автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование мехатронного модуля на основе трехфазного бесконтактного двигателя постоянного тока при соединении секций обмотки по схеме "треугольник"

На правах рукописи

Довгиленко Сергей Владимирович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАТРОННОГО МОДУЛЯ НА ОСНОВЕ ТРЕХФАЗНОГО БЕСКОНТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПРИ СОЕДИНЕНИИ СЕКЦИЙ ОБМОТКИ ПО СХЕМЕ «ТРЕУГОЛЬНИК»

Специальность 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы»

1 7 НОЯ 2011

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2011 год

005000967

Диссертация выполнена на кафедре 702 «Системы приводов авиационно-космической техники» Московского Авиационного Института (Национального Исследовательского Университета)

Научный руководитель: доктор технических наук, заместитель директора

по научной работе ФГУП «МОКБ «МАРС», профессор кафедры 702 «Системы приводов авиационно-космической техники» МАИ Попов Борис Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук," ведущий научный

сотрудник Института проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН Рыбкин Сергей Ефимович

кандидат технических наук, доцент кафедры 310 «Электроэнергетические, электромеханические и биотехнические системы» МАИ Сыроежкин Евгений Викторович

Ведущая организация: ООО «Научно-производственная фирма «Вектор» '

(г. Москва)

Зашита состоится « Л> X/ _ 2011 г. в //" часов на заседании диссертационного совета Д 212.125.07 в Московском Авиационном Институте (Национальном Исследовательском Университете) по адресу: 125993, г. Москва,1 А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4, главный административный корпус, зал заседаний ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Авиационного Института (Национального Исследовательского Университета).

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим высылать по адресу: 125993, г.Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4., МАИ, Ученый совет МАИ.

Автореферат разослан «_»_2011 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.125.07, кандидат технических наук, доцент

А.Б. Кондратьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время при создании пассажирских, транспортных и боевых самолетов перспективным является использование вместо гидравлических силовых систем - электрические, и глубокое внедрение электромеханических приводов. Современные мехатронные модули на основе бесконтактных двигателей постоянного тока (БДПТ) стали серьезными конкурентами коллекторных двигателей постоянного тока. Доля их применения в электротехнических комплексах, там, где раньше применялись коллекторные двигатели постоянного тока, неуклонно растет. Мехатронные модули на основе трехфазных БДПТ занимают прочное положение в производственных программах ведущих зарубежных компаний, таких как «Siemens», «К.Е.В.», «Control Techniques» и т.д. К сожалению, в России не производится подобных мехатронных модулей в масштабах способных покрыть возрастающий спрос, что обуславливает технологическую зависимость от зарубежного производителя.

Бесконтактные двигатели постоянного тока различаются по количеству секций обмотки, по срособу ; их соединения и способу питания. Наибольшее распространение.получили трехфазные БДПТ с реверсивным питанием. Секции обмотки трехфазного БДПТ могут быть соединены по схеме «звезда» (Y) или по схеме «треугольник» (Д)..На практике наибольшее применение нашло соединение секций обмотки в Y, что в ряде публикаций связывается с наличием потерь мощности из-за контурных токов при соединении секций обмотки в Д. Однако при одном и том же напряжении питания, в случае использования соединения секций обмотки в А возможно получение скорости холостого хода в 1,73 раза бол'ьшей, чем при соединении секций в Y. На мировом рынке мехатронных модулей на основе трехфазных БДПТ присутствует ряд фирм, выпускающих мехатронные модули на основе БДПТ с соединением секций обмотки по схеме Д. Напримууком-пании «Portescape», «Махоп ' motors» и «Faulhaber» выпускают подобные" мехатронные модули мощностью до 0,6 кВт. Отечественное предприятие «Маши-ноаппарат» выпускает бесконтактные моментные электродвигатели серии ДБМ с возможностью соединения секций обмотки по схеме «треугольник».

Цель и задачи работы

Целью работы является разработка и исследование мехатронного модуля на основе трехфазного БДПТ при соединении секций обмотки по схеме Д с углами коммутации 2л/3 и л электрических радиан при реализации законов управления процессом коммутации ключевых элементов импульсного усилителя мощности. А также сравнение схем соединения секций обмотки в Y и в Д, различных углов и законов коммутации.

В работе ставятся и решаются следующие научно-технические задачи:

1 Формирование совокупности условий управления мехатронным модулем на основе трехфазного БДПТ при соединении секций обмотки в Д.

2 Получение управляющих логических функций, связывающих функциональ-

ной зависимостью условия управления мехатронного модуля, которые представлены в виде логических переменных, и управляющие слова, поступающие на входы КЭ, при соединении секций обмотки в А при 2я/3 и при л-коммутации.

3 Анализ законов управления процессом коммутации в случае 2 л/3 и я-коммутации для определения случаев протекания сквозного тока.

4 Разработка управляющего логического автомата мехатронного модуля, позволяющего управлять БДПТ при соединении секций обмотки в Д, в случае реализации законов управления процессом коммутации ключевых элементов.

5 Анализ влияния схемы соединения секций обмотки, выбора угла коммутации и законов управления процессом коммутации на механические и энергетические характеристики мехатронного модуля, и определение дополнительных потерь мощности, возникающих при широтно-импульсном управлении скоростью.

6 Исследование гармонического состава тока для определения случаев возникновения потерь мощности от контурных токов.

7 Разработка мехатронного модуля и проведение его экспериментальных исследований для подтверждения полученных теоретических положений и результатов компьютерного моделирования.

Методы исследования основаны на теории дискретных управляющих автоматов, теории логического управления, основных положениях теории электрических машин, теории спектрального анализа и компьютерном моделировании.

Научная новизна работы состоит в следующем:

■ Для мехатронного модуля на основе трехфазного БДПТ впервые было получено шесть вариантов аналитических выражений управляющих логических функций симметричного, несимметричного, поочередного и диагонального законов коммутации, равнозначность которых подтверждена экспериментально.

« Разработана математическая модель датчика положения ротора дискретного типа, позволяющая описать с единой методологической позиции условия управления мехатронным модулем на основе БДПТ при любом количестве секций обмотки, схеме их соединения и угле коммутации.

■ Разработан метод определения всех возможных допустимых переходов закона коммутации, необходимый при его анализе и разработан метод определения альтернативных управляющих слов для использования их в энергосберегающих законах коммутации.

■ Разработана компьютерная модель мехатронного модуля на основе трехфазного бесконтактного двигателя постоянного тока, позволяющая моделировать электромагнитные и электромеханические процессы в секциях обмотки при их соединении по схеме У и по схеме Д.

■ Проведен сравнительный анализ механических и энергетических характеристик мехатронного модуля на основе БДПТ для соединения секций обмотки в У и в Д при 2я/3 и я-коммутации для законов симметричной, несимметричной, поочередной и диагональной коммутации.

« Впервые показано, что при синусоидальной противоЭДС в случае широтно-импульсного управления скоростью при 2я/3 и я-коммутации ключевых элемен-

тов импульсного усилителя мощности БДПТ, секции обмотки которого соединены в Д, не возникают контурные токи, а следовательно нет потерь мощности от контурных токов.

Практическая значимость полученных автором диссертации результатов для теории и практики определяется следующим:

■ разработанный метод анализа законов коммутации позволяет при проектировании мехатронного модуля на основе БДПТ выбрать закон коммутации с наименьшим количеством случаев протекания сквозного тока и равномерной загрузкой ключевых элементов по току;

■ разработанная компьютерная модель мехатронного модуля позволяет исследовать электромагнитные и электромеханические процессы при соединении секций обмотки в У и в А при смещении как всей системы чувствительных элементов датчика положения ротора, так и каждого элемента в отдельности;

■ разработанная на языке УЬГОЬ библиотека моделей функциональных блоков может быть использована для построения устройств управления БДПТ на платформе программируемой логики.

Результаты, выносимые па защиту

■ Разработан метод анализа законов управления процессом коммутации и синтеза состояний, используемых в паузе между включением и выключением ключевых элементов одной стойки импульсного усилителя мощности при реализации алгоритма исключения сквозного тока.

■ Получены шесть вариантов управляющих логических функций в зависимости от расположения нуля датчика положения ротора для законов управления.процессом коммутации, входящих в группу совместного и раздельного управления, при 2я/3 и л-коммутации в случае соединения секций обмотки БДПТ по схеме У и А. Показано, что шесть вариантов управляющих логических функций при соединении секций в У и А совпадают.

■ Предложена обобщенная форма записи шести вариантов аналитических выражений управляющих логических функций.

■ Разработана математическая модель датчика положения ротора дискретного типа, позволяющая математически описывать с единой методологической позиции условия управления мехатронным модулем при любом количестве секций обмотки, схеме их соединения и при любом угле коммутации.

■ Проведен спектральный анализ токов при соединении секций обмотки в «треугольник». Показано, что при синусоидальной противоЭДС широтно-импульсное управление скоростью при углах коммутации 2 л/3 и я электрических радиан не приводит к потерям мощности от контурных токов.

■ Проведен сравнительный анализ известных законов коммутации в случае 2л/3 и 71-коммутации при соединении секций обмотки в У и в А.

■ Определены статические и динамические характеристики мехатронного модуля на основе трехфазного БДПТ при соединении секций обмотки в А.

Достоверность результатов

Обоснованность научных результатов, выводов и рекомендаций обусловлена использованием апробированных математических моделей бесконтактного двигателя постоянного тока и среды визуального моделирования БтиПпк с библиотеками расширения 81тРо\¥ег8у51ет5, а также подтверждена экспериментальными исследованиями действующего образца.

Внедрение результатов

Результаты работы нашли применение в цифровом приводе устройства до-ворота рупора пространственного динамического координатора, разработанного ФГУП «ГосНИИАС», и внедрены в учебный процесс на кафедре «Системы приводов авиационно-космической техники».

Апробация работы и публикации

Результаты работы были доложены и обсуждены на XVI, XVII и XVIII международных научно-технических семинарах «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», 2007-2009 гг., Алушта, и на юбилейной всероссийской научно-технической конференции «Моделирование авиационных систем», 2011 г., Москва.

Основные материалы диссертации опубликованы в восьми печатных работах, три из которых - в изданиях, входящих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий высшей аттестационной комиссии РФ.

Структура и объем работы

Диссертация выполнена в объеме 149 стр. основного текста, в том числе 105 рис., 21 табл., список использованных источников, насчитывающий 94 наименования, и восьми приложений на 102 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформированы цель и основные задачи диссертации, приведены сведения об апробации и публикациях, а также представлена структура работы и краткое содержание ее разделов. Определен объект исследования, которым является мехатронный модуль на основе трехфазного БДПТ при соединении секций обмотки в Д (рис. 1). На рис. 1 и далее по тексту используются следующие обозначения: СД - синхронный двигатель с магнитоэлектрическим возбуждением; АВ, ВС, СА - секции обмотки статора, соединенные в Д; - ротор; ИУМ - импульсный усилитель мощности, состоящей из ключевых элементов (КЭ) КЭ6..КЭ1; УЛА - управляющий логический автомат, на выходе которого формируется двоичное управляющее слово СIV = <116 115 Ш (Л Ш Ш>, каждый разряд которого является управляющей логической функцией (УЛФ), поступающей на вход соответствующего КЭ; ДПР - датчик положения ротора, на выходе которого формируются сигналы УА, Ув, Ус, в каждый момент времени, определяющие его состояние (состояние ДПР), Ку - код управления; Цц - источник постоянного напряжения.

Рис. 1. Схема мехатронного модуля на основе трехфазного БДПТ при соединении секций обмотки в А

Мехатронный модуль на основе трехфазного БДПТ входит в состав цифрового следящего привода с прямым цифровым управлением (рис. 2). На рис. 2 используются следующие обозначения: ЦУМ - цифровая управляющая машина; СМВ - специализированный микропроцессорный вычислитель; ММ - мехатронный модуль на основе трехфазного БДПТ; МП - механическая передача; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; Л"в - входной код; Ку - код управления; Кос ~ К0Д обратной связи; фмм - угол поворота вала мехатронного модуля на основе БДПТ; фмп - угол поворота выходного вала механической передачи.

От дополнительных

Рис. 2. Блок-схема цифрового следящего привода

В первом разделе рассматривается синтез законов коммутации ключевых элементов импульсного усилителя мощности бесконтактного двигателя постоянного тока при соединении секций обмотки в А.

При управлении мехатронным модулем на основе трехфазного БДПТ основными условиями управления являются следующие: создание поля статора, синхронно вращающегося с полем ротора, реверсирование и широтно-импульсное управление скоростью. Дополнительно могут предъявляться требования по равномерности загрузки КЭ ИУМ по току.

Перечисленные условия управления справедливы как при соединении секций обмотки в А, так и при соединении секций в У. Однако при формировании вращающегося поля статора в случае соединения секций в У и в А как при 2я/3, так и я-коммутации, переключение КЭ происходит в разных угловых положениях, что связано с характером изменения уровня напряжения, прикладываемого от источника постоянного напряжения. В БДПТ моменты смены уровня напряжения определяются изменением состояния ДПР или иного устройства определения положения ротора Изменения состояния ДПР фиксируют следующие шесть положений ротора относительно главной магнитной оси статора:

- при 2я/3-коммутации для соединения секций в А и при я-коммутации для соединения секций в У: [0, л/3,2я/3, я, 4я/3, 5я/3] электрических радиан;

- при я-коммутации для соединения секций в Д и при 2я/3-коммутации для соединения секций в У: [я/б, я/2, 5я/6, 7я/6, Зя/2,11я/6] электрических радиан.

Заметим, что каждому положению ротора, в котором изменяется уровень напряжения, можно поставить в соответствие любое из шести состояний ДПР, что достигается смещением его нуля.

Исходя из определения состояния ДПР и сделанного замечания, математически логические переменные УА, Ув и ¥с могут быть описаны как:

[1, если 5т(рчт + &)>0

У ¡.¡в,

А 10, если бш^ру + д) < 0

Г1, если вт(рую-2т:/3 + &)>0 в (0, если вт(рут-2п/3 + &)<0 ' ^

У если 5т(рут + 2я/3 + Э;>0

с [0, если 8т(рую + 2к/3 + &)<0

где р - количество пар полюсов; & - заданный угол положения ротора, в котором расположен нуль ДПР; удв- угол поворота вала двигателя.

Математическое описание (1) логических переменных, поступающих с ДПР, можно распространить на мехатронные модули на основе БДПТ с любым количеством секций обмотки с замкнутым, лучевым и раздельным соединением. Введем следующее обозначение переменных, поступающих с ДПР:

п =

1, если 8т(рут+ап + &)>0 0, если Бт(руда + ал + 9) < 0 '

где а„ =-я - угол в электрических радианах, соответствующий геометри-

п

ческому сдвигу секции обмотки двигателя относительно главной секции обмотки; к = 1,и; и - количество секций обмотки, которые могут иметь буквенное обозначение А, В, С, Б и т.д.; А - целое число, равное единице при четном количестве секций и двум при нечетном количестве секций.

Условия управления: реверсирование, широтно-импульсное управление скоростью и равномерность загрузки КЭ импульсного усилителя мощности (ИУМ) по току формализованы в виде логических переменных <2 п Р. Мате-

матическое описание логических переменных соответствует описанию, приведенному в книге Б.Н. Попова «Цифровые устройства систем приводов летательных аппаратов» (М., 2008).

Проведен анализ электромагнитных процессов, протекающих в секциях обмотки БДПТ при их соединении по схеме Y и по схеме Д в случае 2л/3 и л-коммутации. В результате анализа получены значения УЛФ, которые необходимо создавать в паузе широтно-импульсного сигнала (ШИС) при законах симметричной, несимметричной, поочередной и диагональной коммутации.

Показано, что как в случае 2гс/3-коммутации, так и в случае л-коммутации, для соединения секций обмотки в Y и в Д при импульсе и при паузе ШИС управляющие слова совпадают. При этом для соединения секций обмотки в Y и в Д одним и тем же управляющим словам при импульсе ШИС соответствуют одни и те же управляющие слова при паузе ШИС.

Для соединения секций обмотки в Д были определены УЛФ. В зависимости от начальной выставки нуля ДПР для симметричной, несимметричной, поочередной и диагональной коммутации было получено шесть вариантов аналитических выражений УЛФ, отличающихся зависимостями сигналов управления от переменных УА, Yb, Yc. Показано, что шесть вариантов аналитических выражений УЛФ при 2л/3 и л-коммутации для соединения секций обмотки в У и в Д совпадают.

Для шести вариантов аналитических выражений УЛФ получена обобщенная форма записи аналитических выражений, где вместо переменных YA, Ун, Ус используются новые переменные Гь Y2, Уз- Соответствие между новыми переменными У и Уг, >'з и переменными УА, У в, Ус в зависимости от положения нуля ДПР при соединении секций обмотки в У и в Д для 2л/3 и л-коммутации приведено в табл.1 и табл. 2.

Таблица 1 - Соответствие между У,,У2, Уз и УА,УВ, Ус при 2л/3-коммутации

Положение нуля ДПР Д 0 л/3 2я/3 л 4л/3 5 л/3

Y 11 л/6 л/6 я/2 5л/6 7я/6 Зя/2

У\ Ус УА Ув Ус УА

Уг УА Ув Ус УА Ув Ус

Уъ Ув Ус Уа ув Ус УА

Таблица 2 - Соответствие между У,, У2, У у и УА, У в, Ус при л-коммута дии

Положение нуля ДПР Л л/6 л/2 5л/6 1п/6 Зя/2 11я/6

У 0 л/3 2л/3 я 4л/3 5л/3

У\ УА У» Ус УА У» Ус

Уг Ув Ус УА Ув Ус УА

Уг Ус УА Ув Ус УА Ув

Аналитические выражения УЛФ в обобщенной форме для несимметричной коммутации при соединении секций обмотки в У и в А в случае 2л/3-коммутации имеют следующий вид:

и2 = 6(5Щ даг^) V<2(\\@ У2); и 3 = У, У3 V У2У3); _ ' ¿74 = ДОСУ, К, V) V0(У2Ф У3); и 5 = 2(5С У, У, V ^ )■• _ С/6=д(5СГ3 Г,у5СУ3 ^дО'зФГ,).

в случае ^-коммутации:

'£/1 = 6(50© Г,); 172 = (Л;

и 3 = 0(50® К,); ' и4 = иЗ; 1/5 = 2(50® К,); С/6 = и 5.

V

Во втором разделе предложен метод анализа закона коммутации. Метод состоит в последовательной реализации следующих взаимосвязанных шагов:

1) определение существования всех переходов между каждыми двумя управляющими словами закона коммутации;

2) определение возможности возникновения сквозного тока при любом переходе между управляющими словами закона коммутации;

3) определение альтернативных управляющих слов, формируемых на время завершения переходных процессов в транзисторах КЭ, одновременно переключающихся в стойке ИУМ, для исключения сквозного тока;

4) представление в наглядном виде результатов анализа закона коммутации и синтеза альтернативных управляющих слов.

Приводится доказательство того, что между любыми двумя управляющими словами закона коммутации СШ и СШ существует переход, если существует последовательность простых переходов, к которой приводит последовательная смена логических переменных. Под простым переходом в работе понимается допустимый переход, к которому приводит изменение значения только одной логической переменной или изменение значений нескольких переменных, связанных функциональной зависимостью.

Поиск последовательности простых переходов осуществляется с помощью граф-схемы, иллюстрирующей закон коммутации. Ребра граф-схемы обозначаются значением вектора переменных V = [50, УА, Ув, Ус, Р. 0\, которое приводит к данному простому переходу. Ребра, соответствующие простому переходу при изменении состояния ДПР, обозначаются сплошной толстой линией; при изменении переменной £> - тонкой линей, при изменении переменной - пунктирной линией. Вершины, соответствующие управляющим словам при импульсе ШИС, обознаются сплошной линией, вершины, соответствующие управляющим словам при паузе ШИС, - пунктирной линией. На рис. 3 показана граф-схема закона поочередной коммутации.

прямое вращение обратное вращение

U - допустимое управляющее слово CW.; к - десятичное представление СIV, V,- значение вектора переменных V; / -десятичное представление вектора V Рис.З. Граф-схема закона поочередной коммутации при 2л/3-коммутации

Поиск последовательности простых переходов между управляющими словами СШ и СШ. осуществляется по следующим правилам:

1) начинать движение из вершины С1¥ 1 при прямом направлении вращения;

2) исходя из вершины, соответствующей промежуточному управляющему слову, всегда следовать по тому ребру, которое соответствует простому переходу, определяемому переменной, значение которой ранее не менялось;

3) возвращаться к предыдущему управляющему слову в том случае, если из текущего управляющего слова нет перехода, определяемого значением новой переменной, и это управляющее слово не СШ;

4) при возвращении в предыдущее управляющее слово считать, что изменение значения переменной, которое привело к переходу, по которому вернулись, не было;

5) один и тот же переход нельзя делать дважды;

6) перейти к вершине, соответствующей управляющему слову С1У\, на граф-схеме для обратного направления вращения, если снова вернулись к управляющему слову С1У1, и из этой вершины не выходит ни одного ребра, по которому не прошли при прямом направлении вращения.

Если из вершины С1У1 нет простых переходов, по которым не осуществлялось движение при поиске последовательности простых переходов, то между состоянием СШ и СШ нет перехода.

При описании метода введены понятия базового и неустойчивого состояния ИУМ. Под состоянием ИУМ понимается двоичное слово, каждый разряд которого является двоичным представлением состояния одного из КЭ. Состояние КЭ равно 1, если через транзистор КЭ может протекать ток, и равно 0, если ток не протекает. Базовое состояние ИУМ определяется управляющим словом, поступающим на ИУМ. Неустойчивое состояние ИУМ не соответствует управляющему

слову, поступающему на ИУМ, существует в течение времени протекания переходных процессов в транзисторах и переходит в новое состояние без изменения управляющего слова.

Доказано, что неустойчивое состояние ИУМ {USI) можно найти как дизъюнкцию управляющих слов, определяющих новое CWf и предыдущее CWS базовые состояния ИУМ:

USI = CWf v CWS (2)

Если при неустойчивом состоянии ИУМ может протекать сквозной ток, то выполняется условие:

v К£2, • =1, (3)

<=1

где КЕк - состояние к-то КЭ; п - количество стоек ИУМ. В этом случае по формуле r = (где w, равно 1, если А'£2М-А'£2, = 1, и рано 0 в противном случае)

¡=1

определяется количество стоек г, через которые возможно протекание сквозного тока.

Избежать появления сквозного тока можно, создав на время завершения переходных процессов в транзисторе альтернативного состояния ИУМ, при котором открыты только те КЭ, которые открыты как в предыдущем, так и в новом базовом состоянии. Доказано, что альтернативное управляющее слово, определяющее альтернативное состояние ИУМ, можно найти как конъюнкцию управляющих слов, определяющих новое CWf и предыдущее СIV, базовые состояния ИУМ:

CWa=CWsACWf (4)

Результаты анализа закона коммутации и синтеза альтернативных управляющих слов можно представить в виде таблицы «анализа и синтеза» (рис. 4).

Строки и столбцы таблицы «анализа и синтеза» обозначаются управляющими словами, используемыми в законе коммутации:{д0, ах, ... ак, а0, аК, ...

и {60, Ьи ... b,, F0 Д,... Ь,}, где а, - управляющие слова, при паузе ШИС, расположенные в порядке возрастания их номера и не инверсные между собой (i = 1Д , где к - количество управляющих слов при паузе ШИС, не имеющих между собой инверсных); <з~ - управляющие слова инверсные а,; - управляющие слова при импульсе ШИС, расположенные в порядке возрастания их номера и не инверсные между собой (j = Tj, где / - количество управляющих слов при импульсе ШИС, не имеющих между собой инверсных), bj - управляющие слова инверсные управляющим словам bj. Столбцы и строки обозначаются последовательно я0, а{,...ак, Ь0, 6,,... bi и далее b,, ,... b0 ,ак, ,... а0 .

Под инверсным управляющим словом понимается управляющее слово, в котором инвертируются управляющие слоги, имеющие в исходном управляющем слове значение одной из УЛ Ф равное единице, а другой - равное нулю.

Если существует переход между двумя управляющими словами, то в клетку таблицы, обозначенную этими управляющими словами и лежащую выше главной диагонали, вносится неустойчивое состояние ИУМ. В том случае если переход

) а1-а^Ь0 Ь{ ■ Ь,

(

инверсная зона Ь,- Ь, /)(,'а,-..а, а„

опасный, то в клетку, лежащую ниже главной диагонали, вносится альтернативное управляющее слово.

В таблице «анализа и синтеза» выделяются области, в которых имеют место состояния ИУМ и альтернативные управляющие слова только при импульсе ШИС (толстая непрерывная линия) или только при паузе ШИС (толстая пунктирная линия). Клетки таблицы «анализа и синтеза», обозначенные управляющими словами, переход между которыми происходит при изменении только состояния ДПР или только одной из переменных <2 и обозначаются затемненными клетками. При этом наименее затемненные соответствуют неустойчивому состоянию ИУМ при изменении состояния ДПР, наиболее затемненные - неустойчивому состоянию ИУМ при изменении переменной БС.

• н --Л • ... 1

; ! { ;

; ! : ;

; :

и.|

• 1 ;

• ; Г": 1

! < ш

Рис. 4. Таблица «анализа и синтеза»

В третьем разделе для 2л/3 и к-коммутации с помощью разработанного метода проведен анализ симметричной, несимметричной, поочередной и диагональной коммутации и синтез альтернативных управляющих слов. Для соединения секций обмотки в У и в Д результаты анализа законов коммутации и синтеза альтернативных состояний совпали. На рис. 5 показаны таблицы «анализа и синтеза» для несимметричной и поочередной коммутации при 2л/3-коммутации для соединения секций обмотки в У и в Д.

',„ >,, '„-, I к 1„

10 8,о г* 'Ш а 8» Г* г.1.

8» 8и е» 'я 8,. к,

3 г1 г.,

6 г'о «и £

18 А V г,. 8г. Г,'.

гя г... г,1.

34 г'

К % ¡¿ш /0 г., г,-

9 и 'о Г0 8,

Г, 1» %

Г, ■■ а о-. Ял — 8а Г.' К 8„ 1 1

<7 О Г /V. У ■ 1

8Л 1 г.. 4

1, 8а '¿И г1

г,. г* гМ К "я 8а

г А« 1 г.. гв п 8:>

г. н.*» 'к й '»

г. О О!) г,, * Гц

я« *

'¡8 Л, г* 8»

г. 1, | £ У

Г, 1 о 1

Рис. 5. Таблица «анализа и синтеза» несимметричной (а) и поочередной (б) коммутации для случая 2я/3-коммутации

В таблице «анализа и синтеза» состояния ИУМ, при которых сквозной ток не протекает, обозначены как а состояния, при которых сквозной ток протекает - г*. Нижний индекс / соответствует состоянию ИУМ <КЕб КЕ5 КЕ4 /С£3 КЕ2 КЕ\>, представленному в десятичной форме, а верхний индекс к - количеству стоек, через которые может протекать сквозной ток.

В том случае, если таблица «анализа и синтеза» имеет симметричные прямую и инверсную зоны, то КЭ при законе коммутации, для которого построена таблица, загружены по току равномерно.

При анализе законов коммутации показано, что при 2л/3 и л-коммутации транзисторы КЭ загружены равномерно по току на периоде напряжения при поочередной, симметричной и диагональной коммутациях. Показано, что для 2л/3 и л-коммутации при симметричной, несимметричной и диагональной коммутации существуют переходы между каждыми двумя управляющими словами закона коммутации. При поочередной коммутации нет перехода между управляющими словами, создаваемыми поочередно в паузе ШИС.

Для рассматриваемых законов коммутации при 2л/3 и л-коммутации в табл. 3 приведено количество стоек ИУМ, через которые может протекать сквозной ток, в зависимости от условия возникновения перехода.

ТаблицаЗ - Количество стоек ИУМ, через которые протекает сквозной ток

Условие возникновения перехода 0 Ж? (0=1 50 (0=0) состояние ДПР (0=1) состояние ДПР (6=0) и состояние ДПР (0=1) и состояние ДПР (0=0) 5Си О состояние ДПРи 0 о, да и состояние ДПР

Закон коммутации 27г/3-комутация

Симметричный 2 2 2 0 0 1 1 0 1 0

Несимметричный 1 2 0 0 0 1 0 1 1 0

Несимметричный (второй вариант)' 1 2 0 0 0 1 0 1 1 1

Поочередный 1 2 0 0 0 1 0 1 1 0

Поочередный (второй вариант) 1 2 0 0 0 1 0 1 1 1

Диагональный 0 2 0 0 0 1 0 0 0 0

К- коммутация

Симметричный 3 3 3 1 I 2 2 0 2 1

Несимметричный 2/12 3 0 1 0 2 0 2/1 2/1 2/1

Поочередный 2/1 3 0 1 0 2 0 2/1 2/1 2/1

Диагональный 0 3 0 I 0 2 0 0 0 0

1 При 27:/3-коммутации рассматривается два варианта несимметричной и поочередной коммутации: в первом варианте в паузе ШИС открыты два КЭ, во втором варианте - три. 2 Дробь 2/1 обозначает, что за один оборот ротора в электрических радианах ток может протекать или через две стойки, или через одну стойку ИУМ в зависимости от межкоммутационного интервала.

В четвертом разделе представлена структура УЛА (рис. 6), включающая следующие элементы: БЗКУ - блок записи кода управления КУ; БЗСДПР - блок записи сигналов Д1, Д2 и ДЗ (У[, У2, Уз) с ДПР; БЗСРВ - блок записи сигнала разрешения вращения РВ; ГТИ - генератор тактовых импульсов ТИ; ГИ - внешний генератор импульсов Т; БВЗМ - блок выделения знака (ЗНАК) и модуля кода управления,

БФШИС - блок формирования ШИС (0; БФППК - блок формирования переменной ППК (Р), с помощью которой реализуется поочередная коммутация; БЗЧТИ -блок задания значения частоты ТИ; БФУЛФ - блок формирования управляющих логических функций УЛФ1...УЛФ6 (1/\...и6); БФВЗ - блок формирования временной задержки («мертвого времени» МВ) между включением и выключением КЭ стойки ИУМ, на выходе которого формируются сигналы, поступающие на управляющие входы КЭ У1...У6; БЗДМВ - блок задания длительности временной задержки между переключением КЭ стойки ИУМ.

У2 УЗ У4 У5 У6

Рис. 6. Структурная схема управляющего логического автомата мехатронного модуля на основе трехфазного БДПТ

На входы УЛА поступает код управления и сигналы с ДПР, в зависимости от которых на выходах УЛА формируются управляющие сигналы, поступающие на входы КЭ. В УЛА введен блок формирования временной задержки между включением и выключением КЭ стойки ИУМ. Блок реализует алгоритм определения случая возникновения сквозного тока и формирования альтернативного состояния ИУМ на время завершения переходных процессов в транзисторах КЭ, основанный на выражениях (2)-(4) метода анализа закона коммутации и синтеза альтернативных состояний.

На языке УНЭЬ разработана библиотека моделей функциональных блоков УЛА, которая была использована при проектировании УЛА мехатронного модуля на основе трехфазного БДПТ при соединении секций в У и в А.

В пятом разделе приведена разработанная с использованием пакета блочного моделирования Ма(:ЬаЬ-81т1тк и расширения 81тРошег8у51еш5 компьютерная модель мехатронного модуля на основе трехфазного БДПТ. Компьютерная модель мехатронного модуля (рис. 7) состоит из компьютерной модели УЛА, трехфазного СД, ИУМ, ДПР, модели источника постоянного напряжения, формирователя задания (кода управления), а также блока измерений.

Для моделирования процессов, протекающих в БДПТ при соединении секций обмотки в Д, из элементов библиотеки 81тРошег8уз1ешз были сформированы компьютерные модели секций обмотки двигателя при их замкнутом соединении.

Источник постоянною

ДПР

Рис. 7. Компьютерная модель мехатронного модуля на основе БДПТ

Компьютерная модель УЛА построена на основе полученных обобщенных аналитических выражений УЛФ.

Компьютерная модель ДПР построена на основе разработанной математической модели сигналов ДПР (1) и позволяет проводить компьютерное моделирование ММ на основе трехфазного БДПТ

■ в случае соединения секций обмотки в У и в Д при использовании одних и тех же аналитических выражений УЛФ;

■ при реализации любого из шести вариантов УЛФ для закона симметричной, несимметричной, поочередной и диагональной коммутации;

• при смещении как всей системы чувствительных элементов ДПР (опережающая или отстающая коммутация), так и смещении каждого элемента в отдельности.

Для сравнения мехатронного модуля на основе трехфазного БДПТ при соединении секций обмотки в У и при соединении секций обмотки в Д разработанная модель была модифицирована: модели секций обмотки были соединены по лучевой схеме. При этом модели УЛА и ДПР остались без изменения.

На языке МаНаЬ разработана программа, позволяющая автоматически изменять параметры моделирования, вычислять по данным, полученным в блоке измерений, средние значения скорости, момента, полезной и потребляемой мощности и к.п.д. на периоде напряжения, находить спектр гармоник напряжения и тока.

При компьютерном моделировании мехатронного модуля на основе БДПТ напряжение питания выбиралось таким, чтобы максимальное значение амплитуды первой гармоники тока, протекающего в секциях обмотки, было одинаковым при 2л/3 и я-коммутации при соединении секций в У и в Д. Такой подход позволил при моделировании мехатронного модуля не учитывать разницу потерь в стали статора, а так же разницу потерь в меди статора, связанную с изменением сопротивления секций обмотки при их нагреве, при различных углах коммутации и схемах соединения секций обмотки.

В результате моделирования были получены механические и энергетические характеристики при 2тг/3 и тг-коммутации для соединения секций обмотки в

У и в Д для симметричной, несимметричной и поочередной коммутации. При всех рассмотренных случаях механические и энергетические характеристики при соединении секций обмотки в У и в Д совпали. На рис. 8 показаны механические и энергетические характеристики в случае единичной скважности при 2л/3 (рис. 8.а) и л-коммутации (рис. 8.6) для соединения секций обмотки в У и в Д.

Рис. 8. Механические и энергетические характеристики БДПТ при 2л/3(а) и к-коммутации (б) в случае соединения секций обмотки в У и в Д

При сравнении энергетических и механических характеристик, полученных при моделировании, можно сделать следующие заключения:

-механические и энергетические характеристики при несимметричной и поочередной коммутации как при 2л/3, так и при л-коммутации, совпадают;

-максимальное значение к.п.д. при 2л/3-комутации превышает максимальное значение к.п.д. при л-коммутации: для симметричной коммутации при скважности 0,625, 0,75 и 0,875 на 11%, 17% и 20% соответственно, для несимметричной (поочередной) коммутации для скважности 0,25, 0,5 и 0,75 на 17%, 20% и 25% соответственно, при единичной скважности на 31%.

-скорость холостого хода и максимальное значение полезной мощности при 2л/3-коммутации в 1,09 раза больше, чем при л-коммутации;

-при симметричной, несимметричной и поочередной коммутации как при 2л/3, так и при л-коммутации, полезная мощность совпадает.

При моделировании были определены дополнительные потери мощности />доп, возникающие при широтно-импульсном управлении скоростью, в случае симметричной, несимметричной и поочередной коммутации при 2л/3 и л-коммутации в зависимости от отношения текущей скорости двигателя к скорости холостого хода (ц). При сравнении дополнительных потерь мощности Ртп для случаев 2л/3 и л-коммутации частота ШИС выбиралась так, чтобы количество периодов ШИС X за период напряжения было одинаковым.

Для случая соединения секций обмотки в У и в Д дополнительные потери мощности Раоп, определенные при моделировании, совпали. На рис. 9 показаны

дополнительные потери мощности при широтно-импульсном управлении скоро- | стью для несимметричной (поочередной) коммутации для 2я/3 (рис. 9.а) и я-коммутации (рис. 9.6).

(вариант два) [

а б

Рис. 9. Дополнительные потери мощности при широтно-импульсном управлении скоростью для случаев 2я/3 (а) и я-коммутации (б) при несимметричной (поочередной) коммутации при соединении секций обмотки в У и в Д

С увеличением X максимальное значение дополнительных потерь мощности 1 при я-коммутации относительно максимального значения дополнительных потерь при 2я/3-коммутации при несимметричной (поочередной) коммутации возрастает (при Х=3 превышают на 10,8%, при Х=6 превышают на 11,9%, при Х=\2 превышают на 13,9%, при Х=24 превышают на 14,5%), в случае симметричной комму- ( тации - уменьшаются (при А.=3 превышают на 5,8%, при Х=6 превышают на 3,7%, при ^=12 превышают на 1.2%, при \=24 превышают на 0,3%). Максимальное значение дополнительных потерь мощности при варианте несимметричной коммутации, при которой в паузе ШИС открыты три КЭ, больше, чем при несимметричной коммутации, при которой открыты в паузе ШИС два КЭ. Однако с увеличе- | нием "к отличие дополнительных потерь при первом и втором вариантах коммутации уменьшается: дополнительные потери при втором варианте несимметричной коммутации превышают дополнительные потери при первом варианте при А.=3 на 10,8%, при Х=6 на 3,6%, при А=12 на 1% и при 1=24 на 0,2%.

В трехфазных электрических машинах при замкнутом соединении секций обмотки гармоники тока, порядок которых кратен трем, могут образовывать контурные токи, которые приводят к потерям мощности. В этом случае условие симметрии токов в трех фазах не выполняется. '

Для исследования возможности появления потерь мощности от контурных токов было проведено моделирование, при котором были получены спектры тока при 2я/3 и я-коммутации (рис. 10).

<

¡0.2? г | 0.2 д0,2? 2 1 0.2

е 0.1? с 0.1?

5 о,1 е | 0.0? 1. , II, . п 0.1 Р 1 о.о? 3

О 10 20 30 40 50 60 '0 80 90 Номер гармоники к

0 10 20 30 40 50 60 70 30 90 Номе)) гармонии! к

Рис. 10. Спектр тока для 2тт/3 (а) и л-коммутации (б) при холостом ходе

В случае синусоидального противоЭДС получены аналитические выражения гармонического ряда тока в секции при соединении секций в А для 2я/3-коммутации:

-5т(а>Г + ф,) +

ип ^

-5т(5со( + ф5) +

и п

16

-зт(7шг + ф7) +...) + —— 51п((шг + я) + ф,)

и для л-коммутации

2л/зУ

вт(а/ + ф,)--з1п(5со/ + ф5) - — Бт(7соГ + ф7) + ...) +

5г

-8т((оа/ + иНф,)

где 11п - напряжение питания; ЕтЛ - амплитуда противоЭДС; со - скорость вращения ротора; I - время; ср* - фазовый сдвиг к - й гармоники; -к - полное сопротивление секции обмотки для к-й гармоники; к-номер гармоники.

Основываясь на результатах моделирования и аналитических выражениях гармонического ряда тока можно заключить, что при 2л/3 и л-коммутации в случае синусоидальной противоЭДС нет потерь мощности от контурных токов.

Проведено исследование случаев возникновения контурных токов при ши-ротно-импульсном управлении скоростью в случае соединения секций обмотки в Д при 2я/3 и я-коммутации. Исследование проводилось в два этапа. На первом этапе исследовался гармонический состав напряжения, прикладываемого к секциям обмотки от источника постоянного напряжения, при широтно-импульсном управлении скоростью. При этом сумма формируемых напряжений трех секций равнялась нулю. В результате спектрального анализа было определено, что если на периоде напряжения укладывается количество периодов ШИС не кратное трем, то спектр напряжения содержит гармоники, порядок которых кратен трем. Ввиду того, что сумма напряжений трех секций равна нулю, то эти гармоники не могут приводить к возникновению контурных токов.

На втором этапе было проведено компьютерное моделирование мехатрон-но го модуля на основе трехфазного БДПТ для законов симметричной, несимметричной, поочередной и диагональной коммутации, в результате которого были получены фазные токи и их спектры. На рис. 11 показан ток в секции и его спектр для случая несимметричной (поочередной) коммутации при 7г-коммутации.

0,8 :

5 0,4

Я-0,4

-0,8

Л

<

Е

о

Си

5 0.2

ч

е

§ 0.1

< ¡11 II!

1 2 3 4 5 Угол поворота ротора, эл. радианы

20 30 40 50 60 70 Номер гармоники к

б

Рис.11. Ток в секции обмотки АВ (а) и его спектр (б) При этом сумма гармоник, порядок которых кратен трем, в трех секциях обмотки равна нулю (табл. 5).

№ гармоники фаза АВ фаза ВС фазаСА

at Ьк at ьк Ск ьк

3 -0,0171 0,0051 0,0134 0.0113 0,0037 -0,0164

6 -0,0029 0,0018 0,0312 0,0445 -0,0283 -0.0463

9 0,0261 -0,0264 0,0215 0,0449 -0,0475 -0,0185

12 -0,0799 0,1224 0,0562 -0,0536 0,0237 -0,0688

15 0,0097 -0,0227 -0,0429 -0,0078 0,0331 0,0304

Таким образом, широтно-импульсное управление скоростью при 2я/3 и л-коммутации при синусоидальной противоЭДС в случае соединения секций обмотки в А не приводит к потерям мощности от контурных токов.

Шестой раздел посвящен экспериментальному исследованию мехатронного модуля. В нем описан разработанный мехатронный модуль на основе трехфазного БДПТ при соединении секций обмотки в А, и приведены результаты экспериментальных исследований. Внешний вид экспериментального стенда показан на рис. 12. На рис. 13 показана разработанная плата управления мехатронного модуля, состоящая из устройства управления, объединяющего УЛА (позиция 1, рис. 13), реализованный с помощью ПЛИС, и драйверов транзисторов (позиция 2, рис.13) и ИУМ, построенного на транзисторах Mosfet (позиция 3, рис. 13).

Описано разработанное в среде Builder С++ прикладное программное обеспечение, используемое для формирования кода управления.

В работе приведены эпюры напряжений и токов в секциях обмотки БДПТ при их соединении в А для случая 2тт/3 и тг-коммутации при симметричной, несимметричной, поочередной и диагональной коммутации.

Устройство управления 11 ИУМ 1

Рис. 12. Экспериментальный Рис. 13. Плата управления мехатронного мо-стенд дуля

На рис. 14 показаны напряжение и ток при соединении секций обмотки в А при 2я/3 (рис. 14,а) и л-коммутации (рис. 14.6) для несимметричной коммутации.

Рис. 14. Напряжение и ток секции обмотки при соединении секций в А для случая 2л/3 (а) и л-коммутации (б) при несимметричной коммутации

Для шести различных вариантов УЛФ симметричного, несимметричного, поочередного и диагонального законов коммутации при 2л/3 и л-коммутации для случая соединения секций обмотки в У и в А экспериментально получены осциллограммы напряжений на секциях обмотки и сигналов с ДПР. Полученные результаты подтверждают вывод об эквивалентности шести вариантов УЛФ и возможности их применения как при соединении секций в А, так и в У.

При моделировании рассматриваемого мехатронного модуля, гармоническом анализе токов и сравнительном анализе потребляемой и полезной мощностей было сделано предположение о синусоидальности противоЭДС. Экспериментально была исследована противоЭДС двигателя ДБМ40-0,01-5-3, параметры которого были использованы в компьютерной модели мехатронного модуля. В результате спектрального анализа противоЭДС было получено, что амплитуда третьей и пятой гармоник в 54 и в 225 раз меньше амплитуды первой гармоники.

Полученные соотношения амплитуд гармоник позволили утверждать, что предположение о синусоидальности противоЭДС справедливо.

В заключении приводятся основные результаты и выводы диссертационной работы.

В приложении А приведены элементы множества располагаемых управляющих слов при соединении секций обмотки в У и в Д.

В приложении Б приведены шесть вариантов управляющих логических функций в зависимости от расположения нуля ДПР при симметричной, несимметричной, поочередной и диагональной коммутации при 2тг/3 и тс-коммутации

В приложении В представлен листинг программы на языке МаНаЬ, позволяющей автоматизировать процесс выбора параметров моделирования и расчет средних значений скорости, момента, полезной и потребляемой мощности, к.п.д., а также определять коэффициенты ряда Фурье тока и напряжения.

В приложении Г приведены эпюры фазных напряжений и токов, полученные при моделировании.

В приложении Д приведен гармонический состав напряжений, прикладываемых к секциям обмотки от источника постоянного напряжения.

В приложении Е приведены результаты экспериментального исследования шести вариантов УЛФ.

В приложении Ж приведены акты о внедрении результатов диссертационной работы на предприятии и в учебный процесс кафедры «Системы приводов авиационно-космической техники».

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Сформирована совокупность условий управления мехатронным модулем на основе трехфазного БДПТ при соединении секций обмотки в Д. Получена математическая модель сигналов ДПР, позволяющая описать с единой методологической позиции условия управления мехатронного модуля на основе трехфазного БДПТ при соединении секций обмотки в У и в Д.

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

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

4 Разработан управляющий логический автомат мехатронного модуля, позволяющий управлять БДПТ при соединении секций обмотки в А в случае реализации законов управления процессом коммутации КЭ. На языке УНБЬ разработана библиотека моделей функциональных элементов управляющего логического автомата, позволяющая реализовать управляющий логический автомат на базе программируемой логической интегральной схемы.

5 Проведен анализ влияния схемы соединения секций обмотки, выбора угла коммутации и законов управления процессом коммутации на механические и энергетические характеристики мехатронного модуля и определены дополнительные потери мощности, возникающие при широтно-импульсном управлении скоростью. Для проведения анализа была разработана компьютерная модель мехатронного модуля на основе трехфазного БДПТ как при соединении секций обмотки в Д, так и при соединении секций в У. Компьютерная модель УЛА построена на основе полученных обобщенных аналитических выражений УЛФ. Компьютерная модель ДПР построена на основе разработанной математической модели сигналов ДПР.

В результате анализа было показано, что при приведении напряжения питания к базовому механические и энергетические характеристики при соединении секций обмотки в А и в У совпадают, также совпадают и дополнительные потери мощности. Скорость холостого хода и максимальное полезная мощность при 27г/3-коммутации на 9% больше, чем при л-ком мутации. При 2л/3-коммутации максимальное значение к.п.д. выше, чем при я-коммутации, в случае единичной скважности - превышает на 31%.

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

7 Разработан мехатронный модуль и проведены его экспериментальные исследования. В результате исследований подтверждены полученные теоретические положения и результаты компьютерного моделирования.

8 Проведен комплексный сравнительный анализ соединения секций обмотки в А и в У, углов коммутации и законов коммутации по критериям наименьшего количества случаев протекания сквозного тока, равномерной загрузки КЭ по току, линейности механической и регулировочной характеристик, а также эффективно-

го использования входной мощности. По выбранным критериям более предпочтительным является закон поочередной коммутации в случае 27г/3-коммутации. При напряжении питания, выбранном таким образом, чтобы момент, развиваемый двигателем при нулевой скорости, был равен моменту при 2л/3-коммутации в случае соединения секций обмотки в Y, соединение секций обмотки в Y и в А по выбранным критериям эквивалентно.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Довгиленко C.B., Попов Б.Н. Широтно-импульсное управление бесконтактным двигателем постоянного тока при соединении обмоток в треугольник// Известия ТулГУ. Серия Вычислительная техника. Информационные технологии. Вып. №3. Системы управления. Том 1. - Тула: Изд.ТулГу, 2006.

2 Довгиленко C.B., Попов Б.Н. Управляющие логические функции при соединении обмоток бесконтактного двигателя постоянного тока в «звезду» и «треугольник»// «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации»: сборник трудов XVI международного научно-технического семинара. Алушта, 2007.

3 Довгиленко C.B., Попов Б.Н. Математическая модель датчика положения ротора трехфазного бесконтактного двигателя постоянного тока // «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации»: сборник трудов XVII международного научно-технического семинара. Алушта, 2008.

4 Довгиленко C.B., Попов Б.Н. Модифицированный закон несимметричной коммутации в системе «импульсный усилитель мощности - трехфазный бесконтактный двигатель постоянного тока» // Авиакосмическое приборостроение, №7/ 2009.

5 Довгиленко C.B., Попов Б.Н. Алгоритм анализа законов коммутации. // «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации»: сборник трудов XVIII международного научно-технического семинара. Алушта, 2009.

6 Довгиленко C.B. Анализ влияния выбора угла коммутации на дополнительные потери мощности из-за контурных токов//«Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации»: сборник трудов XVIII международного научно-технического семинара. Алушта, 2009.

7 Довгиленко C.B. Метод анализа законов коммутации ключевых элементов импульсного усилителя мощности бесконтактного двигателя постоянного тока// Авиакосмическое приборостроение, №9/2010.

8 Довгиленко C.B. Исключение сквозного тока в импульсном усилителе мощности мехатронных модулей приводов динамических моделирующих стен-дов//Сборник аннотаций докладов. Юбилейная Всероссийская научно-техническая конференция «Моделирование авиационных систем». Москва, 2011.

Список используемых сокращений.

Введение.

1 Описание управления ключевыми элементами импульсного усилителя мощности бесконтактного двигателя постоянного тока.

1.1 Множество допустимых управляющих слов, используемых при управлении БДПТ при соединении секций обмотки в У и А.

1.2 Управление ключевыми элементами импульсного усилителя мощности при 2тг/3 и 71-коммутациях.

1.3 Совокупность условий управления БДПТ. Система логических переменных.

1.4 Законы управления процессом коммутации ключевых элементов импульсного усилителя мощности при соединении секций обмотки бесконтактного двигателя постоянного тока по схеме в У и в А.

1.5 Управляющие логические функции при 2тг/3 и ^-коммутации в случае соединения секций обмотки вУ ивА

1.6 Выводы по разделу 1.

2 Метод анализа законов управления процессом коммутации ключевых элементов импульсного усилителя мощности.

2.1 Определение наличия перехода между любыми двумя управляющими словами закона коммутации.

2.2 Алгоритм определения случаев возникновения сквозных токов и синтеза управляющих слов, позволяющих их избежать.

2.3 Наглядное представление результатов в виде таблицы анализа закона коммутации и синтеза альтернативных управляющих слов.

2.4 Выводы по разделу 2.

3 Применение метода анализа законов коммутации КЭ ИУМ и синтеза альтернативных управляющих слов к законам коммутации в случае

2тг/3 и 7Г-коммутаций при соединении секций обмотки БДПТ в У и в А

3.1 Анализ законов управления процессом коммутации КЭ при

2тг/3 - коммутации.

3.2 Анализ законов управления процессом коммутации КЭ при я-коммутации.

3.3 Выводы по разделу 3.

4 Управляющий логический автомат мехатронного модуля на основе трехфазного БДПТ.

4.1 Формирование тактового импульса и ШИС.

4.2 Запись кода управления и сигналов с датчика положения ротора. Выделение модуля кода управления и знака.

4.3 Формирование переменной ППК, позволяющей реализовать закон поочередной коммутации.

4.4 Формирование управляющих логических функций.

4.5 Формирование сигналов, поступающих на управляющие входы ключевых элементов импульсного усилителя мощности.

4.6 Выводы по разделу 4.

5 Компьютерное моделирование мехатронного модуля на основе трехфазного бесконтактного двигателя постоянного тока.

5.1 Описание компьютерной модели мехатронного модуля на основе трехфазного БДПТ.

5.2 Выбор напряжения питания при моделировании мехатронного модуля на основе БДПТ при 2%!Ъ и тс-коммутации для случаев соединения секций обмотки по схеме по схеме У и по схеме А

5.3 Эпюры напряжений токов, сигналов с ДПР и УЛФ при, 2%/Ъ и тс-коммутации при соединении секций обмотки по схеме У и по схеме А . Гармонический анализ тока. ЮО

5.4 Сравнительный анализ результатов моделирования мехатронного модуля на основе БДПТ при 2п/3 и ^-коммутации при соединении секций обмотки по схеме У и по схеме А

5.5 Эпюры напряжений, токов, сигналов с ДПР, переменных 0 и Р, УЛФ при 27г/3 и тг-коммутации при соединении секций обмотки по схеме У и по схеме А.

5.6 Гармонический анализ токов в случае соединения секций обмотки по схеме А.

5.7 Сравнительный анализ результатов моделирования мехатронного модуля на основе БДПТ при 27г/3 и я-коммутации при соединении секций обмотки по схеме Y и по схеме А в случае широтно-импульсного управления скоростью.

5.8 Дополнительные потери мощности при широтно-импульсном управлении скоростью при соединении секций обмотки по схеме Y и по схеме А.

5.9 Выводы по разделу 5.

6 Экспериментальное исследование мехатронного модуля на основе трехфазного бесконтактного двигателя постоянного тока.

6.1 Устройство управления и импульсный усилитель мощности разработанного мехатронного модуля.

6.2 Экспериментальный стенд.

6.3 Экспериментальное исследование противоЭДС.

6.4 Экспериментальное исследование напряжения и тока БДПТ, разработанного мехатронного модуля.

6.5 Экспериментальное исследование напряжений на секциях обмотки БДПТ при шести вариантах управляющих логических функций.

6.6 Выводы по разделу 6.

В последнее время мехатронные модули (ММ) на основе бесконтактных двигателей постоянного тока (БДГТГ) стали серьезными конкурентами коллекторных двигателей постоянного тока (ДПТ). Доля их применения в электротехнических комплексах, там, где раньше применялись ДПТ, неуклонно растет. Мехатронные модули на основе трехфазных БДПТ занимают прочное положение в производственных программах ведущих зарубежных компаний, таких как «Siemens», «К.Е.В.», «Control Techniques» и т.д. К сожалению, в России не производится подобных мехатронных модулей в масштаV бах способных покрыть все возрастающий спрос, что обуславливает технологическую зависимость от зарубежного производителя.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Очередным этапом в развитии БДПТ можно считать вторую половину

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ЦУМ кв 1

СМВ

7Т мехатронныи модуль

КУ\

УЛА сиг ИУМ Чес . СД, МП

Чел % ф® Ул, У*. Ус

ДПР:

Ф»

АЦП

ЦУМ - цифровая управляющая машина; СМВ — специализированный микропроцессорный; • ".' вычислитель; УЛА - управляющий логический автомат; ИУМ:- импульсный усилитель: мощности; СД - синхронный» двигатель с магнитоэлектрическим возбуждением; -МП — механическая передача; ДПР - датчик положения ротора; АЦП - аналого-цифровой; преобразователь;' Кь — входной код; -Кос — код обратной связи; А"У — код управления;. ' СГГ - управляющее слово;; УА, Ув, 1с - сигналы, поступающие с ДПР; им, Иве, "ел - напряжения, прикладываемые к обмоткам двигателя; ш^, - скорость вращения; ' , вала двигателя; фя, — угол поворота вала двигателя; ср„->тол поворота выходного вала МП

Рис. 0.1. Блок-схема цифрового следящего привода

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

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

Ку*

УЛА

7\

-|У1

У2 УЗ У4 У5

У6

-КЭ1

КЭ1

Г Ъ кэз

ИУМ 1 КЭ5

•КЭ6 ип

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

СД

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

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

КЭ1.КЭ6 - ключевые элементы ИУМ

Рис. 0.2. Мехатронный модуль на основе трехфазного БДПТ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

6.6 Выводы по разделу 6

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

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

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

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

138

Заключение

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

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

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

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

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

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

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

7 Разработан мехатронный модуль и проведены его экспериментальные исследования. В- результате исследований подтверждены полученные теоретические положения и результаты- компьютерного моделирования: Устройство управления: мехатронного модуля нашло применение в устройстве: доворота рупора пространственного динамического координатора ГЩК-2-10 (Патент на полезную модель №89900, 2009 г.)

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

1. Завалишин Д.А. Новые схемы вентильных двигателей/ Д.А. Завалишин, О.Г. Вегнер // Электричество. 1936. - №3.

2. Губанов М.Н. Работа и регулирование скорости вентильного двигателя/ М.Н. Губанов // Электричество. 1933.-№12.

3. Тихменев Б.Н. Новые схемы вентильного двигателя / Б.Н. Тихменев //Электричество,- 1935—№12.

4. История электротехники / В.А. Альтов и др.; ред. Глебов И.А. — М.: Издательство МЭИ, 1999.

5. Копылов И.П. Космическая электромеханика / И.П. Копылов. -М.: Издательство МЭИ, 1998 80с.

6. Овчинников И.Е. Бесконтактные двигатели постоянного тока автоматических устройств / И.Е. Овчинников, Н.И. Лебедев.— Л.: Наука, 1966

7. Овчинников И.Е. Бесконтактные двигатели постоянного тока / И.Е. Овчинников, Н.И. Лебедев-Л.: Наука, 1979.

8. Дубенкский A.A. Бесконтактные двигатели постоянного тока / A.A. Дубенкский- М.: Энергия, 1967.

9. Конев Ю.И. Проектирование силовых преобразователей бесконтактных двигателей постоянного тока: учебное пособие/ Ю.И.Конев, Ю.Н. Розно, Я.Г. Владимиров. -М.: МАИ, 1987.

10. Вевюрко И.А. Двигатель постоянного тока без скользящих контактов / И.А. Вевюрко, Ю.В. Разумовский, А.И. Селивахин // Вестник электропромышленности. -1962. — №3

11. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины / Д.А. Бут. М.: Высшая школа, 1985.

12. Микеров А.Г. Управляемые вентильные двигатели малой мощности / А.Г. Микеров. Спб.: ТЭТУ, 1997. - 64 с.

13. Беленький Ю.М. Опыт разработки и применения бесконтактных мо-ментных приводов / Ю.М. Беленький, Г.С. Зелеков, А.Г. Микеров.-Л.:ЛДНТП, 1987.-28 с

14. Управляемые бесконтактные двигатели постоянного тока/ Н.П. Адво-лоткин, В.Т. Геращенко, Н.И. Лебедев и др. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1984. - 160 с.

15. Конев Ю.И. Транзисторные импульсные устройства управления электродвигателями и электромагнитными механизмами / Ю.И. Конев. — М.: Энергия, 1964.

16. Автоматизированные приводы постоянного тока с широтно-импульсными преобразователями / М.Е. Гольц, А.Б. Гудзенко, В.М. Остреров, Л.А. Шпиглер.-М.: Энергия, 1972.

17. Электропривод летательных аппаратов: учебник для авиационных вузов / В.А. Полковников, Б.И. Петров Б.Н. Попов и др.; под общ. Ред. В.А. Полковникова. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1990.

18. Машуков Е.В. Уменьшение динамических потерь в транзисторах импульсных усилителях мощности. // Сб. «Электронная техника в автоматике» /Под. Ред Ю.И. Конева. М.: Радио и связь, 1981. - Вып. 12

19. Ногин В.Н. Аналоговые электронные устройства: учебное пособие для ВУЗов / В.Н. Ногин.-М.:Радио и связь, 1992 304с

20. Полковников В.А. Защита транзисторов, работающих в режиме пере-, ключения, в выходных каскадах усилителей / В.А. Полковников, В.П. Паппе // Электронная техника в автоматике:сборник статей под ред. Ю. И. Конева. -М.: Сов. Радио. 1972. - №3.

21. Глазенко Т.А. Импульсные полупроводниковые усилители в электроприводах / Т.А. Глазенко. — М-Л.: Энергия, 1965.- 187с

22. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями /. С. Г, Герман-Галкин, В. Д. Лебедев, Б. А. Марков, Н. И. Чичерин. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние,1986. — 248с

23. Козаченко В. Микроконтроллеры для встраиваемых систем управления электроприводом. Обзор спектра элементной базы. Восьмиразрядные «Motor Control» / В. Козаченко Т. Ремизевич // Электронные компаненты. 2002. -№7. - С.83-88.

24. Ремизевич Т. Столпник Д. Периферийные модули микроконтроллеровсемейства DSP56800/800E. аирмы Motorola / Т. Ремизевич Д. Столпник // Электронные компоненты. 2003. -№8. - С.83-89.

25. Козаченко В.Ф. Новые возможности семейства специализированных микроконтроллеров TMS320F2833x/В.Ф. Козаченко // Новости электроники. -2008.-№14.

26. Алексеев К.Б. Микроконтроллерное управление электроприводом: учебное пособие / К.Б. Алексеев, К.А. Палагута. М.:МГИУ, 2008. - 298 с.

27. Попов Б.Н. Анализ и синтез законов управления системой «Импульсный усилитель мощности — электродвигатель» / Б.Н. Попов // Известия РАН. Теория и системы управления. 1996. -№3. - С.94-102.

28. Попов Б.Н. Микропроцессорное управление синхронными трехфазныг ми двигателями/ Б.Н. Попов //Электротехника. — 1993. — №1. -С.32-37.

29. Попов Б.Н: Однокристальный микроконтроллер электродвигателей/ Б.Н. Попов //Электротехника. 1994. - №7.

30. Попов Б.Н. Методы проектирования микропроцессорных устройств управления мехатронными модулями систем' приводов: дис, . докт. техн. наук.:05.02Ю2 /Попов Борис Николаевич -М., 2001

31. Козаченко В.Ф. Создание; серии высокопроизводительных встраевые-мых микроконтроллерных систем управления для современного комплектного электропривод: автореф. дисд-ра техн. наук: 05.09.03/ Владимир Филиппович Козаченко; МЭИ М., 2007.

32. Козаченко В.Ф. Основные тенденции развития встроенных систем управления! двигателями и требования к микроконтроллерам / В.Ф. Козаченко// Chip News.-1999; №1.

33. Рывкин С.Е. Широтно-импульсная модуляция напряжения трехфазных автономных инверторов/ С.Е. Рыбкин, Д.Б. Изосимов //Электричество. -1997. -№6;- С.33-39

34. Полковников В.А. Электропривод летательных аппаратов: учебное пособие для авиационных вузов / В.А. Полковников, Б.И Петров, С.Е. Рыбкин.- М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2009. 304с

35. Кривилев А. В. Цифровая система управления мехатронного модуля с трехфазным бесконтактным двигателем постоянного тока, автореф; дис. .канд. техн. наук: 05.09.03 / Александр Владимирович Кривилев; МАИ — М., 2002. 24 с.

36. Овчинников И.Е. Вентильные электрические двигатели и привод на их основе / И.Е. Овчинников. СПб.: КОРОНА-Век, 2007. - 336 с.

37. Копылов И.П. Электрические машины: учеб. для ВУЗов / И.П. Копылов. М: Высшая шк., 2002. - 607 с.

38. Беленький Ю.М. Выбор и программирование параметров бесконтактного моментного привода / Ю.М. Беленький, А.Г. Микеров— JL: ЛДНТП, 1990.-24 с

39. Глазенко Т.А. Полупроводниковые преобразователи частоты в электроприводах / Т.А. Глазенко, Р.Б. Гончаренко. Л.: Энергия, 1969.

40. Кенио Т. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами / Т. Кенио, С. Нагомори. М.: Энергоатомиздат, — 1989.

41. Пархоменко Г.А. Токи в бесщеточном микродвигателе постоянно тока / Г.А. Пархоменко // Электродинамические силы, потери и параметры электротехнических машин: республиканский межведомственный сборник «Проблемы технической электроники». — Киев, 1966

42. Левина О.Г. Поле статора трехфазного БДПТ с биполярной коммутацией/ О.Г. Левина, Г.А. Пархоменко //Электротехнические комплексы и системы управления. 2006. - №1. - С.83-84.

43. Вевюрко И.А. Некоторые вопросы теории бесконтактных микродвигателей с замкнутыми обмотками/ И.А. Вевюрко // Двигатели постоянного тока с полупроводниковыми коммутаторами: сборник трудов под ред. И.Е. Ов-чинникова.-Л.: Наука, 1972.

44. Воронин С.Г. Управление коммутацией вентильного двигателя по сигналам ЭДС вращения / С.Г. Воронин // Электричество. 2000. —№ 9.-С.53-59.

45. Крюков В. Микроконтроллер 1867ВЦ5Т с 16-разрядным процессором ЦОС и флеш-памятыо для систем цифрового управления электродвигателями / В. Крюков, В. Горохов, Н. Данильченко //Современная электроника. -2008. №2 - С.16-19.

46. Середкин В. П. Принципы формирования силовой части следящих систем динамических моделирующих стендов / В. П. Середкин // Авиационные системы в XXI веке: Сборник докладов. Том 2. Москва, апрель 2006. — С.438-443

47. Пат. 2081497 Российская федерация. Вентильный двигатель для привода механизмов бытовой и медицинской техники/ Куликов Н.И. № 5058133/07; заявл. 07.08.92; опубл. 10.06.97.

48. Энциклопедия ремонта. Выпуск 12: Микросхемы для управления электродвигателями. -М.: Докеда, 1999. 288 с.

49. Энциклопедия ремонта. Выпуск 14: Микросхемы для управления электродвигателями. М.: Докеда, 2000. - 288 с.

50. Довгиленко C.B. Алгоритм анализа законов коммутации /C.B. Довги-ленко, Б.Н. Попов // Сборник трудов XVIII международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации». Алушта, 2009.

51. Попов Б.Н. Цифровые устройства систем приводов летательных аппаратов / Б.Н. Попов. М.: МАИ-ПРИНТ, 2008. -124с.

52. Глазенко Т.А. Электромагнитные процессы в инверторах на полностью управляемых вентилях / Т.А. Глазенко, В.Л. Грузов, Г.И. Новикова.- Л.: Изд-во «Наука» Ленингр. отд., 1970. 88 с.

53. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводникоiвых систем в Matlab 6.0: учебное пособие / С.Г. Герман-Галкин. — Спбю: КОРОНА принт, 2001. 320 с.

54. Эпштейн И.И. Автоматизированный электропривод переменного тока / И.И. Эпштейн. -М.: Энергоиздат, 1982. 192 с.

55. Волков Н.И., Миловзоров В.П. Электромашинные устройства автоматики. 2-е изд., перераб. И доп.М.:Высш.шк., 1986.-335с

56. Толмачев В.И. Силовые системы управления параппотированными объектами: учеб. пособие/ В.И. Толмачев, А.Н. Геращенко, В.В. Глазунов, Б.Н.Попов. М.: МАИ, 1995. - 168 с.

57. Довгиленко C.B. Модифицированный закон несимметричной коммутации в системе импульсный усилитель мощности — бесконтактный двигатель постоянного тока» / C.B. Довгиленко, Б.Н. Попов // Авиакосмическое приборостроение. 2009 - №7. - С. 18-27.

58. Нгуен Куанг Чунг Разработка и исследование алгоритмов упарвления системой «импульсный усилитель мощности -асинхронный трехфазный двигатель»: дис, . канд. техн. наук.:05.09.03 / Нгуен Куанг Чунг М., 2006.

59. Зечихин Б.С. Традиционные и компьютерные методы проектирования бесконтактных синхронных машин/ Б.С. Зечихин, А.Д. Куприянов, Е.В. Сы-роежкин // Электричество 2002 - № 5 — С.61-71.

60. Семисалов В. В. Разработка математической модели для исследования динамических режимов работы шагового электропривода с трехфазным инвертором напряжения, автореф. дис. . канд. техн. наук: 05.09.03 / Виталий Вениаминович Семисалов; МАИ.- М., 2005. 24 с.

61. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink/И.В. Черных. Спб.: Питер, 2008.

62. Герман-Галкин С.Г. Проектирование мехатронных систем на ПК / С.Г. Герман-Галкин. СПб.: КОРОНА-Век, 2008. - 368с.

63. Криви лев A.B. Автоматизированный метод синтеза управляющих булевых функций мехатронного модуля привода с двигателем постоянного тока/ A.B. Кривилев В.Г. Стеблецов //Вестник московского авиационного института. 2009.- №4 (т. 16).- С.62 - 68.

64. Кривелев A.B.Автоматизированный анализ управляющего слова мехатронного модуля привода с трехфазным вентильным двигателем / A.B. Кри-велев, A.B. Ситникова // Известия РАН. Теория и системы управления. — 2010.—№3 — С. 14-22

65. Довгиленко C.B. Метод анализа законов управления процессом коммутации ключевых элементов импульсного усилителя мощности бесконтактного двигателя постоянного тока / C.B. Довгиленко // Авиакосмическое приборостроение. 2010. - № 9. - С.3-13.

66. Бибило П.Н. Основы языка VHDL / П.Н. Бибило. М.:Либроком, 2009.-328с.

67. Грушвицкий Р.И. Проектирование систем на микросхемах с программируемой структурой/ Р.И. Грушвицкий, А.Х. Мурсаев, Е.П. Угрюмов .- 2-е изд., перераб. и доп. СПб.: БХВ-Петербург, 2006 - 736с

68. Попов Б.Н. Микропроцессорные устройства следящих ЛА: Учебное пособие / Б.Н. Попов. -М.: МАИ, 1987. 71с.

69. Постников В.А. Исследование динамических режимов шаговых и вентильных двигателей малой мощности на базе модели обобщенной синхронной машины / В.А. Постников, В.В. Семисалов // Электричество. -2002.-№ 5

70. Молчанова С.Ю. Моделирование асинхронного электропривода с адаптивным векторным управлением в CASPOC / С.Ю. Молчанова //Вестник МАИ. 2008. - №3 (Т. 15).-С.141-146.

71. Молчанова С.Ю. Исследование законов управления асинхронным электроприводом с частотным регулированием на компьютерных моделях, авто-реф. дис. . канд. техн. наук: 05.09.03 / Светлана Юрьевна Молчанова; МАИ М., 2008.-18 с.

72. Постников В.А. Формы напряжений и динамические характеристики трехфазных шаговых и вентильных электродвигателей с возбуждением от постоянных магнитов в системе трехфазный коммутатор электродвигатель

73. В.А. Постников, B.B. Семисалов // Практическая силовая электроника. — 2004.-№5.

74. Дьяконов В. Simulink. Специальный справочник/ В. Дьяконов: под ред. И. Корнеева. СПб: Питер, 2002. -528с.

75. Худяков В. Школа MatLab Урок 2. Библиотека SimPowerSystems / В. Худяков //Силовая Электроника. 2005. - №2 - С.80-88.

76. Худяков В. Школа MatLab. Урок 3. Построение SPS моделей с полупроводниковыми элементами/ В. Худяков //Силовая Электроника. - 2005. -№3-С. 103-112.

77. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока / А.И. Важнов.-JL: Энергия, 1980.

78. Ковач К.П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока / К.П. Ковач, И. Рац. M-JL: Госэнергоиздат, 1963. - 744 с.

79. Компьютерное моделирование электроэнергетических и электромеханических систем постоянного тока прикладных программ Disine Center / В.А. Постников, П.В. Бутенко, С.И. Вольский, Е.А. Ломонова; под редакцией Постникова В.А. М.: МАИ, 1998.

80. Брускин Д.Э. Электрические машины и микромашины: учеб. пособие для приборостр. специальностей вузов / Д.Э. Брускин, А.Е. Зорохович, B.C. Хвостов. — М.: Высшая школа, 1971. 432 с.

81. Основы теории цепей: учебник для вузов / Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин, A.B. Нетушил, C.B. Страхов. 5-е изд., перераб. - М. Энергоатомиздат, 1989.-528с

82. МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)1. На правах рукописи042.01 1 6 7 307 "

83. Довгиленко Сергей Владимирович

84. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАТРОННОГО МОДУЛЯ НА ОСНОВЕ ТРЕХФАЗНОГО БЕСКОНТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПРИ СОЕДИНЕНИИ СЕКЦИЙ ОБМОТКИ ПО СХЕМЕ «ТРЕУГОЛЬНИК»