Синтез системы управления приводом тормоза шасси БПЛА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X № 4 / 2018.

Рисунок 3 - Структурная схема оценки качества связи в зоне обслуживания

Реализация алгоритма Герцеля позволила разработать программное обеспечение управления соединением с АР и тем самым установить соединение без участия КО. В свою очередь установка шлейфа в КУМ и подключение анализатора «АИСТ» к АР позволили оценивать качество связи в радиоканале. В результате дооборудования АР приемником спутниковой навигации появилась возможность создания мобильной лаборатории по оценке качества связи в зоне обслуживания СПРС «Омск». Список использованной литературы:

1. Система радиально-узловой связи «Омск»: Руководство по эксплуатации. - Омск, 2006 . - 51 с.

2. Комплекс управления и мультиплексирования (КУМ): Руководство по эксплуатации. - Омск, 2006. - 90 с.

3. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов: Уч. пособие для вузов. - СПб.: Питер, 2002. - 608 с.

4. Gerald Goertzel An Algorithm for the Evaluation of Finite Trigonometric Series. The American Mathematical Monthly, Vol. 65, No. 1, Jan., 1958, pp.34-35.

5. Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - 448 с.

© Алешин М.Г., Смаровоз М.В., 2018

УДК 621.3.07

Ланцев В.Ю.

Студент 2 курса магистратуры МГТУ им. Н.Э. Баумана,

г. Москва, РФ E-mail: vladislavii47@gmail.com Научный руководитель: Кузин Ю.Р. Доцент МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва, РФ E-mail: student.sm7@gmail.com

СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ ТОРМОЗА ШАССИ БПЛА

Аннотация

В работе рассмотрен процесс проектирования системы управления приводом торможения шасси БПЛА самолетного типа.

Данный привод включает в себя асинхронный электродвигатель и механическую передачу, преобразующую вращение вала двигателя в поступательное движение рабочей поверхности. Формируя определенный момент на валу двигателя, можно добиться соответствующего усилия на рабочей поверхности, которое затем передается на тормозной диск колеса. В итоге скорость вращения колес уменьшается и происходит торможение летательного аппарата на взлетно-посадочной полосе.

СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X

№ 4 / 2018.

Далее описан алгоритм управления подобным приводом по моменту на валу двигателя, процесс моделирования всей системы в среде 81шиПпк и результаты испытаний на макете.

Ключевые слова

Асинхронный двигатель, электропривод, 8тиПпк, скалярное управление, БПЛА, микроконтроллер.

1. Введение

Из всех режимов полета летательных аппаратов (ЛА) наиболее сложным и напряженным является режим захода на посадку и непосредственно посадки. Связано это, в первую очередь, с большой степенью аварийности ЛА на этом режиме, вследствие быстротечности процесса посадки и очень высокой нервно-психологической нагрузки экипажа. Данный режим имеет достаточно высокую скоротечность и требует от экипажа уверенных, слаженных действий, быстрой реакции на происходящие изменения. Время на заход на посадку и посадку занимает не более 1 -2% всего времени полета, однако на этот режим приходится более 50% всех авиационных происшествий. За последние 40 лет на этот режим пришлось около 55% всех потерь. Трудности управления особенно возрастают в условиях плохой видимости (туман, темнота), когда зрительное ориентирование затруднено или невозможно 1.

Исходя из вышесказанного, особый интерес представляет реализация автоматической посадки, что особенно актуально в случае использования БПЛА самолетного типа. Для обеспечения этой задачи необходимо управлять рядом устройств в составе БПЛА. Это может быть оперение аппарата, работа которого обеспечит достаточное прижатие шасси к поверхности полосы, а также позволит маневрировать на около взлётных скоростях. Но куда более важно выстроить управлением тормозами шасси, которые в основном и будут гасить скорость при пробеге. Более того, имея пару независимых тормозов на задних стойках шасси, можно попытаться рулить аппаратом, подавая различные воздействия на каждый из них.

В современных БПЛА самолетного типа используется дисковый тормоз шасси, силовой основой которого может служить гидравлическая система или электродвигатель с механической передачей. Вариант с электродвигателем предпочтительнее, так как упрощается управление и пропадает необходимость в рабочей жидкости, что увеличивает надежность и уменьшает габариты устройства.

Таким образом, имеется электропривод, который не совершает движения, но при этом обеспечивает нажатие на тормозную колодку с заданным усилием. Требуется создать такую систему управления приводом торможения, которая отвечала бы заданным эксплуатационным требованиям и обеспечивала оптимальное качество регулирования.

2. Объект управления

В качестве привода тормоза шасси выступает следящий электромеханический исполнительный механизм тормоза (ИМТ). Электромеханизм ИМТ представляет из себя трехфазный асинхронный электрический двигатель с короткозамкнутым ротором, приводящий в действие редуктор, содержащий последовательно идущие друг за другом две ступени планетарной передачи и третью ступень в виде шарико-винтовой пары. Электромеханизм ИМТ в поперечном разрезе представлен на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Электромеханизм ИМТ

1 Сушков Ю.А. "Метод и модель безопасного захода воздушного судна на посадку на основе построения оптимальной посадочной траектории", Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Тамбов, 2009 г.

СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X № 4 / 2018.

3. Требования к системе управления

Исходя из динамики БПЛА, выдвигаются следующие требования по отработке усилий:

• В статике: отработка постоянных усилий до 350 кгс ^ = 0.08 Нм

на валу) с точностью ± 5 %

• В динамике: при амплитуде усилия 175кгс (Ma = 0.04 Нм на валу) и частоте 1 Гц фазовое запаздывание не выше 20°

• Система управления должна сохранять работоспособность в диапазоне температуры окружающей среды ± 60° С.

4. Испытательный стенд

Для оценки работоспособности применяемых алгоритмов управления собран стенд для испытаний, его вид представлен на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Испытательный стенд

Центральный элемент стенда - асинхронный двигатель, полностью аналогичный используемому в ИМТ. На валу двигателя закреплен рычаг, который преобразует момент в усилие. Такое решение обусловлено желанием абстрагироваться от механической передачи на первых этапах проектирования, применяемой в ИМТ, так как она обладает существенной нелинейностью и инерционностью.

Усилие на рычаге измеряется при помощи электронных весов с точностью измерений 1% и диапазоном измерений от 0 до 300 грамм. Этого вполне достаточно для измерения установившихся усилий. Чтобы измерить переменное усилие, необходим тензометрический датчик с цифровым интерфейсом, но возможности воспользоваться таким прибором на момент написания работы не было. На корпусе двигателя закреплен датчик температуры, который позволяет оценить нагрев двигателя при различных режимах его работы и сопоставить полученную информацию с точностью работы всей системы.

Двигатель управляется прототипом блока управления приводом тормоза (БУПТ). Блок содержит в себе трехфазный инвертор, управляемый микроконтроллером 1986ВЕ1Т фирмы «Миландр». Входной сигнал либо передается через интерфейс МКИО (ГОСТ Р 52070-2003), либо поступает на вход АЦП в аналоговой форме. Внутри блока обеспечивается возможность измерения токов в фазах при помощи трех шунтов. Для отладочных целей также доступен ЦАП, который дает возможность вывода значений внутренних переменных контроллера.

5. Модель системы управления

Так как паспортные и реальные данные двигателя могут не совпадать, необходимо сравнить реакцию модели и стенда на одни и те же входные воздействия. Управление на момент написания работы осуществлялось при помощи АЦП, напряжение на котором пропорционально преобразовывалось в амплитуды фазных напряжений статора. На вход модели разомкнутой системы, представленной на рисунке 5.1, и на АЦП стенда подавался сигнал с шагом 0,33 В по значению и 0,2 с по времени. Оценивалось

21

СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X № 4 / 2018.

установившееся значение момента на валу двигателя.

Рисунок 5.1 - Модель разомкнутой системы без регулятора

В результате эксперимента были сняты выходные характеристики модели и стенда, что можно видеть на рисунке 5.2 (модель - синим, стенд - желтым). Далее, при помощи инструмента Parameter Estimator пакета Simulink производилась оптимизация параметров асинхронного двигателя математической модели, чтобы результаты моделирования и эксперимента совпадали достаточно точно. После пяти итераций настройки параметров (сопротивления статора и ротора) удалось добиться нужного совпадения характеристик (рисунок 5.3).

Time (seconds)

Рисунок 5.2 - Характеристики до оптимизации

Рисунок 5.3 - Характеристики после оптимизации

Основной режим работы привода тормоза - постоянное нажатие на тормозной диск колеса шасси. В данном случае привод не совершает механической работы, а вся электрическая энергия преобразуется в тепло, через нагрев обмоток при протекании токов статора и ротора. Далее, ненулевые токи статора приводят к формированию момента на валу двигателя. Если взглянуть на рисунок 5.2, который фактически отражает зависимость момента от амплитуды питающих фазных напряжений, можно заметить сходство с квадратичной функцией. С другой стороны, усредненное значение токов фаз пропорционально амплитуде фазных напряжений, как следствие и входному сигналу. Отсюда следует гипотеза, что можно выстроить управление моментом, взяв как сигнал обратной связи квадрат значения среднего тока в фазах.

Похожий подход описан в книге А.С. Анучина «Системы управления электроприводов». Автор предлагает косвенно определять момент по значениям фазных токов и напряжений (5.1) или по значениям

СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X № 4 / 2018.

датчиков звена постоянного тока (5.2) 2:

M к UaIa+UbIb +UcIc •

Mf

Wo

UdcIdc

Wo :

(5.1)

(5.2)

Из формул видно, что при постоянной частоте вращения поля статора момент двигателя

пропорционален мгновенной электромагнитной мощности. Того же самого получается достичь и с предложенным выше подходом, правда возникает необходимость в оценке сопротивления статора с соответствующими поправками в управляющем сигнале.

Альтернативный путь - алгоритмы векторного управления. Векторное управление используется в задачах, где требуется независимо управлять скоростью и моментом электродвигателя, что, в частности, позволяет поддерживать постоянную скорость вращения при изменяющемся моменте нагрузки. При этом векторное управление является самым эффективным управлением с точки зрения КПД и увеличения времени работы электродвигателя 3. Применительно к асинхронным двигателям актуален метод прямого управления моментом (DTC), предложенный I. Takahashi и Т. Noguchi4. В этом случае придется оценивать потокосцепление статора и момент двигателя по мгновенным значениям фазных токов и напряжений. Данный метод хорошо изучен, он позволяет добиться максимального быстродействия. Основной недостаток такого управления - неустойчивость системы при отличии сопротивления статора от номинального значения. Помимо этого необходимо точно измерять токи фаз, что ввиду аппаратных ограничений вряд ли достижимо. Так как требования к быстродействию не существенны, было решено остановиться на скалярном управлении с контролем квадрата тока.

Рассмотрим подробнее полученную в итоге модель системы управления (рисунок 5.4).

Рисунок 5.4 - Итоговая модель системы управления

Токовые сигналы снимаются на шунтах, расположенных под стойками силовых ключей (блок PowerSwitch на рисунке 5.4). Сигналы фильтруются RC цепочками с постоянной времени 0.1 мс, а затем усиливаются и смещаются на операционных усилителях (блок Current sensor & Filter на рисунке 5.4). Такой способ измерения токов достаточно прост, тем не менее у него есть недостаток: возможны ситуации, когда

2 Анучин А.С. "Системы управления электроприводов: учебник для вузов." - М., Издательский дом МЭИ, 2015 - 373 с.: ил., стр. 336.

3 http://engineering-solutions.ru/motorcontrol/induction3ph/#vfd

4I. Takahashi, and T. Noguchi. A new quick response and high-efficiency control strategy of an induction motor: IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. IA-22, no. 5, pp. 820-827, Sept./Oct. 1986.

СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X

№ 4 / 2018.

ток фазы замыкается мимо шунтов, и сигнал теряется. При алгоритме, описанном в данной работе, это не так существенно. Верхние полуволны токовых сигналов складываются и нормируются. Полученный сигнал проходит через цифровой фильтр Баттерворта 2-го порядка, после чего используется для оценки сопротивления статора и формирования главной обратной связи по квадрату среднего тока (см. рисунок 5.5).

Рисунок 5.5 - Сигнал обратной связи по квадрату тока (переходный процесс)

Регулятор (блок Regulator на рисунке 5.4) преобразует входной сигнал, рассчитывает ошибку и по ней выдает управляющее воздействие. Схема регулятора показана на рисунке 5.6. Входной сигнал обрабатывается АЦП и умножается на поправочный коэффициент, который рассчитывается интерполяцией по массиву значений, в зависимости от величины входного сигнала. Это позволяет поднять точность и учесть насыщение магнитопровода двигателя. Также вводится температурная поправка входного сигнала.

Рисунок 5.6 - Структура регулятора

Далее вычисляется ошибка, посредством вычитания сигнала ОС из полученного сигнала управления. В контуре производится интегрирование, что позволяет убрать установившуюся ошибку по постоянному воздействию. Также это нивелирует фазовый сдвиг между фазным напряжением и током в фазе, и система работает устойчиво. Быстродействие достигается за счет адаптивного коэффициента усиления, линейно зависящего от ошибки. Выходной сигнал регулятора DutyCycle управляет амплитудой фазных напряжений обмоток статора.

Температурная поправка вычисляется по текущим значениям среднего тока статора и управляющего воздействия (блок Temperature Correction на рисунке 5.4). При изменении температуры отношение данных величин (условная проводимость) также изменяется, что позволяет судить о нагреве обмоток. Зависимость

СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X № 4 / 2018.

не линейна, поэтому используется интерполяция по таблице (рисунок 5.7).

Рисунок 5.7 - Формирователь температурной поправки 6. Результаты моделирования

По итогам синтеза системы управления проведено моделирование ее работы при требуемых входных воздействиях. На каждом из управляющих сигналов оценивалась реакция разомкнутой системы без регулятора и синтезированной замкнутой системы. Результаты представлены на рисунках

6.1 - 6.4, оценивается момент на валу двигателя при застопоренном вале и отфильтрованной частоте ШИМ.

Рисунок 6.1. - М треб = 0.04 Нм, разомкнутая система

Рисунок 6.2. - М треб = 0.04 Нм, замкнутая система, t пп = 25 мс, М уст = 0.041 Нм

-( 25 )-

СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X № 4 / 2018.

Рисунок 6.3. - М треб = 0.04 х sin(2 п х 1) Нм, разомкнутая система

\ \

\

1

Рисунок 6.4. - М треб = 0.04 х sin(2 п х 1) Нм, замкнутая система, Лф = 8° 7. Результаты испытаний на стенде

Полученный алгоритм управления был реализован ни макете блока управления. Удалось снять установившиеся значения моментов на валу двигателя и построить регулировочную характеристику привода в целом (рисунок 7.1) . Как и предполагалось, она оказалась достаточно линейна. Также система отрабатывает гармонический сигнал, но оценить фазовое запаздывание на момент написания работы не представлялось возможным. Поэтому были сняты сигналы ОС, выведенные на ЦАП микроконтроллера (рисунки 7.2, 7.3), и они достаточно сильно совпали с ожидаемыми. Проведены испытания при нагреве двигателя до + 60° С и охлаждении до - 60С. В обоих случаях момент оставался в пределах ± 5 % от требуемого.

Рисунок 7.1. - Регулировочная характеристика замкнутого привода

-( 26 )-

СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X № 4 / 2018.

Рисунок 7.2. - Сигнал обратной связи на ЦАП МК при М треб = 0.04 Нм

Рисунок 7.3. - Сигнал обратной связи на ЦАП МК при М треб = 0.04 х sin(2 п х 1) Нм

В целом алгоритм доказал свою работоспособность на стенде, но остается ряд моментов, которые необходимо исследовать. Например, остается неясным насколько сильно влияет инерция шарико -винтоновой передачи на динамику изменения момента, также перспективным видится переход на измерение токов фаз при помощи трансформаторов. Подобные вопросы планируется рассмотреть на дальнейших этапах разработки

Список использованной литературы:

1. Сушков Ю.А. "Метод и модель безопасного захода воздушного судна на посадку на основе построения оптимальной посадочной траектории", диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Тамбов, 2009 г.

2. Анучин А.С. "Системы управления электроприводов: учебник для вузов." - М., Издательский дом МЭИ, 2015 - 373 с.: ил.

3. Трехфазный асинхронный двигатель [Электронный ресурс]. - Режим доступа: М1р://е^теей^-

СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X № 4 / 2018.

solutions.ru/motorcontrol/induction3ph/#vfd, свободный. - (дата обращения: 26.02.2018).

4. I. Takahashi, and T. Noguchi. A new quick response and high-efficiency control strategy of an induction motor:

IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. IA-22, no. 5, pp. 820-827, Sept./Oct. 1986.

© Ланцев В.Ю., 2018

УДК 620.179.111

Мулюкин О.П., Лаврусь О.Е.

Самарский государственный университет путей сообщения

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ И ДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОПНЕВМОКЛАПАНОВ ПНЕВМОГИДРОСИСТЕМ ТРАНСПОРТНОЙ ТЕХНИКИ С ЗАДАТЧИКАМИ НАГРУЗКИ РАЗЛИЧНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ

Аннотация

Представлен тематический обзор по особенностям конструирования и динамического расчета электропнемоклапанов пневмогидросистем транспортной техники с пружинными и беспружинными задатчиками нагрузки, преимущественно на базе магнитных устройств и пневматических дифференциально-поршневых механизмов с рычажно-шарнирными связями.

Ключевые слова

Электропневмоклапан, задатчик нагрузки, пружинный элемент, рычажно-шарнирный механизм, дифференциально-поршневой орган, пневмогидросистема, унифицированная математическая

модель электропневмоклапана.

Электропневмоклапаны (ЭПК) - важнейший управляющий орган практически любой пневмогидросистемы (ПГС), в значительной степени определяющий показатели её эксплуатационной надежности (быстродействие, гарантированный ресурс и герметизирующую способность) и стабильность выходных параметров входящих в систему звеньев при варьировании внешних воздействующих факторов (ВВФ). В последние годы функциональные возможности ЭПК существенно расширились за счет внедрения в арматуростроительную отрасль современных технических достижений в области уплотнительной техники (замена упруго-пружинных элементами задатчиками нагрузки нетрадиционных видов, преимущественно магнитной природы; использование конструкций клапанной арматуры с изменяемым направлением гравитационной нагрузки, с магнитными и жидкостными исполнительными органами на базе рычажно-шарнирных механизмов с переставляемой осью вращения двуплечего рычага и др.) [1,2]. Переходу на новые типы ЭПК способствовали накопление достаточно обширного научного материала по расчету динамики этих электропневмоклапанов, включая моделирование переходных процессов на базе современной вычислительной техники и разработка авторами универсальной модифицируемой математической модели семейства мембранных ЭПК, позволяющей осуществлять расчет динамических характеристик элетропневмоклапанов как с пружинными, так и с грузовыми задатчиками нагрузки. Причем последние, как правило, используются совместно с усилителями в виде двуплечих рычажно-шарнирных механизмов, что обуславливает проведение сравнительного анализа противопоставляемых конструкций по их динамическому качеству в пределах изменения термодинамических параметров пневмогидросистем в эксплуатации. Отметим, что выполненные авторами исследования базировались на классических методах расчета динамических систем с линейными и нелинейными упругодемпфирующими элементами с использованием методов математического моделирования и численного решения уравнений на базе