Структура и динамическая модель электропривода с импульсным управлением для беспилотного летательного аппарата мониторинга энергообъектов

УДК 681.511

СТРУКТУРА И ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ИМПУЛЬСНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ДЛЯ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА МОНИТОРИНГА ЭНЕРГООБЪЕКТОВ

А. А. ВАРЕНОВ

Казанский государственный энергетический университет

В статье предложена структура и проведено исследование рулевого привода беспилотного летательного аппарата (РП БПЛА) на базе поляризованного электромеханического преобразователя (ПЭМП) с импульсным управлением. Разработаны принципиальная схема ПЭМП и структурная схема системы импульсного управления приводом, математическая модель привода и проведено детальное исследование его характеристик в программной среде MATLAB. Проведенные исследования могут быть использованы при выполнении эскизного проекта рулевого привода современного БПЛА для мониторинга энергообъектов.

Ключевые слова: поляризованный электромеханический преобразователь, структурная схема динамической модели, разнополярная широтно-импульсная модуляция, результирующий управляющий момент.

Введение

В условиях интенсификации современного производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии для оперативного управления этими технологическими процессами необходимо иметь полную информацию о состоянии энергообъектов, особенно при их расположении на значительном удалении. Решение задачи мониторинга можно возложить на беспилотные летательные аппараты, оснащенные тепловизионной аппаратурой сбора и телепередачи информации на центр управления.

Со слов главного конструктора Казанского предприятия «Аэрокон» Игоря Петухова, в интересах силовых структур России предприятие имеет контракт на госпоставку разведывательных БПЛА «Рубеж-20». Этот аппарат создан по схеме верхоплана с Т-образным хвостовым оперением и толкающим воздушным винтом. Двигатель беспилотника, работающий на бензине АИ-95, позволяет аппарату развивать скорость до 110 км/ч и находиться в воздухе до 8 часов. Он способен принимать на борт полезную нагрузку до семи килограммов при стартовой массе самого беспилотника в 20 килограммов. Взлет БПЛА осуществляется при помощи катапульты, а посадка - на парашюте, причем во время посадки в нижней части аппарата надувается специальный амортизатор. Кроме того, «Рубеж-20» оснащен автоматической системой управления.

Очевидно, что при определенных условиях беспилотники могут быть использованы в интересах сетевых компаний для мониторинга энергообъектов с целью оперативного принятия решений.

Известно [1], что трудоемкость изготовления рулевых приводов БПЛА с их источниками питания достигает 40% от трудоемкости самих беспилотников.

В статье рассматривается электромагнитная рулевая машина (рис.1), основу которой составляет поляризованный электромеханический преобразователь (ПЭМП), работающий в режиме непрерывных переключений с использованием полного хода якоря. Прототипом данного ПЭМП является поляризованное реле РП-5, которое имеет

© А.А. Вареное Проблемы энергетики, 2013, № 5-6

подвижный якорь и магнитопровод с двумя одинаковыми обмотками. По обмоткам протекают токи, равные по величине и противоположные по направлению. У реле есть три устойчивых состояния, а якорь прижимается к левому или правому контакту в зависимости от преобладающего тока. Особенностью ПЭМП является наличие одной обмотки на подвижном якоре, что существенно снижает его габаритно-массовые параметры, а также отсутствие коммутирующих контактов. С якорем механически связаны аэродинамические рули, обладающие более высокой эффективностью в плотных слоях атмосферы и отличающиеся простотой конструкции. При этом разность времени пребывания рулей в одном из крайних положений пропорциональна напряжению управления, подаваемого на широтно-импульсный модулятор (ШИМ). Этот модулятор осуществляет разнополярную широтно-импульсную модуляцию непрерывного сигнала управления в соответствии с временными диаграммами, показанными на рис.2.

Из этого рисунка видно, что при отсутствии на входе ШИМ напряжения управления иу, амплитуда, частота и равные между собой длительности положительных и отрицательных импульсов остаются постоянными.

Рис.1. Рулевой привод с импульсным управлением: 1 - постоянные магниты; 2 - магнитопровод; 3 - якорь; 4 - рули; 5 - пружина; 6 - обмотка; 7 - вал; 8 - полюсные наконечники

Т = и+ £> = сопэ1

Рис. 2. Временные диаграммы работы ШИМ

4

При этом ПЭМП обеспечивает симметричные колебания рулей относительно исходного положения, определяемого возвратной пружиной. В результате среднее значение управляющего момента, создаваемого рулями за период колебаний, равно нулю.

При положительном значении напряжения управления длительность Х1 импульсов положительной полярности пропорциональна управляющему току и возрастает с его увеличением. В случае, если напряжение управления имеет отрицательную полярность, его значению будет соответствовать длительность ^ импульсов отрицательной полярности. При этом период ^ = ?2 остается постоянным. Таким образом, при иуф0 ПЭМП обеспечивает несимметричные колебания рулей относительно исходного положения и образуется результирующий управляющий момент, пропорциональный управляющему сигналу.

Предлагаемый ПЭМП, из-за малой инерции якоря и рулей, обладает более высоким быстродействием и точностью в отработке сигналов управления, которое

© Проблемы энергетики, 2013, № 5-6

обеспечивает летательному аппарату хорошую маневренность и точность пилотирования, необходимые как при мониторинге дальних объектов, так и всех видов разведок за прилегающими территориями или окружающей местностью. Отсутствие размыкающихся и подвижных контактов значительно повышает надежность и долговечность использования ПЭМП, а также снижает затраты на его изготовление и обслуживание. Недостатком является дополнительное сопротивление набегающему потоку воздуха из-за колебательных движений рулей, что влечет дополнительный расход электроэнергии. Эту зависимость можно значительно уменьшить, если подобрать частоту импульсов в резонанс системе «пружина-якорь-рули», тем самым будет достигнута большая экономия электроэнергии управления и снижена энергозатратность.

Техническая реализация определения момента изменения знака импульса в системе с разнополярной ШИМ происходит по моменту совпадения входного сигнала

|му(иТ + с опорным

Структурная схема управления (СУ), реализующая

разнополярную ШИМ [2], показана на рис.3, а временные диаграммы ее работы - на рис.4.

Рис. 3. Структурная схема управления ШИМ

А

.............^

иоп и

и А

и А

/^ииипппг

Рис. 4. Временные диаграммы работы ШИМ

© Проблемы энергетики, 2013, № 5-6

0

и

2

Генератор пилообразного напряжения (ГПН), тактируемый задающим генератором (ЗГ), вырабатывает опорное напряжение иоп пилообразной формы с периодом Т. Схема сравнения (СС) представляет собой релейный элемент, который переключается с плюса на минус и обратно в момент равенства иу = иоп (рис.4).

Для управления ШИМ распределитель импульсов (РИ) имеет два выхода: один -прямой и1, второй - обратный и2. Импульсы, усиленные усилителями (У), поступают на базы двух транзисторов ШИМ, переключая их в противофазе. При разработке ШИМ выбор частоты следования импульсов / = 1/Т должен проводиться с учетом инерционности рулевой машины, обусловленной переходными процессами в электромагнитной системе и моментами инерции подвижных частей рулевой машины. Динамические свойства поляризованного электромеханического преобразователя отражены в структурной схеме динамической модели (ССДМ) [3], показанной на рис. 5, где введены следующие обозначения и блоки: Кэ = 1/Я - коэффициент передачи

электрической части ПЭМП; Тэ = Ь / Я - электрическая постоянная времени, обусловленная наличием индуктивности Ь обмотки управления ПЭМП; Тм =у[ЛкЩш -механическая постоянная времени ПЭМП, в выражении которой J является моментом инерции подвижных частей преобразователя, а К ш - коэффициент шарнирного момента;

Рис. 5. Исходная а) и преобразованная б) ССДМ ПЭМП: Квт - коэффициент вязкого трения; Км = 1/Кш - коэффициент передачи механической части

ПЭМП; Се и См - конструктивные постоянные ПЭМП; ^ = Квт /(2^КшJ) - относительный

коэффициент демпфирования;

- статическая характеристика упругого элемента с упором, которая описывается алгебраическими уравнениями: если |5|<50, то Мпр=Кпр-5; если |5|>50, то: при 5>0 Мпр=Кпр1-50+Кпр2-(5-50); при 5<0 Мпр=-Кпр1-50+Кпр2-(5+50), где Кпр1 - коэффициент жесткости пружины; Кпр2 - коэффициент жесткости конструктивного упора.

Предложенная динамическая модель может быть положена в основу для анализа динамических свойств импульсного электропривода с целью выработки рекомендаций по выбору его параметров.

Следует отметить, что сам преобразователь является нелинейным элементом, поскольку содержит блок с существенной нелинейностью, обусловленной наличием конструктивного упора.

Библиотека Simulink пакета прикладных программ MatLab позволяет создать виртуальную модель предложенного импульсного привода, которая показана на рис. 6.

Моделирование привода в программной среде MatLab (рис.7) проведено при следующих параметрах: иоп = 20 В;/оп = 6,25 Гц; иу = Um sin ю?, где Um =10 В, ю =1,6 с1; Тэ = 0,001 с; Тм = 0,04 с; ^ = 0,7; Кэ = 10 Ом-1; Км = 0,3 рад/(Н-м).

© Проблемы энергетики, 2013, № 5-6

Рис. 6. Виртуальная модель импульсного привода в программной среде MatLab

.А 5соре2

ш А Ш ЕШ ^ Л

Рис.7. Результаты моделирования

Анализ результатов, приведенных на рис. 7, позволяет сделать следующие выводы:

- нелинейность, присущую ШИМ, можно исключить и рассматривать широтно-импульсную систему как линейную при условиях:

иоп = 2иу Шах , /он = 25 /у,

- характер изменения угла 5 отклонения рулей от исходного положения соответствует амплитуде импульсного напряжения им, прикладываемого к обмотке управления ПЭМП, ограничение угла 5 связано с наличием конструктивного упора;

- искажение характера изменения угла 5, обусловленное инерционностью нагрузки, можно считать незначительным при условии:

Т < 14,5 ТЕ, где Т^ = (Тэ + Тм) - суммарная малая постоянная времени нагрузки ШИМ;

среднее значение угла 5 может быть определено по формуле 8ср = Ът

ч 2

т

и может

иметь тот или иной знак в зависимости от знака моделирующей функции иу. При этом

5ср>0, если иу>0 и 5ср<0, если иу<0.

© Проблемы энергетики, 2013, № 5-6

Для облегчения работы привода в импульсном режиме возможна настройка в резонанс, когда частота вынужденных колебаний, задаваемая ШИМ, совпадает с частотой собственных колебаний механической системы (якорь, пружина, рули).

При этом резонансная частота должна быть значительно больше (не менее чем на порядок) частоты собственных колебаний БПЛА. Так моделирование привода в среде MatLab проведено при частоте собственных колебаний БПЛА ю = 1,6 с-1, а частота колебаний с ШИМ юоп = 39,25 с-1.

Выводы

По мнению специалистов сетевых кампаний использование управляемых БПЛА находится на стадии проработки и возможно для выявления наиболее нагретых мест теплового поля, излучаемого объектами электроэнергетики. Кроме того, при аномальных погодных условиях в холодное время года на беспилотник можно возложить задачу определения мест обледенения ЛЭП. Для решения указанных задач БПЛА должен оснащаться тепловизионной аппаратурой, которая совместно с видеокамерой транслирует изображение диспетчеру. Заслуживает внимания и идея использования БПЛА для ликвидации обледенения воздушных линий.

Импульсный рулевой привод БПЛА обладает рядом указанных в статье достоинств по сравнению с непрерывным. Следует добавить, что в приводе отсутствуют коммутирующие контакты, создающие электромагнитные колебания, что положительно сказывается на экологической и энергетической безопасности. Вместе с тем, в общем случае, он относится к классу нелинейных систем, исследуемых с помощью метода гармонического баланса, что является сложной и трудоемкой задачей. Дополнительная сложность данной задачи состоит в соизмеримости частоты следования импульсов ШИМ с частотой собственных колебаний непрерывной части системы. Пакет расширения Simulink системы MatLab, являясь ядром интерактивного программного комплекса, позволяет проводить моделирование линейных и нелинейных динамических систем и устройств, представленных своей моделью. Возможности этого пакета проиллюстрированы в статье применительно к рулевому приводу с ШИМ. Разработанная виртуальная модель этого привода позволила достаточно просто провести его моделирование, по результатам которого выработать рекомендации по выбору параметров импульсной и непрерывной части системы.

Summary

This paper presents the structure and study Steering unmanned aerial vehicle (UAV RP) based on field revoked electromechanical transducer (PEMP) with impulse control.Designing a schematic diagram and block diagram PEMP of impulse control actuator, the mathematical model of the drive and a detailed study of its characteristics in the software environment MATLAB.

Литература

1. Ангельский Р. Д. Отечественные противотанковые комплексы: Иллюстрированный справочник. М.: ООО «Издательство Астрель»; ООО «Издательство АСТ», 2002. 192 с.

2. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем MatLab 6,5. СПб.: Изд. КОРОНА принт, 2001. 320 с.

3. Столов Л.И., Афанасьев А.Ю. Моментные двигатели постоянного тока. М.: Энергоатомиздат, 1989.

Поступила в редакцию 10 июня 2013 г.

Варенов Александр Андреевич - канд-т техн.наук, профессор кафедры «Теоретические основы электротехники» (ТОЭ) Казанского государственного энергетического университета. Тел: 8(843)519-42-76, 8(843)295-27-09.

© Проблемы энергетики, 2013, № 5-6