I7, I8.
118
Интеллектуальные интерфейсы расположены на входах и
выходах устройства компьютерного управления мехатронного моду-
ля и предназначены для его сопряжения со следующими структур-
ными элементами:
– компьютером верхнего уровня управления и другими
модулями мехатронной системы (интерфейс I0);
– цифроаналоговым преобразователем (интерфейс
I1) и далее с
силовым преобразователем модуля
(I2);
– датчиками обратной связи (интерфейс
I8), который в случае
применения сенсоров с аналоговым выходным сигналом строится на
основе аналого-цифрового преобразователя;
– устройствами обратной связи для контроля уровня
электрических токов и напряжений в силовом преобразователе
(интерфейс I6).
В традиционной приводной технике интерфейсы являются сепа-
ратными устройствами. Поэтому их проектирование, изготовление и
наладка становятся серьезной проблемой, особенно при требованиях
надежного соединения нестандартных и специализированных эле-
ментов различных производителей.
Сравнение функциональной модели мехатронного модуля (см.
рис. 4.7) и структурной модели традиционного электропривода
(см. рис. 4.8), показывает, что суммарное количество основных и
интерфейсных блоков в структуре электропривода значительно
превышает число выполняемых функциональных преобразований.
Это обстоятельство указывает на структурную избыточность тради-
ционного электропривода. Наличие избыточных блоков приводит к
снижению надежности и точности технической системы, ухудшению
ее массогабаритных и стоимостных показателей.
Задачей функционально-структурного анализа является поиск
мехатронных структур, реализующих заданные функциональные
преобразования с помощью минимального количества структурных
блоков. Представленные решения основаны на совместном анализе
функциональной модели мехатронного модуля и структуры
традиционного электропривода (см. рис. 4.8 как
I0-I8).
Примеры проектных решений для мехатронных модулей, осно-
ванные на рассматриваемом методе интеграции элементов, приве-
дены в табл. 4.3.
119
Таблица 4.3
Примеры проектирования решений для мехатронных
модулей (см. рис. 4.8)
Исключаемые промежуточные преобразователи
Мехатронное
решение
функциональные
преобразователи
структурные
блоки
интерфейсы
Вентильный высоко-
моментный двигатель
Механический
Механическое
устройство
I4
Мехатронный модуль с
«бессенсорным»
управлением
Механико-
информационный
Датчики
обратной связи
I7, I8
Интеллектуальный си-
ловой преобразователь
Электроинформа-
ционный
Устройство
обратной связи
I5
Применение вентильных высокомоментных двигателей позво-
ляет заменить пару «двигатель + механический преобразователь
движения» на один исполнительный элемент – двигатель. Здесь
исключается механический преобразователь из функциональной
модели (см. рис. 4.7) и, соответственно, механическое устройство и
интерфейс I4 из традиционной структуры привода (см. рис. 4.8).
К основным преимуществам мехатронных модулей с вентиль-
ными высокомоментными двигателями относятся компактность и
модульность конструкции, повышенные точностные характеристики
привода благодаря отсутствию зазоров, кинематических погрешнос-
тей, упругих деформаций звеньев, а также исключению трения в
механической трансмиссии. В современных машинах используются
такие двигатели – углового и линейного типов.
Для определения положения полюсов на роторе двигателя в
конструкцию такого двигателя встраивают датчик положения (обыч-
но датчик Холла). В исполнительных приводах информацию с этого
датчика можно использовать и как сигнал позиционной обратной
связи. Следовательно, применение их со встроенными датчиками
позволяет упростить не только исполнительную часть модуля, но и
цепи обратной связи.
Построение мехатронных модулей с так называемым «бессен-
сорным» управлением означает исключение датчиков обратной связи
вместе с соответствующими интерфейсами I7 и I8, которые традици-
онно выполняют функциональное механико-информацион-ное пре-
образование. При этом информация о скорости и положении ротора
120
двигателя определяется в устройстве компьютерного управления
косвенными методами.
Данный способ позволяет существенно снизить стоимость
изделия и повысить надежность его работы, радикально облегчить
механическую конструкцию модуля, возложив задачу организации
обратной связи на электронные и компьютерные устройства. Факти-
чески в данном случае метод исключения промежуточных преобразо-
вателей сочетается с методом интеграции (гл. 4.3), который направ-
лен на расширение функций интеллектуальных устройств в
мехатронике.
Создание бессенсорных способов управления особенно актуаль-
но в настоящее время для мехатронных модулей на базе двигателей
переменного тока, широкое применение которых сдерживалось
отсутствием эффективных систем управления. Мировой рынок этих
модулей оценивался в 2003 г. в 12 млрд. долл. и прогнозируется его
дальнейший рост (около 12 % в год). Так как двигатели переменного
тока обладают высоким показателем цена/качество по сравнению с
машинами постоянного тока. Только за последние десять лет цена
единицы мощности асинхронных машин снизилась примерно в 10
раз, при этом компактность конструкции улучшилась в 15 раз.
Проблемы практической реализации метода бессенсорного
управления связаны с построением адекватных компьютерных моде-
лей для процессов, протекающих в двигателях. Характер этих про-
цессов существенно различается для участков разгона и торможения,
движения с номинальной скоростью и в зоне малых скоростей, на
холостом ходу и при наличии внешних моментов. Необходимым
условием работоспособности такой системы является организация
всех вычислительных процедур в реальном масштабе времени.
В состав современных мехатронных модулей входят интеллек-
туальные силовые преобразователи (см. табл. 4.3), объединяющие
электрическое и электроинформационное преобразования. Особен-
ность их состоит в том, что они содержат встроенные блоки
микроэлектроники, предназначенные для выполнения интеллекту-
альных функций – управление движением, защита в аварийных
режимах и диагностика неисправностей. Интеллектуальные силовые
преобразователи строят на базе полупроводниковых приборов нового
поколения. Типичными представителями этих приборов являются
силовые полевые транзисторы (MOSFET), биполярные транзисторы с
121
изолированным затвором (IGBT) и запираемые тиристоры с полевым
управлением (МСТ).
Использование интеллектуальных силовых преобразователей в
составе мехатронных модулей позволяет существенно снизить массо-
габаритные показатели, повысить надежность при эксплуатации,
улучшить технико-экономические показатели мехатронных систем.
Перспективные решения на базе рассмотренного метода интег-
рации основываются на применении гибридных производственных
технологий и новых конструкционных материалов, общих для
исполнительных и интеллектуальных компонентов.
Достарыңызбен бөлісу: |