автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Мехатронный привод для воздушно-тактового клапана двигателя внутреннего сгорания

На правах рукописи

ГУММЕЛЬ Андрей Артурович

МЕХАТРОННЫЙ ПРИВОД ДЛЯ ВОЗДУШНО-ТАКТОВОГО КЛАПАНА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Специальность 05.02.05 - «Роботы, мехатроника и робототехнические

системы»

1 8 ПАР 2015

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск - 2015 г.

005560842

005560842

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» на кафедре «Электромеханика и электрические аппараты»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Павленко Александр Валентинович

Официальные оппоненты:

Медведев Михаил Юрьевич, доктор технических наук, доцент Инженерно-технологическая Академия Южного федерального университета в г. Таганроге, профессор кафедры «Электротехника и мехатроника».

Гребенников Николай Вячеславович, кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный университет путей сообщения», доцент кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство».

Ведущая организация Федеральное государственное

бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет» (г.Ростов-на-Дону).

Защита состоится 14 апреля 2015 г. в 11 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д212.304.04 созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовской обл., ул. Просвещения, 132, ауд. 149 главного корпуса

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан «ЛЙ> 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного Лб Исаков

совета, д-р техн. наук, профессор /С^—Владимир Семенович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из ведущих и быстро развивающихся отраслей является автомобильная промышленность, в которой повсеместно ведется внедрение новых электрически-управляемых устройств взамен пневматических, гидравлических и механических с жесткой кинематической связью. Развитие автомобилестроения происходит при быстром росте цен на углеводородное топливо с одной стороны и экологическим загрязнением атмосферы отработавшими газами в крупных городах с другой стороны, что обуславливает поиски различных направлений по снижению токсичности и улучшению экономичности работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС). В связи с этим разработчики двигателей внутреннего сгорания постоянно совершенствуют различные его узлы, такие как газораспределительный механизм, впускной тракт системы питания (оптимизация конструкции впускных каналов, применение различных нагнетателей), систему выпуска отработавших газов (рециркуляция газов) с целью увеличения экономичности и КПД двигателей. Одним из перспективных решений задачи снижения расхода топлива и уменьшения выбросов вредных веществ, при существенном увеличении мощности двигателя, является оптимизация состава и скорости подачи горючей смеси путем использования воздушно-тактового клапана (ВТК). Способ заключается в создании волновых явлений в системе впуска путем быстрого открытия и закрытия впускного канала клапаном ВТК на такте впуска. Для этого во впускном канале каждого цилиндра устанавливается клапан, управляемый быстродействующим электромагнитом. С точки зрения энергопотребления и быстродействия -наиболее перспективными видами приводов для применения в подобных устройствах являются электромагнитные механизмы (ЭМ) резонансного типа, образующие вместе с устройством управления сложную мехатронную систему. Несмотря на большое количество научно-технических публикаций и патентных источников, существует ряд нерешенных вопросов, связанных с разработкой надежных, быстродействующих мехатронных приводов, обеспечивающих требуемые статические и динамические характеристики при минимальных массогабаритных показателях системы в целом. Наиболее рациональным путем достижения требуемых динамических характеристик электромагнитов (время срабатывания, скорость якоря в конце хода), в системах с жесткими массогабаритными ограничениями (автомобильный транспорт), является применение специализированных систем управления. Аналитический обзор применяемых систем и методов управления резонансными электромагнитами показал, что существующие системы и методы управления, для обеспечения требуемых динамических характеристик в условиях внешних воздействующих факторов, предполагают использование специализированных датчиков (положения, скорости, магнитного потока и т.п.), что приводит к увеличению сложности системы, росту массо-габаритных и стоимостных показателей, снижает надежность

системы в целом. В связи с этим возникает необходимость разработки новых устройств и методов управления быстродействующими ЭМ резонансного типа, обеспечивающих минимальную скорость посадки клапана при заданном времени переключения без использования специализированных датчиков положения и скорости исполнительного органа привода в условиях внешних возмущающих воздействий.

Работа соответствует научным направлениям ЮРГТУ (НПИ) на 2011 -2015 гг. «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы» и «Теория и принципы создания робототехнических и мехатронных систем и комплексов», утвержденным решением ученого совета от 26 января 2011г. Результаты работы получены при выполнении государственных контрактов: № 02.516.11.6030 «Анализ и синтез мехатронных приводов для систем газораспределения двигателей внутреннего сгорания с повышенными энергетическими и экономическими показателями на основе математических и физико-химических моделей», №02.513.11.3452 «Мехатронные приводы для запорно-регулируемых клапанов трубопроводной арматуры», Л» П2186 «Разработка устройств и алгоритмов управления резонансными электромагнитными приводами», НК-517П «Разработка устройств управления электромагнитными приводами систем воздухообмена и топливоподачи двигателей внутреннего сгорания», № 2.1.2112337 «Мехатронные устройства для систем топливоподачи и воздухогазобмена двигателей внутреннего сгорания», при поддержке проекта №2829, выполняемого в рамках базовой части государственного задания №2014/143.

Цель работы и задачи исследования. Разработка мехатронного привода для управления воздушно-тактовым клапаном двигателя внутреннего сгорания, обеспечивающего при заданном времени срабатывания минимальную скорость посадки клапана в условиях внешних возмущающих воздействий, без использования датчиков положения и скорости.

В работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Обзор и анализ существующих технических решений в области создания мехатронных приводов ВТК ДВС.

2. Анализ существующих систем и методов управления быстродействующими электромагнитными приводами.

3. Разработка метода управления мехатронным приводом ВТК ДВС, обеспечивающего при заданном времени срабатывания минимальную скорость посадки клапана в условиях внешних возмущающих воздействий, без использования датчиков положения и скорости исполнительного органа привода.

4. Разработка комплексной математической модели ЭМП совместно с системой управления.

5. Практическая реализация мехатронного привода клапаном ВТК ДВС и устройства управления.

6. Экспериментальные исследования мехатронного привода ВТК ДВС.

Методы и достоверность результатов исследований.

Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертационной работе, а также полученных результатов обеспечиваются:

1. Применением фундаментальных методов теории электрических и магнитных цепей, численных методов решения нелинейных алгебраических уравнений, методов решения систем нелинейных дифференциальных уравнений.

2. Корректностью допущений, принимаемых при разработке расчетных схем и математических моделей.

3. Использованием при моделировании и тестировании численных моделей современных программных комплексов «Еетт», «ЬТБрке».

4. Применением традиционных методологических принципов современной науки, использованием метрологически аттестованного оборудования для проведения экспериментов и приемлемой сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна.

1. Разработан метод управления мехатронным приводом ВТК ДВС, обеспечивающий при заданном времени срабатывания минимальную скорость посадки клапана в условиях внешних возмущающих воздействий, отличающийся от известных тем, что управляющее воздействие формируется без использования специальных датчиков положения и скорости.

2. Предложен способ определения начальных параметров токовой характеристики управления приводом ВТК ДВС, позволяющий производить первичную настройку регулятора системы управления в соответствии с предложенным методом управления.

3. Созданы математические модели и алгоритмы для расчета статических и динамических характеристик мехатронного привода ВТК ДВС, в которые, в отличие от известных, интегрированы модели управляемого силового преобразователя и системы управления, позволяющие сократить время на настройку устройства управления в реальных условиях.

Практическая значимость и внедрение. Результаты, полученные в диссертационной работе, применимы для решения задач, связанных с управлением быстродействующими ЭМП с заданными временем срабатывания и минимальной скоростью посадки исполнительного органа без использования специализированных датчиков положения и скорости.

1. Предложена модификация силовой схемы устройства управления, которая позволяет стабилизировать время трогания, при сохранении потребляемой приводом мощности из сети.

2. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для определения начальных параметров системы управления быстродействующим ЭМП при управлении с обратной связью по току.

3. По результатам исследований выполнено проектирование и практически реализован экспериментальный образец мехатронного привода ВТК ДВС с системой управления.

4. Разработан программно-аппаратный комплекс для экспериментальных исследований характеристик и параметров быстродействующего мехатронного привода ВТК ДВС совместно с устройством управления.

Значительная часть исследования выполнена в рамках договоров и программ сотрудничества, среди которых:

1) межотраслевая программа сотрудничества Министерства образования и науки Российской Федерации и ОАО «АВТОВАЗ», регистрационный номер проекта/НИР 105.04 «ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИВОД КЛАПАНА»;

2) контракт с Министерством образования и науки Российской Федерации по теме «Анализ и синтез мехатронных приводов для систем газораспределения двигателей внутреннего сгорания с повышенными энергетическими и экономическими показателями на основе математических и физико-химических моделей» (ГК № 02.516.11.6030);

3) в рамках договора о сотрудничестве со Steinbeis-Transferzentrum Mechatronik Ilmenau г. Ильменау (Германия);

4) в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013гг., по теме «Разработка устройств и алгоритмов управления резонансными электромагнитными приводами» (ГК№2186, Инв. №13н-19/09);

5) в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» и договора о международном научно-техническом сотрудничестве № 0763/01/07 от 30.11.2007г. по теме «Создание математических моделей и методик проектирования электромагнитных приводов с низким энергопотреблением для мехатронных систем» (ГК № 02.516.11.6103);

6) в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» по проекту №2.1.2/12337 «Мехатронные устройства для систем топливоподачи и воздухогазообмена двигателей внутреннего сгорания»;

7) результаты работы приняты к внедрению в ООО СКТБ «ИНВЕРСИЯ» (г. Ростов на Дону) в виде алгоритма управления электромагнитными клапанами гидрораспределителей, программного обеспечение, позволяющего исследовать характеристики электромагнитных клапанов гидрораспределителей в различных режимах под воздействием внешних факторов.

8) разработанный метод управления, математические модели и программы позволяющие исследовать характеристики электромагнитных приводов резонансного типа совместно с устройством управления, были

использованы в ООО НПП «МагнетикДон» (г. Новочеркасск) при разработке мехатронного привода клапана ГРМ ДВС.

9) материалы диссертационной работы, опытные образцы мехатронных приводов воздушно-тактового клапана ДВС, программно-аппаратный комплекс используются в учебном процессе кафедры «Электромеханика и электрические аппараты» ЮРГТУ (НПИ) в курсах «Автоматизированные системы научных исследований»,

«Электромагнитные приводы мехатронных систем», в курсовом и дипломном проектировании.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

■ на IV Международной научно-практической конференции г. Новочеркасск, 17-19 июня 2003 г (ОАО «ВЭлНИИ»);

■ на 49 Международном научном коллоквиуме Технический университет Ильменау, г. Ильменау (Германия), сентябрь 2004 г;

■ на 50 Международном научном коллоквиуме Технический университет Ильменау, г. Ильменау (Германия), сентябрь 2005 г;

■ на 51 Международном научном коллоквиуме Технический университет Ильменау, г. Ильменау (Германия), сентябрь 2006 г;

■ во время стажировок в г. Ильменау (Германия), на кафедре «Мехатроника» TU Ilmenau;

■ на Международной научно-технической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление - 2007» с. Дивноморское, 24-29 сентября 2007 г.;

■ на ежегодных научно-технических конференциях ЮРГТУ (НПИ);

■ на научных семинарах кафедр «Электрические, электронные аппараты» и «Измерительная и медицинская техника» ЮРГТУ (НПИ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 34 научные статьи, в том числе: 6 работ в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК и 16 тезисов докладов на различных научных конференциях и коллоквиумах; получен 1 патент РФ на изобретение, 1 патент РФ на полезную модель, 1 свидетельство о регистрации программы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 116 наименований и 4 приложений. Общий объем работы 219 страниц, включая 67 листов приложений, 89 иллюстраций и 6 таблиц.

Содержание диссертационной работы. Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и решаемые задачи, приведены основные научные и практические результаты. В первой главе

Рассмотрены существующие способы и технические решения для мехатронных систем впуска топливо-воздушной смеси, направленные на снижение токсичности выбросов, улучшения динамики и экономичности работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Показаны преимущества и недостатки резонансного, механического и газотурбинного способов

наддува. Рассмотрен, ранее не применяемый в ДВС, импульсный способ наддува с использованием воздушно-тактовых клапанов (ВТК). Сделано заключение, что система впуска, оборудованная устройством импульсного наддува с ВТК позволяет для существующих конструкции ДВС (как бензиновых, так и дизельных) снизить расход топлива до 10%, уменьшить концентрацию вредных примесей в выхлопных газах на 18% и увеличить крутящий момент до 23% в диапазонах низких и средних частот вращения. Согласно результатам исследований, приведенным в научно-технической литературе, привод ВТК ДВС должен работать при частоте вращения двигателя до 3000 об/мин, при больших частотах, воздушно-тактовый клапан, должен находиться в открытом состоянии. Привод ВТК ДВС должен обеспечивать открытие, закрытие и фиксацию в одном из крайних положений клапана, время переключения клапана должно быть < 4 мс, при этом, для снижения акустического шума, конечная скорость посадки подвижной части электромагнитного привода должна находиться в диапазоне и3 = 0,2 — 0,4 м/с.

В результате проведенного обзора и анализа конструкций электромагнитных приводов было установлено, что преимущественными характеристиками с точки зрения быстродействия, энергопотребления и массогабаритных показателей обладают электромагнитные механизмы резонансного типа, в которых малое время срабатывания достигается за счет запасенной кинетической энергии пружин, а электромагнитные силы необходимы для удержания якоря в крайних положениях и компенсации сил противодействия (рис.1).

Р Р*

т -АЛЛн-

к

-33-

к -СЕ-

1 —

\ - Пружина ----ЭМ

ч.

---^

\

0 х х„„

Рис. 1 - Схема механической системы (слева) и тяговая и механическая характеристики (справа) ЭМ резонансного типа.

ЭМ возвратно-вращательного действия с соответствующей конфигурацией магнитопровода может состоять из одного электромагнита и торсионной пружины (рис.2), а его переключение из одного состояния в другое производится посредством подачи импульсов напряжения на обмотки в соответствии с собственной частотой колебательной системы ЭМ.

Для обеспечения требуемых динамических характеристик и удержания якоря в крайних положениях, в быстродействующих ЭМП резонансного типа используются специализированные устройства управления, которые в режиме реального времени позволяют определять состояние исполнительного органа привода и формируют управляющие воздействия на обмотки ЭМ.

МагнитопроВод

Рис. 2 - Конструкции быстродействующих ЭМ резонансного типа.

В результате обзора и анализа силовых схем управления была выбрана схема силового преобразователя, позволяющая повысить энергетические показатели потребления ЭМП из сети за счет использования индуктивной энергии обмоток ЭМ. При обзоре и анализе методов управления быстродействующими ЭМП было установлено, что для обеспечения требуемых характеристик, в условиях внешних воздействующих факторов, необходимо использовать специализированные датчики (положения, скорости, магнитного потока и т.п.), что приводит к увеличению сложности системы, росту массо-габаритных и стоимостных показателей, снижению надежности системы в целом. В связи с этим исследования в рассматриваемой предметной области требуют дальнейшего развития путем создания новых методов управления ЭМП (Рис. 3) резонансного типа, обеспечивающих минимальную скорость посадки клапана при заданном времени переключения без использования специализированных датчиков положения и скорости исполнительного органа привода в условиях внешних возмущающих воздействий, позволяющих использовать единый подход к управлению, независимо от модификаций конструкций ЭМП.

Рассмотренные проблемы и возможные направления их решения научно обосновывают поставленные в диссертационной работе цель и задачи.

Рис. 3 — Структурная схема мехатронного ЭМП. МПК -микропроцессорный контроллер, СК - силовой коммутатор, ЭМ -электромагнит, ДС - датчики состояния, ИМ - исполнительный механизм.

Во второй главе предложена комплексная математическая модель, включающая электрические и механические модули, позволяющая проводить численные исследования динамических характеристик ЭМП и выполнять имитацию объекта управления при разработке способов и алгоритмов функционирования системы управления.

Решение этих задач требует создания математического аппарата для представления электромеханических процессов в ЭМП, тепловых и электрических процессов в системе управления и объединения их в единую модель из-за высокой степени и взаимного влияния. Структурная схема математической модели, реализующая управление электромагнитным приводом с заданными динамическими параметрами, приведена на рис. 4.

СК

Рис. 4 - Структурная схема комплексной математической модели ЭМП совместно с системой управления

Входными данными являются: напряжение питания, £/п; сигнал управления режимом работы привода/упр\ заданная функция изменения тока в обмотке управления от времени переключения 1зад(0', значение напряжения форсированного включения привода ¿7ф.зад.

В зависимости от сигнала управления приводом и его текущего состояния, система управления СУ формирует сигналы управления иупр1, иупр2 силовым коммутатором СК. В результате чего, на входы соответствующих обмоток электромагнитного привода, с выхода преобразователя, подаются сформированные уровни напряжения

управления приводом С/ь и2. В результате воздействия приложенного к обмотке управления напряжения происходит движение якоря электромагнита и на выходе блока формируются мгновенные значения токов в каждой обмотке ¡\0), ¡2(1), которые являются параметрами обратной связи регулятора.

Математическая модель ЭМП представляет собой систему алгебраических и обыкновенных дифференциальных уравнений (1).

иЛО = ^(0 " Я1 + ——; ^(0 = '2(0-Д2+ 1 ;

йш 1

= у (Мэм1 - Л*ЭМ2 - Мпр - Мтр - Мвв ± Муд);

й(р

^ = /(¿1 .?>); Ъ = Г02.<Р);

Мпр = с • <р;

Мвв = /(О;

7Г£>4

с ~ 32-г-с(г):

= До ■ (1 + «г ■ 7*0; (1)

Я2 = Д0 • (1 + агг ■ Г2);

2

Мтр = Ьг + Ь2- (Ь3 • ш)3;

МЭ1ч1 = /(£1( <р);

мэм2 = /(¿2 ,<р);

Г/'^о

МУД = 1 fyA

/с,при |<р| = <ртад:

VO, при <pmin < <р < сртах

^i(0 = /(t/ynpi(0); уг(0 = /(^уПр2(0);

Г UynplCO = /(О, Уупр2(0 = /(О- при /упр = "Пуск"

/упр(0 = ] уУпрг(0 = /(¿1, i/2. Уф- ¿3. t)< Уупр2(0 = 0, при /упр = "Открыть",

1^упр2(0 = /(i2. Ul. Уф. ¿3. О' IWCO = ПРИ /упр = "Закрыть"

где МэмХ,Мэм2 - электромагнитные моменты; Л/гоп/) - момент сопротивления движению; Мпр - момент сопротивления

противодействующей пружины; Мк - момент контактного взаимодействия; к - коэффициент сопротивления; спр - жесткость пружин; сК - контактная жесткость; d - коэффициент демпфирования в контакте; <р - воздушный зазор; (ртлх, (Ртт ~ максимальный и минимальный воздушные зазоры; ы -угловая скорость, J— момент инерции; G- модуль сдвига.

Влияние внешних воздействующих факторов учитывается введением в модель генератора возмущающих воздействий и параметра температуры окружающей среды. Разработанная математическая модель описывает процессы в электромагните и устройстве управления, независимой непрерывно меняющейся переменной которых является время. Семейства статических характеристик потокосцепления обмоток Y(i,<p) и электромагнитного момента M(i,<p) (силы для ЭМ поступательного действия) определяются из решения задачи расчета электромагнитного поля методом конечных элементов, для диапазона значений тока и угла поворота якоря. Для этого использовался программный пакет FEMM 4.2 с применением языка программирования Lúa.

Для исследования влияния параметров импульсов управления, тока обмоток управления на динамические характеристики привода, была разработана модель системы управления, обеспечивающая формирование заданной формы тока в обмотках ЭМ, контроль времени трогания и движения якоря, а также формирование форсированного напряжения включения за счет использования индуктивной энергии обмоток ЭМ.

В третьей главе разработан метод управления быстродействующим ЭМ резонансного типа, обеспечивающий, при заданном времени переключения минимальную скорость посадки якоря в условиях внешних возмущающих воздействий. Предложен вариант построения адаптивной системы управления быстродействующим ЭМП резонансного типа без использования специализированных датчиков положения и скорости исполнительного органа, отличающийся тем, что регулирование конечной скорости посадки якоря осуществляется по характеристикам тока и напряжения обмоток управления ЭМ. Предложен метод определения начальных параметров настройки алгоритма управления электромагнитом.

ЭМП возвратно-вращательного (возвратно-поступательного) действия в основе которого заложен принцип пружинно - маятниковой механической системы, в идеальном случае подразумевает обеспечение конечной скорости ü)k — 0 и время переключения равное половине периода

противодействующих моментов и возмущающих воздействий, необходимо формировать форму тока ¿(£:) в обмотке ЭМ, обеспечивая при этом электромагнитный момент Мэл(<р) > Мпр(<р), где Мпр(ср) -противодействующий момент сил сопротивления (Рис. 5).

собственной частоты

реальных условиях, для компенсации

Рис. 5 - Зависимость электромагнитного момента от угла поворота якоря ЭМ (а) и намагничивающей силы от времени (б)

Закон изменения тока /'(?) (Рис. 5 б) обеспечивает заданную динамику переключения ЭМП при условиях соответствующих расчетным, но не учитывает влияния таких факторов, как технологические отклонения в параметрах ЭМ, изменение условий эксплуатации, изменение момента сопротивления объекта управления и т.п. Для осуществления надежного переключения с минимальной конечной скоростью якоря необходимо, чтобы система управления обеспечивала компенсацию переменных внешних сил, действующих на исполнительный орган привода, а так же корректировку параметров сигнала управления в соответствии с текущим изменением температуры окружающей среды и привода, которая влияет на жесткость пружинной системы.

На основе анализа результатов математического моделирования процессов переключения был предложен метод управления, позволяющий косвенно определять пространственное положение и величину конечной скорости якоря в момент подхода к полюсу в режиме реального времени по характеру изменения тока в обмотках, напряжения на них и, соответственно, воздействовать на скорость якоря в конце хода, учитывая влияние внешних дестабилизирующих факторов.

Метод основан на взаимосвязи электрических процессов, происходящих в обмотке электромагнитного привода с механическими процессами, обусловленными движением подвижного элемента магнитной системы в соответствии с уравнением для электрической цепи ЭМ (2)

1/(0 = 4(0«+^. (2)

При движении якоря возникает ЭДС самоиндукции, обусловленная изменением тока в обмотке и противо-ЭДС движения, связанная с изменением рабочего воздушного зазора (3)

«„„Сад+ и

При ограниченной выходной мощности источника питания итах(1:) происходит отрицательное изменение тока обмотки ЭМ (— —) (рис. 6). Этот провал 1 тока позволяет произвести косвенную оценку скорости движения

якоря в конце хода и может быть использован для корректировки параметров процесса на следующем цикле перемещения.

/А I

.......[.......!■.......[......

\ ! Г

П ! 1 V'......• 1. --1-

Рис. 6 - Зависимость тока в обмотке ЭМ от времени; Ы - изменение тока, вызванное движением якоря.

Для обеспечения корректировки скорости якоря на текущем цикле перемещения, предложен метод управления, заключающийся в формировании в обмотке управления ЭМ формы тока (рис. 7), рассчитанной для режима нагрузки соответствующего максимальному значению момента Мтах((р) ЭМП при котором он в состоянии обеспечить заданные

Ток в обмотке ЭМ ¡(0 (рис. 7) может быть представлен следующими фазами: трогание Га, неуправляемое движение форсированное включение контроль энергии движения якоря ¿я, подход якоря к полюсу подхват и удержание якоря ¡р4. На участке ток в обмотке ЭМ /(Х)=/я=со«5/, тогда в соответствии с (3) для энергетического баланса: ££/(£:)с££ = £ (1)7? + £ — йх,

дц/

где характеризует энергию движения якоря ЭМ и, при условии

ограниченном выходной мощности источника тока, вызывает изменение производной тока в цепи обмотки . Отслеживая момент времени

^(cii/cit)! производится отключение тока в обмотке и ее шунтирование. При этом уравнение электрической цепи принимает вид:

47 dl dt dtp dt По величине первой производной тока по времени определяется

момент времени подхода якоря к полюсу электромагнита (—) , после чего, в

Veit/2

обмотке формируется ток подхвата /F4 и удержания Ih якоря в конечном положении.

Предложенный метод управления по характеру тока в обмотке ЭМ был реализован при компьютерном моделировании в программе LTSpice. Полученные результаты показали, что он позволяет обеспечить требуемую скорость посадки якоря ЭМ при воздействии внешних возмущающих воздействий и без использования специализированных датчиков положения и скорости исполнительного органа привода.

Четвертая глава посвящена разработке программно-аппаратного комплекса и проведению экспериментальных исследований мехатронного привода ВТК ДВС. Приведены результаты экспериментальных исследований экспериментального образца СУ ЭМП ВТК на стенде совместно с двигателем внутреннего сгорания.

В соответствии с предложенным методом управления и способом определения начальных параметров токовой характеристики управления ЭМП, при сотрудничестве с ТУ Ilmenau (Германия), Steinbeis-Transferzentrum Mechatronik Ilmenau (STZ Mechatronik), г.Ильменау (Германия) и фирмы Mahle г. Штудгард (Германия), были изготовлены экспериментальные образцы ЭМП для ВТК ДВС с электронной системой управления (рис. 9).

а) б)

Рис. 9 - Экспериментальный образец системы управления ЭМП ВТК ДВС: а - электронная система управления; б -макетный образец ЭМП

ВТК ДВС.

Предварительные испытания ЭМП были проведены в лаборатории МесИаП-отк, окончательные - в лаборатории НИИ Электромеханики ЮРГПУ(НПИ).

Для проведения экспериментальных исследований был разработан и изготовлен программно-аппаратный комплекс (ПАК). Структурно-функциональная схема ПАК приведена на рис. 10.

Рис. 10 - Структурно-функциональная схема ПАК: ИП - источник питания, УУ - устройство управления, СП - силовой преобразователь, ДТ - датчик тока, ЭМП - электромагнитный привод, ПК - персональный компьютер, ДП - датчик положения, ДС - датчик скорости.

Программно-аппаратный комплекс обеспечивает регистрацию зависимостей хода якоря от времени, зависимости скорости перемещения якоря от времени, процесса изменения тока и напряжения обмотки.

Основными элементами комплекса являются испытательный стенд на базе четырех цилиндрового ДВС BMW 1,8/, 120л.с. с приводом от асинхронного двигателя, персональный компьютер (ПК), лазерная установка измерения линейной скорости и перемещения Politec CLV-2534 Compact Laser Vibrometer, Цифровой осциллограф YOKOGAWA DL7086, источник питания DNT 40/20.

Управление экспериментальной установкой осуществляется с помощью программного обеспечения фирмы Freescale Semiconductor FreeMaster.

На рис. 11 показан программно-аппаратный комплекс для экспериментального определения динамических характеристик ЭМП ВТК.

Экспериментальные характеристики ЭМП ВТК с применением бездатчикового способа управления при исследовании в составе ДВС в диапазоне частот вращения 750 - 3000 об/мин. показали, что скорость посадки якоря не превышает заданной 0,4 м/с (рис. 9), время переключения составляет 3,8 мс и варьируется в диапазоне от 3,2 до 4 мс.

Рис. 11 - Программно-аппаратный комплекс для экспериментального определения динамических характеристик ЭМП ВТК совместно с ДВС

Рис. 12 - Осциллограммы тока и скорости якоря ЭМП ВТК.

При проведении экспериментальных исследований была выявлена нестабильность времени трогания якоря ДГТР = 0 500 мкс при неизменных значениях температуры ЭМП, тока удержания и перепада давления на клапане что объясняется неточностью изготовления контактных поверхностей полюс - якорь и принципом формирования тока удержания -ввиду невозможности практической реализации нулевого значения токового коридора, а так же влиянием модуля формировния форсированного напряжения на постоянную времени цепи рассеяния энергии, запасенной в обмотке ЭМ. Экспериментально установлено, что формирование отрицательного импульса напряжения на отпускающей обмотке ЭМ позволяет стабилизировать изменение времени трогания = 0 -н 50 мкс.

При экспериментальном исследовании ЭМП ВТК ДВС решена задача оценки достоверности используемых математических моделей для анализа динамических характеристик приводов с использованием метода управления на основе анализа токов и напряжений обмоток. Совпадение расчетных и экспериментальных данных оценивалось путем вычислений абсолютной и относительной погрешностей. Абсолютная погрешность времени открытия

составила Д£откр= 0,16 мс, времени закрытия Д£закр= 0,23 мс, скорости в конце хода Дм= 6 рад/с. Относительная погрешность соответственно составила 8(откр = 5,1%, 5Сзакр = 7,4%, = 13,7%. Результаты оценки достоверности разработанной математической модели позволяют использовать ее для расчета начальных параметров управляющих сигналов при использовании метода управления мехатронным электромагнитным приводом резонансного типа без применения датчиков положения и скорости.

В приложении приведены тексты программ для моделирования динамики ЭМП совместно с системой управления, результаты испытаний ЭМП ВТК ДВС, программа микроконтроллера, реализующая бездатчиковое управление ЭМП с заданными динамическими параметрами, акты внедрения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертационной работе разработан мехатронный привод для управления воздушно-тактовым клапаном двигателя внутреннего сгорания, обеспечивающий повышение энергетических и экологических показателей двигателя. Научная и практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем.

1. Разработан метод управления электромагнитным приводом резонансного типа, обеспечивающий при заданном времени срабатывания конечную скорость посадки клапана менее 0,4м/с в условиях внешних возмущающих воздействий, отличающийся от известных тем, что управляющее воздействие формируется без использования специальных датчиков положения и скорости.

2. Предложен способ определения начальных параметров токовой характеристики для управления электромагнитным приводом ВТК ДВС, позволяющий производить первичную настройку регулятора системы управления в соответствии с предложенным методом управления. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для определения начальных параметров системы управления мехатронным приводом при управлении с обратной связью по току.

3. Созданы математические модели и алгоритмы для расчетов статических и динамических характеристик мехатронного привода ВТК ДВС, в которые, в отличие от известных, интегрированы модели управляемого силового преобразователя и системы управления, позволяющие сократить время на настройку устройства управления в реальных условиях.

4. Разработан программно-аппаратный комплекс для экспериментальных исследований характеристик и параметров мехатронного привода ВТК ДВС совместно с устройством управления.

5. Подтверждена адекватность разработанных математических моделей, что позволяет использовать параметры настроек, полученные в процессе

математического моделирования, в качестве начальных параметров системы управления в реальных условиях.

6. По результатам исследований выполнено проектирование и практически реализован экспериментальный образец мехатронного привода ВТК ДВС с системой управления. Проведенные стендовые испытания на ДВС показали, что применение мехатронного привода позволило достичь увеличения давления в цилиндре, по окончании фазы впуска, более чем на 20%, при этом скорость посадки клапана не превышает значения 0,4м/с.

7. Модификация силовой схемы устройства управления, позволила стабилизировать время трогания якоря в пределах 0,1±10% мс и обеспечила снижение потребляемой мощности за период переключения привода на 24% по сравнению с применением силового коммутатора без использования запасенной индуктивной энергии обмоток ЭМ.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Гуммель A.A. Математическое моделирование электромагнитных систем с использованием PSpice. / Павленко A.B., Гринченков В.П., Беляев Н.П., Колпахчьян П.Г., Гуммель A.A., Батищев Д.В., Медведев В.В. // Изв. вузов. Сев. - Кавк. регион. Техн. науки. — 2004. №4 - С. 45-48.

2. Гуммель A.A. Синтез параметров управляющих сигналов электромагнитных приводов мехатронных систем. / Павленко A.B., Гринченков В.П., Беляев Н.П., Гуммель A.A. // Мехатроника, автоматизация, управление. 2005г. №9 - С. 14-19.

3. Гуммель A.A. Комплексное проектирование электромагнитных приводов с заданными динамическими характеристиками. / Павленко

A.B., Гринченков В.П., Гуммель A.A., Павленко И.А., Калленбах Э. // Ежемесячный научно-технический журнал «Электротехника», Москва, 2007. - № 4. - С. 22-30.

4. Гуммель A.A. Быстродействующие электромагнитные привода для клапанов систем топливоподачи и воздухогазообмена двигателей внутреннего сгорания. / Павленко A.B., Гринченков В.П., Батищев Д.В., 4. Гуммель A.A., Большенко И.А. // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2010. № 5. С. 48-53.

5. Гуммель A.A. Электромеханический привод для управления элеронами летательного аппарата. / Батищев Д.В, Гуммель A.A., Гильмияров K.P. // Известия высших учебных заведений. СевероКавказский регион. Технические науки. - 2013. - № 1. - С. 74-78.

6. Гуммель A.A. Экспериментальное определение интегральных характеристик линейного электромагнитного привода. / Медведев

B.В., Батищев Д. В., Гуммель A.A. // Изв. Вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2014. - № 1. - С. 22-25.

Статьи, материалы конференций и другие материалы:

7. Гуммель A.A. Анализ и синтез быстродействующих электромагнитных приводов мехатронных систем. / Павленко A.B., Гринченков В.П., Беляев Н.П., Гуммель A.A. // Изв. вузов. Сев. - Кавк. регион. Техн. науки. - 2003. - Спецвып. Проблемы мехатроники -2003.-С. 21-24.

8. Гуммель A.A. Синтез параметров управляющих сигналов быстродействующего интегрированного электромагнитного привода. / Павленко A.B., Гринченков В.П., Гуммель A.A. // Изв. вузов. Сев. -Кавк. регион. Техн. науки. - 2005. - Спецвып. Проблемы мехатроники -2004.-С. 57-60.

9. Гуммель A.A. Влияние внешних факторов на динамику срабатывания привода воздушно-тактового клапана двигателя внутреннего сгорания. / Гуммель A.A. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2007. - Спецвып. Проблемы мехатроники - 2006. - С. 5-7.

10.Гуммель A.A. Проектирование быстродействующих электромагнитных приводов с заданными динамическими параметрами. / Павленко A.B., Гринченков В.П., Павленко И.А., Гуммель A.A. // Труды Южного научного центра Российской академии наук. Том 2. Физика, Механика, Техника./Под ред. Академика Г.Г. Матишова, Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2007, С 94-107.

11.Гуммель A.A. Проектирование системы управления быстродействующим электромагнитным приводом / Гуммель A.A., Кузьмин А.Н. // Студенческая научная весна 2004: Мтериалы 53-й науч.-техн. конф. студентов и аспирантов ЮРГТУ (НПИ)/ Юж.-Рос. гос. техн. ун.-т. - Новочеркасск: ООО НПО «Темп», 2004. - С. 77 -78.

12.А. Гуммель Projektierung schnellwirkender electromagnetischer Aktoren mit wechselsinniger Ankerbewegung / А. Павленко, В. Гринченков, H. Беляев, Э. Калленбах, А. Гуммель // Mechanical Engeneering from Macro to Nano: 49. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium Technische Universität Ilmenau 27.-30. September 2004. - S. 321-325.

13.Гуммель A.A. Синтез параметров управляющих сигналов электромагнитных приводов газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания / Гуммель A.A., Лесков Л.С. // Студенческая научная весна 2005: Сборник научных трудов студентов и аспирантов ЮРГТУ (НПИ)/ Юж.-Рос. гос. техн. ун.-т. -Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2005. - С. 204 -205.

14.А. Гуммель Mechatronischer Entwurf schnellwirkender electromagnetischer Aktoren. / А. Павленко, В. Гринченков, Н. Беляев, Э. Калленбах, А. Гуммель, Д. Батищев // Mechanical Engeneering from Macro to Nano: 50. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium Technische Universität Ilmenau 23.-29. September 2005. - S. 107-109.

15.Гуммель A.A. Автоматизированный стенд для исследования распределенных параметров мехатронных систем / Пузин B.C., Гуммель A.A., Гильмияров K.P. // Научно-техническое творчество студентов вузов: Матер. Всерос. смотра-конкурса научн.-техн. творчества студ. Вузов «Эврика-2005»/ Мин-во образования и науки РФ, Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ).- Новочеркасск: ЮРГТУ, 2005. -Ч. 1.-С. 322-327.

16. Гуммель A.A. Algorithmus zur adaptiven Steuerung schnellwirkender elektro-magnetischer Antriebe mit vorgegebenen dynamischen Parametern / Павленко A.B., Гринченков В.П., Гуммель A.A., Baumbach J., Kallenbach E. // Mechanical Engeneering from Macro to Nano: 51. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium Technische Universität Ilmenau 11.-15. September 2006. - S. 107-109.

17. Гуммель A.A. Die Steuerung electromechanischer Antriebe mit wechselsinniger Ankerbewegund. / Павленко A.B., Гринченков В.П., Гуммель A.A., Baumbach J., Kallenbach E. // Information technology and electrical engineering - devices and sistems, materials and technologies for the future : 51. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, 11 .-15.09.2006.Faculty of electrical engineering and information technology 1 Technische Universität Ilmenau. - Ilmenau, 2006.- S. 141-142.

18.Гуммель A.A. Электромагнитные приводы для мехатронных устройств и систем автомобилей. Проектирование и оптимизация. / Павленко A.B., Гринченков В.П., Гуммель A.A. и др. // Мехатроника, автоматизация, управление - 2007 : материалы Междунар. науч.-техн. конф., пос. Дивноморское, 24-29 сент. 2007 г. / Научно-исследовательский институт многопроцессорных вычислительных систем им. академика A.B. Каляева Южного федерального университета. - Таганрог, 2007. - С.429-431.

19.Гуммель A.A. Электромагнитный привод воздушно-тактового клапана двигателя внутреннего сгорания. / Павленко A.B., Косарев A.C., Гуммель A.A., Гринченков В.П. // Эврика - 2007: сб. конкурс, работ Всерос. смотра-конкурса науч.-техн. творчества студентов высших учеб. заведений, г. Новочеркасск, 19-25 нояб. 2007 г. 1 Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: Оникс+, 2007.- С. 312-313

20.Гуммель A.A. Анализ схем построения систем управления электромагнитными приводами клапана газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания. / Гуммель A.A., Гильмияров K.P. // Студенческая научная весна - 2008: материалы докладов Межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Южного федерального округа/ Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: ЛИК, 2008. - с. 390.

21. Гуммель A.A. Методика расчета начальных параметров системы управления резонансным электромагнитным приводом. / Павленко A.B., Гринченков В.П., Гуммель A.A. и др. // Мехатроника-2008:

материалы 4 Международного научно-практического студенческого коллоквиума, г. Новочеркасск 18-20 июня 2008 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2008. - С. 68-70.

22.Гуммель A.A. Устройство управления резонансным электромагнитным приводом. / Гуммель A.A., Гильмияров K.P. // Студенческая научная весна - 2009: материалы докладов Межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Южного федерального округа/ Юж.-Рос. Гос. Техн. Ун-т. - Новочеркасск: ЛИК, 2009. - с. 182.

23.Патент на изобретение 284600 РФ Способ управления быстродействующим электромагнитом / Павленко A.B., Гринченков В.П., Беляев Н.П., Постников A.A., Гуммель A.A. // ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ). Заявл. 10.11.2004г. №2004132820/09; опубл. 27.09.2006г.бюл. №27, МПК H01F 7/18.

24.Патент на полезную модель № 103228. Рос. Федерация, МПК H01F 7/18. Устройство управления мехатронным приводом / A.B. Павленко, A.A. Гуммель, K.P. Гильмиров - № 10140032/07; заявл. 29.09.2010; опубл. 27.03.2011, Бюл. № 9.

25.Гуммель A.A. Электромеханический привод для управления элеронами летательного аппарата. / Батищев Д.В, Гуммель A.A., Гильмияров K.P. // Энергонасыщенные материалы, изделия, инновационные технологии их применения: материалы всероссийской молодежнй научной школы, г. Новочеркасск, 12 13 ноября 2012 г. / Юж. Рос. Гос. Ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2012. - 83 с.

26.Свид-во о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2010615553 Проектный расчет электромагнитного привода. / Большенко И.А., Гильмияров K.P., Павленко A.B., Батищев Д.В., Гуммель A.A. - № 2010613817; опубл . Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 27.08.2010.

Вклад автора в результаты работ, опубликованных в соавторстве состоит: в разработке математических моделей и реализации алгоритмов вычислений и экспериментальной проверке теоретических результатов моделирования [1-5, 7, 8, 12, 14, 26], постановке задачи исследования [11, 13, 20], разработке метода управления и реализации устройства управления резонансным электромагнитным механизмом проведение эксперимента [9, 16-19, 23, 24, 25], в разработке алгоритма расчета силовой схемы устройства управления электромагнитным механизмом [22], разработке структурной схемы и конструировании программно-аппаратного комплекса, проведении эксперимента и обработке полученных данных [6, 10, 15], в разработке методики расчета начальных параметров системы управления резонансным электромагнитным приводом [21].

ГУММЕЛЬ Андрей Артурович

МЕХАТРОННЫЙ ПРИВОД ДЛЯ ВОЗДУШНО-ТАКТОВОГО КЛАПАНА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Автореферат

Подписано в печать 13.02.2015. Формат 60x84 '/16- Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 46-0210.

Отпечатано в ИД «Политехник» 346400, г. Новочеркасск, ул. Первомайская, 166 idp-npi@mail.ru