Разработка и исследование мехатронного модуля на основе трехфазного бесконтактного двигателя постоянного тока при соединении секций обмотки по схеме «треугольник»

В последнее время мехатронные модули (ММ) на основе бесконтактных двигателей постоянного тока (БДГТГ) стали серьезными конкурентами коллекторных двигателей постоянного тока (ДПТ). Доля их применения в электротехнических комплексах, там, где раньше применялись ДПТ, 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 масштаV бах способных покрыть все возрастающий спрос, что обуславливает технологическую зависимость от зарубежного производителя.

Под бесконтактным двигателем постоянного тока понимается объединение синхронного двигателя с датчиком положения ротора и полупроводникового усилительно-преобразовательного устройства. Эти двигатели называют еще вентильными двигателями. В отечественной литературе также встречаются такие названия как бесколлекторный или бесщеточный двигатель постоянного тока, машины с полупроводниковыми коммутаторами, электронно-коммутируемые двигатели и т. д.

В СССР идея создания электродвигателя, который мог бы стать бесколлекторным (бесконтактным) аналогом ДПТ, возникла в 30-е годы XX века. Бесконтактные аналоги ДПТ должны были обладать хорошими регулировочными характеристиками, большими пусковыми моментами и исключали бы такие недостатки ДПТ как малый срок службы, повышенная чувствительность к воздействиям окружающей среды, образования щеточной пыли и т. д. Работы по созданию БДПТ велись Завалишиным Д. А. [1], Вегнером О. Г. [1], Губановым М. М. [2], Тихменевым Б. Н. [3] и другими [4], ими были заложены теория и принципы функционирования БДПТ. Однако схемы управления БДПТ строились на громоздких ненадежных ионных приборах с низким к.п.д., что ограничивало их практическое применение.

Вновь к созданию и разработке теории управления и принципов действия БДПТ обратились в конце 50-х начале 60-х годов. Что было вызвано, с одной стороны, промышленным освоением производства полупроводниковых приборов, а с другой стороны, возникновением острой потребности бурно развивающейся космической техники в электродвигателях, способных долго работать в сложных условиях окружающей среды [5]. В эти годы количество публикаций посвященных проблемам разработки теории, методов расчета схем и конструкций БДПТ и ИУМ растет необычайно быстро. Среди этих работ следует отметить работы Овчинникова И. Е. и Лебедева Н. И. [6,7], Дубенского А. А. [8], Конева Ю. И [9], Вевюрко И. А. [10], Бута Д. А. [11], Ми-керова А.Г. и Беленького Ю. М. [12,13], Балагурова А. И., Лозенко В. К. [14] и Адволоткина Н. П. [15]. Большинству названных авторов принадлежит большое количество работ, посвященных БДПТ, и, как правило, более поздние работы на более высоком уровне повторяют предыдущие.

Ввиду высокого к.п.д. транзисторов, работающих в режиме переключения, преимущественное распространение получил импульсный метод управления. Развитие импульсного управления БДПТ шло следом за развитием импульсного управления ДПТ. Вследствие чего, схемы импульсного управления, используемые для ДПТ, переходили в область управления БДПТ. Среди работ, посвященных импульсному управлению ДПТ, изложенные в которых идеи и описанные схемы нашли отражение в разработках теорий импульсного управления БДПТ, следует отметить следующие.

— Конева Ю. И. [16], где вводятся понятия первый, второй и третий импульсный режимы;

— Гольца М. Е., Гудзенко А. Б., Острерова В. М. и. Шпиглера Л. А [17], где вводятся понятия раздельное и совместное управление, классифицирующие электромеханические процессы в системе «импульсный усилитель мощности — двигатель постоянного тока», а так же введено понятие поочередной коммутации;

— Петрова Б. И. и Полковникова В. А. [18], где вводится понятие диагональной коммутации;

— Конева Ю. И [10], Полковникова В. А., Паппе В. П. [21], Машукова Е. В. [19] и Ногина В. Н. [20], где вводится понятие «сквозной ток короткого замыкания», и разработаны методы борьбы со сквозными токами и защиты от их действия;

— Конева Ю. И [16], Гольца М. Е., Гудзенко А. Б. [17], Полковников В. А., Петрова Б. И.,[18], Глазенко Т. А. [22], где проанализированы электромагнитные процессы, протекающие в ДГТГ при импульсном управлении.

Очередным этапом в развитии БДПТ можно считать вторую половину.

70-х и начало 80-х годов, когда произошло существенное расширение номенклатуры интегральных схем, что позволило обеспечить цифровую реализацию импульсных методов управления [15,18,23]. В это время получает известность термин «прямое цифровое управление», под которым понималась цифровая реализация импульсного управления.

В 80-е — 90-е годы появляются процессоры обработки сигналов (DSP — Digital Signal Processors) со встроенными средствами цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразования, процессоры с RISC-архитектурой (RISC — Reduced Instruction Set Computer, компьютер с сокращенным набором команд). Тогда же формируются понятия проблемно-ориентированных кристаллов типа базовые матричные кристаллы, появляются программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), позволяющие реализовать практически любые цифровые автоматы, в том числе микроконтроллеры электродвигателей. В конце 90-х годов появился новый класс микропроцессорных устройств, ориентированных на управление электродвигателями — Motor Control [24−27].

Данные тенденции сделали необратимым процесс перехода от аналоговых систем управления приводами к системам, построенных на принципе прямого цифрового управления. При этом под прямым цифровым управлением теперь понимается не только непосредственное управление полностью управляемыми полупроводниковыми приборами импульсного усилителя мощности от управляющего логического автомата (УЛА), но и обеспечение возможности ввода в УЛА в цифровом виде сигналов различных обратных связей.

Среди работ, посвященных управлению БДПТ от УЛА при прямом цифровом управлении, следует отметить работы.

— Попова Б. Н. [28−31], в которых представлена теория синтеза законов управления процессом коммутации ключевых элементов (КЭ) ИУМ, введено определение закона управления процессом коммутации КЭ и классификация законов, рассмотрены законы управления процессом коммутации КЭ ИУМ БДПТ при 7Г-коммутации при соединении обмоток БДПТ по схеме «звезда»;

— Козаченко В. Ф. [32,33], в которых описана реализация векторного управления БДПТ на микроконтроллерах;

— Рывкина С. Е. [34,35], в которых описываются алгоритмы управления КЭ реализуемые на базе цифрового микропроцессора;

— Кривилева A.B. [36], где рассмотрены законы управления процессом коммутации КЭ ИУМ БДПТ при 27г/3-коммутации при соединении секции обмотки по схеме «звезда».

Бесконтактные двигатели постоянного тока различаются по способу соединения секций (фаз) обмотки, по количеству секций и способу их питания [6,7]. Наибольше распространение получили трехфазные БДПТ с реверсивным питанием [37]. Секции обмотки трехфазного БДПТ могут быть соединены по схеме «звезда» (далее по тексту Y) или по схеме «треугольник» (далее по тексту А) или иметь независимое соединение. На практике наибольшее применение нашло соединение секций обмотки в Y. Такой выбор объясняется тем, что при соединении секций обмотки в, А в том случае, если в спектре фазного тока присутствуют гармоники, порядок которых кратен трем, будут иметь место дополнительные потери мощности от контурных токов [9,38]. Тем не менее, на мировом рынке мехатронных модулей на основе трехфазных БДПТ присутствует ряд фирм, выпускающих двигатели с соединением секций обмотки по схеме А. Например, компании «Portescape», «Махоп motors» и «Faulhaber» выпускают подобные мехатронные модули мощностью до 0,2 кВт. Отечественное предприятие «Машиноаппарат» выпускает бесконтактные моментные электродвигатели серии ДБМ с возможностью соединения секций обмотки по схеме, А [39].

Среди работ, в которых рассматривается соединение в А, следует отметить следующие работы.

— Глазенко Т. А., Гончаренко Р. Б. [40], Кенио Т., Нагомори С. [41], в которых описывается последовательность включения КЭ при соединении секций обмотки в, А при углах коммутации 2%/Ъ и тс эл. радиан, а также в работе [40] приведены эпюры напряжений, прикладываемых к секциям обмотки от источника постоянного напряжения, в зависимости от последовательности включения КЭ;

— Пархоменко Г. А. [42,43], в которых при 7Г-коммутации исследована форма тока в секциях обмотки двигателя при соединении в А, представленной в виде эквивалентной схемы и состоящей из двух источников питания (напряжения питания и противоЭДС) с индуктивно-активной нагрузкой;

— Овчинникова И. Е., Лебедева Н. И. [6,7] и Вевюрко И. А. [44], в которых исследованы характеристики БДПТ при замкнутом соединении секций обмотки. В работе [7] сделан вывод о получении одинакового значения к.п.д., определяемого как отношение полезной мощности к потребляемой^ при соединении секций обмотки в?'ивА;

— Беленького Ю. М. и Микерова А. Г. [39], в которой приводится методика программирования^ параметров двигателей ДБМ при соединении секций обмотки в, А при 2тс/3 и^{-коммутациях} и показано, что при соединении секций обмотки в, А при одном и том же напряжении питания-будет момент и скорость в 1,73 раза больше, чем при соединении секций в У;

— Кривилева А. В. [45], в которой приведено исследование дополнительных потерь мощности, возникающих при широтно-импульсном управлении скоростью для несимметричного, симметричного и модифицированного несимметричного законов коммутации при соединении секций обмотки в, А в случаях 2%!Ъ и тс-коммутации.

Постановка!задачи. В диссертационной работе рассматривается меха-тронный модуль на основе трехфазного БДПТ, являющийся сложным электротехническим комплексом с собственной системой управления. Рассматриваемый мехатронный модуль входит в состав цифрового следящего привода (ЦСП) с прямым цифровым управлением, блок-схема которого представлена на рис. 0.1.

Цифровая управляющая машина (ЦУМ) формирует требуемый закон перемещения объекта управления «и передает его на вход специализированного микропроцессорного вычислителя (СМВ) в виде двоичного и-разрядного входного кода Кв. Специализированный микропроцессорный вычислитель принимает этот код и двоичный «-разрядный код Кос, пропорциональный положению объекта управления. В зависимости от реализуемого в СМВ' алгоритма управления в него могут поступать дополнительные сигналы, например, сигналы по скорости и/или ускорению от дополнительных датчиков. На: основании полученных сигналов СМВ, выполняя заданные алгоритмы коррекции, формирует код управления Ку, который содержит информацию о требуемой скорости и направлении вращения и поступает на вход ММ. Преобразование в двоичный код перемещения объекта управления осуществляется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). ог дополнительных датчиков.

ЦУМ кв 1.

СМВ.

7 Т мехатронныи модуль.

КУ.

УЛА сиг ИУМ Чес. СД, МП.

Чел % ф®Ул, У*. Ус.

ДПР:

Ф".

АЦП.

ЦУМ — цифровая управляющая машинаСМВ — специализированный микропроцессорный- • «.' вычислительУЛА — управляющий логический автоматИУМ: — импульсный усилитель: мощностиСД — синхронный» двигатель с магнитоэлектрическим возбуждением- -МП — механическая передачаДПР — датчик положения ротораАЦП — аналого-цифровойпреобразователь-' Кь — входной код- -Кос — код обратной связиА" У — код управления-. ' СГГ — управляющее слово— УА, Ув, 1с — сигналы, поступающие с ДПРим, Иве, «ел — напряжения, прикладываемые к обмоткам двигателяш^, — скорость вращения- ', вала двигателяфя, — угол поворота вала двигателяср"->тол поворота выходного вала МП.

Рис. 0.1. Блок-схема цифрового следящего привода.

Мехатронныи-модуль, более подробная блок-схема которого представлена на рис. 0.2, включает УЛА,. импульсный усилитель мощности- (И?М), синхронный-двигатель с магнитоэлектрическим, возбуждением (С Д) и датчик положения ротора (ДПР), построенный на трех датчиках Холла.

Управляющий логический автомат на основании кода управления Ку и сигналов с ДПР в соответствии с требуемым-законом управления процессом коммутации КЭ формирует необходимые значения управляющих логических функций (УЛФ), являющиеся выходными сигналами УЛА и поступающие на входы КЭ ИУМ. Совокупность УЛФ составляет двоичное управляющее слово С1¥- [31]. В соответствии с текущим положением ротора, измеряемым ДПР или другим" устройством! определения положения ротора [46,47], формируется магнитный поток статора Б ДПТ.

Ку*.

УЛА.

-|У1.

У2 УЗ У4 У5.

У6.

— КЭ1.

КЭ1.

Г Ъ кэз.

ИУМ 1 КЭ5.

•КЭ6 ип.

ДПР л, в. с. А ц N ^ Г-у^'Л соединение в У соединение в Л.

СД.

Ку — код управления- 1/п — источник постоянного напряжения;

У1.У6 — управляющие сигналы, поступающие на ключевые элементы;

КЭ1.КЭ6 — ключевые элементы ИУМ.

Рис. 0.2. Мехатронный модуль на основе трехфазного БДПТ.

Описанная структура ЦСП обеспечивает прямое цифровое управление, что подразумевает выполнение УЛА на основе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) или микроконтроллеров. В Российской Федерации в настоящее время выпускаются только две серии микроконтроллеров, предназначенных для управления БДПТ, разработанных и изготовленных ФГУП «НИИЭТ» (1867ВЦ5Т и К1868ВЕ6−01) [48], что не может удовлетворить всё возрастающий спрос на мехатронные модули на основе БДПТ. Данное положение определяет потребность в создании массовых недорогих УЛА, которые найдут применение не только в приводах авиакосмической техники [5,11], системах управления роботами — манипуляторами, динамическими моделирующими стендами [49], медицинской технике [50], но и в бытовой технике [51,52].

В работах по БДПТ с прямым цифровым управлением не приводится описание особенностей реализации прямого цифрового управления при ши-ротно-импульсном регулировании скоростью в случае соединения секций обмотки в, А и не описаны для этого случая условия управления ММ. В работе [42] для тс-коммутации проводится анализ случаев возникновения контурного тока, который является одним из факторов, обуславливающих меньшее распространение соединения секций обмотки в А, чем соединение в У. Однако, в литературе не встречается подобный анализ для 2тс/3-коммутации, и анализ возникновения контурных токов в случае широтно-импульсного управлении скоростью как при 2ти/3-коммутации, так и при тс-коммутации. В работах, посвященных как соединению секций обмотки в У, так и в А, из которых, по мнению автора, наиболее значимые приведены ранее, не проводится комплексный сравнительный анализ случаев соединения секций обмотки, различных вариантов углов коммутации при известных законах коммутации.

Настоящая работа основывается на теории цифрового управления процессами коммутации КЭ ИУМ, разработанной-Б.Н. Поповым и изложенной в диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук «Методы проектирования микропроцессорных устройств управления' мехатронны-ми модулями систем приводов» и развивает ее в части управления процессами коммутации КЭ ИУМ БДПТ, секции обмотки которого соединены в А.

Учитывая вышеизложенное, целью работы является^ разработка и исследование мехатронного модуля на основе трехфазного БДПТ при соединении секций обмотки в, А с углами коммутации 2%/Ъ и % эл. радиан при реализации законов коммутации КЭ ИУМ. А также сравнение схем соединения секций обмотки в У и в А, различных углов и законов коммутации.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе предполагается поставить и решить следующие основные задачи:

1 сформировать совокупность условий управления ММ на основе БДПТ при соединении секций обмотки в А;

2 получить УЛФсвязывающие функциональной зависимостью условия управления ММ, представленные в виде логических переменных, и управляющие слова, поступающие на входы КЭпри соединении секций обмотки в, А как при 2тг/3-коммутации, так и при 71-коммутации;

3 провести анализ законов управления процессом коммутации в случае 2тг/3 и^{-коммутации} для определения случаев протекания сквозного тока.

4 разработать управляющий логический автомат ММ, позволяющую управлять исполнительным двигателем в случае соединения секций обмотки в, А при реализации законов управления процессом коммутации КЭ;

5 проанализировать влияние схемы соединения секций обмотки, выбора угла коммутации и законов управления процессом коммутации на характеристики ММ и определить дополнительные потери мощности, возникающие при широтно-импульсном управлении скоростью;

6 исследовать гармонический состав тока для определения случаев возникновения потерь мощности от контурных токов;

7 разработать мехатронный модуль и провести его экспериментальные исследования для подтверждения полученных теоретических, положений и результатов компьютерного моделирования.

Характер поставленных задач предопределил размещение материала в диссертационной работе, которая состоит из введения, шести разделов, заключения, списка источников и двенадцати приложений.

6.6 Выводы по разделу 6.

1 Разработанный мехатронный модуль на основе трехфазного БДПТ ориентирован на применение в качестве исполнительно механизма в системах электропривода, что подтверждено актом на внедрение.

2 Экспериментально подтверждена справедливость допущения о синусоидальности противоЭДС, сделанном при доказательстве отсутствия контурных токов и при моделировании мехатронного модуля на основе трехфазного БДПТ.

3 В результате эксперимента было показано, что электромагнитные и магнитоэлектрические процессы, протекающие в исследуемом мехатронном модуле, при компьютерном моделировании, совпадают с точностью не менее чем 10% с электромагнитными и магнитоэлектрическими процессами, экспериментально исследованными в разработанном ММ.

4 Экспериментально подтверждена возможность использования одних и тех же УЛФ при соединении секций обмотки в «звезду» и в «треугольник», а так же возможное использование шести вариантов УЛФ, зависящих от положения нуля ДПР.

Заключение

.

1 Сформирована совокупность условий управления мехатронным модулем на основе трехфазного БДПТ при соединении секций обмотки в А. Получено математическое описание условий управления в виде логических переменных, в рамках которого получена математическая модель сигналов, поступающих с ДПР, позволяющая описать с единой методологической позиции условия управления ММ на основе многофазного БДПТ при замкнутой, лучевой и раздельной схемах соединения секций обмотки и при любых углах коммутации.

2 Получены управляющие логические функции, связывающие функциональной зависимостью условия управления мехатронным модулем, представленные в виде логических переменных, и управляющие слова, поступающие на входы КЭ, при соединении секций обмотки в, А как при 2тс/3, так и при 7г-коммутации. При соединении секций обмотки в, А для законов1 симметричной, несимметричной, поочередной и диагональной коммутации получены шесть вариантов УЛФ. Показано, что шесть вариантов УЛФ также справедливы и при соединении секций обмотки в У. На основе шести вариантов аналитических выражений УЛФ для симметричной, несимметричной, поочередной и диагональной коммутации получены обобщенные аналитические выражения УЛФ независящие от расположения нуля ДПР.

3 Проведен анализ законов управления процессом коммутации при 27г/3 и тс-коммутации для определения случаев протекания сквозного тока. На основе анализа сделаны следующие заключения: по критерию наименьшего количества случаев протекания сквозного тока предпочтительна 2тс/3-коммутация, а из законов коммутации по критерию равномерной загрузки КЭ по току и критерию наименьшего количества случаев протекания сквозного тока наилучшей является диагональная коммутация, а наихудшей симметричная. Для проведения анализа был разработан метод анализа законов коммутации и синтеза альтернативных состояний.

4 Разработан управляющий логический автомат мехатронного модуля, позволяющий управлять БДПТ в случае соединения секций обмотки в, А при реализации законов управления процессом коммутации КЭ. На языке УНЕ) Ь разработана библиотека моделей функциональных элементов управляющего логического автомата, позволяющая реализовать управляющий логический автомат на базе программируемой логической интегральной схемы. В управляющем логическом автомате введен алгоритм формирования «мертвого времени» при переключении КЭ стойки ИУМ, основанный на алгоритмах определения случаев возникновения сквозного тока и альтернативных управляющих слов, разработанных в рамках метода анализа закона коммутации и синтеза альтернативных управляющих слов.

5 Проведен анализ влияния схемы соединения секций обмотки, выбора угла коммутации и законов управления процессом коммутации на механические и энергетические характеристики мехатронного модуля и определены дополнительные потери мощности, возникающие при широтно-импульсном управлении скоростью.

Для проведения анализа было проведено разложение тока и напряжения в ряд Фурье и представление полезной и потребляемой мощности в виде произведения гармонических рядов тока, напряжения и противоЭДС. Также была разработана компьютерная модель мехатронного модуля на основе трехфазного БДПТ, в которой компьютерная модель УЛА и модель ДПР построены на основе полученных обобщенных аналитических выражений УЛФ и разработанной математической модели сигналов ДПР. В результате анализа было показано, что в случае, когда напряжение питания приведено к базовому, механические и энергетические характеристики, а также дополнительные потери мощности при соединении секций обмотки в У и в, А совпадают. По эффективности использования потребляемой мощности^{-коммутация} уступает 271/3-коммутации (максимум к.п.д. при 2тг/3-коммутации на 31% больше, чем при 71-коммутации), также при 27г/3-коммутации скорость холостого хода и максимум полезной мощности на 9% больше, чем при 71-коммутации. По критериям линейности механических и регулировочных характеристик и наименьшей величине, дополнительных потерь, возникающих при широтно-импульсном управлении скоростью, наиболее предпочтительны несимметричная и поочередная коммутация.

6 Исследован гармонический состав тока для определения случаев возникновения потерь мощности от контурных токов. Анализ гармонического ряда тока показал, что при 2л-/3 и при л-коммутации в случае симметричной, несимметричной, поочередной и диагональной коммутации, при синусоидальнойпротивоЭДС потерь мощности от контурных токов не возникает. • '.

7 Разработан мехатронный модуль и проведены его экспериментальные исследования. Врезультате исследований подтверждены полученные теоретические положения и результатыкомпьютерного моделирования: Устройство управления: мехатронного модуля нашло применение в устройстве: доворота рупора пространственного динамического координатора ГЩК-2−10 (Патент на полезную модель № 89 900, 2009 г.).

8 Проведен комплексный сравнительный анализ. соединения секций обмотки в, А и в У, углов коммутации и законов коммутации по критериямнаименьшего количества случаев протекания сквозного токаравномерной загрузки КЭ по току, линейности механической и регулировочной характеристик, а также эффективного использования входной мощности: По выбранным критериям более предпочтительным является закон поочередной коммутации в случае 27и/3-коммутации. При напряжении питания, выбранном таким образом, чтобы момент, развиваемый двигателем при нулевой скорости, был равен1 моменту при 2тг/3-коммутации в случае соединения секций обмотки в У, соединение секций обмотки в У и в, А по выбранным критериям эквивалентно;