Разработка алгоритма управления бесконтактным моментным двигателем при сверхмалых скоростях

докладов Х Всероссийской НТК «Проблемы совершенствования робото-технических и интеллектуальных систем летательных аппаратов» М., Изд-во МАИ, 2015 г.

Кондратьев Александр Борисович, канд. техн. наук, доц., kondr48@,mail.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт

THE INFLUENCE OF THE VORTEX DEVICE OF GAS-DYNAMIC DRIVE ON LIMIT

CONTROL FEATURES

A.B. Kondratev

The paper presents experimental study data of the vortex devices, which are used as the controls of gas-dynamic-drive.

Key words: gas-dynamic drive, vortex element, limit control features, vortex device.

Kondratev Alexander Borisovich, candidate of technical sciences, Associate Professor, kondr48@,mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute

УДК 62.001.4:62-501.72

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ БЕСКОНТАКТНЫМ МОМЕНТНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ПРИ СВЕРХМАЛЫХ СКОРОСТЯХ

О.В. Горячев, В.В. Воробьев, А.Г. Ефромеев, О.О. Морозов, А. А. Огурцов

Рассмотрен подход к разработке прецизионного одностепенного стенда углового вращения, который реализован на базе вентильного электропривода. Стенд предназначен для лабораторных испытаний высокоточных информационно-измерительных устройств. Особенностью решаемой задачи являются жесткие требования по точности и немонотонности (плавности) воспроизведения угловой скорости платформы в широком диапазоне значений от десятых долей до тысяч градусов в секунду. Предложены методики проектирования и экспериментальной отработки высокоточного стенда углового вращения.

Ключевые слова: лабораторный стенд, вентильный электропривод, высокоточная система, цифровой регулятор, разрядность, широтно-импульсная модуляция, статистические испытания, идентификация, регрессионная модель.

Полунатурные лабораторно-стендовые испытания применяются на всех этапах разработки и создания технологического оборудования, от НИОКР до производства и контроля готовой продукции. Такие испытания позволяют перенести часть натурных (полигонных) испытаний в лабора-

торные условия, и тем самым существенно снизить затраты времени и средств на их разработку. В связи с этим, актуальной задачей является разработка стенда углового вращения, предназначенного для экспериментальной отработки в лабораторных условиях высокоточных информационно-измерительных устройств летательных аппаратов, в частности, блоков инерциальных чувствительных элементов (БИЧЭ), которые содержат гироскопические датчики угловых скоростей и угловых перемещений.

Особенностью решаемой задачи является жесткие требования к точности и не монотонности воспроизведения угловой скорости вращения платформы с испытуемым БИЧЭ в широком диапазоне значений, от десятых долей до тысяч градусов в секунду, а также к точности измерения скорости и к линейности пеленгационной характеристики.

Наибольшую сложность представляет отработка стендом сверхмалых скоростей вращения в диапазоне 0.1 - 10 °/с. Предлагается следующая методика проектирования стенда.

1. Разработка кинематической системы стенда.

2. Определение момента инерции подвижных частей.

3. Построение математической модели стенда с расчетом электромагнитной и электромеханической постоянных времени.

4. Энергетический анализ и выбор исполнительного двигателя.

5. Синтез цифрового алгоритма управления с выбором частоты и разрядности широтно-импульсно модулированного (ШИМ) управления и разрядности фотоимпульсного датчика (ФИД) положения нагрузки.

6. Экспериментальная отработка алгоритма управления методом компьютерного моделирования.

7. Экспериментальная отработка опытного образца стенда методом статистических испытаний.

8. Проверка соответствия стенда требованиям технического задания (ТЗ). Выработка рекомендаций по совершенствованию закона управления (регулятора) и/или конструкции стенда.

В работе предложено реализовывать силовую подсистему стенда на базе синхронного бесконтактного моментного двигателя типа ДБМ-70 с цифровым (микропроцессорным) управлением и ШИМ-управлением [1, 2]. Ротор двигателя непосредственно соединен с поворотной платформой, на которой устанавливается БИЧЭ. Стенд содержит управляющую ПЭВМ, которая обеспечивает формирование тестирующих сигналов, автоматизацию испытаний, регистрацию в реальном масштабе времени телеметрической информации, и ее обработку.

Для эффективного синтеза закона управления приводом построена математическая модель (ММ), в которой учтены основные нелинейности, влияющие на точность стенда, такие как, ШИМ, дискретность регулятора, разрядность ФИД углового положения ротора, сухое трение в подшипниках. В ММ реализована, так называемая «динамическая модель» трения,

учитывающая его нелинейный характер при преодолении двигателем момента трения покоя.

Принципиальным при проектировании стенда является выбор исполнительного двигателя (ИД), т.к. именно от этого зависит, каких предельных характеристик удастся достичь. Наиболее полно заданным требованиям удовлетворяют двигатели серии ДБМ (двигатель бесконтактный моментный). ДБМ является вентильной машиной, выполненной на базе синхронной машины с постоянными магнитами на роторе. Обмотки якоря располагаются неподвижно на статоре и подключаются к коммутатору. Силовые ключи коммутатора, возбуждающие обмотки, управляются по сигналу, поступающему с датчика положения ротора (ДПР). Исходя из результатов энергетического анализа в качестве исполнительного выбран двигатель марки ДБМ 70-0,16-3-2.

На высоких скоростях стенда непостоянство момента двигателя сглаживается большой инерционностью нагрузки, а момент сил сопротивления имеет предсказуемый вид. Однако, обеспечение высокой плавности хода на малых и сверхмалых скоростях затруднительно из-за существенного влияния на результирующий момент таких факторов, как: 1) момент трения покоя и его зависимость от углового положения ротора, температуры, времени простоя, приработки и т.д.; 2) пульсаций вращающего момента из-за особенностей конструкции ротора и влияния алгоритма коммутации.

При моделировании стенда учитывалась многозначность функции трения при Юр = 0 [3]. При выстое ротора производилось доопределение

соотношения моментов сухого трения и вращающего. В модели привода реализован алгоритм вычисления функции сухого трения, учитывающий участок отрицательного наклона в области сверхмалых скоростей вращения (рис. 1):

Г \

М тр

2 2 7 + С 2 Ю тк +1

где Юр - угловая скорость ротора; С + С2 - уровень максимального

трения; С2- уровень минимального трения; тк - коэффициент крутизны.

Вид реализаций характеристики момента трения в области сверхмалых скоростей при трех характерных сочетаниях случайных параметров С1,С2 тк представлен на рис. 1.

При больших угловых скоростях используется типовая структура привода [1]. При малых скоростях вращения целесообразно использовать модифицированную структуру (рис. 2).

Рис. 1. Вид реализаций характеристики момента трения

Рис. 2. Модифицированная структурная схема привода: ю упр - задание по скорости; (рупр - угол управления;

и упр - напряжение управления; и а ,и в - напряжения на фазах

Благодаря модифицированной структуре исключается влияние неидеальности ДПР в процессе определения угла. При средних и больших скоростях неидеальность ДПР не оказывает существенного влияния на плавность вращения, однако она серьёзно сказывается при малых скоростях.

Следует отметить, что описанная модификация реализуется на программном уровне, и переключение между типовой и модифицированной

структурами происходит автоматически. Это необходимо, т.к. модифицированная схема будет работать только при небольших заданных скоростях (до 10 °/с), при которых двигатель практически мгновенно втягивается в синхронизм. При больших же частотах, если использовать модифицированную структуру привода, пришлось бы применять специализированные алгоритмы пуска аналогично синхронному двигателю. Регулятор в данной схеме использует нелинейный ПИ-алгоритм с ограничением интегральной составляющей.

С помощью компьютерного моделирования выполнена оценка влияние особенностей коммутации обмоток привода на точность воспроизведения угловой скорости в диапазоне 0,1 - 10 °/с. Поскольку в двухфазном двигателе обмотки коммутируются независимо друг от друга, и напряжение на них формируется с помощью ШИМ, то интерес представляют два основных параметра: частота ШИМ и разрядность ШИМ.

По результатам компьютерного моделирования для случая угловой скорости равной 0,1 °/с, как наиболее сложной в реализации, построены графики ошибки воспроизведения угловой скорости в функции от частоты и разрядности ШИМ (рис. 3). При этом период квантования датчика угловой скорости равен 3 мс.

4,50 -|-------

0,00 -.--------

8 9 10 11 12 13 14 15 16

Разрядность ШИМ

Рис. 3. Зависимость ошибки воспроизведения угловой скорости от частоты и разрядности ШИМ: 1 - частота 20 КГц; 2 - частота 10 КГц; 3 - частота 5 КГц

Исходя из графиков на рис. 3 и допустимой ошибки воспроизведения угловой скорости (для рассматриваемого диапазона составляет 1% от заданного уровня), выбираем частоту ШИМ - 10 кГц, разрядность -12 бит.

Разработана методика статистических испытаний и экспериментальной отработки высокоточного стенда углового вращения. В процессе выполнения методики производится идентификация модели сухого трения с определением вероятностных характеристик параметров трения, а также анализируется его влияние на точность работы стенда. Предполагается, что случайный процесс по угловой скорости на интервале наблюдения является нормальным стационарным эргодическим, а законы распределения случайных величин С\„С2 т^ - нормальные гауссовкие.

Методика реализуется в установившемся режиме работы стенда. Рассматривается случай воспроизведения сверхмалой скорости, для которого влияние трения на точность наиболее сильно. Методика включает следующие этапы.

1. Определение потребного объема испытаний, исходя из требуемых показателей точности (относительных средних квадратических отклонений оценок V) и надежности (доверительных вероятностей оценок а).

2. Регистрация скорости вращения.

Регистрация производится в двух вариантах:

- вариант 1: регистрация ансамбля из N реализаций скорости в N пусках стенда за малое время наблюдения (например, в течение 1 с);

- вариант 2: регистрация в N контрольных точках одной реализации скорости за большое время (например, за десять часов работы).

3. Расчет математического ожидания и дисперсии ошибки:

- в виртуальном стенде в выбранном сечении процесса путем осреднения по множеству реализаций (вариант 1);

- в реальном стенде путем осреднения по времени одной реализации за большое время (вариант 2).

4. Идентификация математической модели (виртуального стенда) методом наименьших квадратов по критерию минимума функционала

( Л2 Г _ Л2

т„

3

1 _

. т°° У

+

1-

^е у

где те, т° и Бе, Ое° - математическое ожидание и дисперсия ошибки в модели и в оригинале, соответственно. В виртуальном стенде эти величины являются функциями числовых вероятностных характеристик (математических ожиданий, дисперсий) непрерывных нормально распределенных случайных параметров трения. Математические ожидания и дисперсии параметров трения варьируются поисковым алгоритмом в процессе настройки модели.

5. Определение на основе решения задачи параметрической оптимизации (минимизации функционала (1)) математических ожиданий, дис-

персий, а также соответствующих функций плотностей вероятностей параметров трения С1, С2 тк .

6. Построение в окрестности математических ожиданий параметров С1, С2 тк регрессионной модели точности стенда - зависимости среднеквадратичной ошибки воспроизведения скорости от параметров трения (управляемых факторов). Указанная окрестность формируется с использованием «правила трех сигм».

7. Анализ точности работы стенда по регрессионной модели на основе критерия среднеквадратичной ошибки.

8. Расчет по экспериментальным данным, снятым со стенда, корреляционной функции и спектральной плотности мощности случайного процесса ошибки по скорости с выявлением скрытых периодических составляющих (например, с периодом кратным 2п / Юр). На основе полученной

информации для повышения точности стенда возможна компенсация периодических составляющих за счет введения в регулятор нелинейной обратной связи по положению ротора.

Спектральная плотность ошибки по скорости используется для выявления частотных составляющих, не характерных для натурных движений.

9. Построение пеленгационной характеристики - зависимости относительной угловой скорости от угла на интервале времени наблюдения, например, на интервале [0,20п], т.е. за десять часов работы стенда.

10. Расчет среднего за время наблюдения квадрата ускорения, который выполняется либо непосредственно по массиву измеренных в стенде значений скорости, либо с помощью идентифицированной модели стенда (см. п. 4,5), которая используется как наблюдатель.

11. Проверка соответствия точности стенда требованиям технического задания. При этом точность оценивается по среднеквадратичной ошибке; не монотонность - по значению среднего квадрата ускорения и по виду пеленгационной характеристики.

12. Выработка рекомендаций по совершенствованию закона управления (регулятора) и/или конструкции механической подсистемы стенда.

Важно отметить, что идентифицированную модель стенда можно использовать как наблюдатель в условиях неопределенности, обусловленной случайным характером момента трения. Это дает возможность при отработке закона управления контролировать значения усредненных оценок фазовых переменных (токов в фазах, результирующего момента, ускорения).

Рассмотрим расчет потребного объема экспериментальных данных.

Задание по скорости Юр = 0,1 °/с. При времени наблюдения

3

Т = 36 • 10 с (т.е. время 10 оборотов платформы) и регистрации скорости в

100 точках за оборот получим массив данных из 1000 значений. При этом для математического ожидания ошибки: Vi = 0,05, ai = 0,886 ; для дисперсии ошибки: Vi = 0,07, ai = 0,882. Это означает, что при N = 1000 точность и надежность статистических оценок удовлетворительные. Повышение надежности и точности оценок достигаются увеличением количества регистрируемых контрольных точек.

В виртуальном стенде массовость статистических испытаний (запусков Simulink-схемы) обусловливает большую вычислительную трудоемкость, особенно, при решении задачи оптимизации (см. п. 5). Использование современной вычислительной техники решает эту проблему. Так, многоядерный процессор Intel Xeon Phi, содержащий 156 исполнительных ядер, позволяет при каждом новом векторе оптимизируемых параметров (числовых вероятностных характеристик параметров трения) получить массив из 156 значений ошибки по скорости, что существенно ускоряет получение данных.

График регрессионной модели дан на рис. 4.

0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 Cl, Н м

Рис. 4. Регрессионная модель зависимости среднего квадратичного значения ошибки от параметров трения C1 и C2 при mk =1

На основе регрессионной модели оценена чувствительность системы управления в выявленной области изменения параметров трения. Установлена грубость (слабая чувствительность) системы к параметрическим возмущениям трения. Среднеквадратическая ошибка воспроизведения угловой скорости не превышает допустимой по ТЗ.

Общий вид опытного образца лабораторного стенда углового вращения представлен на рис. 5.

Рис. 5. Общий вид стенда

В стенде обеспечивается необходимая плавность хода. При этом значение среднеквадратического за время наблюдения ускорения 2

аск = 0.0062°/с . Полученная оценка и пеленгационная характеристика показывают, что немонотонность удовлетворительная.

Выводы

Рассмотрены вопросы создания одностепенного лабораторного стенда, имитирующего реальные скорости углового вращения изделия по крену в полёте. Предложены методики проектирования и экспериментальной отработки стенда для наиболее критичного по точности диапазона малых скоростей вращения. Получены следующие результаты.

1. По данным компьютерного моделирования оценено влияние на точность стенда частоты и разрядности ШИМ.

2. Определены структура регулятора, частота и разрядность ШИМ.

3. Изготовлен опытный образец стенда.

4. Идентифицирована модель стенда (наблюдатель), которая позволяет в условиях неопределенности, обусловленной случайным характером момента сопротивления, отрабатывать закон управления с контролем усредненных оценок фазовых переменных.

5. Выполнена экспериментальная отработка высокоточной системы управления стенда, малочувствительной к влиянию вероятностных характеристик параметров трения.

Разработанный прецизионный стенд является универсальным и может быть использован для экспериментальной отработки чувствительных

элементов навигационных блоков летательных аппаратов различных типов.

Список литературы

1. Основы расчета и проектирования мехатронных модулей систем наведения и стабилизации / О.В. Горячев, В.И. Жемеров, А.П. Панков, В.С. Фимушкин. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. 233с.

2. Аракелян А.К., Афанасьев А.А. Вентильные электрические машины в системах регулируемых электроприводов. М.: Высш. шк., 2006. 546 с.

3. Хлебалин Н.А., Костиков А.Ю. Библиотека моделей трения в Simulink (Опыт создания и использования) // Труды II Международной конференции «Идентификация систем и задачи управления». М.: Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН, 2003. С. 1823.

Горячев Олег Владимирович, д-р техн. наук, проф., ovg@sau.tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Воробьев Василий Викторович, канд. техн. наук, доц., vasvikt@inbox.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ефромеев Андрей Геннадьевич, ассист., age@sau.tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Морозов Олег Олегович, канд. техн. наук, доц., omo@,sau.tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Огурцов Алексей Алексеевич, аспирант, alexey.ole@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

CONTACTLESS TORQUE MOTOR CONTROL ALGORITHM DESIGN ON ULTRA-LOW VELOCITY

O.V. Goryachev, V.V. Vorobyov, A.G. Efromeev, O.O. Morozov, A.A. Ogurtsov

The approach to one degree of freedom high-precision angle rotation stand design is proposed. Stand creation on valve electric drive base. Stand purposed for laboratory testing of high-precision information-measuring devices. It is especially, what there are stiff requirements for platform angle velocity reproduction's accuracy and unmonotony (smoothness) in current task. The velocity is changed in wide range from tenth parts to thousands degrees per second. The methods of high-precision angle rotation stand designing and experimental tryout are proposed.

Key words: laboratory stand, valve electric drive, high-precision system, digital regular, capacity, pulse-width modulation, statistical test, regression model.

Goryachev Oleg Vladimirovich, doctor of technical science, professor, ovg@sau.tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

89

Vorobyov Vasiliy Viktorovich, candidate of technical science, docent, vasvikt@inbox.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Efromeev Andrey Genadievich, assistant, age@sau. tsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Morozov Oleg Olegovich, candidate of technical science, docent, omo@sau.tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Ogurtsov Alexey Alexeevich, postgraduate, alexey.ole@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 62-112.9

КОМПЛЕКСЫ АКТИВНОЙ ЗАЩИТЫ

Д.А. Гусев

По материалам открытых источников сделан обзор существующих комплексов активной защиты бронетехники, приведена сводная таблица их тактико-технических характеристик, проанализированы недостатки и приведены сведения о возможностях преодоления активной защиты, представлены перспективы расширения сферы применения комплексов активной защиты.

Ключевые слова: комплекс активной защиты, защита бронетехники

Целью данной статьи является сбор и анализ информации, содержащейся в открытых источниках, о характеристиках комплексов активной защиты, специфике их применения и перспективах развития.

Защищённость танков в условиях современной войны остаётся самой важной и трудноразрешимой проблемой. Основными угрозами для бронетанковой техники (БТТ) являются: бронебойные кумулятивные снаряды (БКС), бронебойные оперенные подкалиберные снаряды (БОПС), реактивные противотанковые гранаты (РПГ), противотанковые управляемые ракеты (ПТУР), управляемые боеприпасы для гаубиц и минометов, управляемые авиабомбы и суббоеприпасы. Бои в урбанизированной местности ставят бронетехнику в крайне невыгодное положение при борьбе с пехотными противотанковыми средствами. [1]

Дальнейшее наращивание брони, ведущее к повышению массы, а, следовательно, ухудшению маневренности является и тактически, и экономически нецелесообразным. Первым революционным решением, позволяющим повысить живучесть БТТ в условиях современного вооружённого конфликта, стало применение динамической защиты (ДЗ), основанной на принципе воздействия направленного взрыва заряда, размещённого в эле-