Принцип конструирования механических систем наделением их на стадии конструирования свойством адаптации к первичным и силовым ошибкам, к передаваемому силовому потоку необходимо закладывать ещё на этапе разработки системы управления любого изделия.
Свойство адаптации присуще биосистемам и это свойство есть средство выживания и эволюции биологических систем, оно состоит в приспособлении к изменяющимся внешним условиям. Биосистемы снабжены рецепторами, открыты, обладают множеством степеней свободы и связей, способны к саморазвитию. В проектировании систем управления необходимо придерживаться принципов биологических систем, совершенствуя и сводя их к форме формул и математики.
Современный электропривод представляет собой сложный симбиоз электродвигателя, силового преобразователя тока и системы управления. Характеристики двигателя изменяются в зависимости от условий окружающей среды — меняется сопротивление обмоток статора, электромеханическая характеристика двигателя, в следствие чего меняются и выходные параметры привода. Для построения корректного алгоритма управления необходимо учесть множество факторов таких как: температура окружающей среды, температура обмоток статора, изменение активного сопротивления обмоток статора, температурный дрейф операционных усилителей в цепи измерения тока, скорость ротора двигателя. Чтобы учитывать внешние факторы, необходимо усложнение аппаратной части, что влечёт за собой увеличение габаритов и массы, усложнение прибора в целом, и как следствие уменьшение его надёжности. Следовательно, нужно стремится к максимально стабильной характеристики двигателя во всём рабочем диапазоне температур, но сводить к минимуму учитываемые параметры.
Стабильная моментная характеристика двигателя во всех условиях работы, позволит уменьшить запас прочности в исполнительной конструкции, уменьшить массу. А использование при этом минимального числа учитываемых параметров обеспечит улучшение габаритно-массовых показателей блока управления двигателем и увеличение надёжности. Так же не мало важна устойчивость привода к переменному моменту нагрузки. Для учета всех критериев ещё на этапе разработки, выполняется расчет системы управления. А так же математическое моделирование для анализа полученных данных во всех режимах и условиях работы. Расчёт системы управления и математическое моделирование работы двигателя на начальном этапе разработки привода позволяет надёжно подобрать характеристики двигателя и силового преобразователя под определённую задачу. Что в свою очередь исключает затраты на изготовление излишних макетных образцов и их испытания. Так же сокращается время разработки и изготовления поставочного образца изделия. А время дороже всего…
Правильный расчёт системы управления позволяет на этапе разработки двигателя убедиться в актуальности выполняемых работ и при необходимости внести изменения в проектируемое изделие или его систему управления. А так же отработать все необходимые варианты работы изделия, и разработать алгоритмы адаптации к так или иначе меняющимся внешним факторам.
Области применения бесколлекторных электродвигателей постоянного тока (БКЭПТ) непрерывно увеличиваются. Причинами для этого являются превосходное соотношение массогабаритных характеристик и мощности БКЭПТ, их превосходные характеристики разгона минимум затрат на техническое обслуживание и генерация малых акустических и электрических шумов относительно универсальных (коллекторных) электродвигателей постоянного тока.
Так как бесколлекторные моторы питаются переменным током, для работы им необходим специальный контроллер (регулятор), преобразующий постоянный ток от батарей в переменный. Регуляторы для бесколлекторных двигателей представляют собой программируемое устройство, позволяющее контролировать все жизненно важные параметры двигателя. Они позволяют не только менять обороты и направление работы мотора, но и обеспечивать в зависимости от необходимости плавный или резкий старт, ограничение по максимальному току, функцию «тормоза» и ряд других тонких настроек двигателя.
Производителей бесколлекторных моторов и регуляторов к ним очень много. Конструктивно и по размерам бесколлекторные двигатели тоже сильно различаются. Более того, самостоятельное изготовление бесколлекторных двигателей на основе деталей от CD-приводов и других промышленных бесколлекторных моторов стало весьма распространенным явлением в последнее время. Возможно, именно по этой причине у бесколлекторных двигателей сегодня нет даже такой приблизительной общей классификации как у коллекторных собратьев. На сегодняшний день, коллекторные двигатели в основном используют на недорогих моделях, или моделях начального уровня. Эти двигатели не дороги, просты в эксплуатации, и по-прежнему составляют самый массовый вид электромоторов. Им на смену идут бесколлекторные моторы. Единственным сдерживающим фактором пока остается их цена. Вместе с регулятором бесколлекторный мотор стоит на 30–70 % дороже. Однако, цены на электронику и моторы падают, и постепенное вытеснение коллекторных электромоторов — лишь вопрос времени.
Основные проблемы при разработке электроприводов заключаются в следующем:
‒ Характеристики двигателя изменяются в зависимости от условий окружающей среды. Меняется сопротивление обмоток статора, электромеханическая характеристика двигателя, в следствие чего меняются и выходные параметры агрегата.
‒ Для высоконадежных агрегатов, имеющих в составе бесколлекторные двигатели постоянного тока, необходимо резервирование системы управления. Бесколлекторный двигатель требует более сложную структуру управления. Поэтому повышается число электронных элементов, входящих в изделие, в следствие чего уменьшается надёжность агрегата в целом.
‒ При работе двигателя на больших скоростях имеется достаточно большой скачок создаваемого момента при изменении его знака на противоположный. Что вызывает не линейность характеристики управления, в следствии чего потерю точности стабилизации частоты вращения ротора, и развиваемого момента.
В заключение отмечу, что, несмотря на серьезную аппаратную поддержку методов векторной ШИМ, появившуюся в новейших микроконтроллерах, работы у программистов не уменьшилось. Они по-прежнему должны обеспечить в реальном времени: расчет номера базового сектора и внутрисекторного угла; определение составляющих базовых векторов и перепрограммирование ШИМ-генератора; коррекцию влияния «мертвого» времени и потерь напряжения на силовых ключах; коррекцию изменения напряжения на звене постоянного тока. Перечисленные задачи являются решаемыми, что дает уверенность в возможности быстрой разработки нового поколения перспективных цифровых систем управления приводами.
Литература:
- Справочник. Системы управления с цифровыми регуляторами. В. И. Гостев, Киев, «Техника», 1990 г.
- Теория систем автоматического регулирования. В. А. Бесекерский, Е. П. Попов, Издательство «Наука», Москва, 1975 г.
- Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам. В. Ф. Козаченко.
