О выборе типа регулятора тока в обмотках быстродействующего резонансного электромагнитного привода

СООБЩЕНИЯ

УДК 621.316, 681.58

О ВЫБОРЕ ТИПА РЕГУЛЯТОРА ТОКА В ОБМОТКАХ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО РЕЗОНАНСНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПРИВОДА

© 2010 г. К.Р. Гильмияров

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

Описана структура мехатронного привода клапанов топливоподачи и воздухогазообмена ДВС. Отмечены контуры управления, присутствие которых в системе управления позволит достичь требуемых динамических характеристик быстродействующего резонансного электромагнитного привода, и существующие ограничения их реализации. Определены критерии качества регулирования тока в обмотках электромагнитного привода, согласно которым проведен сравнительный анализ релейного, пропорционально-интегрально-дифференциального и нечеткого регулятора. Отмечены их преимущества и недостатки.

Ключевые слова: клапана топливоподачи и воздухогазообмена ДВС; мехатронный привод; выбор регулятора; релейный регулятор; ПИД-регулятор; нечеткая логика.

The description of structure mechatronic valves actuators for Combustion Engines. The controls contours which presence at a control system will allow to reach required dynamic characteristics of a high-speed resonance electromagnetic actuators, and existing limitations of their implementation are marked. Criteria of quality of regulation of a current in windings of an electromagnetic valve actuator are defined. According to which the comparative analysis of on-off regulator, PID and fuzzy regulators has been carried out. Marked their advantages and disadvantages.

Keywords: the valve for Combustion Engines; the mechatronic valve actuator; choice of regulator; on-off regulator; PID regulator; fuzzy logic.

Для управления клапанами систем топливоподачи и воздухогазообмена двигателей внутреннего сгорания (ДВС) используются быстродействующие приводы на основе резонансных электромагнитов [1]. Как правило, в этом случае, электромагнитный привод (ЭМП) представляет собой мехатронное устройство, включающее в свой состав, кроме электромагнита, силовой преобразователь и микропроцессорный контроллер (рис. 1).

Рис. 1. Структура мехатронного привода

Для обеспечения требуемых динамических характеристик МП (минимальное время переключения, минимальная скорость якоря в конце хода), система управления должна иметь три контура регулирования: внутренний подчиненный контур регулирования тока в обмотке, контур регулирования скорости движения якоря ЭМП, и внешний контур регулирования положения якоря ЭМП. Однако, в связи с малым временем переключения ЭМП (2 - 8 мс), получение сигналов обратной связи по скорости и положению якоря ЭМП затруднено. Это обусловлено тем, что существующее датчики либо не обеспечивают требуемого быстродействия, надежности и долговечности, либо имеют высокую стоимость и низкие массогабаритные показатели. Альтернативой применению датчиков являются косвенные способы определения положения якоря ЭМП, основанные на изменении магнитного потока [2 - 4] или на изменении характера тока в обмотке [5] в процессе движения якоря и др. Но косвенные способы имеют существенное ограничение - они не позволяют определять положения якоря во всем диапазоне перемещения.

Требуемые динамические характеристики МП могут быть обеспечены путем реализации заданного закона изменения тока в обмотках электромагнита, полученного расчетным путем, например по методике, изложенной в работе [6]. Заданный закон изменения тока в обмотке реализуется путем формирования сигналов управления, поступающих с микропроцессорного контроллера на силовой преобразователь, представляющий собой импульсный источник постоянного напряжения.

В процессе формирования тока также необходимо учитывать противо-ЭДС, возникающую в обмотке ЭМП и препятствующую изменению тока, величина которой зависит от таких параметров, как скорость, положение якоря и др.

Обобщая все вышесказанное, следует отметить, что для обеспечения требуемых динамических характеристик МП необходимо определить тип регулятора тока, который в условиях отсутствия обратной связи по скорости и положению якоря даст максимально возможное качество регулирования как по отклонению, так и по возмущению. Качество регулирования тока в обмотке ЭМП целесообразно оценивать по критериям средней амплитуды колебаний тока (пульсациям тока) в установившемся режиме и времени регулирования, характеризующем способность компенсации возникающей в обмотке противо-ЭДС.

Первоначально рассмотрим возможность использования двухпозиционного регулирования, отличающегося простотой реализации и настройки. Двухпозици-онный, или релейный, регулятор позволяет получить требуемые динамические характеристики, так как обладает большим быстродействием, что позволяет регулятору компенсировать возникающую в обмотке противо-ЭДС и обеспечивает минимальное время регулирования. Однако следует отметить, что в этом случае процесс регулирования является автоколебательным, т.е. величина тока как в переходном, так и в установившемся режиме будет определяться его пульсациями.

Величина пульсаций тока может быть определена из следующего соотношения:

ипт

d у(5) dl

где 1пульс - величина пульсаций тока; ип - напряжение, прикладываемое к обмотке ЭМП; D - скважность импульсов, при расчете должна быть не менее 50 %; Т = 1/ f - период повторения импульсов; у(8) -зависимость потокосцепления обмотки от положения якоря ЭМП.

Применительно к релейному регулятору период повторения импульсов можно принять равным удвоенному значению периода изменения сигналов управляющих воздействий, а скважность соответственно равной 50 %. На рис. 2 а представлена осциллограмма, соответствующая установившемуся режиму регулирования тока двухпозиционным регулятором при неподвижном якоре ЭМП, из которой видно, что величина пульсаций тока имеет достаточно высокое значение и составляет 2,7 А.

Величину пульсаций тока можно уменьшить путем увеличения частоты повторения сигналов управляющих воздействий, однако увеличение частоты, во-первых, приведет к увеличению потерь в стали, а во-вторых, ограничивается быстродействием микропроцессорного контроллера, скоростью преобразования аналого-цифрового преобразователя и др.

Величина пульсаций тока может быть уменьшена также путем применения регулятора, управляющее воздействие в котором формируется посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ). К таким регуляторам относятся пропорциональные (П), пропорционально-интегральные (ПИ) либо пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) регуляторы (рис. 2 б). Однако отсутствие обратной связи по положению и скорости якоря исключает возможность регулирования тока по возмущению, создаваемому возникающей в обмотках ЭМП при движении якоря противо-ЭДС. Невозможность корректировки настроек регулятора в зависимости от величины про-тиво-ЭДС может привести к увеличению времени регулирования, что в свою очередь вызывает несоответствие сформированного в обмотке ЭМП закона изменения тока требуемому, полученному расчетным путем, и соответственно ухудшает динамические характеристики привода.

I, А

I, А

0.S U) LS 2Л 2,5 ЗЛ 3,5 4.Г 4,5 5.0

t, мс

AI: Ü.77A

I, А

0,5 1Л

t, мс

б

0,5 1Л 1,5 2/J 2,5 0,0 0,5 4,0 1,5 5J3

t, мс

Рис. 2. Осциллограммы установившегося режима регулирования тока: а - релейное регулирование; б - ПИД-регулирование; в - нечеткое регулирование

а

в

Помимо П-, ПИ-, ПИД-регуляторов, возможно и целесообразно применение регуляторов, основанных на алгоритмах нечеткой логики, хорошо зарекомендовавших себя в условиях отсутствия полной информации об объекте управления, в рассматриваемом случае - отсутствии информации о текущих значениях скорости и положении якоря ЭМП (рис. 2 в).

На рис. 3 приведены осциллограммы тока в обмотке ЭМП в динамическом режиме работы в заключительной части фазы «раскачки», предшествующей первому срабатыванию ЭМП.

Рис. 3. Осциллограмма тока в обмотке ЭМП в заключительной фазе «раскачки»: 1 - нечеткое регулирование;

2 - ПИД-регулирование

Осциллограммы тока получены в условиях равенства частоты изменения управляющего воздействия для всех типов регуляторов. Частота ШИМ для ПИД и нечеткого регуляторов также соответствовала частоте изменения управляющего воздействия.

Оценка качества регулирования рассматриваемых регуляторов приведена в таблице.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что при одной и той же частоте изменения управляющего воздействия и отсутствии обратной связи по

Поступила в редакцию

скорости и положению якоря ЭМП или косвенном определении момента подхода якоря к полюсу применение регулятора на основе алгоритмов нечеткой логики позволит обеспечить требуемые динамические характеристики МП и снизить потери в стали ЭМП, связанные с пульсациями тока.

Оценка качества регулирования регуляторов

Тип регулятора Средняя амплитуда колебаний тока, А Время регулирования, мс

Релейный 2,7 0,5 - 1

ПИД 0,77 1,2 - 2

Нечеткий 0,75 0,85 - 1,5

Литература

1. Быстродействующие электромагнитные приводы для импульсного управления тяговыми поршневыми двигателям / А. Эльзасер [и др.] // Научный коллоквиум: Технический университет Ильменау, 23 - 26 сентября 2002.

2. Ronchi F., Rossi C., Tilli A. Sensing Device for Camless Engine Electromagnetic, Dept. of Electronics, Computer Science and Systems (DEIS), University of Bologna Viale Ri-sorgimento n. 2, 40136, Bologna, ITALY 2004.

3. Montanari M., Ronchi F., Rossi C. Trajectory Generation for Camless Internal Combustion Engine Valve Control // IEEE. 2003.

4. Control of a Camless Engine Electromechanical Actuator: Position Reconstruction and Dynamic Performance Analysis / M. Montanari [et. al] // Ieee Transactions on Industrial Electronics. 2004. Vol. 51, № 2, April.

5. Гуммель А.А. Влияние внешних факторов на динамику срабатывания привода воздушного-тактового клапана двигателя внутреннего сгорания // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2007. Проблемы мехатроники -2006. Спецвып. С. 5 - 7.

6. Пат. 2284600 (РФ). Способ управления быстродействующим электромагнитом / А.В. Павленко [и др.]; ГОУ ВПО ЮРГТУ(НПИ). Заявл. 10.11.2004, № 2284600; опубл. 27.09.2006; 7 H 01 F 7/18.

24 мая 2010 г.

Гильмияров Константин Ринардович - аспирант, кафедра «Электрические и электронные аппараты», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (86352)5-16-84. E-mail: azov_kot@mail.ru

Gilmiyarov Konstantin Rinardovich - post-graduate student, department «Electric and Electronic Devices», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (86352)5-16-84. E-mail: azov_kot@mail.ru_