Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время при создании пассажирских, транспортных и боевых самолетов перспективным является использование вместо гидравлических силовых систем - электрические, и глубокое внедрение электромеханических приводов. Современные мехатронные модули на основе бесконтактных двигателей постоянного тока (БДПТ) стали серьезными конкурентами коллекторных двигателей постоянного тока. Доля их применения в электротехнических комплексах, там, где раньше применялись коллекторные двигатели постоянного тока, неуклонно растет. Мехатронные модули на основе трехфазных БДПТ занимают прочное положение в производственных программах ведущих зарубежных компаний, таких как «Siemens», «К.Е.В.», «Control Techniques» и т.д. К сожалению, в России не производится подобных мехатронных модулей в масштабах способных покрыть возрастающий спрос, что обуславливает технологическую зависимость от зарубежного производителя.
Бесконтактные двигатели постоянного тока различаются по количеству секций обмотки, по способу их соединения и способу питания. Наибольшее распространение получили трехфазные БДПТ с реверсивным питанием. Секции обмотки трехфазного БДПТ могут быть соединены по схеме «звезда» (Y) или по схеме «треугольник» (А). На практике наибольшее применение нашло соединение секций обмотки в Y, что в ряде публикаций связывается с наличием потерь мощности из-за контурных токов при соединении секций обмотки в А. Однако при одном и том же напряжении питания, в случае использования соединения секций обмотки в А возможно получение скорости холостого хода в 1,73 раза большей, чем при соединении секций в Y. На мировом рынке мехатронных модулей на основе трехфазных БДПТ присутствует ряд фирм, выпускающих мехатронные модули на основе БДПТ с соединением секций обмотки по схеме А. Например, компании «Portescape», «Maxon motors» и «Faulhaber» выпускают подобные мехатронные модули мощностью до 0,6 кВт. Отечественное предприятие «Машиноап-парат» выпускает бесконтактные моментные электродвигатели серии ДБМ с возможностью соединения секций обмотки по схеме «треугольник».
Цель и задачи работы
Целью работы является разработка и исследование мехатронного модуля на основе трехфазного БДПТ при соединении секций обмотки по схеме А с углами коммутации 2л/3 и л электрических радиан при реализации законов управления процессом коммутации ключевых элементов импульсного усилителя мощности. А также сравнение схем соединения секций обмотки в Y и в А, различных углов и законов коммутации.
В работе ставятся и решаются следующие научно-технические задачи:
Формирование совокупности условий управления мехатронным модулем на основе трехфазного БДПТ при соединении секций обмотки в А.
Получение управляющих логических функций, связывающих функциональ-
ной зависимостью условия управления мехатронного модуля, которые представлены в виде логических переменных, и управляющие слова, поступающие на входы КЭ, при соединении секций обмотки в А при 2л/3 и при л-коммутации.
Анализ законов управления процессом коммутации в случае 2л/3 и л-коммутации для определения случаев протекания сквозного тока.
Разработка управляющего логического автомата мехатронного модуля, позволяющего управлять БДПТ при соединении секций обмотки в А, в случае реализации законов управления процессом коммутации ключевых элементов.
Анализ влияния схемы соединения секций обмотки, выбора угла коммутации и законов управления процессом коммутации на механические и энергетические характеристики мехатронного модуля, и определение дополнительных потерь мощности, возникающих при широтно-импульсном управлении скоростью.
Исследование гармонического состава тока для определения случаев возникновения потерь мощности от контурных токов.
Разработка мехатронного модуля и проведение его экспериментальных исследований для подтверждения полученных теоретических положений и результатов компьютерного моделирования.
Методы исследования основаны на теории дискретных управляющих автоматов, теории логического управления, основных положениях теории электрических машин, теории спектрального анализа и компьютерном моделировании.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Для мехатронного модуля на основе трехфазного БДПТ впервые было получено шесть вариантов аналитических выражений управляющих логических функций симметричного, несимметричного, поочередного и диагонального законов коммутации, равнозначность которых подтверждена экспериментально.
Разработана математическая модель датчика положения ротора дискретного типа, позволяющая описать с единой методологической позиции условия управления мехатронным модулем на основе БДПТ при любом количестве секций обмотки, схеме их соединения и угле коммутации.
Разработан метод определения всех возможных допустимых переходов закона коммутации, необходимый при его анализе и разработан метод определения альтернативных управляющих слов для использования их в энергосберегающих законах коммутации.
Разработана компьютерная модель мехатронного модуля на основе трехфазного бесконтактного двигателя постоянного тока, позволяющая моделировать электромагнитные и электромеханические процессы в секциях обмотки при их соединении по схеме Y и по схеме А.
Проведен сравнительный анализ механических и энергетических характеристик мехатронного модуля на основе БДПТ для соединения секций обмотки в Y и в А при 27г/3 и л-коммутации для законов симметричной, несимметричной, поочередной и диагональной коммутации.
Впервые показано, что при синусоидальной противоЭДС в случае широтно-импульсного управления скоростью при 27г/3 и л-коммутации ключевых элемен-
тов импульсного усилителя мощности БДПТ, секции обмотки которого соединены в А, не возникают контурные токи, а следовательно нет потерь мощности от контурных токов.
Практическая значимость полученных автором диссертации результатов для теории и практики определяется следующим:
разработанный метод анализа законов коммутации позволяет при проектировании мехатронного модуля на основе БДПТ выбрать закон коммутации с наименьшим количеством случаев протекания сквозного тока и равномерной загрузкой ключевых элементов по току;
разработанная компьютерная модель мехатронного модуля позволяет исследовать электромагнитные и электромеханические процессы при соединении секций обмотки в Y и в А при смещении как всей системы чувствительных элементов датчика положения ротора, так и каждого элемента в отдельности;
разработанная на языке VHDL библиотека моделей функциональных блоков может быть использована для построения устройств управления БДПТ на платформе программируемой логики.
Результаты, выносимые на защиту
Разработан метод анализа законов управления процессом коммутации и синтеза состояний, используемых в паузе между включением и выключением ключевых элементов одной стойки импульсного усилителя мощности при реализации алгоритма исключения сквозного тока.
Получены шесть вариантов управляющих логических функций в зависимости от расположения нуля датчика положения ротора для законов управления процессом коммутации, входящих в группу совместного и раздельного управления, при 27г/3 и л-коммутации в случае соединения секций обмотки БДПТ по схеме Y и А. Показано, что шесть вариантов управляющих логических функций при соединении секций в Y и А совпадают.
Предложена обобщенная форма записи шести вариантов аналитических выражений управляющих логических функций.
Разработана математическая модель датчика положения ротора дискретного типа, позволяющая математически описывать с единой методологической позиции условия управления мехатронным модулем при любом количестве секций обмотки, схеме их соединения и при любом угле коммутации.
Проведен спектральный анализ токов при соединении секций обмотки в «треугольник». Показано, что при синусоидальной противоЭДС широтно-импульсное управление скоростью при углах коммутации 2л/3 и л электрических радиан не приводит к потерям мощности от контурных токов.
Проведен сравнительный анализ известных законов коммутации в случае 27г/3 и л-коммутации при соединении секций обмотки в Y и в А.
Определены статические и динамические характеристики мехатронного модуля на основе трехфазного БДПТ при соединении секций обмотки в А.
Достоверность результатов
Обоснованность научных результатов, выводов и рекомендаций обусловлена использованием апробированных математических моделей бесконтактного двигателя постоянного тока и среды визуального моделирования Simulink с библиотеками расширения SimPowerSystems, а также подтверждена экспериментальными исследованиями действующего образца.
Внедрение результатов
Результаты работы нашли применение в цифровом приводе устройства до-ворота рупора пространственного динамического координатора, разработанного ФГУП «ГосНИИАС», и внедрены в учебный процесс на кафедре «Системы приводов авиационно-космической техники».
Апробация работы и публикации
Результаты работы были доложены и обсуждены на XVI, XVII и XVIII международных научно-технических семинарах «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», 2007-2009 гг., Алушта, и на юбилейной всероссийской научно-технической конференции «Моделирование авиационных систем», 2011 г., Москва.
Основные материалы диссертации опубликованы в восьми печатных работах, три из которых - в изданиях, входящих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий высшей аттестационной комиссии РФ.
Структура и объем работы
Диссертация выполнена в объеме 149 стр. основного текста, в том числе 105 рис., 21 табл., список использованных источников, насчитывающий 94 наименования, и восьми приложений на 102 стр.
