CC BY
72
УДК 621. 313. 292
МОДЕЛЬ ДВУХДВИГАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С БЕСКОНТАКТНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА С. А. Винокуров
В работе предлагается математическая модель двухдвигательной системы электропривода с бесконтактными двигателями постоянного тока. Приводятся математические зависимости для управляющих функций, исследуется предложенная функциональная схема двухдвигательной электромеханической системы с бесконтактными двигателями постоянного тока
Ключевые слова: электропривод, электромеханическая система, бесконтактный двигатель постоянного тока
Электропривод ряда общепромышленных механизмов и робототехнических устройств в зависимости от назначения, требований технологического режима и условий эксплуатации осуществляется посредством двух двигателей, валы которых механически связаны между собой и работают на одну нагрузку [1,2]. Технически соединение валов двигателей может быть как абсолютно жестким при использовании муфты, так и посредством зубчатой передачи с передаточным отношением между валами двигателей, равным единице. В качестве основного в данных системах выступает требование обеспечения синхронизации частот вращения [3,4,5]. В этой связи двигатели, используемые в качестве исполнительных элементов, работающих на одну нагрузку или выполняющие одну программу перемещения, должны выбираться с равными частотами вращения, одинаковой мощности и одного типа [2,6].
Как отмечается в ряде работ, например, в [1,2,6], при работе двух двигателей на общий вал возникает проблема точного распределения между ними нагрузок, что при использовании однотипных двигателей будет возможным только лишь при обеспечении идентичности их механических характеристик, которые, в свою очередь, зависят от ряда технических параметров и их разброса, ошибок, действующих в системе, а также от влияния условий внешней среды. Следует заметить, что на практике в реальных системах у двигателей одного и того же типа, одинаковой мощности и конструктивного исполнения механические характеристики могут отличаться вследствие различных величин активного сопротивления, обусловленного неодинаковой длиной активных проводников, некоторого неравенства воздушных зазоров и т. п.
Активное внедрение и применение двухдвигательных электроприводов в механизмах перемещения различного промышленного назначения накладывает определенные требования к процессу синхронизации частот вращения двигателей, так как возможное неравенство скоростей в реальных системах в большинстве
Винокуров Станислав Анатольевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, E-mail: [email protected]
случаев ведет к возникновению механических колебаний в объекте регулирования и, как следствие, к увеличению нагрузки на
автоматизированный электропривод (АЭП) и энергопотребления. Заметим также, что для ряда многодвигательных устройств и механизмов при их эксплуатации требуется обеспечить строго синхронное вращение исполнительных элементов, и также поддержание на определенном уровне постоянства частот вращения. В этой связи разработка и исследование надежной и
относительно простой двухдвигательной
электромеханической системы (ЭМС) с синхронизацией частот вращения двигателей
является актуальной.
Использование ЭМС с бесконтактными двигателями постоянного тока (БДПТ) в качестве исполнительных элементов подобных систем
электропривода открывает дополнительные возможности реализации синхронизации частот
вращения двигателей, что обусловлено
конструктивными особенностями их построения. Наличие в БДПТ полупроводникового коммутатора (ППК), датчика положения ротора (ДПР) и самого двигателя позволяет использовать дополнительно информацию с позиционных обратных связей для создания двухдвигательной системы управления. Кроме того, применение АЭП с исполнительными элементами на базе БДПТ, например, в
робототехнике при использовании одного главного генератора задающих сигналов, позволяет
осуществить разделение частоты и управляющих сигналов по координатам манипулятора робота, обеспечив их синхронную работу [7,8].
Заметим также, что при взаимодействии с внешней средой в ЭМС с БДПТ возникают трудности, связанные с учетом внешних возмущений. В реальных системах значительная часть этой информации оказывается недоступной.
Как один из вариантов решения данной проблемы может быть предложено использование двумерной системы с идентичными каналами управления, но разными по мощности исполнительными элементами с перекрестными связями с использованием сигналов с ДПР основного (ведущего) БДПТ для системы управления ведомого двигателя меньшей мощности, являющегося моделью для основного.
Известно, что ток в секциях БДПТ переключается по сигналам с чувствительных элементов ДПР. Причем на двигатель - модель будут поступать сигналы как от ДПР основного, так и от своего. Сравнение этих сигналов логическим устройством позволит косвенно выявить дополнительные возмущающие воздействия, оказывающие влияние на систему.
Следует отметить, что никакая система управления не сможет обеспечить требуемого момента или частоты вращения, если они не заложены в конструкции самого двигателя, поэтому при решении вопроса о выборе метода управления необходимо исследовать различные режимы совместной работы двигателя и ППК.
Рассмотрим следующие возможные режимы:
1) ток в секциях двигателя может протекать только в одном направлении;
2) ток в секциях двигателя может изменять направление, но одновременно протекать только в двух секциях при поочередном отключении третьей;
3) ток, протекающий в секциях двигателя,
обеспечивает режимы двигательный,
противовключения, динамического торможения.
В зависимости от величины ошибки (рассогласований в системе) логическое устройство должно выбрать наиболее приемлемый режим работы БДПТ, который позволил бы с максимальным быстродействием минимизировать величину рассогласований и обеспечить требуемое качество процессов, а также на модели визуально оценить действие внешних возмущений на ЭМС с БДПТ с целью их последующей компенсации.
Предлагаемый вариант имеет следующие особенности. Сигналы с чувствительных элементов ДПР1 первого двигателя подаются на ППК2 второго. Аналогично, сигналы с чувствительных элементов ДПР2 второго двигателя подаются на ППК1 первого. Функциональная схема двухдвигательной ЭМС с БДПТ как исполнительными элементами с перекрестными позиционными обратными связями представлена ниже на рис.
Функциональная схема двухдвигательной электромеханической системы с БДПТ с перекрестными позиционными обратными связями
В предложенном варианте ДПР 1 отслеживает перемещение ротора первого двигателя (ЭД1), то есть выходную координату юь подобным образом ДПР 2 контролирует координату ю2 и перемещение ротора второго двигателя (ЭД2) [9].
Для анализа происходящих в предложенной двухдвигательной ЭМС процессов введем следующие обозначения: Wl(p), ”^(р) -
передаточные функции первого (ЭД1) и второго (ЭД2) двигателей соответственно; WК1(p), WК2(p) -передаточные функции полупроводниковых коммутаторов ППК1 и ППК2; WдПР1(p), WдПР2(p) -передаточные функции первого (ДПР1) и второго (ДПР2) датчиков положения ротора; я1(р), я2(р) -управляющие воздействия системы; ^(р), ^(р) -суммарные возмущающие воздействия в первом и втором каналах системы; у1(р), у2(р) - выходные координаты системы, соответствующие в данном случае ю1 и ю2.
Предположим, что возмущающие воздействия в системе равны нулю. Тогда выражения для выходных координат рассматриваемой
двухдвигательной системы можно записать в следующем виде
у ( Р) = ____________Жк1(Р)Ж1(Р )#1(Р)_______________
УАЮ 1 + ЖДПР1 (р)ЖДПР2 (р)ЖК1 (р)Жк2(р)Щ(р)Ж2(р)
_ ЖДПР2 (РЖк 1 (Р)Жк 2 (Р)Ж1 (Р)Ж2 (Р)#2 (Р)
" 1 + ЖДПР1 (РЖдпр2 (Р)Ж 1 (РЖк 2 (Р) Ж (Р) Ж (Р)
У 2( Р) = _
ЖДПР1 (РЖк 1 (Р)Жк 2 (Р)Ж1 (Р)Ж2 (Р)#1 (Р)
1 + Ядпр1 (РЖдпр2 (РЖк 1 (Р)Жк 2 (Р)Я1 (Р)Ж2 (Р)
+
+ Як Ж
1 —
Ядпр1 (РЖдпр2 (Р)Жк1 (РЖк 2 (РЖ (Р)Ж2 (Р)
ДПР2
1 + Ж'ДПР 1 (Р)Ждпр2 (р)Жк 1 (р)Жк 2(Р)^ (Р)Ж2 (Р)
ДПР2
Если оба использованных в системе двигателя идентичны конструктивно и по мощности, то для предложенной системы можем записать:
( ) = Жк (Р)Ж (Р)й( Р) _ ЖД„Р (РЖк '-(Р)ШР) &( Р) ,
у'р 1+( ()Ж (Р)Ж(Р))2 1 + (дпр ()Ж (Р)Ж(Р))2 ’
у( Р) = _ ^ (Р)Жк !(Р)Ж !(Р)й( Р) + Ж (Р)Ж (Р)£,( Р)
2 1 + (дпр()Ж (р)ж(Р))2 ТТЖДПлЖРЖР)) '
Результаты исследования, проведенного на математической модели, свидетельствуют о том, что в условиях рассматриваемой задачи выходная координата электропривода - угловая частота вращения для каждого исполнительного двигателя, будет стремиться к требуемому значению, что аналогично использованию стабилизации. При этом процесс регулирования угловой частоты вращения в рассматриваемой системе начинается при сравнительно небольших отклонениях выходных координат исполнительных двигателей, что также подтверждено исследованием [10,11].
Исследование рабочих параметров АЭП на базе ЭМС с БДПТ, проведенное на математической модели, свидетельствует об уменьшении неравномерности угловой частоты вращения и пульсаций рабочего тока двигателя, что позволяет в пределах периода коммутации считать указанные параметры постоянно изменяющимися.
Литература
1. Карнаухов Н.Ф. Электромеханические и мехатронные системы / Н.Ф. Карнаухов. — Ростов-на-Дону: изд-во «Феникс», 2006. — 320 с.
2. Иванов Г.М. Автоматизированный
многодвигательный электропривод постоянного тока / Г.М. Иванов, Г.М. Левин, В.М. Хуторецкий; Под ред. Г.М. Иванова. — М.: Энергия, 1978. — 160 с.
3. Воронцов Г.В. Оптимальное импульсное управление многомерными электромеханическими системами / Г.В. Воронцов, О.А. Кузина, А.Н. Кабельков // Изв. вузов. Электромеханика. — 1997 . — №3. — С.74-76.
4. Системы оптимального управления
прецизионными электроприводами / А.В. Садовой, Б.В. Сухинин, Ю.В. Сохина. — Киев: ИСИМО, 1996. — 298 с.
5. Филонов И.П. Теория механизмов, машин и манипуляторов. / И.П. Филонов, П.П. Анципорович, В.К. Акулич.— Минск: Дизайн ПРО, 1998. — 656 с.
6. Семенов В. В. Описание, анализ и синтез линейных многомерных систем: Уч. пособие. / В.В. Семенов, А. В. Пантелеев, А. С. Бортаковский. — М.: Изд-во МАИ, 1993. — 68 с.
7. Винокуров С. А. Особенности
функционирования и оптимизации обратных связей в электромеханических системах на базе БДПТ / С.А. Винокуров, В.Е. Букатова // Анализ и проектирование средств роботизации и автоматизации: Сб. науч. тр. — Воронеж: ВГТУ, — 2002. — С. 27-33.
8. Шиянов А.И. Моделирование процессов в
двухдвигательной системе с бесконтактными двигателями постоянного тока / А.И. Шиянов, С.А. Винокуров // Современные проблемы информатизации в технике и технологиях: Труды 5 Международной
электронной науч. конф.— Воронеж: Центрально-
черноземное книжное изд-во, 2000. — С. 69-70.
9. Винокуров С.А. Разработка двухдвигательной электромеханической системы с бесконтактными двигателями постоянного тока / С. А. Винокуров // Анализ и проектирование средств роботизации и автоматизации: Сб. науч. тр. — Воронеж: ВГТУ, — 2001.
— С. 128-132.
10. Винокуров С. А. Двухдвигательная
электромеханическая система на базе БДПТ для транспортного робота / С.А. Винокуров, В.Е. Букатова // Анализ и проектирование средств роботизации и автоматизации: Сб. науч. тр. — Воронеж: ВГТУ, — 2002.
— С. 52-56.
11. Винокуров С.А. Разработка и исследование двухдвигательной электромеханической системы с бесконтактными двигателями постоянного тока / С. А. Винокуров // Вестник ВГТУ: Науч.-техн. журнал. Серия «САПР и системы автоматизации производства». — 2006.
— Т.2. — №3. — Воронеж: ВГТУ. — С. 26-29.
Воронежский государственный технический университет
THE MODEL OF DOUBLE - MOTOR ELECTRICAL DRIVE SYSTEM WITH BRUSHLESS DIRECT CURRENT MOTORS S. А. Vinokurov
Mathematical model of double - motor electrical drive system with brushless direct current motors is suggested. Mathematic dependences of control functions are given; functional scheme of double-motor electromechanical system with brushless direct current motors is investigated
Key words: electrical drive, electromechanical system, brushless direct current motor
