Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ИТС И
ТРЕБОВАНИЯ К УПРАВЛЕНИЮ
Состояние и перспективы развития ИТС с электроприводом 9
Функциональная и кинематическая схема привода 14
Источник питания 21
Электродвигатель 22
Система управления электроприводом 27
Требования к системе управления 30
Выводы по главе 31
2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ВД ПРИ РАЗНЫХ СПОСОБАХ
УПРАВЛЕНИЯ
Общие замечания 33
Принятые допущения 34
Предварительные соотношения 35
Статические характеристики при дискретной коммутации 38
180-градусная коммутация 38
120-градусная коммутация 43
2.5 Статические характеристики при векторном управлении 46
Набор базовых векторов 180-градусной коммутации 50
Набор базовых векторов 120-градусной коммутации 54
Учет факторов, влияющих на момент ВД 55
Результаты и выводы по главе 56
3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА И АЛГОРИТМЫ
УПРАВЛЕНИЯ
Общие замечания
Математическая модель привода при малой скорости 58
Модель электропривода при больших перемещениях 68
Электропривод ИКК как цифровая система 69
Управление электроприводом в разомкнутой системе 74
Управление в контуре регулирования положения при торможении и удержании на месте 77
Управление скоростью в замкнутой системе 83
Управление скоростью в замкнутой по положению системе 87
Модальное управление при дискретном векторе состояния 92
Модифицированный дискретно-модальный регулятор 97
Восстановление непрерывных координат состояния по измеренным дискретным значениям 99
Выводы по главе 105
4. РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УРАВЛЕНИЯ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ. ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Выбор элементной базы 107
Размещение узлов электропривода 108
Принципиальная схема электропривода 110
Испытания ИКК и опыт эксплуатации 112
Измерение потребляемого тока и мощности 113
Определение эффективности рабочей и автоматической тормозной системы 115
Определение максимальной скорости, ускорения и торможения... 116
Определение минимального радиуса поворота и минимальной ширины разворота 116
Определение угла преодолеваемого подъема 117
Сравнение алгоритмов управления 118
Опыт эксплуатации
4.5 Выводы и заключительные положения 119
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 121
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 122
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ПРОГРАММА РАСЧЕТА ФОРМЫ ТОКОВ 138
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ПРОГРАММА ПЕРЕСЧЕТА МАТРИЦ ОБЪЕКТА В
ЦИФРОВУЮ ФОРМУ 139
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. СХЕМА ЭЛЕКТРОПРИВОДА 140
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. СХЕМА БЛОКА УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ 141
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. СХЕМА ПУЛЬТА УПРАВЛЕНИЯ 142
ПРИЛОЖЕНИЕ 6. ПРОГРАММА МИКРОКОНТРОЛЛЕРА БЛОКА
УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ 143
ПРИЛОЖЕНИЕ 7. ПРОГРАММА МИКРОКОНТРОЛЛЕРА ПУЛЬТА
УПРАВЛЕНИЯ 159
Введение к работе
Актуальность работы обусловлена необходимостью создания в нашей стране доступных транспортных средств для инвалидов (ИТС) с электроприводом. Создание ИТС быстрыми темпами происходит в США, Германии, Японии, Англии и других странах, где не только налажено серийное производство, но и существует разработка индивидуальных ИТС для конкретного человека. Однако стоимость таких ИТС с электроприводом составляет от 4 тысяч долларов и выше. Современное состояние отечественной промышленности позволяет реализовать выпуск относительно дешевых ИТС с электроприводом стоимостью до 1,5 тысяч долларов и создать конкуренцию аналогичным импортным изделиям. Такое производство с серийным выпуском ТС для инвалидов организовано, например, на Уфимском заводе металлических и пластмассовых изделий (УЗМПИ) и на фирме «ИНКАР» Калининград при НПО «ЭНЕРГИЯ».
В электроприводе ИТС нашли применение вентильные двигатели (ВД) или синхронные двигатели (СД) с возбуждением от постоянных магнитов, исследованные в работах И.Е. Овчинникова, В.К. Лозенко, С.А. Петрищева, В.А. Лифанова, С.Г. Воронина, А.В. Тиманова, В.Д. Константинова и целого ряда других авторов. В большинстве работ указанных авторов описание электромагнитных процессов дается в предположении синусоидальной ЭДС вращения. Реальный электромеханический преобразователь (ЭМП), используемый в ИТС характеризуется несинусоидальной ЭДС, поэтому, существующие математические модели ЭМП в большинстве случаев не могут быть использованы при разработке алгоритмов управления электроприводом ИТС и с этой точки зрения нуждаются в уточнении.
Вопросы качества и безопасности движения ИК с электроприводом рассмотрены в работах А.В. Батаева, А.Б. Петленко, Н.Ф. Васильева, А.Л. Логинова, Аль-масуд Тауфик. Авторы анализируют движение коляски с электроприводом в различных режимах, рассматривают вопросы маневренности и управляемости ИК с электроприводом, предлагают алгоритмы работы системы управления, позво-
ляющие оптимизировать энергопотребление электропривода, рассматривают вопросы обеспечения безопасности движения ИК, путем соответствующего управления двигателями. Но в этих работах недостаточно внимания уделяется особенностям работы ВД в ИТС. Например, не рассматривается вопросы влияния пульсаций момента ВД на характер движения и тяговые характеристики ИТС, хотя известно, например, что пусковой момент ВД уменьшается на величину этих пульсаций.
Цель работы — обеспечение максимальной эффективности, маневренности, комфортности и безопасности эксплуатации ИКК при оптимальном использовании ресурсов, выделяемых для целей управления.
Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:
анализ электромагнитных процессов в ЭМП при несинусоидальной ЭДС вращения и разных способах управления, направленный на поиск оптимального алгоритма коммутаций секций ВД;
расчет формы фазных токов ЭМП для получения максимального электромагнитного момента при любом положении ротора;
синтез алгоритмов работы СУ, обеспечивающих максимальную маневренность и комфортность для людей с различной степенью нарушения моторных функций, с учетом ограничений, накладываемых человеком и ресурсами системы;
математическое моделирование электромагнитных процессов, происходящих в ЭМП при несинусоидальной ЭДС, и динамических процессов движения ИКК, для подтверждения эффективности предлагаемых решений и корректности принятых допущений;
экспериментальное исследование системы управления движением ИКК.
Методы исследований. В работе использовались методы теории автоматического управления, приближенного решения нелинейных дифференциальных
уравнений, векторного анализа, элементарных вычислений, цифрового моделирования на ЭВМ.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием методов расчета статических и динамических процессов в математических и компьютерных моделях при общепринятых допущениях, результатами внедрения и эксплуатации ИТС с системой управления электроприводом, экспериментальными исследованиями и машинными (ЭВМ) экспериментами.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
результаты анализа электромагнитных процессов в электромеханическом преобразователе при несинусоидальной ЭДС вращения в режимах дискретной коммутации секций и при векторном управлении, методика расчета токов в секциях ВД, обеспечивающих максимальный электромагнитный момент, статические моментные характеристики ВД;
математические модели ЭМП и электропривода в целом реализованные в виде программ для ЭВМ, позволяющие имитировать статические и динамические режимы работы привода, область применения каждой из моделей;
алгоритмы управления ИТС в различных режимах движения, сравнение разных алгоритмов с точки зрения качества управления, сложности реализации и удобства управления людьми с ограниченными возможностями;
программная реализация алгоритмов управления с применением современных микропроцессорных средств, функциональные и принципиальные схемы электропривода, анализ преимуществ микропроцессорной реализации.
Научное значение результатов работы.
1. Получена математическая модель ВД при несинусоидальной ЭДС вращения в координатах фазных токов, отличающаяся простотой реализации, позволяющая исследовать электромагнитные процессы как при дискретной коммутации секций ВД, так и в режиме векторного управления, которая может быть ис-
пользована для расчета в реальном времени угла поворота и скорости вращения ротора ВД.
Предложена методика расчета фазных токов, обеспечивающих получение максимального электромагнитного момента при несинусоидальной ЭДС вращения, во всем диапазоне углов поворота ротора ВД.
Предложены алгоритмы управления ИКК различной степени сложности с учетом влияния электроприводов колес друг на друга, влияния случайных возмущений и влияния времени реакции человека на окружающую обстановку, позволяющие достичь оптимальных показателей по динамическим и энергетическим характеристикам движения объекта в условиях ограниченности ресурсов.
Практическое значение работы.
Получены алгоритмы управления СУ ИТС, обеспечивающие повышенную маневренность ИТС, повышающие чувство комфортности человека, улучшающие безопасность реализации режимов движения, дающие возможность применения ИКК для конкретного человека, за счет изменения программного обеспечения, а не аппаратных реализаций.
Создана СУ ИТС, обеспечивающая наилучшие динамические и энергетические показатели движения и обладающая гораздо меньшей стоимостью по сравнению с зарубежными аналогами.
Разработан комплекс программного обеспечения, включающий математические модели, программы расчета параметров моделей и алгоритмов управления, позволяющий в значительной степени формализовать процесс проектирования.
Реализация результатов работы
На основе предложенных схем, алгоритмов и программного обеспечения создан электропривод инвалидного кресла-коляски БК-35, выпускаемой ОАО «Уфимский завод металлических и пластмассовых изделий» и вошедшей в список ста лучших товаров России в 2005 г.
Результаты работы внедрены в электроприводе аппарата искусственной вентиляции легких, выпускаемом ОАО «Уральский приборостроительный завод».
Материалы диссертационной работы применяются при чтении лекций в курсах «Микропроцессорные средства и системы» и «Микропроцессорная техника» для студентов специальностей 140601 «Электромеханика» и 140609 «Электрооборудование летательных аппаратов».
Апробация работы. Основные положения работы рассматривались и обсуждались:
на международной молодежной научной конференции «Интеллектуальные системы управления и обработки информации», Уфа, УГАТУ, 1999г.
на международной научно-технической конференции «XIV Бенардосовские чтения», Иваново, ИГЭУ, 2007.
на П-ой Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», Тольятти ТГУ, 2007.
на XXXVI Уральском семинаре по механике и процессам управления, г. Миасс 2006, 2007 гг.
на научно-технических конференциях ЮУрГУ в 1999-2007 г.г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 статей общим объемом 48 печатных страниц. На оригинальные технические решения получен патент на изобретение.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста объемом 120 страниц, заключения, списка литературы из 163 наименований, восьми приложений. Общий объем диссертации 170 страниц, включая 44 рисунка и 6 таблиц.
