CC BY
71
УДК 681.586.783
МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ОБОРОТАМИ БЕСКОЛЛЕКТОРНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
А.О.Никитин, А.Р.Петрова*, Р.В.Петров MAGNETOELECTRIC CONTROL SYSTEM OF THE BRUSHLESS MOTOR REVS FOR DRONES
A.O.Nikitin, A.R.Petrova*, R.V.Petrov
Институт электронных и информационных систем НовГУ, Roman.Petrov@novsu.ru * Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)
Рассматриваются вопросы создания системы управления электродвигателя для беспилотных летательных аппаратов с использованием магнитоэлектрических датчиков положения магнитной оси ротора. Обосновано использование бесколлекторных электрических машин для беспилотных летательных аппаратов, а также предложено решение ряда проблем, связанных с применением данного типа электродвигателя. Предложенная система управления, в отличие от систем на бездатчиковом управлении и на датчиках Холла, обладает рядом преимуществ, таких как высокая чувствительность, высокая термостабильность, стойкость к значительному уровню радиоактивного излучения, а также высокая технологичность и легкость освоения даже небольшими производственными предприятиями. Проведены экспериментальные исследования предложенной системы управления и получены данные для электрических циклов коммутации.
Ключевые слова: магнитоэлектрический датчик положения, вентильный двигатель, беспилотные летательные аппараты, системы управления
This paper is devoted to the development of a motor control system for unmanned aerial vehicles using magnetoelectric position sensors for a rotor magnetic axis. The use of brushless electrical machines for unmanned aerial vehicles was considered, and the solution of several problems concerning the application of this type of motor was proposed. The proposed control system in contrast to sensorless control and Hall sensor systems has several advantages such as high sensitivity, high thermostability, resistance to significant levels of radiation, as well as the technological effectiveness and ease of fabrication, even for small production companies. Experimental studies of the proposed control system are carried out, and the data on electrical commutation cycles were obtained.
Keywords: magnetoelectric position sensor, brushless direct current motor, unmanned aerial vehicle, control systems
Введение
Современный пассажирский авиалайнер невозможно представить без электрооборудования на борту. Более того, одним из наиболее перспективных направлений в развитии авиационной техники является электрификация летательных аппаратов различных типов и назначений: самолетов (от магистральных до малоразмерных беспилотных) и вертолетов (от тяжелых до малоразмерных и беспилотных).
Известно, что на современных летательных аппаратах для работы различных систем используются три источника энергии: гидравлическая, пневматическая и электрическая. Наличие коммуникаций, в основе своей использующих первые два вида энергии, приводит к снижению надежности, увеличению габаритов и массы агрегатов, усложнению и удорожанию обслуживания. Изменение ситуации становится возможным при замене этих систем на электрические.
Таким образом, перед авиационными разработчиками стоят многие задачи, решение которых приведет к построению полностью электрического самолета. Тенденции в самолетостроении, связанные с повышением уровня электрификации летательных аппаратов, приводят, во-первых, к увеличению мощности и объема потребляемой электрической энергии на борту самолетов и вертолетов, а во-вторых, к необходимости более рационального использования имеющейся на борту энергии с учетом требований функционального целевого и вспомогательного оборудования, а также выполнения заданного маршрута и режима полета [1].
У вышеуказанных задач в настоящее время существуют два пути решения: построение полностью электрического самолета, в котором все системы, включая силовую установку, питаются исключительно электрической энергией; построение летательного аппарата на основе гибридной технологии, для которой характерно сочетание электродвигателя с двигателем, работающим на топливе. Также стоит заметить, что для второго случая характерно наличие электроприводов топливных насосов и системы смазки.
Магнитоэлектрическая система управления бесколлекторным электродвигателем для беспилотных летательных аппаратов
Для начала рассмотрим, какие электродвигатели применяются на современных летательных аппаратах. Наличие щеточного-коллекторного узла у
современных коллекторных электрических машин лишило возможности их применения в авиастроении в связи с рядом факторов. Во-первых, щетки играют важную роль в работе коллекторных электрических машин, а чтобы они могли четко выполнять свое назначение, им надо обеспечить определенный механический «комфорт», адекватную токовую нагрузку и надлежащие условия окружающей среды. Наличие вибрации может привести к ухудшению контакта между щеткой и коллектором. Также существенную роль играет влажность, а именно, неблагоприятными считаются условия, когда влажность падает ниже критической точки, воздух становится очень сухим, и в результате возникает сильное трение и искрение, и щетки быстро изнашиваются. Во-вторых, щеточный блок работает в режиме постоянной коммутации с присутствующим искрением, что является источником сильных электромагнитных помех.
В настоящее время в авиастроении широкое распространение получили вентильные электрические машины (ВД), которые по-другому называют бесколлекторные электродвигатели. Конструктивно ВД представляет из себя ротор с закрепленными постоянными магнитами и жестко зафиксированный к корпусу статор с обмотками (рис.1). Проходящий по обмоткам электрический ток создает магнитное поле, которое, в свою очередь, приводит к повороту ротора. Далее коммутируется следующая обмотка или группа обмоток с последующим поворотом ротора.
ПОСТОЯННЫЕ МАГНИТЫ
Рис.1. Конструкция вентильного двигателя фирмы «BEI KIMCO»
Использование бесколлекторного электродвигателя на современных летательных аппаратах обу-
словлено рядом причин. В конструкции данного типа электродвигателя отсутствует коллектор, за счет чего она существенно упрощается. В связи с этим бесколлекторный электродвигатель также обладает меньшими весом и размером, чем аналогичный электродвигатель с коллектором. У бесколлекторного электродвигателя выше коэффициент полезного действия и показатель мощности на килограмм собственного веса, чем у электродвигателя с коллектором. Более того, у бесколлекторного электродвигателя шире диапазон скорости вращения винтов, что обеспечивает более широкие возможности для пилотирования беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и, соответственно, обуславливает расширение характеристик БПЛА. Немаловажно для БПЛА то, что бесколлекторные электродвигатели греются намного меньше, чем электродвигатели с коллекторами. Бесколлекторные электродвигатели практически не создают радиопомех и, соответственно, практически не влияют на функционирование бортового оборудования. Преимуществом также является то, что он может быть намного меньших размеров, чем электродвигатель с коллектором, потому что возможно применение мощных и небольших неодимовых магнитов на роторе.
Однако кажущаяся на первый взгляд простота конструкции и принципа действия бесколллекторно-го электродвигателя выливается в конечном счете в ряд определенных трудностей, с которыми приходится сталкиваться разработчику, использующему данный тип двигателя. Для пояснения последнего вернемся к процессам, происходящим в нем на этапе его работы. Как следует из работы ВД, проходящий по заданным обмоткам электрический ток создает магнитное поле, имеющее определенное направление. Ротор, в свою очередь, вращением стремится совместить магнитную ось закрепленных на себе постоянных магнитов с эквивалентной магнитной осью статора. Далее, для сохранения момента и плавного разгона или же сохранения скорости вращения необходимо перекоммутировать обмотки статора, и осуществить данную процедуру нужно в определенный момент, зависящий от положения магнитной оси ротора. Иными словами, для полноценного управления ВД необходимо спроектировать позиционную обратную связь. Эта обратная связь аналогична функции, выполняемой коллектором в машине постоянного тока. В решении данной проблемы разработчики пошли по двум различным путям. И в результате рынок представлен ВД двух типов: со встроенным датчиком положения ротора (ДПР) (Shaft Encoder BLDC) и бездатчиковыми ВД (Sensorless BLDS). В свое время использовались датчики положения на основе различных свойств, но наибольшее распространение получили датчики гальваномагнитного типа на основе эффекта Холла. Принцип работы бездатчиковых ВД основан на
оценке значения ЭДС, наводимой в свободной обмотке (в которой не протекает электрический ток). Несомненными преимуществами бездатчиковых ВД перед ВД с ДПР является простота конструкции, а существенным недостатком — невозможность управления двигателем на малых оборотах, так как величина ЭДС напрямую зависит от частоты вращения. Что касается ВД с ДПР на основе датчиков Холла, то разработчик сталкивается с рядом проблем, связанных с конструктивным расположением элементов Холла, с необходимостью подачи питающего напряжения. Плюс к общим конструкторским недостаткам добавляются недостатки самих датчиков Холла: ограниченный диапазон рабочих температур, наличие остаточных напряжений, низкая стойкость к статическому электричеству и радиоактивным излучениям.
Таким образом, использование в авиастроении ВД с ДПР на основе датчиков Холла затруднено в связи с указанными недостатками, а бездатчиковые ВД не имеют полного диапазона управления скоростью. Поэтому нахождение простого и надежного способа управления бесколлекторной электрической машиной имеет большую актуальность.
В работе [3] был предложен способ управления ВД при помощи магнитоэлектрических датчиков положения магнитной оси ротора (рис.2).
Рис.2. Структурная схема ВД с магнитоэлектрическими датчиками определения положения магнитной оси ротора
Суть метода заключается в следующем: в исходном состоянии микроконтроллер считывает информацию с датчиков о положении ротора, анализирует ее, и с учетом выбранного алгоритма работы вентильного двигателя коммутируется требуемая последовательность фаз.
Результаты эксперимента
Для проведения необходимых тестов был разработай макетный образец системы управления (СУ) бесколлекторными электрическими машинами, позволяющий в полной мере оценить достоинства и недостатки различных способов управления (рис.3 и 4).
Измерительный стенд включал в себя бесколлекторный электромотор RC12297 (7 пар полюсов ротора), осциллограф Tektronix MSO 3034. Магнитоэлектрический (МЭ) элемент, конструкция которого подробно обсуждалась в [4], представлял собой магнитострикционно-пьезоэлектрическую слоистую структуру, состоящую из пьезоэлектрика ЦТС-19 с размером 71*12,5*0,5 мм и двух обкладок магнито-стрикционного материала метглас соответствующего размера, с толщиной 0,02 мм. Расстояние от МЭ элемента до электродвигателя составляло порядка 10 мм.
Рис.3. Макетный образец СУ бесколлекторным двигателем
Рис.4. Измерительный стенд
Следует заметить, что, так как МЭ элемент в данной конструкции используется в качестве датчика магнитного поля, то для его оптимальной работы необходимо задавать рабочую точку переменным магнитным полем [4]. Для решения этой задачи еще раз обратимся к процессам, проходящим при вращении ВД. Вращение ротора есть следствие совмещения магнитной оси жестко закрепленных на нем постоянных магнитов с эквивалентной магнитной осью статора, которая образуется вследствие протекания переменного тока определенной частоты. Другими словами, необходимое переменное поле для задания рабочей точки МЭ элемента задается переменным током обмоток статора. Частоту этого тока задает ШИМ-сигнал частотой 25 кГц, поступающий на силовые ключи.
Измерения проводились следующим образом: двигатель раскручивался и выходил на обороты около
1600 об*мин-1, далее происходила синхронизация переключения обмоток статора относительно вращения вектора магнитного поля ротора, и затем снималась осциллограмма на выходе МЭ элемента. Результаты измерения представлены на рис. 5.
Как было указано выше, частота вращения двигателя была около 1600 об-мин1. Отсюда имеется возможность рассчитать временной отрезок коммутации одной пары фаз, основываясь на понимании, что за один электрический цикл происходит 6 таких коммутаций: АС - ВС - ВА - СА - СВ - АВ [5]:
60
ti =-
(1)
N *6* pl
где N — частота вращения [об-мин1]; p — количество пар полюсов.
Для нашего случая: 60
t1 =-
í 893[мкс]
1600 * 6 * 7
На рис.5в временной отрезок отмеченный вертикальными маркерами a и Ь, совпадает с расчетным. Иначе говоря, на осциллограмме, полученной с выхода МЭ-элемента, хорошо прослеживаются все 6 коммутационных этапов — один электрический цикл.
Далее, так как нам известно количество пар полюсов ротора, то мы можем рассчитать временной интервал, соответствующий одной паре полюсов, для частоты вращения 1600 об-мин-1:
t„ =-
60
60
5,357[мс].
(2)
p N * p 1600* 7
Расчетный результат очень хорошо совпадает с наблюдаемым (рис.5а), который составлял 5,332 мс. Также на этом рисунке очень хорошо видно влияние магнитного полюса — пьедестал перед первым коммутационным этапом совпадает с пьедесталом после шестого этапа. Между 3 и 4 этапами происходит изменение полюса, что тоже наблюдается. Всего на один электрический цикл статора при синхронном вращении ротора приходится смена одной пары полюсов (один положительный, один отрицательный), а на один физический оборот ротора — смена 7 пар полюсов или 42 коммутационных этапов.
Таким образом, основываясь на данные, полученные в результате эксперимента, а именно на оцененную возможность МЭ элемента фиксировать влияние полюсов, можно прийти к выводу о возможности и необходимости использования МЭ датчиков магнитного поля для построения СУ бесколлекторного двигателя, что обеспечит преимущества перед без-датчиковым СУ в простоте управления, а перед СУ на основе датчиков Холла — в связи с недостатками элементов Холла: нелинейностью в сильных магнитных полях, ограниченным диапазоном рабочих температур, низкой стойкостью к радиоактивному излучению.
20.0тВ % ¥1.00тс
О 3.800 %
10.0Мвыб/[ У ]{
ЮОк точек 94.0тВ
а)
Ю.ОМвыб/с о) У ЮОк точек 94.ОгпВ _][_
б)
Тек Стоп 1-Я—V
Ш
1|
1
т
Р
© -125.ОрС © 777.5МС А902.5)_|С
-790.б^В
-334.
А456.2рВ
мр
Р||
СЭ 20.0тВ % )Г1.00тс Ю.ОМвыб/с СЭ /
1п 3.800 % ЮОк точек 94.0тВ
в)
Рис.5. Осциллограмма на выходе МЭ элемента
1
3
2
6
%*+ *%(+% )%('%!)($%&7 7UUP "7P7P7U $")*D%!!
Заключение
Современный БПЛА представляет собой сложную систему, состоящую из взаимодействующих не менее сложных подсистем. В свете тенденций перехода к построению электрического летательного аппарата, современный БПЛА — это система, включающая электросиловую установку, электроприводы механических органов, а в случае гибридного БПЛА — также электрические приводы топливных насосов и системы смазки. В основе каждой из этих подсистем используются бесколлекторные электрические машины. Построение системы управления ВД на основе МЭ датчиков положения магнитной оси ротора дает ряд преимуществ, которые свойственны МЭ элементам: высокая термостабильность, стойкость к значительному уровню раиоактивного излучения, высокая чувствительность, а также высокая технологичность, т.е. легкость освоения даже небольшими производственными предприятиями. Проведенные эксперименты убедительно доказывают возможность построения системы управления бесколлекторного электродвигателя на основе МЭ датчиков магнитного поля. Полученные осциллограммы напряжений на выходе МЭ элемента при соответствующих обработке и анализе позволяют в полной мере отслеживать положение ротора, и следовательно, обеспечить устойчивое управление.
1. Халютин С.П. Электрический самолет: прошлое, настоящее, будущее // Авиапанорама: Наука-Технологии. 2016. №6(120). С.42-51.
2. Уразбахтин Р.Р. Двигатели для беспилотных летательных аппаратов // Междунар. науч.-исслед. журнал. 2017. №02(56). Ч.3 С.142-144.
3. Никитин А.О., Колесников Н.А., Петров Р.В. Магнитоэлектрический датчик положения оси ротора вентильного двигателя // Вестник НовУ. Сер.: Техн. науки. 2016. №7 (98). С.81-84.
4. Бичурин М.И., Петров Р.В., Соловьев И.Н., Соловьев А.Н. Исследование магнитоэлектрических сенсоров на основе пьезокерамики ЦТС и метгласа countries [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования. 2012. №1. URL: www.science-education.ru/101-5367.
5. Hanselman D. Brushless permanent magnet motor design // Magna Physics Publishing. Motorsoft Division of Fisher Electric Technology. 2nd ed. 2003. 392 p.
References
1. Khaliutin S.P. Elektricheskii samolet: proshloe, nastoi-ashchee, budushchee [The electric airplane: past, present, and future]. Aviapanorama, 2016, no. 6(120), pp. 42-51.
2. Urazbakhtin R.R. Dvigateli dlia bespilotnykh letatel'nykh ap-paratov [Engines for unmanned aerial vehicles]. Mezhdu-narodnyi nauchno-issledovatel'skii zhurnal - International Research Journal, 2017, no. 2(56), part 3, pp. 142-144.
3. Nikitin A.O., Kolesnikov N.A., Petrov R.V. Magnitoelek-tricheskii datchik polozheniia osi rotora ventil'nogo dvigatelia [Magnetoelectric sensor for detecting the position of brush-less DC motor's rotor axis]. Vestnik NovGU. Ser. Tekhnicheskie nauki - Vestnik NovSU. Issue: Engineering Sciences, 2016, no. 7(98), pp. 81-84.
4. Bichurin M.I., Petrov R.V., Solov'ev I.N., Solov'ev A.N. Issledovanie magnitoelektricheskikh sensorov na osnove p'e-zokeramiki TsTS i Metglasa [Magnetoelectric microwave devices for phased array]. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniia - Modern problems of science and education, 2012, no. 1. Available at: www.science-education.ru/101-5367.
5. Hanselman D. Brushless permanent magnet motor design. 2nd ed. Lebanon, Ohio, Magna Physics Publishing, Motor-soft Division of Fisher Electric Technology, 2003. 392 p.
