автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Адаптивные электротехнические комплексы в автомобилестроении

На правах рукописи

КОЗЛОВ Валерий Викторович

Адаптивные электротехнические комплексы в автомобилестроении

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации в форме монографии на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва, 2004

Работа выполнена в закрытом акционерном обществе «АКВ» (Санкт-Петербург)

Научный консультант: Академик РАН К. С. Демирчян,

Официальные оппоненты: Лауреат Государственных премий СССР,

доктор технических наук, профессор Б. А. Ивоботенко

Доктор технических наук, профессор Б. А. Метелкин

Доктор технических наук, профессор В. В. Лохнин

Ведущая организация: ФГУП «Научно-исследовательский и экспериментальный

институт автомобильной электроники и электрооборудования» (ФГУП НИИ АЭ), г. Москва

Защита состоится «24» февраля 2005 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.140.01 при Московском государственном техническом университете «МАМИ» по адресу 107023, Б. Семеновская, 38, «МАМИ», ауд. Б-304

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета «МАМИ».

Автореферат разослан «26» ноября 2004 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью предприятия (учреждения), просим направлять по указанному адресу.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Бахмутов С. В.

Общая характеристика работы

Актуальность. Современный автомобиль насыщен электродвигателями и электромеханическими исполнительными устройствами, общее количество которых достигает сотни штук.

Характерной чертой является при этом разнообразие конструкций и типов электродвигателей, подходы к расчету, конструированию и управлению которыми различны, вместе с тем они формируют единую функционально организованную электромеханическую среду

Производство компонентов этой среды немыслимо без гибких автоматизированных технологических электротехнических комплексов и линий, широкое использование которых иллюстрирует рис. 1.

Рис. 1. Автоматизированные технологические линии сборки для автокомпонентов

Сам технологический (робототехнический) комплекс состоит, главным образом, а иногда полностью, как это имеет место в гексаподах (шестиножках), из тех же элементов электромеханической среды.

Создание таких сложных электротехнических комплексов и систем требует применения современных информационных методов и технологий, разработки новых и использования классических теоретических методов, отработки их на математических моделях и физических стендах с целью последующего их внедрения и использования в промышленности, в первую очередь, в автомобилестроении, как в одном из наиболее важных и, одновременно, благодатных полей такого применения.

Актуальность работы заключается в унификации подходов в физических представлениях, в выборе конструкций и управления в современной электромеханике в области разработок компонентов и освоение новых технологий автомобилестроения.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ

библиотека

Научной проблемой в работе является выявление, обоснование и формулировка новых концептуальных принципов развития электромеханики в современном автомобилестроении.

Цель работы - в развитии подходов и принципов создания электромеханической исполнительной среды и адаптивных технологических (робототехнических) комплексов для производства электромеханических компонентов в автомобилестроении на основе типовых унифицированных модулей движения.

Достижение поставленной цели потребовало решить следующие задачи исследования:

- разработки алгоритмов адаптивного управления электромеханическими манипуляторами и методов идентификации параметров электродвигателей;

- анализа и обобщения энергетических представлений в электрических машинах синхронного типа и машинах постоянного тока. Создания единой энергетической модели, положенной в основу типовых модулей движения;

- создания теории обеспечения адекватности электрических и механических состояний электромеханического преобразователя энергии;

разработки методов априорного программирования токов в контурах преобразователя, реализующих заданную траекторию движения;

- изменения роли внешних обратных связей, обеспечивающих коррекцию программных состояний системы;

- разработки единого математического описания управляемых модулей движения в функции времени и/или положения;

- введения безразмерных критериальных оценок физической реализуемости технического задания на стадии выбора и проектирования системы;

- обоснования агрегатно-модульных матричных структур организации технологического пространства с параллельной кинематикой движений (рис. 2).

Рис. 2. Матричная структура взаимодействия унифицированых модулей

Методы исследования основаны на системном подходе и теории системотехники, математическом моделировании, физическом макетировании, теоретической и технической механике, теоретической электротехнике, теории дифференциальных уравнений, теории автоматического регулирования, теории управления, линейной алгебре и методах оптимизации.

Научная новизна работы заключается:

- в развитии методов адаптивного управления сложными электротехническими системами,

- в разработке методов идентификации параметров электротехнических систем,

- в формулировке концепции развития адаптивной электромеханики на основе агрегатирования и унификации модулей движения,

- в разработке общей энергетической модели унифицированных модулей движения,

- в разработке единой формы математического описания унифицированных модулей движения.

На защиту выносятся:

- алгоритмы расчета, стабилизации и адаптивной стабилизации программных траекторий

движения электромеханических манипуляторов, обеспечивающие выполнение целей

управления в условиях значительных начальных возмущений и неопределенности массо-

инерционных параметров перемещаемой нагрузки и инструмента.

- метод идентификации параметров электрических приводов на основе двигателей постоянного тока с независимым возбуждением и вентильных синхронных двигателей,

- принципы организации, состав и структура управления сложными электротехническими системами,

- принципы создания электромеханической среды и адаптивных технологических комплексов в современном автомобилестроении,

- общая энергетическая модель унифицированных модулей движения,

- единое математическое описание унифицированных модулей движения,

- адаптивные электротехнические комплексы для производства микрореле и микроэлектродвигателей для комбинаций приборов автомобилей, а также лазерного раскроя листовых материалов.

Степень достоверности результатов проведенных исследований. Основные положения работы подтверждены корректностью постановки задач, обоснованностью принятых допущений, адекватностью построенных математических моделей исследуемым процессам, хорошим соответствием полученных аналитических результатов результатам математического моделирования и реальным физическим процессам, в условиях стендов и реального серийного производства, а также широким внедрением в производство микроэлектродвигателей и микрореле.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на пяти международных, девяти отечественных (с международным участием) симпозиумах, конференциях и семинарах: на девятом международном симпозиуме по промышленным роботам, США, Вашингтон, май 1979 (9Ш на VI Международной научно-технической конференции

"Робототехника для экстремальных условий", СПб, 1995; на Международной конференции по информатике и управлению, СПб, 1997; на Международной конференции "Идентификация систем и задачи управления", М., 2000; на XII международном семинаре "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации, г. Алушта, 2003; на I и II Всесоюзном совещаниях по робототехническим системам, г. Владимир, 1978 и Минск, 1981; на Национальной научно-технической конференции с международным участием

"Роботы 79". Болгария, г. Стара Загора, 1979; на VII Всесоюзном совещании "Теория и методы математического моделирования", г. Куйбышев, 1978; на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Опыт создания и применения высокоэффективных машин-автоматов в серийном и массовом производстве", М. 1979; на VII Всесоюзной с международным участием конференции по нейрокибернетике, г. Ростов на Дону, 1980;' на 6-м Санкт-Петербургском симпозиуме по теории адаптивных систем, СПб, 1999, на XXIII Межведомственной научно-технической конференции "Проблемы обеспечения эффективности и устойчивости функционирования сложных электротехнических систем" Серпухов, 2004.

Публикации. Содержание работы изложено в 40 научных работах, в том числе, в четырех монографиях. Работа проводилась в рамках программ, утвержденных СМ СССР, ГКНТ и Президиума АН СССР, ответственным исполнителем этапов которых являлся автор.

Структура и объем работы. Монография «Адаптивные электротехнические комплексы в автомобилестроении».- СПб, изд-во СПб ГПУ, 2004.- 352 с. состоит из предисловия, введения, девяти глав, заключения, списка литературы из 135 наименований, содержит 89 рисунков и иллюстраций и две таблицы.

Практическая ценность и реализация результатов работы состоит:

в изготовлении и промышленном использовании образцов адаптивных электротехнических комплексов для производства автокомпонентов,

- в реализации изобретений автора в виде серийного производства более двух миллионов шаговых двигателей для комбинации приборов автомобилей ВАЗ, ГАЗ, ИЖ и Газель,

- в создании концептуальных принципов и практических рекомендаций разработки и использования адаптивных электротехнических комплексов на основе унифицированных модулей движения.

Полученные результаты подтверждаются семью актами о внедрении.

Основное содержание работы

1. Основания и логика исследований

Обзор состояния применяемых и вновь создаваемых исполнительных органов и приборных электромеханических устройств в автомобилях позволяет оперировать понятием электромеханической исполнительной среды, охваченной информационными связями управления, контроля и диагностики состояний. Эта среда может рассматриваться как функциональный технический организм, к которому предъявлены требования топологической и информационной гибкости при быстрой смене моделей и потребности выполнения новых операций. Принципы, правила, физические критерии при создании функционально развитых технических организмов неразрывно связаны, а во многих случаях полностью обусловлены, технологией производства и сборки их компонентов. Изделие создано не раньше, чем производственный участок по его изготовлению. В условиях рыночной экономики это ограничение носит абсолютный характер.

Все виды организации и программного воспроизведения движений в пространстве технологических операций реализуются электромеханической исполнительной средой так же, как в создаваемом функциональном комплексе, например, автомобильном. Отличия количественные: по мощности, точности, согласованности, видам и многомерности движений.

Таким образом, речь идет о стратегии саморазвития и воспроизводства элементов и систем электромеханики в составе развитых технических структур.

Электромеханика проходит путь, аналогичный развитию пленарных технологий в электронике. Принципы модульности, повторяемости, агрегатирования и конструктивной интеграции - те же, но реализуются труднее и поэтому требуют концептуальных обобщений

в условиях лавинно нарастающего многообразия рыночно доступных изделий, использования новых материалов и ужесточения главного критерия производимой продукции «качество - стоимость». При дефиците времени и денег руководители нашей промышленности, ученые и разработчики практически лишены привычного права проб и ошибок. В этой ситуации для принятия решений актуальны физически строгие обобщения, позволяющие ранжировать многообразие вариантов и видеть объективную картину.

Концептуальные принципы не придуманы. Они являются простым итогом многолетней работы по теории управления сложными движениями, созданию многокоординатных электромеханических комплексов, конструированию и производству функционально специализированных модулей движения. Именно итоговый опыт позволяет утверждать, что сегодня, как никогда ранее, успех любой специализированной разработки в электромеханике поставлен в прямую зависимость от понимания единых концептуальных закономерностей. В частности, двигатели, выпускаемые для автомобильных приборов, при всей своей конструктивной и технологической специфике по управлению и физическим процессам, не отличаются от ранее разработанных нами модулей движения для гибких автоматизированных производств.

Настоящая работа обобщает научные, инженерные и производственные результаты 30-летних работ автора.

Главным итогом сделанных обобщений являются не столько сами разработки, ставшие за истекшее время частью как нашей, так и мировой техники, сколько систематизированный подход к развитию элементов и систем электромеханики.

Взаимная адаптация конструктивных параметров электромеханического преобразователя энергии (функция положения) и вида управляемого токового питания (функция времени) положена при этом в основу понимания и всех построений изначально, т.е. на стадии выбора конструкционной модели и принципа действия.

Теоретическое и инженерное развитие этого подхода является альтернативой методу проб и ошибок, чем существенно облегчаются сравнительный анализ вариантов, принятие решений и их реализация. Методология оказывается единой для широкого круга разнообразных и внешне разнородных задач.

Теоретические обобщения опираются на научные и инженерно-производственные результаты трех этапных периодов работы автора:

- разработка алгоритмов и реализующих их структур управления в робототехнике (19751985 гг.);

- создание многокоординатных бесфрикционных и малофрикционных сборочно-монтажных и лазерных технологических комплексов на базе агрегатируемых модулей движения (1985-1991);

- разработка новых конкурентоспособных типов синхронно-импульсных электродвигателей модульного исполнения с организацией и освоением их серийного производства применительно к современным требованиям автопрома и приборостроения (1991-2004).

На каждом этапе названные тематические постановки были продиктованы актуальностью преодоления «узких мест» в развитии электромеханики и ее производственных технологий. Это привело нас, в конечном счете, к понятию электромеханической среды, воспроизводящей себя.

Новые электромеханические преобразователи энергии, средства управления ими и техника их массового производства оказались неразрывно и органически связанными. В реальных условиях серийного производства конкурентно-способных микродвигателей для автомобильной промышленности, стало очевидным, что задачи текущего момента и дальнейшего развития электромеханики требуют агрегатирования внутренне завершенных модулей движения с закрепленным токовым питанием.

В предлагаемой концепции построения электромеханической среды, максимально приближенной к принципам построения планарной электроники, обосновывается само

понятие «электромеханическая среда» и формулируются принципы обеспечения топологической и информационной совместимости ее элементов, общие для всех типов электрических машин, что и позволяет единственно возможным образом минимизировать трудозатраты при производстве и энергопотребление при эксплуатации электроприводов и координатных систем движения в условиях их серийного производства при изменчивости требований по конкретным заказам.

История электротехники, начавшаяся с гальванических источников питания и первых электрических машин, является наглядным свидетельством инженерного развития одной и той же центральной идеи - взаимной адаптации видов питания и электромеханических преобразователей энергии. В истекшие эпохи доминировало приспособление электромеханических элементов к закрепленным видам питания, что и породило все многообразие электрических машин, аппаратов и приборов.

По мере развития средств преобразовательной техники, достигнута возможность управлять в реальном масштабе времени величиной, частотой и формой токов во всех электрических контурах электромеханического преобразователя и их совокупности в техническом организме.

Концептуально это означает, что любой электродвигатель рассматривается только в неразрывном сочетании с вторичным источником питания, обладающим свойствами управляемого источника токов во всех каналах по числу независимых электрических контуров электродвигателей.

При этом адаптация питания к электромеханическому преобразователю не только доминирует, но позволяет уже на стадии выбора и оценки вариантов облегчить инженерное и технологическое решение задачи. Физическая однотипность, модульность, агрегатируемость и глубокая конструктивная интеграция обретают при этом конкретность и действенность.

Содержательный смысл терминов адаптивная электромеханика и мехатроника состоит в слитной конструктивной и информационной адаптации модулей движения и прямой реализации всех видов операций в составе технического организма.

Логика обобщающих представлений является естественным развитием первого этапа работ по теории управления роботами.

Построение теории объектно-ориентированного управления промышленными роботами, практические реализации в этой области и параллельное развитие различных систем привода с цифровым управлением, прежде всего шагового и вентильного, сделало очевидными задачи по унификации управления всех видов привода, поиску путей понижения порядка уравнений, описывающих поведение многокоординатных систем, упрощения их кинематики. Все это и привело к созданию модульных, иерархически агрегатируемых многокоординатных комплексов движения с компьютерным управлением, а также обоснованию и формулировке концепции развития современной электромеханики и мехатроники.

Решение этих главных вопросов и новые разработки типовых модулей движения составили содержание выполненной работы.

2. Итоговые результаты работ по теории управления сложными электромеханическими системами

Теоретически и практически решена проблема стабилизации программных траекторий (движений) электромеханического манипулятора с учетом массо-инерционных параметров конструктивных элементов самого манипулятора и перемещаемого им груза.

При управлении сложной электромеханической системой, каковой является манипулятор, использовались алгоритмы управления с учетом динамики. Алгоритмы верхнего уровня управления рассматривают привод манипулятора как автономное исполнительное устройство - модуль движения, обеспечивающий необходимую отработку сигналов, полученных с верхнего уровня управлений. В зависимости от типа электропривода

(шагового, на основе двигателя постоянного тока с независимым возбуждением или современного вентильного цифрового) сигнал управления приводом может иметь разный вид. Ранее было распространено управление положением или скоростью. Современные цифровые приводы имеют векторный сигнал управления вида

где

- задание положения (координаты),

- задание скорости (производной координаты),

■ задание момента.

Использование приводов, позволяющих управлять моментом (или контролировать момент) позволяет существенно повысить качество управления: точность, динамические характеристики, а также осуществлять контактные операции. Часто имеет место упрощенный вариант такого векторного управляющего сигнала, когда V, и ум задают не точные значения скорости и момента, а только их ограничения. Такой вид сигнала управления идеально реализует концепцию привода как автономного модуля движения.

Предложенные алгоритмы управления позволяют формировать такой векторный управляющий сигнал у = |уОсновой являются уравнения динамики механической

системы манипулятора, записанные в форме уравнений Лагранжа 2-го рода:

где:

-мерный вектор обобщенных координат; -мерный вектор параметров манипулятора и груза; -мерный управляющий момент;

-мерная матрица-функция при старших производных; -мерная вектор-функция центростремительных, кориолисовых и др. сил. Прежде всего, для заданной операции манипулятора всегда осуществляется построение программной траектории движения с учетом конструктивных ограничений на величины скорости и моментов в каждом шарнире:

с использованием вышеприведенных уравнений динамики механической системы манипулятора для учета ограничений момента.

Управление заключается в отслеживании построенной программной траектории q|l[t) с помощью стабилизирующих алгоритмов вида

где такие матрицы размерности (обычно диагональные), что матрица

размерности 2пх2п

Г= ^ - гурвицева (или устойчивая), т.е. имеет отрицательные собственные числа, что

обеспечивает асимптотическую устойчивость программной траектории (алгоритма управления) и экспоненциальное убывание динамической ошибки то есть

стабилизацию отслеживания траектории, при любых начальных рассогласованиях

В случае же более простых электроприводов (шагового, на основе двигателя постоянного тока с независимым возбуждением) вычисленные алгоритмом величины также могут

быть использованы для формирования более качественного управляющего сигнала. Так в случае бортового манипулятора орбитального корабля «Буран», управляющий сигнал имеет упрощенный векторный вид у = (или у' = (у(,уд, где - величина ограничения момента.

Для стандартного привода на основе двигателя постоянного тока с независимым возбуждением, когда сигнал управления является скалярным заданием координаты уч(или

скорости возможный его вид основан на векторном дифференциальном линеаризованном уравнении привода для всех шарниров:

у = </„ы + ¡¡¡и + ¿2Мн,

где: ¡/-и-мерный вектор моментов, развиваемых приводами,

-мерный вектор управляющих воздействий, поступающих на входы приводов, Мн =Мн(у,д,1;)-п -мерный вектор нагрузок на выходных валах приводов,

диагональные матрицы параметров приводов. Получаемый алгоритм управления в этом случае имеет вид:

где А,Ь - соответственно матрица-функция А и вектор-функция Ь, скорректированные с учетом динамики приводов. Такой сигнал управления позволяет сформировать нужный момент на выходе привода, осуществляющий обратную связь по координате и скорости

В случае неопределенных массо-инерционных параметров манипулятора и перемещаемого груза предложен ряд адаптивных алгоритмов управления, обобщающих вышеизложенный алгоритм с учетом динамики. В этом случае для синтеза алгоритма управления описывающее динамику манипулятора уравнение Лагранжа представляется в параметрическом виде с выделенным линейно мерным вектором параметров являющимся функцией параметров £ манипулятора и перемещаемого груза А(Я. \)Я+Ь(Ч, Я. 1)"0(д, ч,

Доказательство существования таких представлений и получение их конкретного вида для многих классов электротехнических систем и их элементов представляет отдельную научно-техническую задачу. Промышленные и специальные роботы и их манипуляторы являются одними из важнейших элементов робототехнических комплексов (РТК) и гибких производственных систем (ГПС), представляющих собой одни из важнейших представителей сложных электротехнических систем. Для ряда важных частных случаев, например, для невесомого манипулятора с весомым грузом требуемое представление было получено автором, также известно, что оно имеет место и для произвольного манипулятора.

Тогда алгоритмы адаптивной стабилизации программных траекторий имеют вид

где алгоритм адаптации, предложенный как рекуррентный или многошаговый

оптимальный конечно-сходящийся алгоритм

где c{^.t) = vм-G{q.q;q)t,

первый момент времени из интервала при котором нарушается

неравенство ¿>0,

г0 -п -мерный вектор начального приближения. В качестве алгоритмов адаптации предлагается использовать два вида алгоритмов:

1. Адаптивные рекуррентные алгоритмы градиентного типа

где

• цм,Хм - параметры алгоритма адаптации;

• Vra(r4,/i) - градиент функции <г(г,г) по гвточке T = rk,t = t'k\

• <y(r,f) - функция, определяющая критерий адаптации алгоритма к реальному значению параметров £

2. Метод наименьших квадратов.

Оценка вектора г во втором случае находится из выражения:

f = [g'G]~'G'Vm,

где ^ ^ ^ ^^

число моментов измерений входов и выходов системы Кроме применения для управления, предложенные алгоритмы адаптации могут быть использованы и для целей функциональной диагностики манипуляторов и идентификации параметров электромеханических систем [11].

Результаты математического моделирования и макетирования показали реализуемость и высокое качество предложенных алгоритмов.

Они были положены в основу систем управления космического манипулятора орбитального многоразового корабля, разработанного по программе «Буран», и использованы в разработках РТК для автомобильной и электронной промышленности.

В результате данного этапа работ были сформулированы принципы организации, состав, структура и принципы функционирования сложной электротехнической системы [10].

При дальнейших работах стало очевидным, что «узким местом» является нижний исполнительный уровень электромеханической системы.

Единообразное подчинение всех видов привода созданным алгоритмам векторного управления и снижение размерности системы за счет использования параллельности движений и строгого токового питания стали центральной задачей очередного этапа работ.'

3. Энергетическая модель электромеханическихпреобразователей энергии

Актуальность единой энергетической оценки возросшего и все возрастающего многообразия различных электродвигателей вращающегося и линейного типов, объединяемых в единые конструктивы мехатронных модулей, очевидна.

На рис.3 приведена классификационная схема наиболее распространенных электромеханических преобразователей (ЭМП), получивших распространение в приводах прямого действия (Direct Drive) и в значительной мере вытесняющих коллекторные двигатели постоянного тока, так как они могут полностью воспроизводить их характеристики в замкнутых по положению структурах управления и одновременно использоваться в разомкнутых структурах для реализации шаговых и синхронных режимов работы.

Рис. 3. Классификация электромеханических преобразователей.

Из классификации намеренно исключены асинхронные электродвигатели как наиболее сложные по физическим процессам и управлению. Они все в большей мере уступают место двигателям синхронного типа. Приведенная классификационная схема не исчерпывает многообразия конструктивных вариантов, обусловленных геометрией магнитной системы, числом пакетов статора и ротора и т.п.

Для примера на рис. 4 показаны модификации магнитной геометрии роторов с внешним и внутренним расположением постоянных магнитов и конструкции реактивных роторов с продольной шихтовкой магнитных и немагнитных слоев для максимального

увеличения отношения - индуктивностей и соответственно магнитных проводимостей

по продольной и поперечной осям.

Рис. 4. Модификация магнитной геометрии роторов.

Наша задача показать, что с точки зрения физики процессов, все известные электродвигатели подчиняются одним энергетическим закономерностям и отличаются между собой лишь количественно. Причем исходный коллекторный двигатель постоянного тока с независимым возбуждением подчинен тем же энергетическим соотношениям.

Известно, что в теории электрических аппаратов, шаговых электродвигателей и синхронных электрических машин силы и моменты вычисляются как частная производная магнитной коэнергии по перемещению

а работа механических сил эквивалентируется с изменением запасенной магнитной энергии на интервале перемещения.

В теории коллекторных машин постоянного тока энергетический подход не используется и затруднен в понимании. Это происходит из-за того, что способ вычисления сил и физическая трактовка не совпадают. В действительности соотношение Лагранжа (3-1) относится к потенциальной механической энергии в векторном поле пондеромоторных механических сил, возникающих при возбуждении системы. Результирующий вектор момента или силы направлен к состоянию устойчивого равновесия механически напряженной системы, где потенциальная энергия ¡У^ =тт, а запасенная магнитная энергия =тах. Изменения этих энергий противоположны по знаку и равновелики при разрешенном движении или деформации системы по любому направлению при постоянстве токов в электрических контурах.

Это позволяет ввести в рассмотрение общую для всех электродвигателей энергетическую модель на рис. 5, где движение ротора уподобляется состояниям тяжелой точки на рельефе местности, а сам рельеф соответствует значениям потенциальной механической энергии. При двух степенях подвижности мы получаем энергетическую поверхность. Величина момента или силы определяется градиентом энергетической поверхности в каждой ее точке. Вершинам потенциальной поверхности соответствуют состояния неустойчивого равновесия, а провалам - состояния устойчивого равновесия. Потенциальная яма соответствует одному двухполюсному делению, т.е. период изменения энергии равен ¿.г эл. рад.

Энергетическая модель сделала задачу унификации управления простой и прозрачной:

1. Статике i = fl и любым стационарным режимам работы х = const * 0 соответствует взаимная неподвижность потенциальной поверхности и тяжелой точки, масса которой равна общей массе (аналогично приведенному моменту инерции во вращающихся машинах) всей движущейся системы. При этом поля статора и ротора взаимно неподвижны и неизменны и никаких изменений запасенной магнитной энергии нет. Изменения W„aa, имеют место при смещениях тяжелой точки на потенциальной поверхности в пределах потенциальной ямы,

(3-1)

Ш

в

Рис. 5. Энергетическая (механическая) модель.

что имеет место в электрических аппаратах, при стартстопных движениях в шаговых двигателях и при колебательных переходных процессах во всех типах электродвигателей.

Задача управления траекторным движением получает энергетическую определенность. Всем изменениям потенциальной механической энергии и сопровождающим обменным процессам запасенной магнитной энергии с источником питания должны соответствовать лишь программные изменения динамических состояний системы при полном исключении переходных процессов. Периодическое изменение мгновенных токов в контурах электромеханического преобразователя должно быть таково, что потенциальная поверхность, деформируясь и смещаясь в результате деформации, остается неизменной в окрестности тяжелой точки (амплитудное управление) или изменяется на программно заданную величину (фазовое управление). Динамические и статические состояния системы в условиях строгого программирования мгновенных токов оказываются тождественными.

Таким образом, изменение токов в контурах электромеханического преобразователя энергии требуется лишь для адаптации магнитной геометрии к требуемому состоянию динамического равновесия системы на заданной траектории движения, а преобразование электрической энергии источника питания в механическую работу является проявлением свойств самой магнитной геометрии.

С этих позиций формирование токов для всех типов электродвигателей оказывается одинаковым, и разработчик получает возможность проверять и сопоставлять варианты решений.

2. Токи, поддерживающие нужную магнитную геометрию, могут быть функциями положения ¡(х) или функциями времени ¡(1).

В первом случае ¡(х) электродвигатель является источником управляемого момента или силы, а его токи формируются управляемым по положению инвертором - механическим в коллекторных машинах постоянного тока или электронным для всех видов бесконтактных двигателей синхронного типа. При этом в полностью управляемом преобразователе присутствуют два контура обратной связи по положению.

Первый (внутренний) контур поддерживает переключением обмоток состояние максимального градиента на потенциальной поверхности, что соответствует поддержанию ортогональной ориентации взаимодействующих контуров (реальных или эквивалентных).

Второй (внешний) контур, опирающийся на датчики положения скорости и ускорения, дозирует и формирует мгновенные значения токов, обеспечивая динамическое равновесие системы на траектории движения.

В целом это сводится к управлению по положению инвертором тока, т.е. к построению управляемого источника тока, адаптированного к особенностям магнитной геометрии.

Во втором случае ¡(¡) электродвигатель является источником программных перемещений, структура привода разомкнута и не имеет внешнего контура обратной связи по положению. Внутренняя локальная обратная связь по положению на интервале 2л эл. рад. обеспечивается на энергетической поверхности (силами, возвращающими систему в состояние равновесия), что и обеспечивает синхронные и шаговые режимы работы.

При этом вынужденные изменением токов движения потенциальной поверхности сопровождаются при изменении сил и ускорений собственными движениями тяжелой точки внутри потенциальной ямы, т.е. траекторное движение системы поддерживается в среднем, сопровождаясь свободными и вынужденными колебаниями от нарушений условий токовой адаптации, изменения масс и внешних сил сопротивления.

Устойчивость движения в целом сохраняется только в пределах двойного полюсного деления. При резких и значительных изменениях токов или возмущениях нагрузки устойчивость нарушается. Тяжелая точка энергетической модели необратимо переходит в смежные ямы энергетической поверхности.

Строгие стационарные и траекторные режимы работы возможны лишь при априорном знании всех эксплуатационных условий и программной калибровке токовых состояний.

Итог - независимо от вида и любых конструктивных особенностей электродвигателя вращающегося или линейного типа для его превращения в управляемый модуль движения необходимо дополнить его инвертором тока, управляемым по положению или программно управляемым по времени. Этим обеспечивается структурная тождественность по отношению к верхнему уровню управления.

3. Энергетическая модель позволила понять физическую основу работы коллекторных и униполярных машин постоянного тока. Назначение и роль коллектора состоит в поддержании в среднем ортогональности поля якоря и поля возбуждения. При этом запас энергии связи контуров якоря и возбуждения в среднем равен нулю

что на модели (рис. 6,а) отображается нахождением тяжелой точки на линейном участке склона энергетической поверхности с максимальным градиентом.

Истинная картина энергетических процессов сложнее. Каждая секция обмотки якоря при движении периодически изменяет свою магнитную энергию связи с контуром возбуждения, как показано на рис. 6,б. При суммировании энергии всех секций, сдвинутых

между собой на угол число секций, амплитудные значения суммарной энергии

остаются равными энергии одной секции, а ее градиент возрастает пропорционально числу секций т, а закон изменения становится практически линейным при т>3, как показано на рис. 6,в.

Градиенты энергий и равны по абсолютным значениям (рис. 6,а и рис.

6,в), а момент электродвигателя, вычисляемый через эти градиенты, в точности совпадает с привычной формой записи.

Точка

в)

Рис. 6. Энергетические процессы в электродвигателях.

Энергетический анализ показывает, что с увеличением числа т секций якоря частота и градиент изменения запасаемой магнитной энергии растут, а величина коммутируемой энергии уменьшается и в пределе т~*а> равна нулю.

Коллектор может быть исключен, если конструкцией машины обеспечена закрепленная ортогональность контуров возбуждения и якоря. Это случай униполярной машины, у которой энергия магнитной связи взаимодействующих контуров равна нулю. Понимание энергетической картины, общей для гетерополярных и униполярных машин, открывает возможность построения новых униполярных двигателей, и мы ведем работу в этом направлении.

Разработанные энергетические представления сводят все многообразие существующих электродвигателей в задачах выбора и проектирования электромеханических устройств и систем к двум случаям:

- источник перемещений;

- источник момента или силы.

В обоих случаях физический смысл управления сводится к токовой адаптации магнитной геометрии электродвигателя к требуемым динамическим состояниям х.х,х.

Источники перемещений требуют программного формирования результирующего вектора тока 7, который поддерживает динамическое равновесие на одном периоде адаптируемой энергетической поверхности. В разомкнутых структурах управления это приводит нас к задаче нахождения строгих соответствий электрических и механических состояний системы, т.е. к априорному программированию питания.

Источник момента или силы всегда замкнут по положению присоединением к тем же электродвигателям коллектора или грубого датчика положения с электронным коммутатором обмоток двигателя, чем обеспечивается закрепленное состояние на склоне энергетической поверхности. Формирование токов осуществляется регуляторами цепей обратной связи.

Традиционно два указанных подхода развивались изолированно и базировались в теории управления главным образом на шаговых электродвигателях и электродвигателях постоянного тока. В практике нашей работы оба подхода физически и инженерно совмещены в процессе создания многокоординатных электромеханических систем для роботов и гибких автоматизированных производств, а электродвигатель, как понятие, уступил место агрегатируемому интеллектуальному модулю движения.

4. Адекватность электрических и механических состояний

В программно управляемых разомкнутых структурах привода применительно к задачам точного позиционирования и контурного движения решена проблема обеспечения строгого соответствия электрических и механических состояний.

Задание содержит одну или несколько программно детерминированных ситуаций, т.е. дана траектория движения 0-/(1) и известны законы изменения J(0) М М,(0)- моментов инерции исполнительного органа и сил сопротивления в рабочем цикле. Это позволяет вычислить момент, необходимый для реализации движения

Мт!К„(в) = 3(в)вУМс(@).

Требуя динамического равновесия во всех точках траектории движения

мы можем найти токи как функции положения где т - число фаз или

контуров электродвигателя. Поскольку положение и время связаны заданием, одновременно

мы имеем ¡,(1),1!(1).....Приближенно m-фазную машину преобразованием координат

можно свести к эквивалентной двухфазной, момент которой является функцией положения и

двух координатных токов M(0,ia,if). В таком виде имеем аналитическое решение, если в окрестности точки равновесия мы потребуем неизменную жесткость к = const угловой моментной характеристики.

dM(&,ia,i„)

d&

-=k (4-2)

Условие k = const обеспечивает неизменность частоты собственных колебаний системы при малых отклонениях от состояний динамического равновесия. Условия (4-1) и (4-2) дают нам два алгебраических уравнения для вычисления координатных токов.

Разработаны программы расчета токов, достоверность которых зависит от точности, с

которой мы можем рассчитать статический момент электродвигателя Mf&.i^i,.....ia). Точные

значения калиброванных токов получаются в стендовых экспериментах, процедуры которых детально разработаны. В общем случае стенд оборудован датчиками и цепями обратной связи, обеспечивающими строгое исполнение траекторного задания.

Осциллографируя и запоминая дискретные значения токов на траектории движения, получаются их точные значения.

При этом устанавливается однозначное соответствие между массивом чисел в памяти системы, где записаны электрические состояния с любой обоснованной дискретностью, и точками реального рабочего пространства. Это поясняется схемой преобразования на рис. 7.

Рис. 7. Последовательность преобразований для программного построения движений

Число каналов управления и число управляемых координат движения при этом не ограничиваются, чем обеспечивается синхронность и синфазность движений системы любой размерности без ее настройки в пределах точности предварительной калибровки электрических состояний используемых модулей движения.

Разработанный метод калибровки электрических состояний широко использован на практике и позволил на порядок увеличить точность позиционирования прецизионных многокоординатных систем. В разомкнутых структурах управления систематическая ошибка не превышает величину ± 5 мкм на рабочей поверхности 1 м2 и величину ± 3 мкм на рабочем поле 300x300 мм.

В выражении электромагнитного момента

можно представить в виде произведения некоторой функции

общий член ряда i-t.—--

1 d0

положения f(9), которая характеризует конструкцию и особенности магнитной геометрии двигателя, и функции токов или времени которая характеризует управляющий сигнал

Таким образом, магнитная геометрия и вид сигнала входят в выражение электромагнитного момента, что позволяет при заданной форме момента определять их друг через друга. Это означает, что мы в широких пределах можем осуществлять взаимную адаптацию конструкции и вида питания, исправлять все технологические погрешности и недостатки конструкции, например, устранять зубцовые гармоники. На этой основе разрабатываются предложения по повышению класса точности сельсинов, редуктосинов и поворотных трансформаторов.

Поскольку машин со строго синусоидальным пространственным распределением полей на практике нет, можно утверждать, что синусоидальное питание обычно не является оптимальным. На рис. 8 показаны годографы токов двухфазного шагового двигателя при различных значениях второй гармоники момента и нагрузках. Можно видеть, сколь существенно оптимальное питание может отличаться от синусоидального.

Рис. 8. Годографы токов двухфазного шагового двигателя.

Приведем интересный и практически важный пример, иллюстрирующий возможности взаимной адаптации законов управления и характера индуктивных связей. Широко используемый в наручных кварцевых часах и других приборах времени однофазный шаговый двигатель с магнитной фиксацией положения реактивным моментом второй гармоники можно представить принципиальной схемой на рис. 9.

М

Рис. 9. Однофазный шаговый двигатель с магнитной фиксацией положения.

Общее выражение электромагнитного момента такого двигателя в относительных единицах:

где -ток фазы;

р2 - амплитуда момента магнитной фиксации;

ср - угол пространственного сдвига между осью фазы и осью фиксации.

При однофазном питании синусоидальным током создается пульсирующее поле, которое можно разложить на прямовращающееся поле, обеспечивающее движение ротора, и обратновращающееся поле, вызывающее пульсацию момента. Кроме того, пульсации при вращении ротора создают фиксирующий момент. Казалось бы, в приводе с таким двигателем невозможно добиться равномерного движения с постоянным моментом. Однако, потребовав постоянства момента и скорости

обнаружим, что требования выполняются, если магнитная геометрия адаптирована к форме тока:

т.е. форма и фаза тока, относительный момент нагрузки, пространственный сдвиг и амплитуда момента фиксации ¿¡, жестко связаны между собой. Физически при этом пульсирующий момент обратновращающегося поля компенсирует момент магнитной фиксации. Эти воздействия оказываются с одинаковыми амплитудами и в противофазе; привод освобождается от возмущений, и рабочий процесс определяется только прямовращающимся круговым полем.

Идеальная синхронизация вращения с круговым полем требует настройки угла синхронизации <р между магнитопроводом и катушкой. Это неудобство в экранированных конструкциях практически устраняется, что и было использовано автором в разработках шаговых и синхронных микроэлектродвигателей для автомобильных приборов [12, 13].

Общий результат - для любого электромеханического преобразователя энергии или электромеханической среды может быть указан многомерный вектор тока I реализующий потребованное движение в детерминированных условиях.

Созданная теория адекватности состояний сводит процессы управления элементами среды к перебору кодированных электрических состояний в массиве чисел. Разумно назначаемый дискрет (без ограничения малости) позволяет сформировать оптимальный годограф вектора результирующего тока по каждому каналу управления, учитывающий все особенности магнитной геометрии электромеханического преобразователя.

Вибрационное сопровождение основных состояний электрического вектора позволяет при этом устранить неопределенность механического состояния в режимах точного позиционирования при наличии гистерезиса (как магнитного, так и механического). Найденное обобщение позволяет снизить технологические требования и стоимость исполнительной электрической машины и не добиваться при ее производстве синусоидальной пространственной картины распределения магнитной индукции в рабочем зазоре. Одновременно управление электрическими машинами разной физической природы становится принципиально одинаковым, а их традиционное деление на машины постоянного тока, синхронные и асинхронные, приобретает смысл режимов работы, задаваемых выбором соответствующего годографа тока. Технически эта задача исчерпывающе решается применением программируемых вторичных источников тока. Электрическое «выравнивание» магнитной геометрии позволяет, в частности, повысить класс точности сельсинов, поворотных трансформаторов, редуктосинов и индуктосинов введением программной коррекции их возбуждения в пределах одного полного оборота исполнительного вала. Предложены процедуры калибровки и запоминания электрических состояний, производимые как собственно с электромеханическим преобразователем, так и в составе технологической установки для априорного программирования питания применительно к требуемым движениям. Для разомкнутых систем привода это является полным решением задачи.

Для ответственных замкнутых структур априорное программирование питания сообщает многокоординатной системе простоту настройки, устойчивость процессов управления, в которых стационарные и динамические режимы не различаются и используются простые линейные алгоритмы работы цепей обратной связи, которые в условиях программно заданного питания выполняют функции слежения за отклонениями, вызванными износом инструмента и текущим состоянием обрабатываемого материала, т.е. функции диагностирования собственно технологического процесса. Приоритет, отдаваемый памяти электрических состояний системы на каждом уровне ее иерархии, позволил полностью устранить обычные (иногда неразрешимые) трудности оптимизации процессов управления системой с ростом ее размерности и при возможных нелинейных свойствах нагрузки.

Априорное программирование питания, т.е. назначение адаптированных по каждому каналу годографов результирующего вектора тока в соответствии с математическим ожиданием карты технологических операций, открывает простую и естественную возможность для самообучения системы в процессе пробных эксплуатационных режимов. Режимы питания при этом строго корректируются в соответствии с фактическими параметрами технологического процесса. Скорректированная таким образом память системы позволяет с точностью до чувствительности цепей токовой обратной связи реализовать во всей полноте самоидентификацию технологического комплекса, следящего за качеством своей продукции. При этом алгоритмы векторного управления, рассмотренные в разделе 2, получают адекватный нижний уровень с уменьшенной электрической размерностью.

5. Единая форма математического описания модулей движения

На базе разработанных представлений энергетической модели, токовой адаптации магнитной геометрии и адекватности электрических и механических состояний все многообразие конструкций вращающихся и линейных электродвигателей, их мощность, число и расположение их электрических контуров и постоянных магнитов охватывается электромагнитным расчетом магнитных полей, энергий и сил в статике. Компьютерное моделирование полей и вычисление энергий и сил в настоящее время достигло высокого уровня совершенства, общедоступно разработчикам и на стадии выбора позволяет исключить натурное макетирование. Программы расчета плоских и объемных полей дают возможность оценки как тангенциальных, так и нормальных сил, что крайне важно в

многокоординатных устройствах. Особенности и специфика расчетов присутствуют только на этой стадии.

Важно, что именно на этой начальной стадии открыта и без затруднений реализуется токовая адаптация требуемой магнитной геометрии и мы получаем точную энергетическую модель электромеханического преобразователя, без учета потерь в стали.

В подавляющем числе случаев целесообразна синусоидальная магнитная геометрия, но при большом числе фаз, как уже отмечалось на примере энергетического анализа коллекторного двигателя постоянного тока, т.е. при управлении токами по положению, это не имеет значения. Достаточно обеспечить постоянный градиент изменения энергии в окрестности поддерживаемого токами неизменного ортогонального положения взаимодействующих электрических контуров. В том и другом случае устраняются флуктуации запасаемой магнитной энергии, развиваемого момента. В машинах большой мощности этим преодолевается проблема шумов и вибрации.

Для единого математического описания электромеханической исполнительной среды и составляющих ее элементов статические расчеты дают нам размеры, топологию преобразователя и развиваемые им моменты или силы как периодические функции углового электрического положения на потенциальной энергетической поверхности.

При управлении токами по времени ¡=/(У (амплитудно-фазовое управление) при адаптированной магнитной геометрии момент или сила строго приведены к виду

М(ф,1) = Мт(1) *51Н<р,

где - угловое электрическое положение на энергетической поверхности в

соответствии с рис. 5; ( - результирующий ток, понимаемый как модуль геометрической суммы токов всех электрических контуров преобразователя, т.е.

При управлении токами по положению 1=/(х) с закрепленным состоянием на энергетической поверхности <р=у-&=к/2 момент или сила зависят только от результирующего тока

Двигатель оказывается источником момента или силы с амплитудным токовым управлением.

При питании от вторичных управляемых источников тока с большим внутренним сопротивлением уравнения электрического равновесия исключаются и движение по одной пространственной координате без учета люфтов и упругостей описывается уравнением механического равновесия второго порядка

где траекторное задание в пространстве электрических состояний.

Для выбора конструкций, реализующих техническое задание, их оценки по стоимости и технологии изготовления, определения границ физической реализуемости, а также для достижения наивысших показателей по управляемости, диапазону регулирования, быстродействию и точности строгое токовое управление, предполагающее использование источников тока, является обязательным и наиболее совершенным. Дальнейшее развитие электроники неизбежно приведет к единственности этого варианта. В настоящее время из-за ограничений по уровню напряжения первичной сети, технических и стоимостных соображений, строгое токовое питание не всегда обеспечивается, инверторы тока работают в режиме инверторов напряжения, и уравнения электрического равновесия в контурах электромеханического преобразователя должны учитываться. Из-за запаздывания токов адаптированная в статических расчетах синусная магнитная геометрия несколько

нарушается, но в теоретических расчетах мы можем это игнорировать, опираясь на коррекцию электрических состояний цепями обратной связи.

С позиций единого математического описания для всех типов электромеханических преобразователей энергии оказалось возможным использовать аппарат теории дискретного электропривода, рассматривая шаговый электродвигатель как общий случай электромеханического преобразователя с векторным управлением.

Для получения общих безразмерных оценок и решений вводятся базисные величины и относительные единицы, формулы для которых приведены в справочнике: Дискретный электропривод с шаговыми двигателями/Под ред. М.Г. Чиликина. - М: Энергия, 1971. -624 с. Динамические свойства привода при этом зависят от трех безразмерных параметров х • <?>

варьируемых для всего мыслимого диапазона изменения физических параметров привода в узких пределах:

- безразмерная постоянная времени фазы, измеряемая в долях периода собственных круговых колебаний привода, является мерой взаимной длительности электрических и механических процессов. При индуктивностями преобразователя можно пренебречь и приближенно считать

С постоянной времени цепи якоря двигателя постоянного тока параметр связан простым соотношением

где частота собственных круговых колебаний привода, 8 = 0...2 - мера колебательности системы (при 3=2 процесс

апериодический, при 3 = 0 система консервирована). Параметр 8 обусловлен э.д с. движения и внешним вязким трением.

Безразмерные уравнения электромеханического преобразователя с разомкнутым управлением, записанные с использованием преобразования m-фазной машины к координатам имеют вид:

При некоторых допущениях, оправданных прежде всего в задачах проектирования, они справедливы для всей совокупности электродвигателей, классифицированных на схеме рис. 3.

В условиях строгого токового питания от источника тока параметры % и ^ равны нулю, и система уравнений (5-2) сводится к уравнению движения

+ (5-3)

¿х1

с изолированным уравнением

намагничивающего тока продольной реакции якоря

Уравнение (5-3) является безразмерной формой уравнения (5-1). При наличии

^ к

коллектора или датчика положения получается уравнение движения двигателя

постоянного тока с независимым возбуждением в режиме работы от источника тока

<17 в

(5-4)

Если в моменте сопротивления нагрузки присутствует вязкое трение, его следует вьщелять при записи уравнений движения

<*'в . /км

-Гг + Р-Г + А=; (5-5)

¿г' Л

На базе уравнений (5-2) - (5-5) получены все критериальные оценки физической реализуемости и найдены границы динамических и стационарных состояний. Уравнения (5-3) - (5-5) имеют аналитические решения.

Численные решения уравнений (5-2), переработанные методами теории планирования экспериментов, представлены в виде полиномов, факторами которых являются параметры

В качестве примера:

- граничные значения ускорения, угловой скорости и отработанного угла поворота для

случая (5-4) равны

при этом наименьшее время позиционирования равно

- при наличии вязкого трения (5-5) имеем

Для оценки установившихся режимов работы, когда

Р

Уравнения (5-6) позволяют в частности определить предельную механическую характеристику привода, т.е. указать наибольшие значения нагрузки для задаваемых значений скорости

где знак минус соответствует тормозящей нагрузке, а знак плюс - ускоряющей.

В полном виде теоретические вопросы статики, динамики и проектирования модулей движения рассмотрены в [1], включая приведенные основные положения единого математического описания модулей движения.

6 Работы по созданию бесфрикционных многокоординатных систем движения

Изложенные ниже теоретические подходы к организации сложных и высокоточных движений были получены автором при творческом участии в работе Всесоюзного научно-производственного коллектива "Время", созданного по постановлениям АН СССР, ГКНТ и Бюро СМ СССР по машиностроению, под общим научным руководством академика РАН Демирчяна К С Перед коллективом «Время» была поставлена задача принципиально новой организации производственных процессов на базе агрегатно-модульных координатных систем с параллельной кинематикой движений, те задача создания электромеханической исполнительной среды, интегрированной в рабочее пространство В работе принимали участие 17 научно-производственных объединений страны и нескольких ведущих ВУЗов -МЭИ, ЛИАП, ЛПИ, НЭТИ Автор являлся ответственным исполнителем работ по созданию уникального сборочно-монтажного гибкого автоматизированного комплекса предназначенного для автоматической сборки всей н менклатуры микрореле выпускавшихся ПО "Северная заря" Полученные результаты стали основой и получили развитие в дальнейших работах автора по разработке и серийному производству микроэлектродвигателей для автомобильной промышленности

На рис 10 дан пример деталей микрореле подлежащих автоматической сборке

Рис 10 Детали микрореле

Техническое задание предусматривало разработку карты технологических операций параллельного и последовательного типов

выбор оптимальной топологии пространства операций, числа и видов движения, расчет всей совокупности детерминированных движений с возможностью их гибкого программного видоизменения, выбор модулей движения и их агрегатирование, разработку средств пооперационного контроля и отбраковки деталей, создание многоуровневой системы централизованного управления Было очевидным что удовлетворить поставленным требованиям традиционными средствами нельзя

Применявшиеся в робототехнике и технологическом оборудовании устройства построенные, как правило, на основе винтовых, реечных, кулачковых и червячных передач шарнирных соединений кинематически и конструктивно сложны, характеризуются наличием люфтов упругостей и потерь в кинематических узлах, металлоемки и требуют значительных усилий разработчиков для получения высоких точностных и динамических характеристик Все это и явления износа осложняют математическое описание системы или технологического комплекса в целом Задачи управления оказываются во многих случаях специфическими Общность подхода при решении этих задач в значительной мере утрачивается

Центральная идея выполненной работы состоит в обеспечении условий, позволяющих освободить технологическую среду от жестких механических связей и, опираясь на прямые электромагнитные силы, заменить их гибкими информационными связями таким образом, чтобы в любую заданную точку технологического пространства одновременно могли быть вызваны объект и орудие обработки (деталь и инструмент) и совмещены в этой точке с требуемым числом степеней подвижности При этом все движения, обеспечивающие собственно технологические, транспортные и контрольно-измерительные операции, равноправны как для детали, так и для инструмента, не имеют различий при управлении и выполняются на единой элементной базе в той последовательности, которая дается картой операции

Распределенная электромеханическая система, использующая прямые взаимодействия первичных элементов в виде простых электромагнитов и магнитов, позволяет построить электромеханическую исполнительную среду, легко адаптируемую как топологически, так и по управлению к любому заданному технологическому процессу. Топологическая и информационная совместимость первичных электромагнитов обеспечивается закрепленными пространственными сдвигами и очередностью возбуждения, что эквивалентно их сборке в единую интегральную электрическую машину с нужным числом степеней подвижности. Вместе с тем и конструктивно, и по питанию, и по управлению каждый элемент системы остается выраженным и законченным в себе ее модулем с органически присущими ему внутренними обратными связями, что и позволяет осуществить простыми средствами конструктивную адаптацию в сочетании с адаптивным управлением и переключением структур системы большой размерности

Устройство элементарного модуля показано на рис. 11.

Физически он относится к электромеханическим преобразователям индукторного типа, в которых поток возбуждения постоянного магнита взаимодействует с токами двух электрических контуров.

В энергетических взаимодействиях его рабочих поверхностей используются как тангенциальные, так и нормальные силы; последние позволяют работать при любой ориентации в пространстве (притяжение к опорной поверхности) и обеспечивают надежную фиксацию конечного положения при отключении питания (механическая и магнитная память состояния). Магнитовоздушная подвеска обеспечивает стабильный рабочий зазор 15 мкм и исключает трение.

Удельная сила - 2Н/см2, скорость - до 1 м/с, ускорение - до 80м/с2.

Наращивание размерности системы осуществляется путем агрегатирования внутренне завершенных на каждом из 4-х уровней иерархии форм с кодами взаимной топологической и информационной совместимости Первый уровень - элементарный электромагнитный модуль простейшей формы со строго изученными и достоверно известными свойствами Второй уровень -сборка элементарных поляризованных модулей в типовой однокоординатный (х), двухкоординатный (д:,у) или (г,$)-двигатель также с достоверными свойствами Третий уровень - сборка элементарных модулей и двигателей в

Индуктор Постоянный магнит

Полюс 1 Полюс 2 Полюс 3 Полюс 4

Рис. 11. Электромагнитный модуль.

функциональные узлы с требуемыми значениями развиваемых сил, ускорения, скорости, точности позиционирования и числом степеней подвижности от 1 до 6. Четвертый уровень -это сборка сменных узлов движения со сменным инструментом (или любым технологическим механизмом), т.е. технологический комплекс, являющийся материализацией операционного пространства. Коды топологической и информационной совместимости всех уровней иерархии системы обеспечиваются пропорциональностью дискретных пространственных сдвигов одинаковых базовых модулей и дискретных временных сдвигов в поступлении на них сигналов управления при одинаковости всех каналов управления и питания.

Кинематические передачи и связи в базовой системе отсутствуют, но могут использоваться как дополнительные и локальные для масштабирования моментов и сил. В исполнительной среде электродинамически взаимодействуют рабочие поверхности элементов системы с использованием воздушных опор или магнитного подвеса. Трение и износ в системе отсутствуют, в связи с чем исходные метрологические характеристики системы неизменны во времени и возможны только генеральные отказы, наиболее просто регистрируемые и устраняемые типовыми элементами замены.

На рис. 12 показаны созданные и примененные в сборочном центре интеллектуальные модули движения с единообразным управлением по всем координатам автоматического комплекса. При этом для достижения высокой точности и повторяемости движений реализованы идеи калибровки и запоминания токовых состояний с адаптацией к реальной магнитной геометрии, что позволило устранить систематические ошибки. Технические параметры табл. 1 характеризуют уровень достигнутых результатов. Управление модулями движения построено по схеме на рис. 13.

Рис. 12. Интеллектуальные модули движения.

Технические параметры модулей.

Таблица 1

Технические параметры

Специфические особенности

Сферы применения

Период нарезки - 0,64 мм

Число с

з - 2,3

Ном сила тока - 3±0,ЗА

Макс, скорость -1,5 м/с

Макс, ускорение - 30 м/с

Повторяемость -1 мкм

Точность позиционирования -± 10 мкм

Воздушная подушка - (10-14)мкм

Подводимое давление воздуха - 0,3±0,04 мРа

-Контроль за статической ошибкой положения мотора относительно периода нарезки статора;

-Замкнутый по положению •Отсутствие углового разворота уменьшается динамическая угловая траекторная ошибка Начальная автоматическая установка мотора по нарезке статора при развороте в пределах 2-3 периодов нарезки -Полная диагностика шагового мотора -Отсутствие гистерезиса -Отсутствие потери шага -Свободное перемещение в 2-х осях

-Компактный, низкопрофильная разработка -Возможно несколько координатных систем с пересекающимися траекториями на одном статоре

-Сборочные операции в микроэлектронике и сборочном роботизированном производстве -LSI и VLSI сварка -Резка/установка кристаллов -Probe monitoring -Поверхностный монтаж -Элементная и блочная роботизированная сборка

•Лазерные технологические комплексы -Измерительные машины

Блох управ 1емия 52

Рис. 13. Процесс управления модулями движения.

В процессе работы по созданию сборочного центра были решены все, отмеченные ранее, постановки технического задания.

Разработка карты сборочных операций потребовала создания алгоритма типового сборочного процесса, рис. 14

Рис. 14. Алгоритм типового сборочного процесса.

В выбор топологии сервисного пространства были заложены впервые сформулированные принципы:

- конструктивная интеграция управляемых модулей движения с рабочим инструментом или предметом сборки;

- устранение кинематических связей устройства и их замена контролируемыми и управляемыми электромагнитными связями;

- отказ от манипулятора антропоморфного типа как главного элемента робототехнического комплекса, заменяющего человека-оператора;

- объединение рабочих и транспортных операций в едином координатном пространстве, охваченном централизованным программным управлением;

- минимизация числа степеней свободы движения в одной единице оборудования за счет равноправного разделения движении между инструментом и деталью;

- сохранение основного признака жесткой автоматической линии, т.е. последовательное или последовательно-параллельное выполнение элементарных операций, из которых складывается данный технологический процесс, по ходу продвижения детали вдоль линии;

- иерархическое построение • гибкой производственной линии из однотипных простых первичных элементов с заранее сформированными механическими характеристиками, точностными показателями и эксплуатационными свойствами.

Опираясь на эти принципы, была выбрана двухуровневая организация сборочного

пространства с размещением инструментов деталями и узлами сборки - на нижнем уровне

на верхнем уровне (рис 15), а палет с

Рис. 15. Двухуровневая организация сборочного пространства

В соответствии с картой операций окончательная организация координатных движений - результат оптимизационного проектирования Блок-схема алгоритма оптимизации дана на рис 16

Рис 16 Блок-схема алгоритма оптимизации проектирования координатной системы

Созданный сборочный центр показан на рис 17, а его блочная структура - на рис 18

Рис 17 Автоматизированный технологический комплекс для сборки микрореле

Рис 18 Структура АТК типа «Сборочный центр»

Состав сборочного центра

1 Сборочный центр (СЦ) предназначен для сборки и сварки микрореле типа РПС-45, его производительность - 600 тысяч реле в год при полуторасменной работе

2 Технологическое пространство СЦ определяется верхней и нижней плитой планарных шаговых двигателей На каждой из двух плит смонтировано по два модуля движения

3 Иерархическая система управления СЦ состоит из двух управляющих ЭВМ Одна из них ориентирована на реализацию функций расчета программных движений, обработку информации с датчиков, обеспечение выполнения технологического процесса сборки и сварки, и конструктивно содержит контроллеры управления шаговым двигателем Другая ЭВМ реализует функции диагностики СЦ, функции экспертной системы и возможность пошаговой отладки технологических операций оператором СЦ

4 Собранное изделие - микрореле, сваривается в шести точках с помощью установки лазерной сварки «Квант»

Технологически подача деталей микрореле в пространство сборки осуществляется из двух вибробункеров - для деталей плоской формы и из технологических кассет - для деталей пространственной формы

5 В состав СЦ входит около 40 (сорока) контактных и индукционных датчиков, обеспечивающих функции реперных точек, контроль положения механизмов, безопасность от столкновений исполнительных механизмов в сборочном пространстве

6 Надежное информационное взаимодействие элементов СЦ обеспечивает оптоволоконная линия связи

7 Для стабильной работы СЦ были разработаны специальные блоки питания

8 Кроме указанных планарных шаговых двигателей в состав исполнительных устройств СЦ входит 10 (десять) вращающих шаговых двигателей ДШИ 200 Всего - 28 координат движения

9 Программное обеспечение системы управления СЦ реализует два режима работы операторный (ручной) режим и автоматический режим Имеющаяся диагностическая экспертная система позволяет идентифицировать нештатные ситуации при работе СЦ Программное обеспечение реализовано на языке FORT и Ассемблер

СЦ применим для производства микродвигателей, разработанных автором (патенты № 1836786 (1992 г) и № 2152119 (2000 г))

Априорное программирование питания

Расчет траекторий движения, сопряженных, но независимых (при параллельной кинематике) координат и их стендовая априорная настройка осуществляются на основе рассмотренных положений концепции (4-1) и (4-2) предельно просто

- детерминируются траектории движения и параметры (массы, силы) движений по карте

технологических операций,

- вычисляются требуемые траекторные силы в функции координат перемещения,

- найденным силам ставятся в соответствие электрические состояния модуля движения,

запоминаемые в виде цифровых кодов,

- преобразование информации, содержащейся в памяти системы, в дискретные

приращения токов дает требуемое движение

Калибровочный стенд для проверки и уточнения законов изменения токов завершает процедуру

Опыт работы показал, что только такой подход оправдывает себя на практике Поскольку в созданном комплексе отсутствует трение, а внутреннее демпфирование при питании от источников тока ничтожно, система близка к консервативной Исключить ее колебательность без строгой априорной адекватности электрических и механических состояний было бы крайне сложно

Идеи конструктивной интеграции электромеханической исполнительной среды с технологической средой и совмещения всех видов движения (загрузка-выгрузка деталей, транспортирование и собственно сборка) в полной мере осуществлены в сборочном центре. На фотографиях рис. 15 и рис. 19 можно видеть, что конструктивная интеграция сборочной головки с пленарным модулем движения и конструктивная интеграция палет - носителей с элементами сборки осуществлена в полном согласии с концепцией взаимной интеграции органов движения с технологической оснасткой.

Рис. 19. Пленарный модуль движения.

Специально разработанная сборочная головка позволяет одновременно производить действия с 16-ю деталями, расположенными в гнездах палеты.

Центр блестяще оправдал самые смелые ожидания. Параллельная кинематика движений на двух уровнях сборочных головок и палет дали производительность целого сборочного цеха (50 человек) на занимаемой площади 5 м2.

Успех и быстрый прогресс электромеханики в системах движения с параллельной кинематикой основан на совмещении трех главных свойств поверхности в электромеханических средах. Рабочая поверхность одновременно выполняет функции опорной, энергетической и информационной поверхностей. В механическом отношении рабочие поверхности гладкие, в магнитном отношении - с периодическим изменением магнитной проводимости и электрической емкости, дополнительно могут наноситься оптические реперы. Тем самым рабочая поверхность сама является отсчетной шкалой. При требованиях к точности ± 10 мкм специальных датчиков не требуется. Для увеличения точности до 1 мкм и повышения системной надежности созданы и используются встроенные магниторезистивные, емкостные, оптические датчики.

В заключении отметим, что одно из высших достижений сегодняшней мировой техники - шестиножки, или гексаподы (рис. 20), на базе которых сейчас построены самые совершенные обрабатывающие центры, контрольно-измерительные машины, лазерные комплексы и др., впервые были осуществлены в составе коллектива «Время» в НЭТИ.

Рис 20 Гексаподы

Далее были предложены совместно и экспериментально опробованы сочетания гексаподов с планарными и линейными модулями движения, что и является высшей мехатронной формой построения параллельной кинематики движений востребованной прежде всего в автомобилестроении На рис 21 показаны современные реализации Мы отмечаем эти достижения с позиций разработанных нами концептуальных принципов электромеханики, полностью использованных во всех этих новейших разработках

7. Создание и производство модульных электродвигателей для автомобильных

приборов

В 90-е годы, в условиях свертывания машиностроения и электротехнических производств, удалось сосредоточить знания и опыт предшествовавшего периода на конкретной и актуальной задаче создания конкурентоспособного микродвигателя для автомобильных приборов При отсутствии финансирования и заказов на разработку, в одиночку пройдены все стадии изобретение, расчетно-теоретические работы, экспериментальная доработка, отработка технологии производства и организация массового серийного производства ряда модульных модификаций базовой конструкции микродвигателя синхронного типа с гладким многополюсным магнитом ротора С конца 90-х годов созданное автором творческое акционерное общество «АКВ» произвело по заказам автомобильных заводов (ГАЗ, ВАЗ и АО завод «Автоприбор», г. Владимир) порядка 2 млн единиц продукции Выпускаемые микродвигатели показаны на рис 22. Конструкция запатентована, патенты № 1836786 (1992 г) и № 2152119 (2000 г.)

Рис. 22. Синхронные шаговые микроэлектродвигатели, производимые электротехническим заводом ЗАО «АКВ»

Разработано и освоено в серийном производстве на ЗАО «АКВ» семейство одно- и двухфазных синхронных двигателей для автомобильной промышленности для применения в приборах контроля и учета, таких как измерение автопробега и количества моточасов, а так же автомобильных часов и клапана холостого хода электронного впрыска и др Потребности отечественного автомобильного рынка оценены в 2 млн штук данных двигателей и закрываются производственными мощностями ЗАО «АКВ» Выпускаемые модификации:

1 Однофазные синхронные микродвигатели ДСО21 -0,4-0,375, ДСО32-2,0-0,375 на напряжения питания 12, 27, 40,110 или 220 В

2 Двухфазные синхронные микродвигатели ДСК25-3,0-7,5 на 12 и 24 В

3 Мотор-редуктор ДСОР32-250-2 на напряжение питания 40, 110 и 220 В

4 Шаговые микродвигатели ДШ21-0,4-22,5, ДШ32-2,5-22,5, ДШ25-3.0-75 на напряжение питания 6 и 12 В

Основные параметры электродвигателей приведены ниже в табл. 2.

Таблица 2

Основные параметры производимых электродвигателей

Параметр

Синхронные

ДСО32 ДСОР32

Шаговые

ДШ32 ДШ25 ДШ21

12; 24 6; 12; 24 6; 12

- - -

120 200 10

2,5 3,0 0,4

- - -

22,5 7,5 22,5

1,6 2,5 1,5

0,07 0,035 0,025

32 25 21

21 15 13

Напряжение питания, В

12;27;40;110;220

Частота, Гц

50; 60

Частота приемистости, Гц

Синхронный вращающий момент, мН*м, не менее 2,5 250

Частота вращения, мин-1 375 2

Угловой шаг, град - -

Потребляемая мощность, ВА, не более 1.6

Масса, кг, не более 0,07 0,11

Габариты, мм: диаметр длина 31 21 45 56

Реверсивный двухфазный двигатель ДШ25 составлен из двух однофазных модулей, т.е. является результатом агрегатирования, чрезвычайно удобным в серийном производстве.

Универсальность предельно простой в производстве конструкции микродвигателя в том, что двигатель может работать в шаговом режиме при питании как однополярными, так и разнополярными импульсами напряжения или тока. Одновременно это синхронный двигатель, который можно включать в однофазную сеть переменного тока.

Учитывая высокую серийность производства двигателей, при их изготовлении используются типовые отечественные технологии, оборудование и материалы.

В рамках указанных работ для привода отсчетных механизмов спидометров комбинаций приборов автомобилей ВАЗ, ГАЗ, ИЖ, УАЗ, КАМАЗ и др. разработан шаговый электродвигатель ДШ32, отличающийся от аналогов улучшенными характеристиками, что позволило в среднем уменьшить потребляемую энергию в полтора раза и одновременно увеличить в 1,8...2 раза вращающий момент при одинаковых габаритах. Примененное конструктивное решение, позволяет за счет большей степени экранирования полюсов и, как следствие, увеличения внутреннего демпфирования, обеспечить стабильную и устойчивую работу во всем диапазоне управляющих частот от нуля до максимальной.

Дальнейшее совершенствование конструкции двигателей нашло отражение в патенте РФ № 2152119 от 27.06.2000 г. В результате применение двигателей расширено на автомобильные часы.

Главным отличием указанных двигателей является возможность использовать один и тот же тип двигателя как в синхронном, так и в шаговом режимах, подавая сигналы в обмотку управления в виде импульсов тока. При этом характеристики двигателей малокритичны к форме импульсов.

Продукция электротехнического завода ЗАО «АКВ» представляется на международных выставках и отмечена их дипломами.

Однофазный синхронный электродвигатель содержит статор с кольцевой катушкой, размещенной между торцевыми узлами магнитопровода с когтеобразными полюсами, и ротор с многополюсным магнитом, число когтеобразных полюсов которого равно числу когтеобразных полюсов магнитопровода, причем полюса магнитопровода объединены в четное количество групп, содержащих одинаковое число полюсов и смещенных относительно друг друга, при этом полюса в каждой группе выполнены с длиной полюсной дуги 0,6 - 0,75

длины дуги полюсного деления и смещены относительно друг друга на 180 эл град, а полюса противоположных торцевых узлов, перекрывающиеся по ширине, выполнены укороченными с аксиальным зазором между ними, при этом все полюса несмежных групп полюсов экранированы короткозамкнутыми витками, группы полюсов смещены относительно друг друга на 90 - 110 эл град Число групп когтеобразных полюсов в торцевом узле магнитопровода равно двум

Принципиально однофазный микродвигатель работает на сочетании гармоник момента и относится к типу, рассмотренному на рис 9 Дополнительно используется экранирование части полюсов статора Нам удалось найти среди простых форм, получаемых штамповкой, такую геометрию магнитопровода статора и медных пластин экрана, которая обеспечила наивысшие показатели в этом классе электрических машин и устойчивость рабочих параметров в условиях серийного производства По критерию «цена-качество» указанные синхронные и шаговые микродвигатели выдержали конкуренцию с лучшими зарубежными моделями при отсутствии у нас на сегодня автоматизированного производства

Задача дальнейшего технологического совершенствования и развития возвращает нас к созданному на ПО «Северная Заря» сборочному центру (АТК) В производственные планы включена его реанимация

Для автоматизации технологических процессов сборки узлов и деталей изделий автомобильной промышленности решено использовать разработанный автоматизированный технологический комплекс (АТК), переориентированный на применение в производстве электродвигателей, так как детали производимых электродвигателей, изображенные на фотографии рис 23, близки к деталям микрореле, представленным на рис 10

Рис 23 Детали микроэлектродвигателей производства электротехнического завода ЗАО «АКВ»

АТК позволяет собирать до 5-ти тысяч двигателей типа ДШ32 в смену На базе АТК может быть построен диагностический комплекс для проверки собранных двигателей по основным выходным параметрам потребляемому току, величине вращающего момента отсутствию пропуска шагов, биению выходного конца вала и прочности изоляции

Таким образом, мы на практике пришли к тезису электромеханической среды воспроизводящей себя, а все семейство производимых нами электродвигателей следует рассматривать с концептуальных позиций как многофункциональный модуль движения

8. Ведущиеся перспективные разработки

Наряду с задачами по автоматизации технологических и производственных процессов, без решения которых нет будущего, проводятся исследования по ряду новых разработок.

1. Ведется работа по созданию модуля "мотор-редуктор". В основу положен редуктор-подшипник (РП), предложенный в Томске ЗАО "Технология-Маркет".

На рис. 24 представлена принципиальная схема "Циклоидной передачи с промежуточными телами качения", которая включает в себя приводной вал с эксцентриком 1, сепаратор 2, в пазах которого размещены промежуточные тела качения 3, венец кулачковых секторов поз. 4, количество которых на один больше промежуточных тел качения. При вращении входного вала промежуточные тела, обкатываясь по кулачковым секторам неподвижного венца, поворачивают сепаратор за один оборот эксцентрика на

РП - это исполнение волновой передачи с промежуточными телами качения в виде шариков, в котором вместо гибкого элемента используется схема силового зацепления практически всех шариков, а зацепление возникает при их обкатке по смежным дорожкам качения входных и выходных звеньев устройства. В одном узле одновременно совмещены функции редуктора и подшипниковой опоры.

Одним из главнейших достоинств схемы является резкое уменьшение массы и габаритов передаточного механизма при передаче одинаковой мощности (любой редуктор в размере двухрядного подшипника качения). Схема позволяет разработать унифицированный ряд передаточных механизмов различного назначения.

РП предназначен для преобразования скорости вращательного движения как с повышением, так и с понижением числа оборотов, а также для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, и наоборот.

Преимущества РП уникальны по сравнению с традиционными зубчатыми и волновыми передачами:

• Высокие надежность и ресурс работы - следствие простой конструкции;

• Массогабаритный показатель - отношение массы редуктора к передаваемому крутящему моменту достигает 0,001 кг/нм и менее (у лучших традиционных редукторов до 0,1);

• РП допускает многократные кратковременные перегрузки;

• Отсутствие трения проскальзывания между движущимся смежными деталями обеспечивает КПД 0,85- 0,98;

2. Бесконтактный гистерезисный двигатель постоянного тока.

В гистерезисном двигателе непосредственно реализуется идея адаптации магнитной геометрии к избранному простейшему виду питания - в данном случае i=const, в контуре якоря, расположенном на статоре.

Рис.25

Принцип действия поясняется на рис. 25. Двигатель имеет два электрических контура: 1). Обмотку якоря, проводники которой заложены в пазы магнитопровода статора; эта II =сопз1 обмотка подключена к источнику постоянного тока. 2). Импульсную обмотку возбуждения, которая намагничивает гистерезисный слой тела ротора. Обмотка якоря взаимодействует с. магнитным потоком остаточной намагниченности, ротор приходит в движение и может переместиться на половину одного полюсного деления. Если период повторения однополярных импульсов намагничивания меньше, чем время шагового перемещения ротора, то под проводниками обмотки якоря повторным намагничиванием

поддерживается неизменная полярность потока возбуждения. Мы получаем машину постоянного тока с коммутацией магнитных состояний ротора вместо коммутации токов ротора в обычной коллекторной машине постоянного тока. Обычный гистерезисный двигатель работает по этой схеме, если в одну фазу дать постоянный ток, а во вторую -однополярные импульсы тока. Двигатель оказывается простейшим в классе бесконтактных машин постоянного тока. Это открывает ему большие перспективы применения в автомобильных электромеханизмах.

3. Шаровый двигатель

Рассмотренный принцип работы бесконтактного гистерезисного электродвигателя постоянного тока открывает возможность построения двухкоординатного шарового двигателя чрезвычайно простой конструкции.

Устройство шарового двигателя представлено на рис. 26. Он имеет одну общую для координат поворота 0 и р кольцевую обмотку якоря, которая взаимодействует с зонами намагниченности по двум ортогональным осям. Зоны - намагниченности создаются и поддерживаются импульсными обмотками возбуждения - в и ? соответственно.

В планах новых работ числятся также новые типы униполярных двигателей и пьезомагнитных двигателей - все перечисленные направления работ подчинены стратегии и принципам развития электромеханики, изложенным в диссертации.

Заключение

Выполненный автором комплекс работ по теории управления, агрегатированию сложных электромеханических систем модульного типа и созданию специализированных модулей движения, приспособленных к требованиям серийного производства, позволил сформулировать принципы развития адаптивной электромеханики в автомобилестроении. В процессе работы вопросы управления, вида питания и построения собственно электромеханического преобразователя рассматривались и решались во взаимосвязи, что обеспечило адаптивность разработанных электромеханических комплексов в широком диапазоне условий эксплуатации.

Понятие электродвигатель все в большей мере будет уступать место понятию функционально завершенного модуля движения, как следствие этого противопоставленность изменчивости моделей и их серийного производства устраняется. При этом топологическая и информационная совместимость модулей предопределяют их конструктивную интеграцию со средствами масштабирования моментов и сил (такими как редуктор-подшипник), исполнительными органами и средствами управления.

Иерархическое понимание модульности позволяет реализовать электромеханический комплекс или электромеханическую исполнительную среду любой размерности, что позволяет уменьшить время освоения новых комплектующих изделий для автомобилестроения.

Стратегия развития адаптивной электромеханики (мехатроники) во многом определяет собою прогресс автомобилестроения как по уровню организации и обеспечения всех производственных технологий, так и по совершенству производимых автомобильных электромеханизмов.

Разработанные принципы организации, технические и технологические решения адаптивной электромеханической среды практически применимы не только в производстве электромеханических и электронных компонентов автомобиля, но и в производстве механических узлов, таких как коробка передач, механические тяги и др., а так же при сборке автомобиля в целом.

Основные научные результаты, полученные автором.

1. Созданы основы теории кинематики и динамики сложных электротехнических систем, включая электромеханические манипуляторы. В результате их анализа синтезирован ряд адаптивных алгоритмов управления, обеспечивающих выполнение целей управления в условиях значительных начальных возмущений и неопределенности массо-инерционных параметров перемещаемой нагрузки и инструмента.

2. Обоснованы принципы идентификации параметров исполнительных электроприводов непосредственно в процессе управления. Это обеспечивает дополнительные свойства адаптивности разработанных электротехнических комплексов.

3. Созданная теория шаговых микроэлектродвигателей для привода отсчетного устройства счетчика пути комбинации приборов автомобилей, впервые позволила перейти от механических отсчетных устройств к электромеханическим и электронным приборам и в результате повысить технический уровень и качество компонентов отечественной автомототехники.

4. Сформулирована концепция развития адаптивной электромеханики для автомобилестроения, в рамках которой разработан и создан ряд адаптивных электротехнических технологических комплексов для автомобилестроения и смежных отраслей.

5. Разработана общая энергетическая модель унифицированных модулей движения. Модель позволила унифицировать управление различными модулями движения и перейти к разработкам интеллектуальных модулей движения.

6. Разработана единая форма математического описания унифицированных модулей движения. В результате этого обеспечивается адекватность электрических и механических состояний модуля, осуществлен переход к программируемому токовому питанию модулей.

Общим итогом полученных научных результатов являются обобщения, определяющие философию развития электротехники:

- иерархичность и модульность, изначально сформулированные и реализованные применительно к средствам управления и программного обеспечения,' распространены на все элементы и конструктивы электромеханической среды как агегатирование внутренне завершенных форм;

- строгая адаптация токового питания с априорным программированием ожидаемых эксплуатационных режимов работы унифицирует управление всех видов электромеханических преобразователей энергии, предавая им свойства источников момента (силы) или источников перемещения, и устраняет понятие переходных процессов, свободных и вынужденных колебаний привода, рассматриваемых при этом как проявление неадекватности питания, парируемые корректирующими обратными связями;

. - наконец последнее обобщение, связывающие создание и совершенствование самих модульных средств воспроизведения механических движений с организацией технологического пространства для их производства на их же основе, позволяет ввести понятие адаптивной электромеханической среды, действенность которого сложилась в реально выполненных нами работе.

Выполненный комплекс работ позволяет утверждать, что автором обоснованы научно-технические и технологические решения, внедрение которых дает значительный экономический эффект в автомобилестроении и смежных отраслях промышленности.

Основные публикации автора по теме диссертации

1. Козлов В. В. Адаптивные электротехнические комплексы в автомобилестроении.-СПб, изд. СПб ГПУ, 2004.- 352 с.

2. Козлов В.В., Макарычев В.П., Тимофеев А.В., Юревич Е.И. Динамика управления роботами/ Под ред. Е.И. Юревича. - М.: Наука., гл. ред. физ.-мат. литературы, 1984. - 334 с

3. Козлов В.В., Никитин Ф.Н., Бобович А.В. Аппаратные и программные средства разработки систем управления робототехнологических комплексов/ Под ред. В.В. Хрущева. -М., изд. МПИ, 1991.-273 с.

4. Голландцев Ю.А., Козлов В.В., Макарычев В.П. Проектирование промышленных роботов. - Л.: ЛИАП., 1989. - 80 с.

5. Козлов В.В., Левицкий В.Н., Денисова Т.М. Моделирование системы управления шаговым приводом. -Л: ЛИИАН, 1988. - 32 с.

6. Kozlov V.V., Timofeev A.V., Jurevich E.I. Techniques and means of industrial robot adaptive control. - Proc/ of 9th ISIR, USA, Vasshington, Marsh, 1979. - MS79-299.-34 с

7. Козлов В.В. Особенности расчета магнитной цепи шаговых и синхронных электродвигателей для сервисных автомобильных электроприводов. - Электричество, №9, 2004.

8. Козлов В.В. Расчет шаговых и синхронных электродвигателей для автомобильных электроприборов. - Электротехника, №10,2004.

9. Козлов В.В. Синхронный электродвигатель для электропривода автомобильных спецсигналов. - Автотракторное электрооборудование, №1-2,2004, с. 15-17.

10. Козлов В.В. Принципы организации, состав, структура и общие алгоритмы функционирования сложной электротехнической системы. - Электроника и электрооборудование транспорта, № 2,2004, с. 45-48.

11. Козлов ВВ. Функциональная диагностика сложных электротехнических систем -неотъемлемая часть эффективных систем управления. - Электротехника, №2,2004.

12. Патент СССР №1836786 от 13.10.1992 г. Однофазный синхронный электродвигатель. Козлов В.В., Колесников В.П.

13. Патент РФ №98106079 от 25.03.1998 г. Однофазный синхронный электродвигатель. Козлов В В., Павловский B.C.

14. Козлов. В.В., Макарычев В.П., Шишлов А.В. Пакет программ для моделирования на ЭВМ динамики промышленных роботов. - В кн.: Промышленные роботы, вып. 3. Л.: Машиностроение, 1982. с.49-55.

15. Козлов В.В., Тимофеев А.В., Юревич Е.И. Проектирование и стабилизация программных движений автоматического манипулятора с электрическими приводами. - В кн. Робототехника, вып. 2, Л.: ЛПИ, 1979, с.76-86.

16. Козлов В.В., Шишлов А.В. Динамика систем управления электромеханических манипуляторов. - В кн.: Управляемые механические системы. Иркутск, 1979, с.210-215.

17. Козлов В.В., Макарычев В.П., Шишлов А.В. Алгоритмическое и программное обеспечение имитационного моделирования движений автоматических манипуляторов. -Тезисы докладов II Всесоюзного совещания по робототехническим системам, ч. 3. Минск, 1981.С.125-126.

18. Козлов В.В., Тимофеев А.В., Юревич Е.И. Проектирование адаптивных систем управления промышленных роботов. • Резюме по докладам Национальной научно-технической конференции с международным участием "Роботы 79". Болгария, г. Стара Загора, 1979, с. 15.

19. Козлов. ВВ., Тимофеев А.В. Имитационное моделирование систем управления манипуляторов с электрическими приводами. - Тезисы докладов YII Всесоюзного совещания "Теория и методы математического моделирования", г. Куйбышев, М.: Наука, 1978, с.39-40.

20. Козлов В.В. Синтез алгоритмов управления движением автоматических манипуляторов с учетом их динамики. - Тезисы докладов Всесоюзного совещания по робототехническим системам, г. Владимир. М.: Наука, 1978, с.164.

21. Козлов В.В. Методы и средства повышения качества функционирования промышленных роботов. - Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического семинара "Опыт создания и применения высокоэффективных машин-автоматов в серийном и массовом производстве", М. 1979, с.80-81.

22. Козлов В.В., Тимофеев А.В., Юревич Е.И. Проблемы динамики и адаптивного управления манипуляционными роботами. - Тезисы докладов YII Всесоюзной с международным участием конференции по нейрокибернетике, Ростов на Дону. М., 1980, с.49-50.

23. Козлов В.В. Система диагностики электромеханических параметров космического манипулятора.- Тезисы докладов YI Международной научно-технической конференции "Робототехника для экстремальных условий", СПб, 1995.- с. 21-22.

24. Козлов В.В. Концепция самовоспроизводящихся электротехнических систем на примере РТК "Сборочный центр".- Тезисы докладов 6-го Санкт-Петербургского симпозиума по теории адаптивных систем, СПб, 1999.- с.40-41.

25. Козлов В.В. Организация систем управления электротехнических комплексов на базе универсальных модулей движения. • Тезисы докладов Международной конференции по информатике и управлению, СПб, 1997.-c.28.

26. Козлов В.В. Алгоритмическое и программное обеспечение автоматизированного технологического комплекса "Сборочный центр".- Тезисы докладов Международной конференции "Идентификация систем и задачи управления", М., 2000.- с.35-36.

27. Козлов В В. Проектирование автоматизированных сборочных и диагностических комплексов на основе пленарных модулей движения - Тезисы докладов XII международного семинара "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации, г. Алушта, 2003.- с.32-33.

28. Козлов В.В. Использование универсальных модулей движения в производстве электромеханических узлов автотракторного электрооборудования.- Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Фундаментальные и прикладные технологические проблемы создание машин. Технология 2000", г. Орел, 2000.- с.24-25.

29. Козлов В.В. Адаптивные электротехнические комплексы для производства микрореле и микроэлектродвигателей.- Тезисы докладов научной школы-конференции "Мобильные роботы и мехатронные системы", М., 1999.-С.39-40. .

30. Козлов В. В. Функциональная диагностика сложных электротехнических систем. Тезисы докладов XXIII Межведомственной научно-технической конференции "Проблемы обеспечения эффективности и устойчивости функционирования сложных электротехнических систем" 4.4, Серпухов, 2004.- с. 7-8.

Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах: [2, 3, 4, 6,15, 16, 17] - постановка задачи исследования, математические модели кинематики и динамики электромеханических манипуляторов, алгоритмы расчета и стабилизации программных траекторий, анализ результатов математического моделирования на ЭВМ процессов управления; [5] - постановка задачи и алгоритм управления; [12, 13] - постановка задачи и расчет магнитной системы двигателя.

Автор выражает глубокую признательность академику РАН К. С. Демирчяну за научные консультирования, всестороннюю помощь и поддержку при выполнении работы.

КОЗЛОВ Валерий Викторович

Автореферат диссертации в форме монографии на соискание ученой степени доктора технических наук «Адаптивные электротехнические комплексы в автомобилестроении».

Подписано в печать 12.11.2004 Заказ 62-04 Объем 2,5 п.л. Тираж 120 Бумага типографская Формат 60x90/16 Размножено с готового оригинал-макета. МГТУ «МАМИ», Москва, 107023, Б. Семеновская, 38.

32 72 4 2

Табл. 8. Ил. 89. Библиогр.: 135.

1в1^5-7422.в612

0 Козлов В.В.,2004 €> СПбГПУ,

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I КИНЕМАТИКА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ

МАНИПУЛЯТОРОВ.

§1.1. Основные определения.

§ 1.2. Однородные координаты и проективное пространство.

§ 1.3. Обобщенные координаты манипулятора.

§ 1.4. Уравнение кинематики манипулятора.

§ 1.5. Прямая и обратная кинематические задачи.

§ 1.6. Уравнения кинематики манипулятора на подвижном основании.

ГЛАВА II КИНЕМАТИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА.

§ 2.1. Характеристика функциональных возможностей робота.

§ 2.2. Критерии качества управления движением.

§ 2.3. Критерии качества кинематических схем.

ГЛАВА III МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРОГРАММНЫХ ТРАЕКТОРИЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ

МАНИПУЛЯТОРОВ.

§ 3.1. Постановка задачи.

§ 3.2. Метод избыточных переменных.

§ 3.3. Алгоритмы, основанные на методе Бубнова —

Галеркина.

§ 3.4. Метод, основанный на линеаризации уравнения кинематики.

§ 3.5. Метод параметризации, использующий конечносходящиеся алгоритмы решения систем неравенств.

ГЛАВА IV ДИНАМИКА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ

МАНИПУЛЯТОРОВ.

§ 4.1. Уравнения динамики на основе уравнений

Лагранжа II рода.

§ 4.2. Учет: внешних сия.

§ 4.3. Динамическая модель манипулятора на основе принципа Гаусса.

§ 4.4. Учет внешней среды.

§ 4.5. Моделирование динамики манипулятора на ЭВМ.

§ 4.6. Параметрическое представление уравнений динамики манипулятора.

ГЛАВА V ОБОБЩЕННЫЕ УРАВНЕНИЯ И

СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ.

§ 5.1. Введение.

§ 5.2. Обобщенные уравнения и структурные схемы линеаризованного привода.

§ 5.3. Уравнения и структурные схемы приводов с учетом люфтов и упругих деформаций в механической передаче.:.

ГЛАВА VI СТАБИЛИЗАЦИЯ ПРОГРАММНЫХ

ТРАЕКТОРИЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ

МАНИПУЛЯТОРОВ.

§ 6.1. Постановка задачи.

§ 6.2. Алгоритмы стабилизации программных траекторий с учетом динамики приводов.

§ 6.3. Оптимальная стабилизация программных траекторий.

§ 6.4. Анализ влияния параметрических возмущений на качество управляемого движения манипулятора.

ГЛАВА VII АЛГОРИТМЫ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМИ

МАНИПУЛЯТОРАМИ.

§ 7.1. Адаптивный подход к управлению роботами.

§ 7.2. Оценка влияния возмущений на динамику управления.

§ 7.3. Адаптивное отслеживание программной траектории.

§ 7.4. Адаптивное управление конечным состоянием.

§ 7.5. Методы дискретной адаптации.

§ 7.6. Локально-оптимальные рекуррентные алгоритмы.

§ 7.7. Оптимальные многошаговые алгоритмы.

§ 7.8. Методы непрерывной адаптации.

ГЛАВА УП1 ОРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНЫМИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИМИ

КОМПЛЕКСАМИ.

§ 8.1. Принципы организации и структура управления электротехническими комплексами.

§ 8.2. Функциональная диагностика сложных. электротехнических систем.

ГЛАВА IX КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ САМОВОСПРОИЗВОДЯЩЕЙСЯ

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СРЕДЫ АВТОМОБИЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ.

§ 9.1. Основные положения и понятия.

§ 9.2. Многообразие элементной базы и тенденции развития современного электропривода.

§ 9.3. Модули движения. Агрегатирование модулей при реализации сложных движений.

§ 9.4. Энергетическая модель электромеханических преобразователей энергии.

§ 9.5. Адекватность электрических и механических состояний. Априорное программирование.

§ 9.6. Единая форма математического описания модулей движения.

§ 9.7. Работы по созданию бесфрикционных многокоординатных систем движения.

§ 9.8. Создание и производство модульных электродвигателей для автомобильных приборов.

§9.9. Новые разработки элементов электромеханических комплексов.

Одной из центральных проблем создания высокоэффективных производств и наукоемких технологий в автомобилестроении является комплекс задач по построению электромеханической производственной среды, основанный на принципах модульности и самовоспроизводства, включая задачи создания и использования адаптивных электротехнических комплексов для автоматизации различных технологических процессов.

Настоящая книга посвящена вопросам создания современных электротехнических комплексов, в частности, роботов и робототехнических комплексов (РГК) [11, 29, 70, 92], ориентированных, в первую очередь, на отечественное автомобилестроение, как наиболее сохранившуюся отрасль, объединяющую машиностроение, приборостроение и электротехнику, а так же вопросам разработки концепции построения самовоспроизводящейся электромеханической среды автомобильных производств на основе универсальных модулей движения.

Различным аспектам этих задач посвящен ряд работ в России и за рубежом. Так, Дж. Уикером и Д. Е. Уитни [129, 134] предложены удобные методы анализа кинематических цепей манипуляторов, которые нашли дальнейшее применение в исследовании динамики роботов. В работах И. И. Артоболевского, А. Е. Кобринского и других авторов [5, 21, 45, 94] предложены методы анализа структуры рабочей зоны манипуляторов. В книгах Р. Пола [88], М. Б. Игнатьева, Ф. М. Кулакова, А. М. Покровского [37], М. Вукобратовича [23], Е. П. Попова, А. Ф. Верещагина, С. Л. Зенкевича [32, 90] изложены различные методы составления и исследования динамической модели манипуляторов, в том числе с помощью моделирования на ЭВМ. Системы управления манипуляторами рассмотрены в книгах В. С. Кулешова, Н. А. Лакогы [59], В. С. Медведева, А. Г. Лескова, А. С. Ющенко [67], Е. И. Юревича, С. И. Новаченхо, В. А. Павлова, Н. С. Телешова [72, 75, 100]. Появились пакеты программ для ЭВМ и экспериментальные комплексы для исследования динамики управления роботами [48, 51]. Адаптивные электротехнические (робототехнические) комплексы рассмотрены в работах В. В, Козлова, В. П. Макарычева, А. В. Тимофеева [52, 101]. Современные приводы для построения автоматизированных электротехнических комплексов предложены Б. А. Ивоботенко, В. Ф. Козаченко [34,35].

В предыдущих монографиях автора [27, 48, 49] освещены вопросы создания систем управления автоматизированными электротехническими комплексами, учитывающих динамику объекта управления. В первую очередь, рассматривались автоматические электромехвнические манипуляторы, как наиболее показательный пример автоматизированного (роботизированного) комплекса. Предложен ряд алгоритмов (систем) управления, ориентированных на некоторое несовершенство исполнительных механизмов комплекса. Вопросы адаптации, то есть автомагической настройки системы управления, под неопределенные условия и цели функционирования комплекса решались за счет усложнения верхнего уровня системы управления автоматизированного комплекса путем учета динамики системы.

Появление в нашей стране и за рубежом современных модулей движения, реализующих задания системы управления за счет внутренних обратных связей и позволяющих оптимизировать исполнительную среду, поставили задачу изменить и дополнить подход автора к вопросам построения как систем управления автоматизированными технологическими комплексами, так и электротехническими комплексами в целом. В результате свойство адаптивности электротехнических комплексов достигается на низшем уровне управления - уровне исполнительных механизмов, что упрощает как систему управления комплексом, гак и весь комплекс. Поэтому материал, ранее опубликованный в работах [48, 49], дополнен новыми результатами, дополняющими алгоритмическое обеспечение систем управление автоматизированными электротехническими комплексами примерами применения современных модулей движения и создания на их основе самовоспроизводящейся электромеханической среды автомобильного производства.

Дополнительный материал книги основан на результатах, полученных автором в рамках работы Всесоюзного научно-производственного коллектива «Время», созданного по постановлениям АН СССР, ГКНГ Бюро СМ СССР по машиностроению, под руководством академика РАН К.С. Демирчяна. Предложенная концепция построения самовоспроизводящейся электромеханической среды основана на идее, сформулированной в работе1 и развитой автором.

В главе I рассмотрены вопросы математического описания кинематики электромеханических манипуляторов и на этой основе — решения прямой и обратной кинематических задач.

1 Демирчян К. С., Ивоботенко Б. А., Бан Д. Адаптивные электродинамические системы как основа технологий XXI века/Гезисы докладов третьего Всемирного электротехнического конгресса. - М. 2000.

В главе II дан общий подход к определению интегральных кинематических критериев качества электромеханических манипуляторов и с этих позиций рассмотрен ряд частных критериев этого типа применительно к задачам построения оптимальных кинематических схем манипуляторов и оптимального управления ими.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Циклы работ по теории управления, агрегатированию сложных электромеханических систем модульного типа и созданию специализированных модулей движения, приспособленных к требованиям серийного производства, позволили понять и сформулировать принципы развития электромеханики. При этом вопросы управления, вида питания и построения собственно электромеханического преобразователя неразделимы.

Понятие электродвигатель все в большей мере будет уступать место понятию функционально завершенного модуля движения. При этом топологическая и информационная совместимость предопределяют конструктивную интеграцию со средствами масштабирования моментов и сил (такими как редуктор-подшипник), исполнительными органами и средствами управления.

Иерархическое понимание модульности позволяет при этом реализовать электромеханический комплекс или электромеханическую исполнительную среду любой размерности. При этом законы управления всеми органами движения одинаковы и тем более просты, чем совершеннее по уровню внутренней конструктивной интеграции и адаптации к вторичному источнику питания используемый модуль движения.

Противопоставленность изменчивости моделей и их серийного производства устраняется.

Стратегия развития адаптивной электромеханики (мехатроники) полностью определяет собою прогресс автомобилестроения как по уровню организации и обеспечения всех производственных технологий, так и по совершенству производимых автомобильных электромеханизмов.

Комплекс выполненных работ позволяет утверждать, что научная проблема создания высокопроизводительных электротехнических робототехнических комплексов для производства автомобильных компонентов в основном решена.

1. Андреенко С. Н., Ворошилов М. С., Петров Б. А. Проектирование приводов манипуляторов. — Л.: Машиностроение, 1975. — 312 с.

2. Андрианов Ю. Д., Обухов В. А., Чиганов В. А., Юревич Е. И. Унифицированные позиционные системы управления промышленными роботами. — Станки и инструмент, № 8, 1978, с. 17—19.

3. Аоки М. Введение в методы оптимизации. — М.: Наука, 1977. — 344 с.

4. Артоболевский И. И. Теория механизмов и машин. — М.: Наука, 1975. — 640 с.

5. Артоболевский И. И., Кобринский А. Е. Роботы.— Машиноведение, №5, 1970, с. 3—11.

6. Балацкова-Подольскова С. И., Булко И. М., Цагельский В. И. Фортран ЭВМ «Минск-32». — М.: Статистика, 1975.—175 с.

7. Бахвалов Н. С. Численные методы, т. 1.—М.: Наука, 1973. — 631 с.

8. Башарин А. В., Голубев Ф. Н., Куперман В. Г. Примеры расчетов автоматизированного электропривода. — Л.: Энергия, 1972. — 440 с.

9. Беллман Р. Динамическое программирование. — М.: ИЛ, 1960. — 400 с.

10. Беляев Н. И., Нагорский В. Д. Выбор двигателя и редуктора следящих систем. — М.: Машиностроение, 1972. — 216 с.

11. Белянин П. Н. Промышленные роботы. —М.: Машиностроение, 1975, — 397 с.

12. Бергер И. А. Техническая диагностика. М.: Машиностроение, 1978.-240с.

13. Бесекерскнй В. А,, Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования. — М.: Наука, 1975. — 767 с.

14. Борцов Ю. А., Поляхов Н. Д., Путов В. В. Адаптивное автоматическое управление электромеханическими системами. — Электричество, 1982, №7, с. 51—54.

15. Босинзон М. А. Автоматизированные мехатронные модули линейных перемещений металлообрабатывающих станков. Приводная техника. № 1,2002. с. 10-19.

16. Бухгольц Н. Н. Основной курс теоретической механики, ч. 1. —М.: Наука, 1965, —467 с.

17. Бычков М. Г., Миронов Л. М., Козаченко В. Ф., Остриров В. Н., Садовский Л. А. Новые направления развития регулируемых ЭП, Приводная техника № 5, 1997.

18. Бычков М. Г. Элементы теории ВИП. Электричество № 8, 1997, 10 с.

19. Вещ В. П. Динамика машинных агрегатов. — Л.: Машиностроение, 1969. — 368 с.

20. Верещагин Л. Ф. Метод моделирования на ЦВМ динамики сложных механизмов роботов-манипуляторов. — Изв. АН СССР, Техническая кибернетика, № 6,1974, с. 89—94.

21. Виноградов И. Б., Кобринский А. Е., Степаненко Ю. А., Тывес Л. И. Метод объемов и «сервис» манипулятора. — Машиноведение, № 3, 1969, с. 17—19.

22. Воронецкая Д. К., Фомин В. Н. К задаче об отслеживании манипулятором программного движения. — Вестник ЛГУ, Сер. мат., № 13, 1977, с. 132—136.

23. Вукобратович М. Шагающие роботы и антропоморфные механизмы. — М.: Мир, 1976. — 543 с.

24. Гантмахер Ф. Р. Теория матриц. — М.: Наука, 1966.— 576 с.

25. Гидравлический следящий привод/Под ред. В. А. Лещенко. — М.: Машиностроение, 1968. — 563 с.

26. Гинзбург А. Р., Тимофеев А. В. Об адаптивной стабилизации программных движений механических систем. — Прикладная математикам механика, т. 41, № 5, 1977, с. 859—869.

27. Голландцев Ю. А„ Козлов В. В., Макарычев В. П, Проектирование промышленных роботов. Л.: ЛИАП, 1989. - 80 с.

28. Гониашвили Э. С. Электромагнитные силы и синхронизирующие моменты двухкоординатного шагового двигателя. Труды МЭИ, вып. 440, 1979, с. 53-60.

29. ГОСТ 25 686-83. Роботы промышленные. Термины и определения.

30. Динамика электромашинных следящих систем/Под ред. Н. М. Якименко. — М.: Энергия, 1967. — 408с.

31. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями/Под ред. М. Г. Чиликина. -М.: Энергия, 1971,- 624 с.

32. Дистанционно управляемые роботы-манипуляторы/Под ред. Е, П. Попова и М. Б. Игнатьева. — М.: Мир, 1976. — 462 с.

33. Зубов В. Н. Лекции по теории управления. — М.: Наука, 1975. — 495 с.

34. Ивоботенко Б. А., Козаченко В. Ф. Проектирование шагового электропривода. -М.: изд. МЭИ, 1985. 100 с.

35. Ивоботенко Б. А., Козаченко В. Ф. Шаговый электропривод в робототехнике. -М.: изд. МЭИ, 1984. 100 с.

36. Ивоботенко Б. А., Рубцов В. П., Садовский Л. А., Цаценкин В. К. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями М.: изд.1. МЭИ, 1971, 624 с.

37. Игнатьев М. Б., Кулаков Ф. М., Покровский А. М. Алгоритмы управления роботами-манипуляторами. — Л.: Машиностроение, 1972, —248 с.

38. Игнатьев М. Б. Голономные автоматические системы. — М. — Л.: АН СССР, 1963, —204 с.

39. Иноуэ X. Операционная система для управления движением манипулятора робота Электротехнической лаборатории (ЭТЛ). — В кн.: Интегральные роботы, вып. 2. — М.: Мир, 1975.

40. Каталог Ruchseromotor JV Direct Drive Systems фирмы Ruchseromotor. Минск. 2002.

41. Катковник В. Я., Полуэктов Р. А. Многомерные дискретные системы управления. — М.: Наука, 1966. — 416 с.

42. Квартальнов Б. В. Динамика электроприводов с упругими связями. — М.: Энергия, 1965. — 88 с.

43. Ключев В. И., Яковлев В. И., Теличко Л. Я., Усманов А. М., Борцов Ю. А., Соколовский Г. Г. Динамика автоматизированного электропривода с упругой связью. — Электричество, № 3, 1973, с. 40-46.

44. Кобринский А. А. Податливость манипулятора. — ДАН СССР, т. 238, №5, 1978, с. 1071—1074.

45. Кобринский А. А., Кобринский JI. А. Мобильность и точность манипулятора. — Машиноведение, №3, 1976, с. 3—9.

46. Кобринский А. Е., Степаненко Ю. А. Некоторые проблемы теории манипуляторов. — В кн.: Автоматы, гибридные и управляющие машины. —М.: Наука, 1972, с. 137—144.

47. Кожин С. С. Разработка дискретного позиционного электропривода с электрическим дроблением шага. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. МЭИ. 1984.

48. Козлов В. В., Макарычев В. П., Тимофеев А. В., Юревич Е. И. Динамика управления роботами/ Под ред. Е. И. Юревича. М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 1984. - 334 с.

49. Козлов В. В., Никитин Ф. Н., Бобович А. В. Аппаратные и программные средства разработки систем управления робототехнологических комплексов/ Под ред. В. В. Хрущева. М.: изд. МПИ, 1991.-273 с.

50. Козлов В. В., Левицкий В. Н. Денисова Т. М. Моделирование системы управления шаговым приводом. Л.: ЛИАН АН СССР, 1988.-32 с.

51. Козлов В. В., Макарычев В. П., Шишлов А. В. Пакет программ длямоделирования на ЭВМ динамики манипуляторов. — В кн.: Промышленные роботы. — Л.: Машиностроение, 1982.

52. Козлов В. В., Тимофеев А. В., Юревич Е. И. Построение и стабилизация программных движений автоматического манипулятора с электрическими приводами. — В кн.: Робототехника. —Л.: ЛПИ, 1979, с. 76—86.

53. Козлов В. В. Расчет шаговых и синхронных электродвигателей для автомобильных электроприборов. Электротехника, №8, 2004.

54. Кононенко Е. В. Синхронные реактивные машины. М.: Энергия, 1990.

55. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. — М.: Наука, 1973.— 832 с.

56. Красовский А. А. Буков В. Н., Шендрик В. С. Универсальные алгоритмы оптимального управления непрерывными процессами. — М.: Наука, 1977. — 272 с.

57. Крутько П. Д., Попов Е. П. Построение алгоритмов управления движением манипуляционных роботов. ДАН СССР, т. 255, 1980, с. 40—43.

58. Кулесский Р. А., Шубенко В. А. Электроприводы постоянного тока с цифровым управлением. — М.: Энергия, 1973. — 207 с.

59. Кулешов В. С., Лакота Н. А. Динамика систем управления манипуляторами. — М.: Энергия, 1971. — 304 с.

60. Курбасов А. С. Параметры синхронных реактивных электродвигателей. Электричество № 12,1994, с. 58-62.

61. Лачинов В. М., Самарский В. Г., Тимофеев А. В., Якубович В. А. Адаптивное управление манипулятором с шаговыми приводами. — В кн.: Робототехника. — Л.: ЛПИ, 1976, с. 66—74.

62. Летов А. М. Динамика полета и управление. — М.: Наука, 1969. — 359 с.

63. Литовченко Ц. Г., Яковленко Ю. Г. Аналитическое и структурное описание механических передач систем автоматического регулирования с ограничениями и люфтами. — Автоматика и телемеханика, №8, 1961, с. 1100—1107.

64. Лурье А. И. Аналитическая механика. — М.: Физматгиз, 1961. — 824 с.

65. Ляшук Ю. Ф. Создание прецизионных координатных систем на базе линейного шагового привода. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, ИНМ, Минск, 2002.

66. Малышев В. А., Тимофеев А. В. Алгоритмы построения программных движений манипуляторов при наличии конструктивных ограничений и препятствий. — Изв. АН СССР, Техническая кибернетика, №6, 1978, с. 64—72.

67. Медведев В. С., Лесков А. Г., Ющенко А. С. Системы управления манипуляционных роботов. — М.: Наука, 1978. -— 416с.

68. Мелкозеров П. С., Приводы в системах автоматического управления. — М.: Энергия, 1966. — 383 с.

69. Методы теории чувствительности в автоматическом управлении/ Под ред. Е. Н. Розенвассера и Р. М. Юсупова.—- Л.: Энергия, 1971. — 344 с.

70. Мишкинд С. И., Юревич Е. И. Особенности отечественных автоматических манипуляторов. — Механизация и автоматизация производства, №2, 1980, с. 31—34.

71. Моисеев Н. Н., Иванилов Ю. П., Столярова Е. М. Методы оптимизации. — М.: Наука, 1978. — 351 с.

72. Никифоров В. В., Новаченко С. И., Павлов В. А., Юревич Е. И. Организация алгоритмической системы управления роботами.— Труды I Международной конференции по искусственному интеллекту. — Тбилиси, 1975.

73. Никифоров С. О., Смольников Б. А. Оптимизация параметров трехзвенного манипулятора. — В кн.: Робототехника. — Л.: ЛПИ, 1976, с. 45—50.

74. Нильсон Н. Искусственный интеллект. — М.: Мир, 1973. — 270 с.

75. Новаченко С. И. Вопросы построения траектории движения схвата робота для достижения заданной точки пространства. — В кн.: Промышленные роботы. — Л.: Машиностроение, 1977, с. 103—107.

76. Океанологические телеуправляемые аппараты и роботы/Под ред. В. С. Ястребова. — Л.: Судостроение, 1976. — 176 с.

77. Острем К., Витгенмарк Б. Системы управления с ЭВМ. М.: Мир, 1987.-480 с.

78. Патрашев А. Н. Гидромеханика. — М.: Воен.-мор. изд., 1953. — 720 с.

79. Павлов В. А., Тимофеев А. В. Об одном методе управления роботом-манипулятором, способном обходить препятствия. — В кн.: Теория, принципы устройства и применение роботов и манипуляторов. — Л.: ЛПИ, 1974, с. 177—180.

80. Павлов В. А., Тимофеев А. В. Построение и стабилизация программных движений подвижного робота-манипулятора. — Изв. АН СССР, Техническая кибернетика, №6, 1976, с. 91—101.

81. Пантов Е. Н., Махин Н. Н., Шереметов Б. Б. Основы теории движения подводных аппаратов.— Л.: Судостроение, 1973. — 283 с.

82. Патент СССР №1836786 от 13.10.1992 г. Однофазный синхронный электродвигатель. Козлов В. В., Колесников В. П.

83. Патент РФ №2152119 от 27.06.2000 г. Однофазный синхронный электродвигатель. Козлов В. В., Павловский В. С.

84. Пенев Г. Д., Кулинич А. С. Параметрическая оптимизация уравнения движения многозвенных систем и алгоритмы адаптивного управления. — Автоматика и телемеханика, № 12, 1979, с. 104—116.

85. Первозванский А. А. Курс теории автоматизированного управления. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. - 616 с.

86. Петров Б. Н., Рутковский В. Ю., Крутова И. Н., Земляков С. Д. Принципы построения и проектирования самонастраивающихся систем управления. — М.: Машиностроение, 1972. — 259 с.

87. Погорелов В. Н. Газодинамические расчеты пневматических приводов. — Л.: Машиностроение, 1971. — 184 с.

88. Пол Р. Моделирование, планирование траекторий и управление движением робота-манипулятора. — М.: Наука, 1976. — 103 с.

89. Понтрягин Л. С. Обыкновенные дифференциальные уравнения. — М.: Наука, 1974. —332 с.

90. Попов Е. П., Верещагин А. Ф., Зенкевич С. Л. Манипуляционные роботы: динамика и алгоритмы. — М.: Наука, 1978. — 400 с.

91. Попов Е. П., Тимофеев А. В. Принцип скоростного управления в задаче аналитического синтеза автоматов стабилизации. — ДАН СССР, т. 256, № 5, 1981, с. 1073—1076.

92. Промышленные роботы. Каталог/Под ред. Е. И. Юревича. — М.: НИИМАШ, 1978.—110 с.

93. Розенвассер Е. Н., Юсупов Р. М. Чувствительность систем автоматического управления.— Л.: Энергия, 1969. — 206 с.

94. Саблин А. Д., Сорин В. М. Некоторые методы оценки точности позиционирования манипулятора. — В кн.: Робототехника. — Л.: ЛПИ, 1976, с. 50—54.

95. Свирский И. В. Методы типа Бубнова — Галеркина и последовательных приближений. — М.: Наука, 1968. — 199 с.

96. Синтез регуляторов в некоторых задачах адаптивного управления/ Под ред. В. Н. Фомина,— ВИНИТИ, № 1441,1977. —65 с.

97. Сиротин А. А. Электроприводы с упругими механическими звеньями. — Электричество, № 8, 1962, с. 34—40,

98. Системы управления промышленными роботами и манипуляторами/Под ред. Е. И. Юревича. — Л.: ЛГУ, 1980. — 182 с.

99. Следящие приводы, кн. 1/Под ред. Б. К. Чемоданова. — М.: Энергия, 1976. — 480 с.

100. Телешов H. С. Динамика манипулятора, работающего в жидкой среде. —В кн.: Робототехника. — Л.: ЛПИ, 1976, с. 38—44.

101. Тимофеев А. В. Роботы и искусственный интеллект. — М.: Наука, 1978.—192 с.

102. Тимофеев А. В. Управление роботами. -JL: ЛГУ, 1986.-240 с.

103. Фадеев Д. К., Фадеева В. Н. Вычислительные методы линейной алгебры. —М.: Физматгиз, 1960.— 656 с.

104. Фихтенгольц Г. М. Курс дифференциального и интегрального исчисления, тт. I—III.—M.: Наука, 1969.

105. Фомин В. Н., Фрадков А. Л., Якубович В. А. Адаптивное управление динамическими объектами. — М.: Наука, 1981. — 448 с.

106. Хохлов В. А. Электрогидравлический следящий привод. — М.: Наука, 1966. —240 с.

107. Цыпкин Я. 3. Адаптация и обучение в автоматических системах. — М.: Наука, 1968.—399 с.

108. Чиликин М. Г., Ключев В. И., Сандлер А. С. Теория автоматизированного электропривода. М.: Энергия, 1979. - 616 с.

109. Юдин В. А., Петрокас Л. В. Теория механизмов и машин. — М.: Высш. школа, 1977. — 527 с.

110. Юревич Е. И. Теория автоматического управления. — Л.: Энергия, 1975.—413 с.

111. Якубович В. А. К теории адаптивных систем. — ДАН СССР, т. 182, №3, 1968, с. 518—521.

112. Якубович В. А. Конечно-сходящиеся алгоритмы решения бесконечных систем неравенств. — ДАН СССР, т. 161, №6, 1966, с. 1308—1311.

113. Ястребов В. С. Телеуправляемые подводные аппараты (с манипуляторами). — Л.: Судостроение, 1973.— 199 с.

114. Engelberger J. F. Performance evaluation of industrial robots. — U. S. Dep. Commer. Nat. Bur. Stand. Spec. Publ, 1976, N459, p. 113—119.

115. Francecshini, Rosso G., Fratta A., Vageti A. Performance of SRM in Servo-Drive Applications. Proceedings Intelligent Motion. June 1993. p. 16-27.

116. Grondonal. SR Motors from Italy. PCIM Europe. Jan. 1994.

117. Gusev S. V., Timofeev A. V., Yakubovich Y. A., Yurevich E. I. Algorithms of adaptive control of robot movement. — Mechanism and

118. Machine Theory, vol. 18, № 4, 1983. pp. 279—281.

119. Hasegava Y. Analysis and classification of industrial robot characteristics. — Proc. 3rd ISIR, München, 1973, p. 53—70.

120. Hopper E. The development of SRM Applications. PCIM Europe. SeptVOct. 1995. p. 236-241.

121. Koslov V. V., Timofeev A. V., Jurevich E. I. Techniques and means of industrial robot adaptive control. — Proc. 9th ISIR, USA, Washington, March 1979.

122. Lawrenson P. A Brief Status Review of Swidched Reluctance Drives. -EPE Journal. Vol. 2. No. 3 Oct. 1992, p. 134-144.

123. Lewis F., Abdallan C., and Dawson D., Control of Robot Manipulators, New York, Mac Millan Publishing Co., 1993.

124. Lipo T. Advanced Motor Technologies: Converter Fed Machines. IEEE Trans p. 204-222.1997.

125. Miller T. SRM and Their Control. Oxford University Press. 1993, 200 c.

126. Pollock: C., Williams B. Power Converter for SRM with minimum Number of switches. IEEE Proc. Vol. 137. No. 6. Nov. 1990.

127. Saridis G., Stephanov H. A hierarchial approach to the control of a prosthetic arm. — IEEE Trans. Syst. Man., Cybern., v. SMC-7, June 1977, p. 407—420.

128. Schaft A. Optimism for SR Drives. PCIM Europe, Jan/Feb, 1994.

129. Uicker J. J. Dynamic force analysis of spatial linkages using 4x4-matrices. — Trans. ASME, N 66, 1967.

130. Vagati A. Advanced Motor Technologies: Synchronous Motors and Drives. IEEE Trans, p. 223-247, 1997.

131. Vance J. M., Sitchin A. Derivation of First-Order Difference Equations for Dynamical Systems by Direct Application of Hamilton's Principle. — Trans. ASME. Ser. E, Journ. Appl. mech., v. 37, N 2, June 1970, p. 24—26.

132. Vukobratovic M., Potkonjak V., Hristic D. Dynamic method the evaluation and choice of industrial manipulators. — Proc. 9th ISIR, USA, Washington, March, 1979.

133. Vukobratovic M. Contributions to forming criteria of robots and manipulators. — U. S. Dep. Commer. Nat. Bur. Stand. Publ, 1976, N49, p. 197—221.

134. Whitney D. E. The mathematics of coordinated control of prosthetic Arm and Manipulators. — Trans. ASME, Ser. G, Journ Dynamic Syst. Meas. and Control, 1972, v. 94, N 4, p. 303—309.

135. Wolf J., Späth H. SRM with 16 stator poles and 12 rotor teeth. Proc. EPE-97. p. 3358-3563.