Лекция №14.1. Электромеханические рулевые приводы (Лекции по дисциплине "Динамическое проектирование систем стабилизации летательных аппаратов")

Электромеханические рулевые приводыЭлектродвигатель постоянного токаПредставим электрический двигатель постоянного тока в видеэквивалентной электрической схемы:где: R ДВ  RЯ - активное сопротивление обмотки якоря двигателя;L ДВ  LЯ - индуктивное сопротивление обмотки якорядвигателя;U ДВ - напряжение питания двигателя;E ДВ  С Е  ДВ  U ДВ - противо-ЭДС двигателя;CE - коэффициент противо-ЭДС двигателя; ДВ - скорость вращения ротора двигателя.Момент, развиваемый двигателем будет равен:M ДВ  С M I Я ,где: СМ - коэффициент момента, развиваемого двигателем;I Я - ток, протекающий через витки обмотки двигателя.CМ  С ЕЗапишем уравнения движения:1.

Уравнение равновесия напряжения на обмотке якоряидеализированногодвигателя(безучетанасыщениямагнитопровода и переменности контактов щеток и пластинколлектора):U ДВ  I Я RЯ  LЯ2.dI Я CE  ДВdtУравнение моментов:M ДВ  CM I Я  I ДВd ДВ MHdtПоложим, что LЯ  0 и М Н  0 . Тогда:U ДВ M ДВR I d ДВRЯ  C E  ДВ  Я ДВ СЕ  ДВCMCMdtРазделим все выражение на С Е :U ДВCEУчтя, что  ДВ R Я I ДВ d ДВCM CEdt  ДВ .d ДВи перейдя к преобразованиям Лапласаdtполучим в операторной форме передаточную функциюэлектрического двигателя постоянного тока: ДВ ( p )1W ДПТ ( p ) ,U ДВ ( p)где:ТМ RЯ I ДВCM C E-C E р(TM p  1)электромеханическаяпостояннаявременидвигателя.1 / RЯCM1 / I ДВ1/ pCEСтруктурная схема электродвигателя постоянного токаС учетом индуктивного сопротивления обмотки якоря двигателяструктурная схема преобразуется к следующему виду:CM1 / RЯ1 / I ДВ1/ pLЯ рCEСтруктурная схема электродвигателя постоянного тока с учетоминдуктивного сопротивления обмотки якоря двигателя11RЯWЯ ( p ) ,L1  Я p RЯ (TЯ p  1)RЯилигде: Т ДВ ДВ ( p)11,22 2U ДВ ( p ) C E p (TM TЯ p  TM p  1) С Е р(Т ДВ р  2Т ДВ ДВ р  1)ТМ Т М Т Я и  ДВ 2 ТМТ ЯW ДПТ ( p) Перейдем к электромеханическому рулевому приводу:ПД – задающий потенциометр;  В - задающее положениевходного вала; ПУ – предварительный усилитель (усилительрассогласования); УМ – усилитель мощности; ИД –исполнительный двигатель постоянного тока; q - передаточноечисло редуктора; ПП – потенциометр приемника (датчик обратнойсвязи);C- положение выходного вала привода.Статические характеристики рулевогоприводаРегулировочнаяМеханическаяУравнения движения- уравнение рассогласования:U ( p)  U ВХ ( p)  U OC ( p) ,- уравнение усилителя рассогласования:U ВЫХ ( p)  k уU ( p),- уравнение обратной связи:U OC ( p)  kOC qС ( p) ,- уравнение усилителя мощности запишем при допущении,что усилитель безынерционен и Tу  0 :I Я ( p)  kУМ U ВЫХ ( p) или WУ ( p) U ВЫХ ( p) kУМI Я ( p)- уравнение равновесия напряжения на обмотке якоряидеализированного двигателя:dIU ДВ  I Я RЯ  LЯ Я  C E  ДВdt- уравнение моментов:d ДВM ДВ  CM I Я  I ДВ MHdtКУ КУММ H  М И  М ВТ  М Шd 2CdC IHk C ШCВТdt 2dtили перейдя к операторной форме:C M qI Я ( p )  [( I H  I ДВ q 2 ) p 2  k ВТ p  C Ш )C ( p)I   I H  I ДВ q 2 ДВКУ КУМ1 1LЯ sC1Js1sCСтруктурная схема линейной модели электромеханическогорулевого привода с двигателем постоянного токаНекоторые замечания:1.

Постоянная времени TЯ эквивалентна газовой илиТ г , обусловленнойгидравлическойпостояннойвременисжимаемостью жидкости или газа.2. Передаточное число редуктора qэквивалентномеханической передаче R в приводах поступательного действия.3.КоэффициентымоментаCMипротиво-ЭДСCEэквиваленты площади поршня An гидравлического или газовогоцилиндра.4. В гидравлическом или газовом приводе массу штокацилиндра по сравнению с нагрузкой можно не учитывать, т.к.

она2пренебрежимо мала mR  I P . В электроприводе ситуацияпринципиально иная, т.к. двигателю необходимо преодолевать нетолько момент инерции нагрузки, но и собственный моментинерции, который умножается на квадрат передаточного числа2редуктора: I   I H  I ДВ q , что приводит к необходимости«таскать самого себя».Сравнение статических и динамическиххарактеристик гидравлического, газового иэлектрического рулевого приводаМеханические характеристики рулевыхприводовЭлектрогидравлическогоГазовогоЖесткость механической характеристики наибольшая уэлектромеханического рулевого привода, наименьшая – у газовогопривода, коэффициент K GP  G которого наибольший.PЭлектромеханическогоВ гидравлическом приводе жидкость, являющаяся рабочимтелом, обладает смазывающими свойствами, поэтому в трущихсячастях гиропривода силы и моменты «сухого трения» малы и имиможно пренебречь.

Сжимаемость газа также гораздо больше, чемгидравлики, поэтому постоянная времени Tгаз  Tг  TЯ , аиндуктивностью обмоток управления электродвигателя можнопренебречь.Сжатый воздух или любой иной сухой газ не обладаетсмазывающими свойствами. Этим фактором объясняетсяприсутствие в газовых приводах существенных сил трения безсмазывающего материала.Структурные схемы линейной модели рулевыхприводовХ&пК ус  К эгу  K QxТ эгу s  12E 1Aп  Н sЭлектрогидравлического1Js&1sХ& ШRUвхkуkЭkG2Э2 RT 0 1V s2T p  2ЭTЭ p 11JsРFАп R1sКвтKGPCшКосХшRГазового ДВC1 1LЯ sКУ КУМ1Js1sCЭлектромеханическогоДинамические свойства всех рулевых приводов описываютсяодинаковыми дифференциальными уравнениями и структурнымисхемами, однако, с разными коэффициентами.

Отличия вуправляющей части, которая в электромеханических рулевыхприводах практически не имеет запаздывания: WУ  KУ KУМ ; вэлектрогидравлическихрулевыхприводахWУ КУ К ЭГУТ ЭГУ р  1запаздывание описывается апериодическим звеном, постояннаявремени которого ТЭГУ может быть гибко изменена посредствомкоэффициента усиления электронного усилителя; в газовомКУ К ЭМПприводе – колебательным звеном WУ  2.2ТЭМПр  2 ЭМПТ ЭМП р  1А также в значении постоянной времени, обусловленнойсжимаемостью газа или гидравлической жидкости илииндуктивности обмоток электродвигателя. Tгаз  Tг  TЯ . Лучшим сточки зрения работы на высоко инерционную нагрузку являетсягидравлический привод, имеющий наименьшее запаздывание нафиксированной частоте, как это показано на частотныххарактеристиках и переходных процессах.

Наихудшим – газовыйпривод вследствие высокой сжимаемости имеющий наименьшийдекремент затухания и наибольшее запаздывание.Это приводит к тому, что в качестве рулевого привода дляуправленияманевреннымисамолетамиприменяетсяисключительно электрогидравлический рулевой привод.Переходные процессы рулевых приводовпри работе на инерционную нагрузкуОценка влияния сжимаемости рабочего телана частотные характеристики приводаСравнительные амплитудно-фазочастотныехарактеристики рулевых приводовРазомкнутыеЗамкнутые.