей пациента от атмосферы, непригодной для дыхания. Если дыхательный газ или окружающая атмосфера взрывоопасны, то пневматический привод аппарата потенциально менее опасен, чем электрический. Это способствовало широкому распространению аппаратов ИВЛ с пневмоприводном, ап 21 параты ИВЛ с пневматическим приводом РО-9Н [16], «Диана» [17] (Россия), NPB-840 [18] (США), Flight 60 [1918] (Израиль) и др.
Особенно много подобных моделей предназначено для экстренной реанимации. Они могут обеспечить ИВЛ от придаваемых им одного-двух баллонов со сжатым кислородом, при давлении до 15 МПа (150 кг/см2) в течение примерно 20 мин без подсоса окружающего воздуха и в течение почти часа непрерывной работы с подсосом воздуха. Для сохранения возможно большего ресурса автономной работы в транспортном средстве скорой помощи (автомашине, самолете, судне, поезде) целесообразно размещать баллон со сжатым кислородом емкостью 20 – 40 л, который является источником питания не только аппаратуры ИВЛ, но и ингаляционных и наркозных аппаратов. В момент извлечения аппарата ИВЛ из транспортных средств он должен автоматически переключаться на питание от встроенного источника малой емкости.
Электропривод
С помощью привода аппарата от электросети возможно проведение ИВЛ практически в любом лечебном учреждении, на дому у пациента, а при соблюдении определенных условий – и транспортном средстве скорой помощи. Электропривод можно использовать без затруднений при длительно выполняемой ИВЛ. Стабильность электросети гораздо выше, чем пневмосети, а характеристики электросети в настоящее время едины во всей стране. С помощью привода от электросети можно устранить трудности в тех случаях, когда с аппаратом ИВЛ применяют вспомогательные устройства – увлажнители-подогреватели вдыхаемого газа, мониторы для слежения за состоянием пациента, сигнализаторы и т.п. Все возрастающим преимуществом электропривода является возможность использования в цепях управления достижений современной электроники
Управляемый синхронный режим
Метод, основанный на расчете противо-ЭДС Указанный метод использует отношение значения противо-ЭДС и положение ротора. Идея состоит в том, чтобы вычислить значение пространственного вектора противо-ЭДС для определения угла положения ротора. Т.к. магнитное поле ротора с постоянными магнитами сориентировано по оси d (опорная вращающая система координат ориентирована по полю ротора), противо-ЭДС всегда сориентирована по оси q. Положение ротора может быть рассчитано, проецируя вектор противо-ЭДС от dq-осей на неподвижную систему координат (-оси). -состовляющие противо-ЭДС показаны в 3.1 и 3.2. Положение ротора рассчитано, используя 3.3 [90]
Также существуют другие методы, основанные на противо-ЭДС, которые требуют наблюдатели потока или фильтры Калмана. Такие методы дают хорошие результаты в средне и высокоскоростных рабочих областях. В области низкой и нулевой скорости, противо-ЭДС становиться малым, т.к. она пропорциональна скорости вращения ротора, и его измерение становятся проблематичным. Большая ошибка в расчете противо-ЭДС приводит к большим ошибкам в оценке положения ротора. Как следствие, метод противо-ЭДС не может быть использован для бездатчикового управления ВД в области низкой и нулевой скорости.
Метод, основанный на потокосцеплении статора Представленный метод оценивает положение ротора, используя вектор по-токосцепления статора, который определяется, используя уравнения напряжения в неподвижной системе координат. Как можно видеть, напряжение фазы, ток и сопротивление должны быть известны для определения вектора потокосцепления статора. Интегрированное направление – проблема этого метода оценки, и его стоит избегать, используя верные методы интеграции. Начальное положение ротора не определяется с этим технологическим приемом.
Метод, основанный на расчете индуктивности фазы статора Значение индуктивности фазы статора ВД зависит от положения ротора. Существуют некоторые бездатчиковые методы, которые получают информацию о положении ротора из непрерывных расчетов индуктивности фазы статора. Этот метод предполагает, что индуктивность не меняется в течение одного периода переключения вследствие изменения положения ротора (это означается высокую частоту переключения). Результаты непрерывных расчетов сравниваются со справочной таблицей, которая содержит значения индуктивности для заданного положения ротора. [92]
Для расчета индуктивности должны быть известны сопротивление статора и потокосцепление магнитного потока. Для точного расчета индуктивности необходима частота переключения больше чем 10кГц. Этот метод самостоятельно не способен определить положение ротора при нулевой скорости, т.к. напряжение при нулевой скорости равно нулю. Метод, основанный на предполагаемом положении ротора
В этот способе, какое-то положение ротора принимается верным и переменные машины (напряжение или ток) рассчитываются в опорной вращающейся системе координат. После этого измеренные машинные переменные (напряжение или ток) преобразуются к вращающейся системе координат, используя предполагаемое положение ротора. Ошибка между преобразованными значениями и значениями, полученными из предыдущего расчета модели, используется для полу чения погрешности ошибки в предполагаемом положении ротора. Затем корректируется предполагаемое положение ротора
Каждая ошибка напряжения или тока может быть использована для корректировки положения ротора. Было обнаружено, что метод, основанный на токовой ошибке, дает лучшие результаты, чем метод, основанный на ошибке напряжения. Но и этот метод бездатчивого управления не обнаруживает начальное положение ротора
Методы, основанные на наблюдателях
В этот методе используется модель машины, и модель подключена к тем же входам, что и реальная машина (напряжение, момент нагрузки). Ошибка между переменными реальной машиной и на выходе модели, таких как скорость и положение ротора используются в состоянии наблюдателя с целью исправления любой ошибки между предполагаемой и реальной скоростью и положением.
Т.к. модель ВД нелинейна, проектирование состояние наблюдателя оказывается достаточно сложным. Что касается наблюдателей, на которых построена модель, на них влияет изменение параметров ВД. Для улучшения модели наблюдателя могут быть использованы непрерывные оценки параметров ВД. Метод, основанный на наблюдателях, требует высокой вычислительной мощности и не может определять начальное положение ротора [92].
Метод, основанный на введении высокочастотного сигнала Принцип этого метода заключается в том, что высокочастотный ток или напряжение вводится в возбуждение машины. Этот введенный высокочастотный сигнал индуцирует напряжение или ток, который содержит информацию относительно положения ротора. Использование подходящих методов обработки сигнала дает возможность оценить положение ротора
Определение электромагнитного момента и момента сопротивления ВД
Применение полевых транзисторов в качестве переключающих элементов позволило обеспечить максимальную энергоэффективность инвертора, при которой его КПД составил 0,94. Блокирующие конденсаторы C15 – C18, подключенные параллельно источнику основного питающего напряжения +24В, предназначены для сокращения длины контуров циркуляции токов нагрузки и уменьшения, таким образом, влияния паразитной индуктивности печатных проводников и выводов электронных элементов. При конструировании топологии печатной платы БУД эти элементы были расположены в непосредственной близости от соответствующих выводов VT1 – VT6. Ток источника питания +24В, протекающий через инвертор, протекает также через параллельно включенные резисторы R6 – R10, создавая на них пропорциональное падение напряжения, которое через апериодический фильтр R4, C8 с постоянной времени 0,5 мкс поступает на вход токовой защиты интегрального драйвера U1, управляющего затворами силовых транзисторов VT1 – VT6. Блокирующие конденсаторы C9, C10 в цепи питания U1 развязывают напряжение питания драйвера +12В относительно общей точки информационных (вывод 12) и силовых (вывод 13) цепей. Времязадающая цепь R5, C11 формирует на входе 11 U1 задержку (около 20 мс), необходимую для повторного включения драйверов микросхемы после срабатывания токовой защиты. Резисторы R13 – R21 ограничивают максимальные токи в управляющих цепях силовых транзисторов VT1 – VT6. Элементы VD1 – VD3, C12 – C14 образуют так называемые бутстрепные цепи, предназначенные для питания элементов драйверов U1, управляющих «верхними» силовыми ключами инвертора VT1, VT3, VT5. Во время работы бутстрепных цепей, конденсаторы C12 – C14 заряжаются через прямо смещенные диоды VD1 – VD3 от источника напряжения +12В во время отпирания «нижних» силовых ключей инвертора (VT2, VT4, VT6), а после запира 105 ния последних некоторое время, необходимое для работы драйвера верхнего ключа в той же секции инвертора, сохраняют напряжение заряда. Тот факт, что напряжение питания драйвера верхнего ключа уменьшается с течением времени и скачкообразно увеличивается при включении нижнего ключа соответствующей секции инвертора, накладывает ограничение на непрерывное время работы верхнего ключа. На этапе программирования и наладки БУД было экспериментально установлено, что минимально необходимое для зарядки бутстрепного конденсатора время составляет не менее 3 мкс, а снижение напряжения на заряженном конденсаторе до уровня срабатывания защиты по напряжению (около 8 В) происходит примерно за 4 мс. Таким образом, даже если необходимо постоянно поддерживать верхний силовой ключ в проводящем состоянии, то, несмотря на это, необходимо делать технологические паузы и через каждые 3…4 мс запирать верхний ключ и отпирать нижний ключ в той же секции инвертора для зарядки бутстрепного конденсатора на время, не менее 3 мкс, затем его запирать и снова отпирать верхний ключ. Для работы алгоритма управления инвертором, были приняты величины временных интервалов соответственно 3 мс и 3 мкс. Такая особенность алгоритма управления приводит к уменьшению максимального напряжения на двигателе, однако доля снижения напряжения составляет всего 3 мкс/3 мс 100 % = 0,01 % от максимального и не оказывает существенного влияния на выходные характеристики БУД.
Формирование сигналов, управляющих драйверами силовых транзисторов, в соответствии с разработанным при реализации проекта алгоритмом управления, производится с помощью выбранного в процессе проектирования микроконтрол лера STM8S103K3T6C (DD1). Это современный инновационный продукт от ST
Microelectronics, обладающий исключительным соотношением це на/производительность и цена/выполняемые функции. Периферийные устройства микроконтроллера содержат необходимый для управления бесконтактным электродвигателем аппаратный широтно-импульсный модулятор (ШИМ). Микроконтроллер содержит откалиброванный изготовителем внутренний генератор такто 106 вых сигналов с частотой 16 МГц, не требующий подключения внешних компонентов. Указанные факторы явились определяющими при выборе микроконтроллера для реализации проекта.
Конденсаторы C1, C3 фильтруют напряжение питания микроконтроллера (+5В) и напряжение на выходе 5 внутреннего регулятора напряжения микроконтроллера DD1. Времязадающая цепь R1, C2 создает задержку при подаче напряжения на вход сброса 1 микроконтроллера, необходимую для надежного запуска всех функциональных блоков микроконтроллера DD1 при подаче питания на БУД. Резисторы R2, R3 ограничивают максимальные токи сигналов, поступающих на входы X9 «ШИМ» и X10 «РЕВЕРС» БУД, а также защищают входы 29, 30 микроконтроллера DD1 от недопустимых перенапряжений. Выходные сигналы ДПР электродвигателя поступают на контакты X1 «ДХ1», X2 «ДХ2», X3 «ДХ3» БУД, непосредственно соединенные с входами 25, 27, 28 микроконтроллера DD1. Напряжение питания +5В на ДПР подается через контакт X5 «+5В» БУД. Неиспользуемые выводы DD1 подключены к общей точке информационных цепей для снижения вероятности возникновения помех и увеличения площади соответствующего проводника на печатной плате. Общей точкой для сигналов ДПР, а также входных и выходных информационно-управляющих цепей БУД является контакт X4 «Общ.», соединенный внутри БУД с отрицательным полюсом основного источника питания +24В. Импульсный сигнал, соответствующий частоте вращения вала двигателя, поступает с вывода 31 DD1 на контакт X14 «СКОРОСТЬ» через инвертор-преобразователь уровня, выполненный на биполярном транзисторе VT7 и резисторах R11, R12. Напряжения питания элементов БУД +12В и +5В формируются с помощью интегральных стабилизаторов DA1, DA2, с подключенными к ним фильтрующими конденсаторами C4 – C7, из основного напряжения питания +24В.
