CC BY
94
рос. науч.- практ. конф. (3-6 апр. 2007 г.): прил. к журналу «Известия Рос. акад. ракетных и артиллерийских наук». Т. 4. СПб.: НПО специальных материалов, 2007. С. 298 - 304.
4. Баунин В.Г., Новоселов Б.В. Методы повышения точности наведения антенн бортовых комплексов радиосвязи// Ракетно-космичекое приборостроение и информационные технологии. 2009 - 2010 гг.: тр. Второй Всерос. науч.- техн. конф. «Актуал. проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» (2-4 июня 2009 г.) / под ред. Ю.М.Урличича, А.А.Романова. М.: Радиотехника, 2010. С. 121 - 129.
V.G. Baunin, B.V.Novosyolov
DESIGN AND PRODUCTION PROBLEMS OF CONTROLLED ROTARY SUPPORTS OF THE RADIO COMMUNICATION ANTENNAS
The design and production problems of controlled rotary supports of antennas of radio communication systems installed on the movable objects are considered.
Key words: rotary support, control system, radio communication antenna.
Получено 03.10.11
УДК 621.313
H.H. Макаров, д-р техн. наук, проф., (4872) 33-25-08, nnm@tula.net,
С.А. Голополосов, асп., (4872) 36-74-66, golsergey@gmail.com (Россия, Тула, ТулГУ)
МЕХАТРОННЫЙ МОДУЛЬ НА БАЗЕ БЕСКОНТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Предложена структура мехатронного модуля на базе бесконтактного двигателя постоянного тока с интеллектуальным датчиком положения и скорости, реализованным на конструктивных элементах двигателя - датчиках Холла. Методом гарантированной точности выполнены упрощение математической модели и параметрический синтез регулятора. Разработана структура и алгоритм цифровой управляющей части.
Ключевые слова: гарантированная точность, бесконтактный вентильный двигатель, математическая модель, следящая система, синтез регулятора, электродвигатель, датчик Холла.
Обычно мехатронная система является объединением собственно электромеханических компонентов с новейшей силовой электроникой, которые управляются с помощью различных микроконтроллеров, ПК или других вычислительных устройств. Существует множество областей техники, в которых применяются электродвигатели и, в частности, БДПТ.
Классические датчики, которые используются в построении мехатронных систем, такие, как фотоимпульсные датчики(ФИД), вращающиеся трансформаторы(ВТ), несмотря на свои хорошие характеристики, по стоимости сравнительно дороги. В данном исследовании было предложено использование в качестве датчика обратной связи датчика, который выполнен на конструктивных элементах БДПТ - датчиках Холла, которыми снабжены многие современные модели двигателей этого типа. Идея, лежащая в основе датчика, основана на реализации формулы
8т(а - р) = э п( а) ■ соб( р) - соб( а) ■ э п( р)
При малых отклонениях синус равен самому углу. Реализовать идею можно, используя два датчика перемещения, имеющих на выходе синусоидальный сигнал, расположенных под углом 90 градусов относительно друг друга. В данной работе будем ориентироваться на датчики Холла. В БДПТ датчики Холла располагаются под углом 120 или 60 градусов [2], но путем несложных математических преобразований можно перейти с синусу и косинусу. По сути, датчик представляет собой следящую систему, замкнутую обратной связью (рис. 1).
Рис. 1. Схема работы датчика:
ПХ1,2 - преобразователи Холла 1,2; ЦФ - цифровой фильтр
Введя в прямую цепь датчика интегрирующее звено, можно получить угловую скорость вала двигателя. Еще одним преимуществом датчика перед аналогами является условная неограниченность измеряемого угла поворота.
Математическая модель БДПТ построена с учетом [1]:
1) момента вязкого трения;
2) вентиляторного момента;
3) вихревых токов;
4) эксцентриситета и взаимоиндуктивности обмоток электродвигателя статора.
Математическая модель БДПТ имеет вид
f (0,) = sin(0„); fb (0,) = sin(0. - 2^); f (0,) = sin(0, - ^).
Приведенная модель имеет высокий порядок, нелинейна и неудобна для дальнейшего синтеза алгоритма управления и расчетов. Была выполнена линеаризация модели на основе критерия гарантированной точности [4] и замена ее эквивалентной моделью коллекторного двигателя постоянного тока, которая имеет вид
При линеаризации была получена хорошая точность модели. Было выполнено повышение порядка модели сначала на 1, потом на 2. В результате были получены модели большей точности, но в синтезе была использована модель исходного порядка.
Синтез системы был проведен с использованием метода гарантированной точности [1]. Было выбрано задающее устройство, которое соответствовало допустимому классу входных сигналов. Допустимый класс входных сигналов был определен по соответствующим максимальным скорости и ускорению, которые способен развивать использованный в работе БДПТ. Передаточная функция задающего устройства имеет вид
di U cp R
— =------------------------- • ю---------------i,
dt L L L
dt L L L
Структурная схема задающего устройства изображена на рис. 2.
Рис. 2. Структурная схема задающегоустройства
Была проведена оптимизация площади области достижимости для задающего устройства, которая рассчитывается по формуле
2 • к ■
1 + ехр
-а-
п
~р.
а-(а2 + р2) і
ехр
Схема синтеза показана на рис. 3.
-а-
п
£
\ •
Рис. 3. Схема синтеза
В результате синтеза были оптимизированы два параметра - коэффициент прямой цепи и коэффициент обратной связи по скорости. Была проведена минимизация критерия гарантированной точности. Требованиями к переходному процессу были отсутствие перерегулирования при ступенчатом воздействии и максимально возможная точность отработки типовых сигналов. Синтез был проведен численно, для этого рассчитали пары значений коэффициентов регулятора таким образом, что для каждого значения коэффициента обратной связи по скорости был найден соответ-
ствующий коэффициент прямой цепи, максимально допустимый, исходя из требований к отсутствию перерегулирования.
Значение ГТ сходится к определенному значению, соответственно выбирается такая пара коэффициентов, при которых ГТ находится на минимальном уровне, но коэффициенты имеют минимальные значения. Сделано это исходя из предположения, что реальная точность системы будет падать с ростом коэффициентов за счет неточности датчиков. Моделирование показало, что при большем коэффициенте прямой цепи наличие шумов датчиков приводит к большим ошибкам слежения.
Достоверность полученных результатов была проверена в результате моделирования уже нелинейной модели устройства. Объективность полученных результатов была подтверждена. Далее была произведена оцифровка системы для дальнейшей технической реализации. Были проведены эксперименты для различных тактов квантования системы, которые также подтвердили правильность полученных результатов.
Алгоритм цифровой управляющей части заключается в следующем. Посредством аналого-цифровых преобразователей снимаются показания с датчиков Холла. Далее по ранее описанному алгоритму цифрового датчика вычисляются положение ротора электродвигателя и его скорость. Затем вычисляется ошибка слежения и преобразуется в управляющий сигнал. В зависимости от управляющего сигнала вычисляется скважность импульсов, которыми будет управляться электродвигатель. На рис. 4 представлена функциональная схема модуля.
Рис. 4. Функциональная схема мехатронного модуля
34
Далее были проведены моделирование системы и проверка отработки типовых сигналов. Регулирование проводилось посредством ШИМ с частотой 20кГц. При подаче эквивалентной синусоиды ошибка составляет около 3 %, во многом за счет цифровой реализации и дискретизации. При подаче ступенчатого сигнала появляется небольшое перерегулирование, также за счет цифровой реализации. Его можно избежать, немного уменьшив коэффициент прямой цепи.
В данной работе был спроектирован мехатронный модуль, обладающий высокими показателями качества. Не были учтены нелинейности датчиков Холла и неточная модель двигателя.
Список литературы
1. Sophie Sekalala. Performance of a three-phase permanent magnet motor operating as a synchronous motor and a brushless dc motor // Electrical Engineering. 2006, August, 2006.
2. Овчинников И. E. Вентильные электрические двигатели и привод на их основе (малая и средняя мощность). СПб: Корона-век, 2006.
3. Макаров Н.Н. Гарантированная точность в проектировании линейных следящих систем //Известия вузов. Сер. Электромеханика. № 7. 1980.
4. Владимиров К.И., Макаров Н.Н. Оптимальная линеаризация одной системы управления методом гарантированной точности // Известия ТулГУ. Сер. Вычислительная техника. Информационные технологии. Сис-темыуправления. 2004. Т. 1. Вып. 1. С43-48.
N.N. Makarov, S.A. Golopolosov
MECHATRONIC MODULE, BASED ON BRUSHLESS DIRECT-CURRENT
MOTOR
The structure of the mechatronic module structure on the basis of the contactless engine of a direct current (BLDC) with the intellectual gage of position and the speed, realized on constructive elements of the engine - Hall gages is offered. The method of the guaranteed accuracy executes simplification of mathematical model and parametrical synthesis of a regulator. The structure and algorithm of a digital operating part is developed.
Key words: the guaranteed accuracy, brushless DC motors, the mathematical model, watching system, regulator synthesis, the electric motor, the Hall sensor.
Получено 03.10.11
