Моделирование вентильно-индукторного электровибропривода

В современном промышленном производстве наметилась устойчивая тенденция интенсификации различных технологических процессов. Одним из ее резервов является применение управляемых вибрационных машин и процессов. Область их применения весьма обширна [1, 2]: машиностроение, строительство, фармацевтическая и пищевая промышленности, медицина, текстильная промышленность, бытовая техника, техника для измерения, контроля и испытаний и т. п. Главным элементом любой вибромашины является вибропривод, позволяющий принудительно задавать различные по форме колебания и управлять амплитудно-фазо-частотными характеристиками исполнительных движений ее рабочего органа. При этом могут применяться различные способы соз- дания вибраций, например, посредством механических, либо электромагнитных приводов, либо электродвигателей вращательно-колебательного действия. Причем в разных вибромашинах упомянутые способы возбуждения колебаний могут использоваться как отдельно, так и в сочетании. Примером комплексного использования механического вибропривода с электродвигателем вращательно-колебательного действия может быть вибрационный смеситель, приведенный на рис. 1 [3]. При вращении ротора с перфорированными дисками генерируются его круговые колебания, создающие, в свою очередь, циркулирующие закрученные струи перемешиваемых компонентов. Важно заметить, что использование в качестве привода смесителя вентильно-индукторного электропривода (ВИП) позволяет увеличить длину за-

Рис. 1. Вибрационный смеситель многокомпонентных растворов: 1 – электровибропривод; 2 – муфта; 3 – ротор; 4 – перфорированные диски

топленных струй за счет пульсаций скорости двигателя [4].

Анализ выполненных работ показал, что некоторое единство взглядов на различные по природе процессы возбуждения колебаний в вибромашинах достигнуто различными исследователями лишь в одном – необходимости регулирования амплитудно-частотных характеристик. Отсюда понятно, что поскольку в каждом способе природа возбуждения различна, то, соответственно, в зависимости от степени изученности того или иного процесса различные исследователи предлагают свои способы управления технологическими параметрами. Наиболее изученным является механическое возбуждение низкочастотных колебаний с помощью дебалансов. В работах [2, 5–8] теоретически и экспериментально показаны природа и степень управляемости процессом. Вскрыты и уже достаточно хорошо изучены механизмы самовозбуждения и самосинхронизации высокочастотных механических колебаний в роторных инерционных системах [9]. Показано, что высокочастотные управляемые вибрации, по сравнению с низкочастотными, позволяют существенно повысить производительность целого ряда технологических процессов. А одновременное возбуждение в одном устройстве вынужденных низкочастотных с высокочастотными колебаниями позволяет наделить его еще и возможностью генерировать механические амплитудно-модулированные колебания [10].

Большой практический интерес вызывают выполненные на высоком уровне исследования, как механических [11, 12], так и электромагнитных [13] инерционно-импульсных систем. Теоретически и экспериментально показано, что целесообразнее всего их применять в быстротекущих виброударных процессах.

Колоссальный объем работы по изучению физических основ возбуждения колебательного режима в электродвигателях выполнили В.И. Луковников, K. Federn, K.H. Miller, T.M. Holdsworth [1, 14, 15]. Теоретически показано, что практически любой тип электродвигателя оснастив своей системой управления можно использовать в режиме электропривода колебательного движения. Работы Р.М. Трахтенберга позволили создать импульсные астатические электроприводы с дискретным управлением [16]. Такие системы сочетают достоинства цифровых систем с простотой аналоговых и позволяют управлять скоростью и фазой вращения. Однако жесткие условия работы, ударные нагрузки и необходимость получения значительных ускорений резко ограничивают область применения таких приводов в вибромашинах. Очевидно, что асинхронные приводы не в состоянии обеспечить требуемое быстродействие и точность, а электромеханические преобразователи с постоянными магнитами – требуемую проч- ность и живучесть [17, 18]. С точки зрения простоты управления электроприводом не менее интересными являются работы [19, 20] по совершенствованию систем управления вентильно-индукторных двигателей в части повышения качества работы, путем сглаживая пульсаций скорости и момента.

В свою очередь, Ю.А. Голландцев в [20] пошел дальше и разработал метод систематизации многообразия конструктивного исполнения вентильно-индукторных двигателей (ВИД) по критерию соотношения параметров зубцовой зоны, смоделировал переходный и установившийся режимы работы ВИД и предложил учитывать особенности формирования момента в зависимости от текущего положения ротора, опять же с целью сглаживания тех же пульсаций, но применение ВИД в качестве электровиброприводов авторами вообще не рассматривалось.

С позиции простоты впервые в работе [21] предложено в качестве электровибропривода использовать ВИД, поскольку с одной стороны он прост по конструкции, а с другой – его основной недостаток – высокие пульсации тяговых характеристик посредством системы управления можно обратить непосредственно в заданные колебания рабочего органа машины без каких-либо дополнительных механических устройств. Моделирование такого электровибропривода позволит оптимизировать его работу в требуемом режиме пульсаций. Такой подход является принципиально новым.

Актуальность и научная значимость

В разработку ВИП большой вклад, кроме прочих, внесли М.Г. Бычков и А.Б. Красовский, создавшие имитационные модели ВИП на базе MATLAB-Simulink [22]. В этих моделях взаимосвязи получены на основе аппроксимированных по средним значениям эмпирических зависимостей, что приводит к увеличению погрешности расчетов и требует значительного объема экспериментальных исследований. Отказ от полевых расчетов аргументировался большим объемом вычислений, значительным усложнением моделей и снижением их быстродействия.

В настоящее время доступны инструменты, позволяющие строить математические модели и проводить динамические расчеты электроприводов методом конечных элементов по мгновенным значениям, а также высокопроизводительные электронно-вычислительные машины – суперкомпьютеры. Использование данных ресурсов позволяет разработать универсальную математическую модель ВИП, основанную на расчете магнитного поля, для исследования вибрационных характеристик электропривода, аномальных режимов работы двигателя, алгоритмов и несимметричных способов управления, влияния технологических погрешностей двигателя на его работу.

Математическая модель

Для улучшения возможностей управления параметрами процесса перемешивания был выбран наиболее перспективный четырехфазный вариант двигателя с 8 статорными и 10 роторными полюсами. В связке программных продуктов Ansys Maxwell и Ansys Simplorer была разработана математическая модель вентильно-индукторного электропривода, основанная на модели электромеханического преобразователя, использовавшаяся для проведения магнитостатических расчетов [18]. На рис. 2 представлена схема электронного коммутатора.

Обмотки каждой из четырех фаз подключаются к источнику питания по мостовой схеме, ос- нованной на МОП-транзисторах. Скорость вращения двигателя задается обратной связью по крутящему моменту с учетом момента инерции J, равному 0,001 кг/м2.

В разработанной модели электропривода был применен алгоритм 90-градусной коммутации фаз двигателя. На рис. 3 можно увидеть математическую модель для реализации данного алгоритма, построенную в Ansys Simplorer, которая отражает порядок переключения фаз в зависимости от положения ротора. Блок коммутации обмоток одной из фаз, управляющий силовыми ключами электронного коммутатора, продемонстрирован на рис. 4.

Рис. 2. Схема электронного коммутатора в Ansys Simplorer

Рис. 3. Модель для реализации алгоритма 90-градусной коммутации

Рис. 4. Блок коммутации обмоток фазы, управляющий силовыми ключами

Рис. 5. Процесс симуляции работы модели ВИП в Ansys Maxwell

В ходе проведения компьютерных исследований был реализован процесс симуляции построенной модели вентильно-индукторного привода в Ansys Maxwell в соответствии с рис. 5. Обмотки фаз, по которым течет ток, имеют направленные по оси Z векторы плотности тока. А стрелки в статоре и роторе двигателя отражают векторы магнитной индукции.

За одну секунду симуляции модели двигатель развил скорость, равную 750 об/мин. При этом пульсации момента силы составляли 95 % от среднего значения, равного 0,1 Н∙м, с частотой 500 Гц. Из этого следует, что мощность электропривода не превышает 7,85 Вт при напряжении питания обмоток статора 12 В.

Проведенные исследования выполнены с использованием суперкомпьютерных ресурсов ЮУрГУ [23].

Экспериментальный образец

Для проверки адекватности модели разработан и изготовлен опытный образец вентильноиндукторного вибропривода мощностью 100 Вт. После проведения сравнительного анализа существующих программируемых микропроцессоров для системы управления был выбран 32-разрядный сигнальный микроконтроллер TMS320F28335 производства Texas Instruments в составе экспериментальной платы TMS320F28335 Experimenter’s Kit [21].

Электронный коммутатор выполнен по четырехфазной мостовой схеме (рис. 6) на базе МОП-транзисторов IRF3415. В качестве датчика обратной связи был использован энкодер Delta Electro- nics ES3-06CN6941 с разрешением 600 меток на оборот. Программа для микроконтроллера была написана на языке программирования C++ в интегрированной среде разработки Code Composer Studio.

Созданная система управления ВИП позволяет изменять алгоритмы управления «на ходу», создавая требуемые пульсации частоты вращения исполнительного органа машины. Использование микропроцессора открывает возможность программным методом имитировать аномальные режимы работы электропривода, как, например, несимметричное питание или сбои датчика обратной связи. Структурная схема экспериментальной установки представлена на рис. 7.

Рис. 6. Схема электронного коммутатора

Рис. 7. Структурная схема опытного образца вибропривода

Рис. 8. Результаты расчета математической модели и проведения опыта с экспериментальной установкой

Результаты исследования

В результате проведения междисциплинарного расчета динамических показателей посредством построенных математических моделей электромеханического преобразователя и электронного коммутатора были получены зависимости токов в обмотках и напряжений на обмотках двигателя от времени (рис. 8) при скорости вращения 1500 об/мин. Также, на рис. 8 представлена осциллограмма напряжения обмоток одной из фаз, снятая во время проведения опыта на экспериментальной установке. Отличия в форме напряжений вызваны некорректным заданием падения напряжения на обратных диодах электронного коммутатора в модели, а также влиянием сопротивления источника питания экспериментальной установки.

Заключение

• 1.    Построены математические модели вентильно-индукторного электромеханического преобразователя в Ansys Maxwell, электронного коммутатора с 90-градусной коммутацией фаз двигателя в Ansys Simplorer, выполнен их междисциплинарный расчет.

• 2.    Разработан и изготовлен экспериментальный образец вентильно-индукторного вибропривода с микропроцессорным управлением на базе микроконтроллера TMS320F28335, позволяющего программным способом изменять алгоритм управления и имитировать неисправные режимы работы привода.

• 3.    Проведенные экспериментальные исследования подтвердили адекватность моделей. При их использовании появляется возможность исследования вибрационных характеристик электропривода, аномальных режимов работы двигателя, алгоритмов и несимметричных способов управления, а также влияния технологических погрешностей двигателя на его работу.

• 4.    Электровибропривод на основе ВИД эффективнее всего может быть применен для создания сложных исполнительных движений рабочего органа в вибромашинах нового поколения, например, таких как вибрационные смесители-диспергаторы жидких многокомпонентных [4] и диспергаторы [9] твердых конденсированных сред.

Южно-Уральский государственный университет выражает благодарность за финансовую поддержку Министерства образования и науки Российской Федерации (грант № 9.7960.2017/БЧ).