Система управления движением роботизированного подвижного модуля с использованием емкостных накопителей энергии

Эффективность применения емкостного накопителя в силовой цепи с тягового двигателя (ТД) определяется схемой коммутации электрических машин, структурой, параметрами и алгоритмом функционирования системы управления. На основе проведенных исследований разработаны технические предложения по организации автоматической системы управления движением роботизированного подвижного модуля (РПМ) с использованием емкостных накопителей [1,2].

Комплексная функциональная схема системы управления движением РПМ представлена на рисунке.

Данная схема характеризует взаимодействие элементов системы управления как с аккумулятором, так и с бензоэлектрическим агрегатом при использовании емкостного накопителя.

Особенность предлагаемой схемы заключается в установке блока коммутации, предназначенного для переключения емкостного накопителя энергии на заряд или разряд по команде микропроцессорного блока управления (МБУ) в зависимости от режима работы электропривода и изменения направления и величины напряжения и тока на тяговом двигателе.

Автоматическая система управления РПМ, содержащая микропроцессорный блок управления, блок коммутации, датчики и аппаратуру, информирующую о состоянии и режимах работы систем, агрегатов модуля, исполнительные элементы, обеспечивает запуск двигателя внутреннего сгорания (ДВС), разгон, движение с постоянной скоростью (режим стабилизации скорости), повороты и торможение машины.

Блок коммутации в совокупности с микропроцессорным блоком управления осуществляет подключение накопителя: на разряд при провалах напряжения на ТД, а также при разгонах машины в качестве дополнительного запаса энергии; на заряд от генератора при торможении тягового двигателя в режиме рекуперации.

После запуска двигателя в зависимости от степени заряженное™ емкостной накопитель энергии по команде микропроцессорного блока управления может быть подключен на заряд, осуществляемый с помощью зарядного устройства. По мере заряда емкостной накопитель энергии отключается от зарядного устройства блоком коммутации по команде микропроцессорного блока. Состояние емкостного накопителя определяется в

Электромеханика

Принципиальная схема системы управления движением РПМ:

•► Силовая цепь,----► цепь управления, -——► информационная цепь

результате обработки сигналов датчиков, поступающих в микропроцессорный блок управления.

При разгоне, увеличении нагрузки, работе ТД на режимах максимальной мощности, поворотах в тяжелых условиях местности автоматическая система управления по мере необходимости параллельно с генератором осуществляет подключение к ТД емкостного накопителя, используя его в качестве дополнительного источника энергии. Это позволит повысить крутящий момент на ведущих колесах модуля и снизить ток нагрузки /г генератора, обеспечивая улучшение тягово-динамических свойств РИМ,

Дд = 4 + Дн,                (1)

где /эд - ток нагрузки ТД;

/ен - ток емкостного накопителя.

При этом подводимая к ТД мощность равна сумме мощностей, развиваемых генератором Рг и емкостным накопителем Рен,

Лл = Рт ⁺ Рен-               (2)

В процессе торможения модуля электродинамическим способом энергия, вырабатываемая ТД, при переходе в генераторный режим, запасается емкостными накопителями с целью дальнейшего ее использования.

В качестве примера рассмотрим прямолинейное движение модуля, описываемое уравнением [1,2]

m^- = F_T-F_e,            (3)

at где т - масса модуля;

dv

--ускорение движения модуля;

dt

Т? ^вк ^эдДедЛред                 , г\ = —— =----—с— - сила тяги, обеспе-

Г          г

■ вк              вк чивающая движение модуля,

Л/вк - момент на ведущем колесе;

гвк-радиус ведущего колеса;

М_зд - момент на валу тягового электродвигателя;

/реД - передаточное число редуктора;

Пред - КПД редуктора;

F_c =К G« ~ сила сопротивления движению,

здесь GM - вес модуля;

X - суммарный коэффициент сопротивления

движению.

Решив уравнение (3) относительно момента

Л/зд, получим

^эд

^редЛред

Момент на валу ТД также может быть описан выражением [1]

^эд ^— с_м Ф /_эд, (5) где с_м - коэффициент пропорциональности, постоянный для данной электрической машины;

Ф - магнитный поток электродвигателя.

С учетом уравнений (4) и (5) запишем выражение для тока нагрузки Дя, необходимого для реализации требуемого режима движения РПМ в

заданных внешних условиях:

^эд

^ред Предам ^

Требования к емкости накопителя определяются объемом энергии, вырабатываемой ТД в процессе торможения и используемой в дальней

шем для реализации высоких тягово-динамических свойств РПМ и минимизации мощности генератора либо аккумулятора. Вследствие этого при разработке систем управления с емкостным накопителем энергии необходимо обосновать емкость накопителя Сен, обеспечивающего, с одной

стороны, возможность его заряда за счет энергии, вырабатываемой при рекуперации, а с другой -сохранение требуемых тягово-динамических свойств модуля при использовании генератора пониженной мощности.

Соотношение мощности генератора и емкости накопителя, обеспечивающее требуемый уровень тягово-динамических свойств РПМ в заданных

Нефедов Д.В., Фадеев Д.Ю.

dv внешних условиях движения для случая — > О dt определяется выражением (2) или с учетом формул, изложенных в модели [2]:

Система управления движением роботизированного подвижного модуля...

характеристиках (при движении РПМ с неполной нагрузкой на генератор) питание электроприводов и заряд накопителей осуществляются от ге нератора:

'вк^эд

^ред^ред^м^

р ₌ вк^эд

^Г Z П С Ф ред¹ 1редм

U² _с”с_ен(к_ц+/?_ен) (^ц +^ен)

^ен(^ц+^ен)

где и_эд - напряжение на выводах ТД в генераторном режиме;

U - конечное напряжение на выводах накопителя;

Н_ц — эквивалентное сопротивление цепи тягового электродвигателя;

R_eH - сопротивление емкостного накопителя;

t_p - время разгона модуля.

dv

На режимах торможения при ~ < 0 емкост ный накопитель энергии подключается к сети, обеспечивая использование энергии рекуперации, вырабатываемой электроприводами при торможении модуля, за счет ее аккумулирования. При этом с учетом формул, приведенных в [2], выражение (2)принимает вид

2__*Т (__*Т р  ^ _ ^ен(^ц*^еи)       ^ен(^ц+^ен)   r~(^+M       '      ~

( CpOvi™

I 2лгвк J

На R_a

где ?т - время торможения модуля;

С_Е — коэффициент пропорциональности, постоянный для данной электрической машины.

В случае равномерного движения, когда dv _п

— = 0, и работе генератора с ТД на частичных где t3 - время заряда накопителя.

Таким образом, можно сделать вывод, что предложенная схема системы управления движением РПМ, в основу которой положено использование емкостного накопителя энергии, позволяет:

• -    повысить эффективность использования электрической энергии затрачиваемой для движения РПМ, за счет рекуперации;

• -    улучшить динамические свойства РПМ за счет совершенствования системы управления ТД.

Кроме того, математическая модель предлагаемой системы управления тяговым двигателем с емкостным накопителем энергии позволяет получить характеристики изменения направления и величины напряжения и тока на тяговом двигателе роботизированного подвижного модуля и может быть использована для оценки параметров эффективности РПМ как объекта управления.