Материал: Студент и наука. Драпалюк Н.А., Хахулина Н.Б

________________________________________________________Выпуск № 1 (16), 2021

Основными преимуществами мехатронных модулей с бесконтактными двигателями постоянного тока (БДПТ) являются [1]:

-отсутствие скользящих электрических контактов;

-высокая надежность;

-перегрузочная способность, то есть возможность обеспечивать кратковременно кратность максимального момента до пяти;

-быстродействие;

-высокие энергетические показатели.

Для восстановления координат обратной связи можно использовать уравнения для описания связи мехатронного модуля и электрической части двигателя, а также ротора двигателя с механической частью устройства.

Для описания электрической части двигателя необходимо учесть: Lq, Ld — индуктивности осей q и d;

R — сопротивление статора;

Iq, Id — электрические токи осей q и d;

vq, vd — разности потенциалов осей q и d; ωr — скорость ротора;

Ψ — амплитуду потокосцепления, индуцированного постоянными магнитами ротора в обмотках статора;

p — число пар полюсов;

Мэм — электромагнитный момент.

Уравнения примут вид

Мэм 1,5 p ( iq ( Ld Lq )iqid .

Уравнения механической части, выраженные в системе координат ротора (d q система координат) с учетом суммарной инерции ротора и нагрузки J, сил трения F и момента нагрузки на валу Мн будет иметь вид

При отказе от электромеханических датчиков положения ротора и скорости необходимо восстановить потерянную информацию в цепи обратной связи с помощью наблюдателя состояний. При восстановлении координат будем предполагать, что активные и индуктивные сопротивления известные величины для выбранного двигателя. Ошибка наблюдения за магнитным потоком в синхронном двигателе зависит от ошибки оценивания неизвестных параметров, а так же от точности измерения токов и напряжений.

Для создания рабочего кругового вращающегося поля добиваются его непрерывности и минимальных пульсаций [2, 3], при этом создавая в процессе управления дискретное вращающееся поле [4]. Для восстановления недостающей информации о состоянии мехатронного модуля требуется информация, полученная после аналого-цифрового преобразователя (АЦП) сигнала. Такое преобразование создает запаздывание сигнала и снижает чувствительность электромагнитного момента [5].

Особенностью построения модулей на базе БДПТ является периодичность процессов при переключении базовых векторов при формировании дискретного поля [6, 7].

41

________________________________________________________Выпуск № 1 (16), 2021

На рисунке 1 показны графики изменения расчетной выходной скорости с помощью наблюдателя состояния при изменении сигнала задания. Расчеты были проведены как с использованием детектора полного оборота, так и без него.

Рис. 1. Графики расчетной выходной скорости с помощью наблюдателя состояния

Показатели качества переходного процесса показаны в таблице:

Показатели качества переходного процесса в мехатронном модуле с БДПТ

Исследование мехатротного модуля с БДПТ проводилость с использованием пропорционально-интегрального (ПИ) регулятора скорости с различными настроечными коэффициентами. Для обеспечения переходного процесса близкого к апериодическому режиму были получены параметры настройки:

-для пропорционального регулятора Кп = 1;

-для интегрального регулятора Ки = 100.

Анализ влияния параметров настройки ПИ – регулятора показал, что в данной системе: - увеличение параметров приводит к возникновению колебательности и увеличению

перерегулирования;

42

________________________________________________________Выпуск № 1 (16), 2021

-уменьшение параметров к увеличению времени регулирования;

-время регулирования увеличивается в системе с ПИ-регулятором, по сравнению с использованием П-регулятора;

-интегральная составляющая регулятора позволяет компенсировать статическую ошибку отработки управляющих сигналов исследуемого модуля.

Анализируя график, приведенный на рисунке 1, можно отметить, что при увеличении скорости без нагрузки и в момент отключения нагрузки взникают перерегулирования в переходных характеристиках, поэтому имеет смысл комбинировать структуру регуляторов скорости для получения оптимальных переходных процессов, как под нагрузкой, так и на холостом ходу.

Библиографический список

1.Киселёва О.А. Преимущество применения бесконтактных линейных двигателей в портальных станках/ О.А. Киселёва, Т.В. Попова, Д.Е. Тамбовцев//В книге: Перспективные научные разработки (ПНР-2020). Труды II Всероссийской научнотехнической конференции. 2020. С. 13-15.

2.Винокуров С.А. Выбор критериев конструирования мехатронных модулей на базе бесконтактного двигателя постоянного тока/ С.А. Винокуров, В.Е. Букатова, О.А. Киселева//Электротехнические комплексы и системы управления. 2007. № 1. С. 15-18.

3.Киселёва О.А. Адаптивная система управления в электромеханическом комплексе с бесконтактным двигателем постоянного тока/ О.А. Киселёва, Н.И. Рубцов, Д.Д Киселёва, Н.И. Гриненко, А.П. Чалая//В сборнике: Актуальные направления фундаментальных и прикладных исследований. Материалы XXIV международной научнопрактической конференции. Morrisville, 2020. С. 153-155.

4.Киселёва О.А. Особенности управления дискретным вращающимся полем в электроприводе с бесконтактным двигателем постоянного тока/О.А.Киселёва, С.А.Винокуров, Т.В.Попова, Д.Д.Киселёва. В сборнике: Фундаментальные и прикладные науки сегодня. Материалы ХХIII международной научно-практичсекой конференции. Morrisville,2020. С.69-71.

5.Киселёва О.А. Неполная обратная связь в системах с бесконтактными двигателями постоянного тока/ О.А. Киселёва, Т.В. Попова//В сборнике: Интеллектуальные информационные системы. 2012. С. 69-70.

6.Киселёва О.А. Дискретный эквивалент идеальному векторному управлению бесконтактным двигателем постоянного тока/О.А. Киселёва, С.А. Винокуров, Т.В. Попова//Моделирование, оптимизация и информационные технологии. 2017. № 1 (16). С. 16.

7.Киселёва О.А. Оценка влияния силовых импульсов инвертора на характеристики бесконтактных двигателей постоянного тока/О.А. Киселёва, Н.И. Рубцов, Д.Д. Киселёва, Д.Ф. Рощупкин, Н.И. Гриненко//В сборнике: Фундаментальная наука и технологии - перспективные разработки. Материалы XXIV международной научнопрактической конференции. Morrisville, 2020. С. 155-157.

8.Киселёва Д.Д. Чувствительность электромагнитного момента в системе с бесконтактным двигателем постоянного тока/Д.Д. Киселёва, Н.И. Рубцов, С.А. Винокуров//Студент и наука. 2020. № 4 (15). С. 33-36.

43

________________________________________________________Выпуск № 1 (16), 2021

УДК 621.313.292

Д.Д. Киселёва, Н.И. Гриненко, С.А. Винокуров

УПРАВЛЕНИЕ ДИСКРЕТНЫМ ВРАЩАЮЩИМСЯ ПОЛЕМ БЕСКОНТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА В ПОЗИЦИОННО - СЛЕДЯЩИХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Аннотация. В работе рассматривается позиционно-следящая электромеханическая система с бесконтактным двигателем постоянного тока, которая должна обеспечивать заданную точность и быстродействие. В таких системах можно использовать векторное управление и регуляторы скорости с переменной структурой. Показано, что применение датчиков положения ротора с большим числом меток за один оборот расширяет нижнюю границу диапазона регулирования, но усложняет работу на верхней границе, поэтому в таких системах желательно использовать наблюдатели состояния для восстановления выходных координат.

Ключевые слова: позиционно-следящая система, бесконтактный двигатель постоянного тока, наблюдатель состояния, скользящие режимы работы.

D.D. Kiseleva, N.I. Grinenko, S.A. Vinokurov

CONTROL OF THE DISCRETE ROTATING FIELD OF THE CONTACTLESS DC ENGINE IN POSITIONAL - WATCHING ELECTROMECHANICAL SYSTEMS

AIntroduction. The work considers a positional-tracking electromechanical system with a non-contact DC engine, which should provide the specified accuracy and speed. In such systems, you can use vector control and speed controllers with a variable structure. It is shown that the use of rotor position sensors with a large number of marks per turn extends the lower boundary of the regulatory range, but complicates the work at the upper boundary, so in such systems it is desirable to use state observers to restore the output coordinates.

Keywords: positional tracking system, DC contactless engine, state observer, sliding modes of operation.

Позиционно - следящие электромеханические системы (ПС ЭМС) с бесконтактными двигателями постоянного тока (БДПТ) должны обеспечить заданную точность и быстродействие при отработке управляющего сигнала, который изменяется по произвольному закону. При этом необходимо обеспечивать для объекта регулирования заданные ограничения по максимальному ускорению и рывку, который определяется какпервая производная от ускорения.

© Киселёва Д.Д., Гриненко Н.И., Винокуров С.А., 2021

44

________________________________________________________Выпуск № 1 (16), 2021

При разработке таких систем часто возникают противоречивые требования, что делает задачу сложной для обеспечения требуемых критериев. Особый интерес представляют следящие системы с БДПТ, работающие в режимах, когда внешнее задающее воздействие непредсказуемое, когда интерполяция сигнала задания, которую применят в системах программного управления, принципиально невозможна [1]. Дополнительная задача позиционирования с заданной точностью дополнительно усложняет задачу разработки систем управления для СП ЭМС.

Ограничение динамических усилий, плавное формирование изменения движущего электромагнитного момента с ограничением ускорения основная задача при проектировании ПС ЭМС с БДПТ. Для получения требуемых показателей качества, таких как динамическая и статическая точности слежения и быстродействие в условиях изменения внешней среды в первую очередь требуется анализа особенностей построения таких систем с позиции формирования следящего оптимального управления. Для этого поиск экстремума ведут, используя скалярное или векторное управления по критерию, обеспечивающему заданные показатели качества.

Рассмотрим ПС ЭМС, функционирование которых делят на три режима: МОК – режим малых отклонений; СОК – режим средних отклонений; БОК – режим больших отклонений.

В ПС ЭМС используют управление с учетом профиля скорости, процесс движения от точки к точке состоит из трех этапов, а именно, разгон, движение с постоянной скоростью и торможение. В некоторых режимах торможения и разгона используют задатчики интенсивности нарастания скорости, это связано с изменением динамического момента, которой зависит от первой производной по ускорению.

Профиль скорости в таких случаях – трапецеидальный, а это значит, на границе смены режимов происходит скачкообразное изменение ускорения, которое влияет на качество переходного процесса

В современных преобразователях частоты добиваются того, чтобы в профиле скорости не было скачкообразного изменения ускорения, используя для этого S-образную форму. Время позиционирования в режимах СОК и БОК зависит от величины отклонения, поэтому ПС ЭМС с БДПТ можно рассматривать в этих режимах как нелинейную систему.

При разработке таких систем необходимо использовать методы построения оптимальных систем, при этом использовать все выявленные положительные свойства построения систем управления БДПТ [2, 3].

Возможность построения «квазиоптимальных» систем, которые обладают более простой реализацией, а также «грубостью» к вариациям параметров БДПТ и режимам работы объекта, позволяют реализовать следящую ЭМС соответствующего качества. Для этого используют нелинейные корректирующие звенья, которые позволяют улучшить точность и быстродействие следящей системы. Нелинейные регуляторы могут вместо управляющего сигнала по отклонению формировать [4, 5]:

-нулевые сигналы;

-сигналы максимально возможной амплитуды.

Эти регуляторы хорошо выполняют свои функции в следящих системах с БДПТ при векторном управлении. Процесс векторного управления строится на чередовании пульсирующих векторов, состоящих из базового вектора, амплитуда которого определена напряжением питания силового инвертора, и нулевого вектора, амплитуда которого равна нулю, но при не нулевых начальных условиях, он создает токовое рабочее вращающее поле. К таким системам можно отнести релейные системы, которые оптимизируют по критерию быстродействия.

Системы с переменной структурой, в которой связи зависят от конкретного текущего состояния, могут обеспечить скользящий режим работы. Это возможно обеспечить за счет переключения неустойчивых структур (рабочих базовых векторов, при углах между полями

45