Учебное пособие Харьков 014 удк

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. 

жүктеу/скачать 23,07 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: