CC BY
116
УДК 621. 313. 292
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХДВИГАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С БЕСКОНТАКТНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО РОБОТА С. А. Винокуров
В работе предлагается и исследуется математическая модель двухдвигательной системы электропривода с бесконтактными двигателями постоянного тока для транспортного работа. Приводятся математические зависимости для управляющих функций, исследуется предложенная функциональная схема двухдвигательной электромеханической системы с бесконтактными двигателями постоянного тока
Ключевые слова: бесконтактный двигатель постоянного тока, электропривод, электромеханическая система, транспортный робот
Электропривод ряда общепромышленных механизмов, мехатронных 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]. При разработке и реализации подобных систем соединение валов исполнительных двигателей может быть как абсолютно жестким при использовании муфты, так и посредством зубчатой передачи с передаточным отношением между валами двигателей, равным единице.
Как отмечается в ряде исследований, посвященных вопросам разработки двух- и многодвигательных систем электропривода (ЭП), в качестве основных трудностей при синтезе и реализации подобных систем являются требование обеспечения синхронизации частот вращения исполнительных двигателей, а также минимизация нестабильности угловых частот вращения [3,4,5]. В этой связи двигатели, используемые в качестве исполнительных элементов двухдвигательных ЭП, работающие на одну нагрузку или выполняющие одну программу перемещения, чаще всего должны выбираться с равными частотами вращения, одинаковой мощности и одного типа [2,6].
Вместе с тем, как отмечается в ряде работ, например, в [1,2,6], при работе двух и более двигателей на общий вал достаточно часто возникает проблема точного распределения между ними нагрузок. При использовании однотипных двигателей это 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 ЭП у двигателей одного и того же типа, одинаковой мощности и конструктивного исполнения механические характеристики могут отличаться вследствие различных величин активного
Винокуров Станислав Анатольевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, stvinokurov@rambler.ru
сопротивления, обусловленного неодинаковой длиной активных проводников, некоторого неравенства воздушных зазоров и т. п.
Активное внедрение и применение двухдвигательных ЭП 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 случаев ведет к возникновению механических колебаний в объекте регулирования и, как следствие, к увеличению нагрузки на ЭП 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 ЭП 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 [7,8,9].
Ранее нами было показано, что в ЭМС с БДПТ при ограниченном доступе к исполнительному элементу и случайных возмущающих воздействиях качество рабочих процессов можно контролировать
при использовании физической модели, мощность которой составит единицы ватт. Данная модель будет работать синхронно с основной, визуально копируя происходящие в оригинале процессы, а также формировать дополнительные воздействия на управляющие функции основного исполнительного элемента системы [10,11].
Создание данной модели предлагается при использовании перекрестных обратных связей, что для ЭМС с БДПТ, в отличие от других систем, возможно осуществить, учитывая их специфические конструктивные особенности через датчик положения ротора (ДПР) [11]. В этом случае чувствительные элементы ДПР модели формируют сигналы о положении ротора в пространстве, используемые в дальнейшем для управления объектом. При этом сигналы с чувствительных элементов ДПР объекта управления несут информацию о реальном положении ротора, которая отрабатывается моделью.
Для БДПТ, имеющего две пары полюсов (р=2) и три фазы (т=3), число перекрестных обратных связей составит 2тр=12. Сигналы обратных связей могут приходить импульсно при отработке угла ф0 и выполнении следующих условий [10]: для объекта управления х 2
ш
объекта
(Х)дХ;
для модели
х 4
ш
модели
(Х)дХ.
х 3
Следует заметить, что чем меньше будет
разность АХ = (Х2 — Х1) — (г4 — Х3) , тем выше
вероятность, что частоты вращения
исполнительного элемента и модели повторяют друг друга. При достижении условий: Х1=Х3; Х2=Х4; Дг=0 модель практически полностью и с максимальной достоверностью воспроизведет процессы объекта. Введение в модель
дополнительной, даже ручной коррекции, приведет к изменению моментов переключений, воздействуя на моменты переключения тока в рабочих секциях БДПТ, изменив сигнал обратной связи и частоту вращения. Заметим также, что если при
синхронизации системы осуществляется квантование по времени и по уровню, то при использовании перекрестных обратных связей происходит логическое квантование сигнала по уровню.
Системы, реализованные на данном принципе, могут выполнять роль электрического вала, а также усилителя мощности с практически неограниченным коэффициентом механических усилий, приложенных к валу модели. При этом важной особенностью данного принципа построения системы электрического вала на базе БДПТ, используемого в качестве исполнительных элементов, является то, что синхронная связь реализуется непосредственно между основными
двигателями без введения вспомогательных уравнивающих машин. Вполне очевидно, что стоимость данной установки будет значительно ниже аналогичной при использовании уравнивающих электродвигателей. При этом заметим, что системы электрического вала на базе БДПТ как более надежные могут найти широкое применение как в мехатронике и робототехнике, так в металлургической и обрабатывающей промышленности, а также в различных устройствах военного и специального назначения. Важной особенностью подобной системы является также то, что при значительном уровне повышения функциональной надежности для обеспечения перекрестных обратных связей не требуются дополнительные датчики, значительно
повышающие стоимость ЭМС. Слаботочные системы управления как модели, так и объекта регулирования, являются практически
идентичными. В этом случае условие синхронности и синфазности работы исполнительных элементов двухдвигательной ЭМС на базе БДПТ выполняется. Настройка систем может производиться за счет пространственного смещения чувствительных
элементов ДПР объекта и модели.
Применение многокоординатных ЭМС с
БДПТ в автономных транспортных роботах при оптимизации процесса энергопотребления представляет в настоящее время большой интерес. Транспортные роботы, питаемые от
аккумуляторных батарей, считаются наиболее
маневренными и нашли широкое применение. Основными их характеристиками являются грузоподъемность, скорость движения, габаритные размеры и маневренность, определяемая минимальным радиусом кривизны трассы,
необходимой для реверса робота.
Применение многокоординатных ЭМС с
БДПТ позволяет также осуществить управление движением робота по разности скоростей ведущих колес. При предъявлении требований к постоянству линейной скорости необходимо добиться синхронности и синфазности вращения каждой из пар правого и левого ведущих колес («1 = и2 = и0; Ф1 = ф2). Для обеспечения поворота робота по окружности радиуса г необходимо, например, чтобы и!>и2. Тогда запишем [10,11]:
и, =
>(2 г + г0 ) „ =и 0 (2 Г — Г0 )
? и л — :
2 г 2 г
где г0 - расстояние между правым и левым ведущими колесами.
При выполнении этого условия средняя скорость останется постоянной и будет равна и0.
Применение многокоординатного ЭП, в качестве исполнительных элементов которого используются БДПТ, открывает большие возможности в формировании управляющей функции для режимов линейного перемещения, поворотов на определенный угол, а также реверса.
и
Используя генератор синхронизированной частоты / = &-и0 для питания чувствительных элементов как первого, так и второго ДПР, можно обеспечить стабилизацию (синхронизацию) частоты вращения двигателя и задающего генератора. Подсчет импульсов (с использованием соответствующего счетчика) позволит одновременно осуществить процесс наблюдения за перемещением транспортного робота. Его поворот в этом случае возможен при изменении частот синхронизации, формируемых в системе управления и подаваемых на чувствительные элементы каждого ДПР. Из приведенной выше зависимости следует, что если на одно из ведущих колес подавать частоту
/ = к • О!,
а на другое
/ = к • и2 при и1^и2,
то будет осуществляться поворот транспортного робота на рабочей площадке. При этом радиус поворота зависит от разности частот, а угол поворота - от количества импульсов или времени, в течение которого выполняется неравенство и1^и2. Контроль за поведением транспортного робота и его параметрами в этом случае может быть реализован при использовании дополнительного счетчика импульсов или микропроцессора. Функциональная схема для данной системы представлена на рис. 1.
На рис. 1 использованы следующие
обозначения: СУ ЭМС - система управления ЭМС, УР - устройство реверса, ГУС - генератор управляющих сигналов, ППК -
полупроводниковый коммутатор, ДПР - датчик положения ротора, ЭД - электродвигатель.
Рис. 1. Функциональная схема двухдвигательной электромеханической системы с БДПТ для транспортного робота
Применение многокоординатной ЭМС в автономных транспортных роботах позволит расширить функции движения, что практически не приведет к значительному увеличению энергозатрат, так как дополнительные элементы (генераторы и логические устройства) будут включены в слаботочную цепь системы управления. Потребляемая мощность системы, в основном, определяется не количеством двигателей, а их суммарной нагрузкой. Раздельное управление многодвигательным ЭП при этом открывает дополнительные возможности перемещению транспортного робота даже по пересеченной местности при наличии датчиков параметров движения и окружающей местности. Учет потерь или потребления электроэнергии в системе с автономным источником питания позволит более экономично осуществлять
управление двигателями. Следствие этого -возможность выбора двигателя меньшей мощности по сравнению с системами предельного быстродействия, двигатели которых имеют большую инерционность, приводящую к снижению быстродействия и чувствительности системы.
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 принципов и устройств стабилизации. Результаты моделирования угловых частот вращения исполнительных двигателей для предложенной системы приведены на рис. 2.
Рис. 2. Графики угловых частот вращения двухдвигательного ЭП с БДПТ
Приведенные выше графические зависимости получены для одного периода коммутации исполнительных двигателей.
Процесс регулирования угловой частоты вращения в рассматриваемой системе начинается при сравнительно небольших отклонениях выходных координат исполнительных двигателей, что также подтверждено исследованием [11,12].
Исследование рабочих параметров двухдвигательного ЭП 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. Применение
многокоординатных электроприводов с бесконтактным двигателем постоянного тока в транспортных роботах / С.А. Винокуров // Автоматизация и роботизация технологических процессов: Материалы региональной науч.- техн. конф. — Воронеж: ВГТУ, 2000. - С. 80-82.
12. 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
DEVELOPMENT AND INVESTIGATION OF DOUBLE - MOTOR ELECTRICAL DRIVE SYSTEM WITH BRUSHLESS DIRECT CURRENT MOTORS FOR TRANSPORT ROBOT S. A. Vinokurov
Mathematical model of double - motor electrical drive system with brushless direct current motors for transport robot 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: brushless direct current motor, electrical drive, electromechanical system, transport robot
