Система управления движением роботизированного подвижного модуля с использованием емкостных накопителей энергии

УДК 629.114.2

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ РОБОТИЗИРОВАННОГО ПОДВИЖНОГО МОДУЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЕМКОСТНЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ

Д. В. Нефедов, Д.Ю. Фадеев

г. Челябинск, Высшее военное автомобильное

командно-инженерное училище

MOTION CONTROL SYSTEM OF A ROBOT MOBILE MODULE WITH THE USE CAPACITIVE ENERGY STORAGE

D.V. Nefyodov, D.Y. Fadeev

Chelyabinsk, Chelyabinsk Higher Military Command School

Предложена схема автоматической системы управления тяговым двигателем роботизированного подвижного модуля при использовании емкостного накопителя энергии. Приведен пример математического моделирования работы тягового двигателя с предлагаемой системой на различных режимах движения роботизированного подвижного модуля.

Ключевые слова: система управления, емкостный накопитель, тяговый двигатель.

An automatic control system of a traction motor of a robot mobile module using the capacitive energy storage is offered in the article. An example of mathematical simulation of operation of a traction motor with the offered system at various movement modes of the robot mobile module is given.

Keywords: control system, capacitive energy storage, traction motor.

Эффективность применения емкостного накопителя в силовой цепи с тягового двигателя (ТД) определяется схемой коммутации электрических машин, структурой, параметрами и алгоритмом функционирования системы управления. На основе проведенных исследований разработаны технические предложения по организации автоматической системы управления движением роботизированного подвижного модуля (РПМ) с использованием емкостных накопителей [1,2].

Комплексная функциональная схема системы управления движением РПМ представлена на рисунке.

Данная схема характеризует взаимодействие элементов системы управления как с аккумулятором, так и с бензоэлектрическим агрегатом при использовании емкостного накопителя.

Особенность предлагаемой схемы заключается в установке блока коммутации, предназначенного для переключения емкостного накопителя энергии на заряд или разряд по команде микропроцессорного блока управления (МБУ) в зависимости от режима работы электропривода и изменения направления и величины напряжения и тока на тяговом двигателе.

Автоматическая система управления РПМ, содержащая микропроцессорный блок управления, блок коммутации, датчики и аппаратуру, информирующую о состоянии и режимах работы систем, агрегатов модуля, исполнительные элементы, обеспечивает запуск двигателя внутреннего сгорания (ДВС), разгон, движение с постоянной скоростью (режим стабилизации скорости), повороты и торможение машины.

Блок коммутации в совокупности с микропроцессорным блоком управления осуществляет подключение накопителя: на разряд при провалах напряжения на ТД, а также при разгонах машины в качестве дополнительного запаса энергии; на заряд от генератора при торможении тягового двигателя в режиме рекуперации.

После запуска двигателя в зависимости от степени заряженное™ емкостной накопитель энергии по команде микропроцессорного блока управления может быть подключен на заряд, осуществляемый с помощью зарядного устройства. По мере заряда емкостной накопитель энергии отключается от зарядного устройства блоком коммутации по команде микропроцессорного блока. Состояние емкостного накопителя определяется в

Электромеханика

две ------

н

і

Генератор

Инвертор ТД

ТД

Рабочие параметры две I Рабочие I параметры I генератора | Емкостной накопитель Рабочие параметры \ ТД I

I I ^ !

Комутационный и-------

блок ---------—Н

МБУ

Принципиальная схема системы управления движением РПМ:

- Силовая цепь,---»-цепь управления, -——информационная цепь

результате обработки сигналов датчиков, поступающих в микропроцессорный блок управления.

При разгоне, увеличении нагрузки, работе ТД на режимах максимальной мощности, поворотах в тяжелых условиях местности автоматическая система управления по мере необходимости параллельно с генератором осуществляет подключение к ТД емкостного накопителя, используя его в качестве дополнительного источника энергии. Это позволит повысить крутящий момент на ведущих колесах модуля и снизить ток нагрузки /г генератора, обеспечивая улучшение тягово-динами-ческих свойств РПМ,

Лд = Л + Лн,

где /эд - ток нагрузки ТД;

/ен - ток емкостного накопителя.

При этом подводимая к ТД мощность равна сумме мощностей, развиваемых генератором Рг и емкостным накопителем Рен,

Р-,ч = Л + Реп-

В процессе торможения модуля электродинамическим способом энергия, вырабатываемая ТД, при переходе в генераторный режим, запасается емкостными накопителями с целью дальнейшего ее использования.

В качестве примера рассмотрим прямолинейное движение модуля, описываемое уравнением [1,2]

(к

*ред

- передаточное число редуктора;

т-

л

где т - масса модуля;

----ускорение движения модуля;

Л

М.,

^эд^ред'Пред

сила тяги, обеспе-

чивающая движение модуля,

Мвк - момент на ведущем колесе; гвк- радиус ведущего колеса;

М,д - момент на валу тягового электродвига-

ЛРед - КПД редуктора;

Р0 =/с См - сила сопротивления движению, здесь Єм - вес модуля;

/с - суммарный коэффициент сопротивления движению.

Решив уравнение (3) относительно момента Мъд, получим

М,

‘ред |ред

Момент на валу ТД также может быть описан выражением [1]

М., ~ см Ф /эд,

где см - коэффициент пропорциональности, постоянный для данной электрической машины;

Ф - магнитный поток электродвигателя.

С учетом уравнений (4) и (5) запишем выражение для тока нагрузки /зя, необходимого для реализации требуемого режима движения РПМ в заданных внешних условиях:

1эд=-.—Гт ]• <6)

^ред^рел/'м V )

Требования к емкости накопителя определяются объемом энергии, вырабатываемой ТД в процессе торможения и используемой в дальнейшем для реализации высоких тягово-динамических свойств РПМ и минимизации мощности генератора либо аккумулятора. Вследствие этого при разработке систем управления с емкостным накопителем энергии необходимо обосновать емкость накопителя Се„, обеспечивающего, с одной стороны, возможность его заряда за счет энергии, вырабатываемой при рекуперации, а с другой -сохранение требуемых тягово-динамических свойств модуля при использовании генератора пониженной мощности.

Соотношение мощности генератора и емкости накопителя, обеспечивающее требуемый уровень тягово-динамических свойств РПМ в заданных

теля;

68

Вестник ЮУрГУ, № 15, 2011

Нефедов Д.В., Фадеев Д.Ю.

Система управления движением роботизированного подвижного модуля...

¿V

внешних условиях движения для случая — >0

определяется выражением (2) или с учетом формул, изложенных в модели [2]:

(¡V

Рг=-

г U

'вк'-'эд

іред11рел<-'’м^

dt

21 „

u£

где иэд - напряжение на выводах ТД в генераторном режиме;

II - конечное напряжение на выводах накопителя;

Дц - эквивалентное сопротивление цепи тягового электродвигателя;

Кен - сопротивление емкостного накопителя;

/р - время разгона модуля.

На режимах торможения при — < 0 емкостный накопитель энергии подключается к сети, обеспечивая использование энергии рекуперации, вырабатываемой электроприводами при торможении модуля, за счет ее аккумулирования. При этом с учетом формул, приведенных в [2], выражение (2) принимает вид

Р,=

СЄн

1-

CE<Pvi

ред

V

2пг„,

и„

4jl

J Ra

где /т - время торможения модуля;

СЕ - коэффициент пропорциональности, постоянный для данной электрической машины.

В случае равномерного движения, когда

= 0, и работе генератора с ТД на частичных

характеристиках (при движении РПМ с неполной нагрузкой на генератор) питание электроприводов и заряд накопителей осуществляются от генератора:

г U

і ri с Ф

*ред1 іред^м^

/Ä +

U

{К +^ен)

Се„К+^н)

где - время заряда накопителя.

Таким образом, можно сделать вывод, что предложенная схема системы управления движением РПМ, в основу которой положено использование емкостного накопителя энергии, позволяет:

- повысить эффективность использования электрической энергии затрачиваемой для движения РПМ, за счет рекуперации;

- улучшить динамические свойства РПМ за счет совершенствования системы управления ТД.

Кроме того, математическая модель предлагаемой системы управления тяговым двигателем с емкостным накопителем энергии позволяет получить характеристики изменения направления и величины напряжения и тока на тяговом двигателе роботизированного подвижного модуля и может быть использована для оценки параметров эффективности РПМ как объекта управления.

Литература

1. Микропроцессоры: учебник. В 3 т. / под ред. П.В. Нестерова. - М.: Высшая школа, 1986. -Т. 1. - 338 с.

2. Нефедов, Д.В. Роботизированные средства подвижности вооружения, эффективность функционирования: монография /Д.В. Нефедов. — Челябинск: Изд-во ЧВВАКИУ, 2009. - 215 с.

Поступила в редакцию 2.09.2010 г.

Нефедов Дмитрий Владимирович. Начальник кафедры «Двигатели автомобильной техники», Челябинское высшее военное автомобильное командно-инженерное училище. Область научных интересов - автоматизация двигателестроения, системы управления.

Nefyodov Dmitry. Head of the Engines of Automotive Engineering Department of the Chelyabinsk Higher Military Automobile Command-Engineering School. Research interests: automation of engine-building, control systems.

Фадеев Дмитрий Юрьевич. Адъюнкт кафедры «Двигатели автомобильной техники», Челябинское высшее военное автомобильное командно-инженерное училище. Область научных интересов - автоматизация двигателестроения, системы управления.

Fadeev Dmitry. A student of the Engines of Automotive Engineering Department of the Chelyabinsk Higher Militar}' Automobile Command-Engineering School. Research interests: automation of engine-building, control systems.