Автореферат (Автоматизированный синтез цифровых алгоритмов импульсного управления исполнительным механизмом привода с трёхфазным вентильным двигателем)

3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. Повышение эффективности использования потребляемой энергии является одной из основных тенденций развития современных приводных систем и сложных электротехнических комплексов, чтосвязано с такими потребностями, как увеличение продолжительности работыавтономных устройств, сокращение рассеиваемой мощности и снижение массовых и габаритных показателей.

Основное преобразование энергии в электрическом приводе происходит в его исполнительном механизме (им), где всёчаще применяются трёхфазные вентильные двигатели (вд) вследствие целого ряда технических и эксплуатационных преимуществ перед коллекторнымидвигателями постоянного тока и асинхронными двигателями. На сегодняшний день среди методов управления им с трёхфазными вд одно из лидирующих положений прочно удерживает импульсный метод, что обусловлено высоким коэффициентом полезного действия (кпд) современных силовых ключей, работающих в режиме переключения. В последнее время подобные имв совокупности с датчиками обратной связи (дос) и цифровым устройствомуправления (цуу) часто рассматривают как единый функциональный блок,называемый мехатронным модулем (мм). В этом случае на цуу мм возлагается задача по организации процесса коммутации ключевых элементов (кэ)импульсного усилителя мощности (иум) в соответствии с заданным алгоритмом импульсного управления.Работы по созданию и исследованию энергетически эффективных алгоритмов импульсного управления на основе векторной широтно-импульсноймодуляции (вшим) ведутся на протяжении двух последних десятилетий.Большинство как зарубежных, так и отечественных работ в данной области направлено на анализ спектрального состава фазных токов и напряжений, сокращение коммутационных потерь мощности в кэ иум и расширениедиапазона регулирования скорости.

Однако, зависимости статических, динамических и энергетических характеристик им с трёхфазным вд от способа вшим, как правило, остаются за рамками проводимых исследований, чтосущественно затрудняет выбор приемлемого цифрового алгоритма для тойили иной задачи управления.Учитывая практически неограниченное количество возможных вариантов алгоритмов импульсного управления на основе вшим, развитие автоматизированных подходов к проектированию цуу и исследованию мм с им на базетрёхфазного вд являются актуальными задачами, решение которых позволитне только улучшить показатели приводных систем, но и сократить временныезатраты на их проектирование.Целью работы является разработка метода синтеза цифровых алгоритмов импульсного управления им привода с трёхфазным вд на основе вшим, позволяющего автоматизировать получение математического описания цуу мм, а также статических, динамических и энергетических характеристик им привода.4Для достижения указанной цели в диссертационной работе необходимобыло поставить и решить следующие задачи:1.

Сделать обзор существующих цифровых алгоритмов импульсногоуправления на основе вшим, выполнить их систематизацию и определить возможные направления для разработки новых алгоритмов, которые позволятулучшить статические, динамические и энергетические характеристики импривода с трёхфазными вд.2. Разработать автоматизированный подход к получению математического описания управляющих булевых функций (убф) для произвольного алгоритма импульсного управления на основе вшим и применить его для описания цифровых алгоритмов.3.

Разработать компьютерную модель мм c трёхфазным вд, позволяющую исследовать информационные и энергетические процессы при произвольном алгоритме импульсного управления на основе вшим.4. Разработать программный комплекс на основе компьютерной модели мм, позволяющий автоматизировать этапы расчёта и построение статических, динамических и энергетических характеристик, а также эпюр цифровых сигналов, фазных токов и напряжений.5. Провести исследование физических процессов, протекающих в мм;определить статические, динамические и энергетические характеристики мм;выявить влияние схемы соединения фаз вд и частоты вшим на указанныехарактеристики, а также выработать рекомендации по применению соответствующих цифровых алгоритмов импульсного управления.6.

Выполнить экспериментальные исследования лабораторного макета мм для подтверждения соответствия разработанной модели мм реальному устройству.Методы исследования основаны на теории логического управления электрическими двигателями, законах булевой алгебры, формальных правилах λ-исчисления, методах императивного, функциональногои объектно-ориентированного программирования, компьютерном моделировании с применением численных методов интегрирования дифференциальноалгебраических уравнений и анализе экспериментальных данных.Научная новизна работы состоит в следующем:– разработан метод синтеза цифровых алгоритмов импульсного управления им привода с трёхфазным вд, который позволяет автоматизироватьформирование математического описания цуу и получение статических, динамических и энергетических характеристик им при вшим;– предложена классификация алгоритмов импульсного управления, основанная на количестве рабочих стоек иум, используемых для подключенияфаз двигателя к источнику питания (ип), и позволяющая систематизироватьспособы вшим;– разработан автоматизированный подход к получению математическогоописания убф, который основан на формализации условий переключения кэна периоде вшим и применении систем компьютерной математики и позволя-5ет получить математическое описание произвольного алгоритма импульсногоуправления на основе вшим;– получено математическое описание цуу мм, реализующего быстродействующие цифровые алгоритмы импульсного управления им на основе вшим;– предложена методика определения дополнительных потерь мощностив трёхфазном вд при импульсном управлении с применением вшим;– выявлены зависимости характеристик им привода с трёхфазным вдот метода вшим и её частоты, позволяющие рекомендовать соответствующий алгоритм импульсного управления и частоту вшим для рассматриваемой задачи.Практическая значимость полученных результатов для теориии практики заключается в следующем:– на языке Mathematica разработан модуль, который позволяет автоматизировать синтез убф, реализующих алгоритмы вшим;– в системе MATLAB-Simulink разработано программное обеспечение,позволяющее автоматизировать основные этапы моделирования работы ммпри исследовании влияния начальных условий, внутренних параметров мм,внешних воздействий и различных алгоритмов вшим на статические, динамические и энергетические характеристики им;– в системе моделирования Simulink разработан блок цуу мм, которыйможет быть использован при моделировании мм в случае применения алгоритмов двухстоечной, трёхстоечной и комбинированной вшим;– осуществлена программная реализация блока формирования логических переменных (лп) для двухстоечной, трёхстоечной и комбинированной вшим в виде написанных на языке C функций, которые могут бытьиспользованы при моделировании мм или быть взяты за основу при программировании устройства;– на языке C++ с использованием инструментария Qt разработано приложение, позволяющее автоматизировать формирование различных последовательностей управляющих сигналов и их передачу на вход цуу мм при проведении экспериментальных исследований.Достоверность результатов.

Обоснованность научных положений,выводов и рекомендаций обусловлена корректностью использования законов булевой алгебры, методов численного решения систем дифференциальноалгебраических уравнений, современных систем компьютерной математикиMathematica и MATLAB, среды моделирования сложных динамических систем Simulink с пакетом расширения SimPowerSystems и подтверждена экспериментальными исследованиями лабораторного макета мм, проведённымив лаборатории кафедры  («Системы приводов авиационно-космичеcкойтехники») МАИ.Внедрение результатов. Результаты работы нашли применение:– в научно-исследовательской работе «Разработка модели мехатронногомодуля на основе трёхфазного бесконтактного двигателя постоянного тока»,выполнявшейся в МАИ в – гг.

(тема № -);6– в научно-исследовательской работе «Параметрический синтез электромеханических исполнительных механизмов повышенной энергоэффективности, построенных по принципу силовых миниприводов, с минимизацией массогабаритных показателей для приводов ракет нового поколения», выполняющаяся в рамках федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» за  г.;– при проектировании привода воздуходувки аппарата искусственной вентиляции лёгких нового поколения, разрабатываемом фирмойООО «ФакторМедТехника»;– в учебном процессе кафедры  («Системы приводов авиационнокосмической техники») МАИ.Апробация работы.

Основные теоретические положения, развитыев диссертационной работе, были апробированы на следующих научнотехнических конференциях, семинарах и форумах:– vii-я ежегодная международная научно-техническая конференция«Компьютерное моделирование », Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, – июня  г.;– Всероссийская научно-техническая конференция «Мехатронные системы (теория и проектирование)», Тульский государственный университет,– декабря  г.;– xvii-й Международный научно-технический семинар «Современныетехнологии в задачах управления, автоматики и обработки информации»,г. Алушта, сентябрь  г.;– viii-я Всероссийская юбилейная научно-техническая конференция«Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов», Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), – июня  г.;– -я научно-техническая конференция «Мехатроника, автоматизация, управление» (МАУ-2010), ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»,г.

Санкт-Петербург, – октября  г.;– ii-й межотраслевой молодёжный научно-технический форум «Молодёжь и будущее авиации и космонавтики », г. Москва,  декабря  г.;– Вторая всероссийская научно-техническая конференция «Мехатронные системы (теория и проектирование)», Тульский государственный университет,  ноября  г.Публикации. Основные материалы диссертации изложены в патенте Российской Федерации на изобретение и опубликованы в  работах, трииз которых — в изданиях, рецензируемых Высшей аттестационной комиссией.Структура и объём работы. Диссертация выполнена в объёме  стр.основного текста, в том числе  рис.,  табл., список используемых источников, насчитывающий  наименований, и четырёх приложений на  стр.7СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы, сформулированы цельи задачи диссертационной работы, приведены сведения об апробации, публикациях и внедрении результатов диссертационной работы, а также представлена её структура и краткое содержание глав.Объектом исследования в диссертационной работе является мм цифрового электропривода (цэп) с им на основе трёхфазного вд, управляемого посредством импульсного метода с цифровой реализацией алгоритмов вшим.Структура цэп и состав мм приведены на рис.