Единое информационное обеспечение безредукторной электромехатроники

Преимущества безредукторной электромехатроники

До появления БЭПМ гидравлика и пневматика были эффективными средствами промежуточного преобразования электроэнергии в механическое движение. Однако их недостатки: необходимость дополнительных энергозатрат на формирование повышенного давления энергоносителя, наличие сложной электронной аппаратуры сопряжения, возможность утечек энергоносителя, отрицательно влияющих на экологию – снижают их конкурентоспособность в сравнении с ЭМТП на основе БЭПМ.

Поэтому современная прикладная мехатрони-ка в большинстве случаев базируется на использовании электромеханики, которая наиболее эффективна для выработки движущихся сил путем преобразования электрической энергии в механическую безредукторным ЭМТП.

Следует учитывать следующие существенные преимущества безредукторной электромехатрони-ки в ответственных применениях:

• •    отсутствие редуктора обуславливает высокую надежность;

• •    единое информационное обеспечение;

• •    повышенная плавность движения, возможность длительного сканирования и скачкообразные шаговые перемещения [1];

• •    безопасность работы персонала и практическое отсутствие шума за счет применения современных технологий и материалов;

• •    наличие радиационностойких вариантов ЭМТП [2].

Показательны в этом отношении весьма ответственные устройства – скоростные лифты высотных зданий. Безредукторная электромехатро-ника уже начала задавать новую тенденцию в лиф-тостроении. Концепция безредукторных лифтов ставится на вооружение ведущими мировыми производителями подъемного оборудования. Возможности управления БЭПМ позволяют экономично использовать безредукторную технологию в лифтах грузоподъемностью от 1000 до 2000 кг на скоростях от 1,6 до 3,0 м∙с–1 и высотой подъема до 180 м. Новые ЭМТП лифтов компактны, просты в обслуживании и энергоэффективны [1].

Важной, с точки зрения энергоэффективности, является способность рекуперации энергии, которая возникает в БЭПМ при работе в генераторном режиме, когда РМ движется благодаря инерции. Это имеет место при движении автотранспорта под уклон и опускании лифта. Благодаря этому даже в случае ограниченного электроснабжения можно установить более эффективные лифты, чем при использовании традиционной редукторной технологии. Надежность безредуктор-ной электромехатроники достигается путем использования высококачественных инновационных материалов и соблюдения жестких производственных допусков при изготовлении.

Конструктивно БЭПМ выполняются в различных вариантах, обычно имеющих полый ротор (рис. 1). При встраиваемом варианте БЭПМ поставляется в виде двух узлов: ротора и статора, имеющих форму колец (рис. 1, а). Для ряда применений целесообразным становится использование корпусной конструкции электромеханической компоненты (ЭМК) с размещением на ней микроэлектронной компоненты (МЭК) (рис. 1, б). При использовании ЕИО особый интерес представляет агрегатирование в одном корпусе БЭПМ, СКС и зажимной муфты для сопряжения с РМ (рис. 1, в).

Повышение показателей функционального движения РМ

Одним из существенных достижений современной мехатроники стало улучшение показателей функционального движения РМ. В работах [3, 4]

а)

б)

в)

Рис. 1. Конструктивные варианты БЭПМ

показано, что наиболее эффективным для большинства технологических процессов является реализация временных диаграмм составляющих перемещения, представленных на рис. 2: величины θ( t ) (рис. 2, а), скорости Ω( t ) (рис. 2, б), ускорения ε( t ) (рис. 2, в) и рывка ρ( t ) (рис. 2, г).

Это, в свою очередь, потребовало совершенствования традиционного информационного обеспечения в части формирования не только составляющих величины θ, но и составляющих скорости Ω и ускорения ε. Особую роль составляющая ускорения ε играет при оценивании плавности движения и принятия решения об изменении составляющей скорости Ω на основе когнитивных технологий (КТ) путем выработки команд, формирующих выбор алгоритма и способа управления БЭПМ или форсировки посредством рывка ρ в самоорганизующемся ЭМТП. Наличие интеллектуальных возможностей ЭМТП позволяет достичь синергетического эффекта в части повышения энергоэффективности, надежности, быстродействия и точности.

Реализация движения в соответствии с приведенными зависимостями составляющих перемещения оказывается предпочтительной не только в обрабатывающей промышленности, где она повышает качество продукции, но и на транспорте, где она снижает износ механических узлов и требования к прочности РМ, которая связана с его размерами и весом. Их рост ухудшает энергоэффективность и динамику ЭМТП за счет увеличе- ния момента инерции РМ, непосредственно связанного с ротором высокомоментного БЭПМ. Электромеханическая постоянная агрегата БЭПМ-РМ увеличивается, что приводит к снижению устойчивости в динамике. Для обеспечения устойчивости необходима коррекция динамики обратными связями, осуществляющими в соответствии с управляющими технологиями подчиненное или модальное регулирование в прямом контуре ЭМТП. При формировании обратных связей используются аналоговые или цифровые эквиваленты составляющих перемещения [5].

Повышение энергоэффективности и функциональных возможностей безредукторного ЭМТП делает его экономически привлекательным. Поэтому дальнейшее развитие электромехатроники будет связано с исключением механических передач и интеграцией преобразователей энергии с РМ. Отсутствие редуктора позволяет не только расширить функциональные возможности ЭМТП, но и снизить номенклатуру выпускаемых модулей при одновременном увеличении их серийности, снижает прежде всего металло- и трудоемкость производства ЭМК, уменьшает ее износ, шум при работе и упрощает обслуживание.

Введение электромеханических устройств, а затем и локальных систем управления непосредственно в конструкцию РМ существенно упрощает и повышает их функциональные возможности и технические характеристики. Основное преимущество безредукторных ЭМТП – это возможность

Рис. 2. Временные диаграммы составляющих перемещения: величины 0( t ) (a), скорости О( t ) (б), ускорения е( t ) (в), рывка р( t ) (г)

пов ышен и я точ н ости за с ч е т отсутствия люфтов , с уще с т в е н ного ум еньшения м е ртв ого х ода , пов ышен ия ре з она нсной ча стот ы, с ни ж е н ия м ом е нтов с ух ого тре ни я и д р у ги х н е жел ате л ь ных фа к торов , вносимых редуктором [ 1]. В ыс ока я эффе кт ивнос ть фун кц и они ров а ни я бе з ред укторн ого Э М ТП дос т игае тс я з а с че т у че та ко нс тр у кт ив ны х ос обе нносте й БЭПМ [6] и повышения требовани й к ин форма ц ионному обеспечению ЭМПТ [ 7], форм ируе м ому в ми кроэ л е ктрон ной ком поненте (МЭК) [5].

Особенности информационного обеспечения ЭМТП

Дл я м а с с ов ого в не дрени я бе з ре д у кторны х ЭМТП не обх од им о пре одол е ть ря д при нц ип иальных т р у дносте й, сде рж и в а ющи х инновационный проце с с. В пе рву ю оче ре дь это относ и тс я к не д оо ц е нке роли и нформ а цио н н ого об ес пе че н ия проце сс а пре обра з ов а ни я в и да эне ргии, не ра з рыв но свя за нн о г о с п р еоб р азо ва ния ми ф о р м ин ф о р мации. Тр ад ици он н ые вари а н т ы кин естети ч ес ких П ИП , применяемых в ЭМТП , п р едст ав ле н ы н а рис. 3.

Попытки полного перехода от аналоговых сенсоров (рис. 3, а) к кодовым (рис. 3, б) не дали желаемого эффекта из-за дороговизны изготовления последних и сложностей, связанных с передачей многоразрядных цифровых эквивалентов составляющих перемещения, требующих для получения скорости и ускорения операций цифрового дифференцирования в микроконтроллере (МК) величины перемещения с чрезвычайно высокими быстродействием и помехозащищенностью [7].

Применение инкрементальных датчиков (рис. 3, в) вписалось в концепцию использования последовательных интерфейсов. Этот вариант ПИП не решил проблем с динамикой и помехозащищенностью формирования составляющих скорости и ускорения. В качестве дополнительного недостатка в нем появилась реальная возможность потери информации в процессе передачи и отсутствие ее самовосстановления после пропадания питания.

Варианты «бессенсорного» информационного обеспечения [8] аккумулируют перечисленные недостатки кодовых и инкрементальных сенсоров. Получение информации о перемещении косвенными методами с применением моделей ЭМТП может быть осуществлено только приближенно, поскольку в большинстве случаев на современной микропроцессорной базе возможна реализация только упрощенных динамических моделей ЭМТП [5].

В ЭМТП с БЭПМ используется информационное обеспечение с ПИП на основе СКС. Его выходные сигналы оцифровываются вторичным микроэлектронным преобразователем (ВМП) «угол – параметр – код» (УПК), которые поставляются под заказ [9].

Варианты ЕИО на основе ПИП представлены в таблице.

Бесконтактные СКС (рис. 4) выполняются одноотсчетным встраиваемым (а) и корпусным (б), двухотсчетным корпусным (в).

а)                            б)                                   в)

Рис. 3. Кинестетические первичные измерительные преобразователи

а)

б)

Рис. 4. Бесконтактные СКС: редуктосин (а), СКВТ (б) и БИФ (в)

в)

Варианты ЕИО на основе ПИП

№ п/п	Тип и разновидность первичного измерительного преобразователя	Составляющие перемещения на выходе ПИП	Информационные технологии, необходимые для формирования остальных составляющих ЕИО
1	КИНЕСТЕТИЧЕСКИЙ
1.1	Инкрементальный датчик	Числоимпульсный код N θ, маркер N 0 при θ = 0	Двойное дифференцирование N θ для получения ФΩ и Фε
1.2	Кодовый датчик	Позиционный код Грея N θГ или Баркера N θБ	Формирование Фθ и двойное его дифференцирование для получения ФΩ и Фε последовательным дифференцированием двоичного кода Фθ
1.3	Электромашинный синусно-косинусный сенсор	Аналоговые квадратурные US θ и UC θ	Формирование Фθ, Ф S θ, Ф C θ, ФΩ и Фε в составе циклического или следящего преобразователя УПК
2	ГЕНЕРАТОРНЫЙ
2.1	Круговые и секторные СКМЭ на эффекте Холла	Параллельный двоичный код Ф θ , маркеры границ	Двойное дифференцирование Ф θ для получения ФΩ и Фε, АЦП – для Ф S θ и Ф C θ
2.2	Круговой СКМЭ на эффекте ГМР	Параллельные двоичные коды Ф θ , Ф S θ , Ф C θ	Двойное дифференцирование Ф θ для получения ФΩ и Фε, или формирование в составе следящего АЦП

Информационное обеспечение ЭМТПна основе СКМЭ

Перспективным направлением дальнейшей электронизации ЭМК является использование в качестве ПИП генераторных синусно-косинусных магнитных энкодеров (СКМЭ), в которых используются следующие физические эффекты [10]:

• •    Холла, причиной которого является отклонение заряженных частиц, движущихся в магнитном поле под действием силы Лоренца.

• •    гигантского магнитного резонанса (ГМР), в основе которого лежит рассеивание электронов, зависящее от изменения направления магнитного поля.

Компания Austriamicrosystems производит СКМЭ (рис. 5) с вторичными микроэлектронными преобразователями серии AS5000 в вариантах с цилиндрическим однополюсным магнитом (рис. 5, а), с секционированной магнитной линейкой (рис. 5, б) и кольцевые многополюсные ПИП с горизонтальным (рис. 5, в) и вертикальным (рис. 5, г) размещением магнитов. Они изготавливаются из редкоземельных сплавов AlNiCo, SmCo и NeFeB, которые используются и при изготовлении ротора БЭПМ, что способствует дальнейшей электрони- зации ЭМК в части агрегатирования сенсора с электромашиной.

На рис. 5, д представлен СКМЭ типа TLE5012В компании Infineon Technologies на основе встроенных ГМР-элементов, соединенных в мостовую схему. Структура СКМЭ предусматривает возможность формирования сигнала скорости, а ортогональные составляющие оцифрованы.

Применение современных СКМЭ в прецизионных ЭМТП ограничивается повышенным, по сравнению с электромашинными СКС, уровнем суммарной погрешности как в статике, так и в динамике. Если первую удается снизить путем калибровки, то для коррекции второй необходимо формировать внешний тахометрический канал, что ведет к усложнению МЭК [11]. В качестве примера уместно привести следящий ВМП компании Analog Devices AD2S1210, обеспечивающий с электромашинными СКС цифровые выходы значения и скорости перемещения с разрешением до 15 бит. Необходимо учесть, что и этот вариант ВМП не формирует составляющую ускорения, необходимую для реализации самоорганизующегося преобразователя УПК.

Рис. 5. Синусно-косинусные магнитные энкодеры

а)

Рис. 6. Самоорганизующийся преобразователь с переменной структурой (а) и его переходная характеристика (б)

б)

Самоорганизующийся преобразователь с переменной структурой

Мехатронный подход для реализации одноотсчетных прецизионных ЭМТП с СКМЭ, имеющими на выходе ПИП разрешение 15–16 бит, делает целесообразным использование интеллектуальных возможностей самоорганизующегося ВМП с переменной структурой и микроконтроллерной обработкой информации о перемещении на основе КТ.

Блок-схема самоорганизующегося преобразователя представлена на рис. 6, а. Она содержит первичный измерительный преобразователь ПИП , сопряженный непосредственно с электромеханической компонентой ЭМК . Выходные сигналы ПИП в цифровой форме поступают в микроконтроллер МК . Ортогональные составляющие перемещения Ф S θ и Ф C θ декодируются соответственно ЦАП1 и ЦАП2 . После конвертации ортогональные аналоговые сигналы U_{S θ} и U_{C θ} поступают на входы электронной следящей системы ЭСС . В ЭСС формируется цифровой эквивалент перемещения Ф^*_θ, временной сдвиг которого определяется динамической ЭСС , являющейся следящей системой с астатизмом второго порядка.

В процессе работы ЭСС на ее выходах формируются аналоговые эквиваленты составляющих скорости U _Ω и ускорения U _ε перемещения. Кодирование этих сигналов производится МК, с выхода которого цифровые эквиваленты скорости Ф Ω и ускорения Ф_ε поступают в МК , где они используются для формирования соответствующих обратных связей по перемещению, его скорости и ускорению. В ЭМК поступают цифровые эквиваленты Ф S Э и Ф C Э , сформированные в МК для управления БЭПМ с любым числом пар полюсов [5].

В установившемся режиме входного воздействия, когда его скорость Ω = const, а ускорение ε = 0 (рис. 6, б), динамическая ошибка преобразования отсутствует.

При изменении скорости входного воздействия возникает динамическая погрешность, связанная с инерционностью ЭСС . Погрешность преобразования в переходных режимах (см. рис. 6, б)

может быть достаточно быстро устранена [11] посредством замены режима слежения на циклический режим конвертации. Решение о смене режима конвертации принимается в МК посредством оперативного оценивания на основе КТ массива информации о составляющих перемещения Ф^* θ , Ф θ , Ф_Ω и Ф_ε. Из режима пропорционального управления ЭСС при больших рассогласованиях переводится в релейный режим. С точки зрения теории автоматического управления это аналогично введению логического нелинейного корректирующего устройства, что делает многокомпонентный преобразователь УПК самоорганизующимся в части самостоятельного изменения режима конвертации на основе оценивания массива текущих значений составляющих скорости Ω и ускорения ε перемещения. Команда смены режима КСР формируется в МК .

Заключение

Повышение эффективности преобразователей УПК при применении в ЭМТП связано с совершенствованием структурного, алгоритмического и информационного обеспечения процесса конвертации выходных сигналов ПИП в эквиваленты составляющих перемещения с целью формирования рекомендуемых для большинства технологических процессов временных диаграмм.

Существенным недостатком современных СКМЭ, ПИП которых обладает свойствами хронотопа, является ограниченное использование его функциональных возможностей в части формирования составляющих скорости и ускорения. Низки помехозащищенность и метрологические показатели формирования цифрового эквивалента перемещения разомкнутой структурой.

Выбор оптимального типа преобразователя для конкретного применения – трудная задача, усложняемая рядом противоречивых ограничений. Последние определяются возможностями, достоинствами и недостатками циклических и следящих преобразователей УПК. Мехатронный подход позволяет предложить компромиссный самооргани- зующийся вариант, обеспечивающий снижение динамической погрешности преобразования за счет уменьшения времени восстановления ВМП на три порядка в сравнении с аналогичным параметром традиционного следящего преобразователя УПК.