Моделирование двигателя постоянного тока с широтно-импульсным преобразователем Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.313.2:004 438

Р.Н. Хамитов, R.N. Khamitov, e-mail: [email protected] Л.Ю. Салюхвалова, A.Yu. Samokhvalova, e-mail: [email protected] Омсиш государственный технический университет. г Омск. Россия. Omsk State Technical University, Omsk, Russia

МОДЕ ЛИР OB АННЕ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ШИРОГНО ИМПУЛЬСНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ

MODELING DC MOTORS ШГН PWM CONVERTER

В статье рассмотрен подход к созданию элекгрофнпнрованного беспилотного летательного аппарата на базе электродвигателя. Проведено имитационное моделирование двигателя постоянного тока, моделирование шнротно-импульсного преобразователя для двигателей постоянного тока с нелинейной нагрузкой в пакете программы MATLAB. с использованием библиотеки SimPowerSystems пакетного расширения Simulink.

The article describes the approach to create electrified unmanned aerial vehicle based on the motor. Conducted simulations of the DC motor, modeling PWM converter DC motor with nonlinear load in the program package MATLAB, using a library of SrmPowerSy sterns batch expansion Simulink.

Ключевые слова: беспилотные шпательные аппараты, моделирование, двигатель постоянного тока, широтно-импулъсныи преобразователь, гииропию-штуюсная модуляция, нелинейная нагрузка

Keywords: unmanned aerial vehicles, modeling, DC motor, a pulse-width converter, pulse width modulation, nonlinear load

Широкое использование беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в различных областях возможно для следующих целей:

• мониторинга (электростанций (АЭС), сельского хозяйства, электросетей (ЛЭП), земельных, лесных и водных ресурсов, нефтегазопроводов, дорог, ЭД линий и др.);

• чрезвычайных ситуаций (поиска людей, спасательных операций, предупреждения населения при ЧС, лесных пожарах, наводнении и пр.);

• науки (исследование трудно до ступных человеку земель, испытания оборудования

и т.п.);

• безопасности (охрана государственных Гранин, охрана и обнаружение объектов и людей);

• аэрофотосъемки (геодезических работ, картографических работ, авиаучетов).

385

В качестве двигателей на БПЛА применяют специализированные турбореактивные, поршневые, турбовинтовые, туро овальные.. двухконтурные двигатели, различных нсполне-

Мы предполагаем, что для беспилогников также возможно использование модифицированных электрических двигателей. Путем расчетов можно получить параметры, подходящие для требуемого типа БПЛА. Используя современные материалы, более легковесные и дорогостоящие, можно добиться уменьшения массогабаритных и электрических параметров двигателя.

Рассмотрим вариант использования для БПЛА двигателя постоянного тока (ДГГГ). К достоинствам ДПТ можно отнести простоту устройства и управления, практически линейные механические и регулировочные характеристики двигателя, простоту регулирования частоты вращения, так как ДПТ являются обратимыми машинами появляется возможность использования их как в двигательном, так и в генераторном режимах. Принцип действия двигателей постоянного тока основан на взаимодействии внешнего магнитного поля с током якоря.

Рассчитав параметры ДПТ, подходящие для БПЛА, мы моделируем его в пакете программ MatLab, с использованием библиотеки SimPoweSystems пакетного расширения Suii-ulink. MATLAB - это высокоуровневый язык технических расчетов, интерактивная среда разработки алгоритмов и современный инструмент анализа данных. MATLAB по сравнению с традиционными языками программирования (С/С—h Java, Pascal, FORTRAN) позволяет на порядок сократить время решения типовых 'задач и значительно упрощает разработку новых алгоритмов Типичное использование MATLAB - это математические вычисления, создание алгоритмов, моделирование, анализ данных, исследования и визуализапня, научная и инженерная графика, разработка приложений, включая создание графического интерфейса.

Модель машины постоянного тока (двигателя) находится в библиотеке 5iw.Poiner5V.r-tems в разделе Machines. Изображение двигателя постоянного тока представлено на рис. 1.

Выводы Р-+ и Г- служат для подктючения напряжения возбуждения дтя создания магнитного потока в машине. Выводы А+ и А- используются для подктючения обмотки якоря на силовой источник питания. Активная нагрузка на двигатель вводится через виртуальный вход 7Х. Выходные параметры двигателя: частота вращения £У, ток обмотки якоря /л, ток возбуждения 1/3. электромагнитный момент М формируются на мультиплексорной шине т. Чтобы получить доступ к выходным параметрам, необходимо использовать демульгип-лехсор на четыре выхода и соединить его вход с точкой т. Тогда на первом (верхнем) выходе действует частота вращения [рад'с]. на втором - ток обмотки якоря [А], на третьем - ток возбуждения [А] и на четвёртом - электромагнитный момент двигателя [Нм] (Рис. 5).

Ввод параметров двигателя осуществляется через диалоговое окно (графический интерфейс), которое открывается двойным щелчком по изображению двигателя в схеме модели (рис. 3). В ЗтшИпк имеется небольшая библиотека двигателей постоянного тока в виде 23 вариантов

□

--—t^feJLf—^

□

DC Machine

Рнс. 1. Условное изображение двигателя постоянного тока в SiniPowerS"vst«TLi

3S6

Следует отметить, что редактирование вводимых параметров (изменение числовых значений) возможно только тогда, когда в строке Preset model (рис. 3) будет выбрана процедура No . [1]

Имитапнонное моделирование машины постоянного тока проводится с использованием библиотеки SmiPowerSystems пакетного расширения Siimilink. Данная имитационная модель приведена на рис. 4.

сс гтчкш :пч!1, ii г*:-

Injshnwft 1 {woni-feU и- ртпг^ naj-nijCC ludn Fiy- н* нщнм ГС mertwi!, f-dtatW it. tr- rr*i гатвсНэт » N. tie mad*« ccr t* i.r-rd m i npntalp anted JirtiiiiiiMт-jnfenmtM DCn*l~*e

ОаКЦнизп | f

AJrercHl

.'лпЛп ri

а пмиг lr.ii -jt! 1

I [fr Д ОДР]

Г № ivkrJXLH JC lil/Jju: Irf'i'JuriJ LT HJ 1 |[КЛ2Л|

Fi+i-Sf-bftja «шин гагата Lar н :

□лиг

"VKJ J foNTZf

foe

Ч4К1Я f СЙ*| OX-Г.: .у. I tsr, Ijl, Л

Ссмопь HB-i Tf /Ц m

5

5

I о И 11 i

Phc. 3. Диалоговое окно ввода параметров двигателя

nt Me^urwient

"DC Voltage Soun

RMS Mfcaiursnisrit

10D |

Z9 HZ |

il—ц— п,-A-Hl dt Я—A-FnMirF-

DC Machine

н 1 1

1 >

20.321

Phc. 4. Имитационная модель двигателя

В состав модели входят следующие блоки:

• источники постоянного напряжения дтя питанпя обмотки возбуждения и якорной обмотки - DC: Voltage Source из библиотеки SunPowertystems Electrical Sources:

• машина постоянного тока DC: Machine из библиотеки SunPowerSystetm Machines;

• блок Constant для задания нагрузки на валу двигателя из библиотеки Smi-ulink'Sources.;

• приборы для и змерения переменных состояний машины.[2]

Для регулирования работы подаваемую на двигатель нагрузку запишем в качестве нелинейного уравнения. Полученная зависимость M=f(ta) подчиняется частоте врашения, показания которой снимаются на выходе схемы.

М

Рис. 5. Выходные характеристики двигателя, при имитационном моделировании

Рнс. 6. Схема модели двигателя постоянного тока с широтно-импульсныу преобразователем

Преобразовываем имитационную модель двигателя постоянного тока в модель ДПТ с широгно-импульсным преобразователем (ШИП) (рис. 6). Питание ШИП осуществляется от исто1пшка постоянного тока.

В основной состав схемы входит ШИП для управления двигателями постоянного тока. Имеется несколько гипов приборов силовой электроники, каждый из которых занимает свои области наиболее целесообразного применения. Более перспективными приборами силовой электроники являются MOSFET и IGBT для схем преобразователей мощностью от единиц ватт до единиц мегаватт. [1]

Основ ными блоками, определяющими ШИП, являются Discrete PWM Generator и Universal Bridg. Управление преобразователем осуществляется блоком Discrete PWM Gen-eiator, который находится в библиотеке Simulink, представляюпшй пшрогно-импульсный модулятор (ШИМ)

В блоке Universal Bridge реализованы силовые транзисторные ключи, необходимое количество ключей и тип транзистора определяется настройкой блока (рис. 7). [3]

"НМИЯВ^ Ij-frrcd bdp (mafc) Ilrt-I

TMLIö г'1<1 hinh-1'г ¿ и at ä-MlUi] ржи i-k«:i м í; PCй-иял LILUS A; tai'öccöd л^Jbl«tíiyU ifceCB РГР5Р i+^i inr njpM m.ww ratas 'iWi tíw rr dúKj Ю l>fil«-¡ EftOjC] til Kt CrSf.j шш iwuh atóte rf

Setter COhrra)

-nttw opcfro Cs (£)

Dlena

Fcwor Efaoranc darioa Kfif fOoóa V

fian íütin-is;.

tovmlnnajaa 1 Owits \f.y\.. DíiV '.»Vi]

[ imi.lts! ]

hVflS.lpnínl! rtfP -

[ С* II ■j-ci II M*. [ ГЧ*1>

Рнс. 7. Настройка диалогового окна блока Universal Bridge

Таким образом, ШИП позволяет регулировать напряжение на якоре двигателя. Характеристики, полученные в процессе моделирования, представлены на Рис. 8. Для ДПТ возможно задание нелинейной характеристики нагрузки двигателя, а использование широтно-импульсного преобразователя дает возможность регулирования напряжения на якоре.

Рис. 8. Результаты моделирования работы ШИП для управления двигателем постоянного тока

Данные регулировочные возможности ДГТГ позволяют применить его в составе силовой установки БПЛА, для чего необходимы детальные исследования.

Библиографический список

1 Терёхин, В Б. Моделирование систем электропривода в Simuluik (Matkb 7.0.1): учебное пособие / В_Б_ Терёхин. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. - 320 с.

2. Черных, И.В. Моделирование электротехнических устройств в Matlab. SimPowerSystems, Simulink - М : ДМК Пресс, 2008.-288 с.

3. Герман-Галкин С.Г. Matlab&Simulint Проектирование мехатронных систем на ПК. - Санкт-Петербург : Изд-во КОРОНА-Век, 2008. - 368 с.