Целью второго метода интеграции является минимизация конструк­тивной сложности мехатронных модулей путем создания интегрирован­ных мехатронных модулей, реализующих несколько функциональных и структурных преобразований. Эта цель может быть достигнута на треть­ем этапе проектирования мехатронных систем – этапе структурно-конструктивного анализа (см. рис. 2.4). Структуру модуля, которая сфор­мирована на предыдущем этапе, теперь считаем известной. Задача разра­ботчика состоит в выборе конструктивных решений, реализующих за­данный набор элементов и связей между ними.

Рассматриваемый метод интеграции заключается в аппаратно-конструктивном объединении выбранных элементов и интерфейсов в едином корпусе. Технологической базой для данного метода интеграции является гибридная сборка узлов и элементов (см. п. 1.3). Аппаратное и конструктивное объединение элементов в единые модули должно обяза­тельно сопровождаться разработкой интегрированного программного обеспечения.

Проблемы практической реализации метода "бессенсорного" управ­ления связаны с построением адекватных компьютерных моделей для процессов, протекающих в двигателях. Характер этих процессов 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 интеллекту­альные силовые преобразователи (ИСП) (см. табл. 2.3), объединяющие элек­трическое и электроинформационное преобразования. Особенность ИСП состоит в том, что они содержат встроенные блоки микроэлектроники, предназначенные для выполнения интеллектуальных функций, – управ­ление движением, защита в аварийных режимах и диагностика неисправ­ностей. ИСП строят на базе полупроводниковых приборов нового поко­ления. Типичными представителями этих приборов являются силовые полевые транзисторы (MOSFET), биполярные транзисторы с изолиро­ванным затвором (IGBT), запираемые тиристоры с полевым управлением (МСТ) (см. п. 1.3).

Использование ИСП в составе мехатронных модулей позволяет су­щественно снизить массогабаритные показатели силовых преобразовате­лей, повысить их надежность при эксплуатации, улучшить технико-экономические показатели.

Перспективные решения на базе рассмотренного метода интеграции основываются на применении гибридных производственных технологий и новых конструкционных материалов, общих для исполнительных и интеллектуальных компонентов.

На сегодняшний день разработано большое число методов косвен­ного определения скорости вращения ротора, с которыми можно ознако­миться в специальной литературе. Эти методы можно классифицировать по виду исходной информации и применяемым математическим моде­лям. В качестве исходных данных обычно берутся значения электриче­ских напряжений и токов, протекающих в обмотках статора и/или ротора (рис. 2.8).

Наиболее распространенными являются три группы моделей, опи­сывающих электромагнитные процессы в двигателях: аналитические мо­дели в форме дифференциальных уравнений с фиксированными парамет­рами, адаптивные самонастраивающиеся модели и модели, построенные на базе интеллектуальных технологий (нейросетевые, нечеткая логика и т.д.). Практическая реализация методов "бессенсорного" управления ста­ла возможна благодаря появлению быстродействующих цифровых вы­числителей (см. п. 1.3).

Построение мехатронных модулей с так называемым "бессенсор­ным" управлением означает исключение датчиков обратной связи вместе с соответствующими интерфейсами I7 и I8, которые традиционно выпол­няют функциональное механико-информационное преобразование. При этом информация о скорости и положении ротора 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. Фактически в данном случае метод исключения промежуточных преобразователей сочетается с треть­им методом интеграции (п. 2.4), который направлен на расширение функций интеллектуальных устройств в мехатронике.

Создание "бессенсорных" способов управления особенно актуально 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) [79]. Столь большой интерес к двигателям переменно­го тока вызван тем, что они обладают высоким показателем це­на/качество по сравнению с машинами постоянного тока. Так, по данным обзора [80], только за последние десять лет цена единицы мощности асинхронных машин снизилась примерно в 10 раз, при этом компакт­ность конструкции улучшилась в 15 раз.

Примеры проектных решений для мехатронных модулей, основан­ные на рассматриваемом методе интеграции элементов, приведены в табл. 2.3.

Рассмотрим подробнее мехатронные решения, представленные в таблице.

Применение вентильных высокомоментных двигателей (ВМД) по­зволяет заменить пару "двигатель + механический преобразователь дви­жения" на один исполнительный элемент-двигатель. Здесь исключается механический преобразователь из функциональной модели (см. рис. 2.6) и, соответственно, механическое устройство и интерфейс I4 из традици­онной структуры привода (см. рис. 2.7).

К основным преимуществам мехатронных модулей с ВМД относят­ся компактность и модульность конструкции, повышенные точностные характеристики привода благодаря отсутствию зазоров, кинематических погрешностей, упругих деформации звеньев, а также исключение трения в механической трансмиссии. В современных машинах используются ВМД как углового, так и линейного типов. Примеры построения меха­тронных модулей на базе линейных высокомоментных двигателей пока­заны на рис. 1.6-1.8, а также в гл. 4.

Для определения положения полюсов на роторе двигателя в конст­рукцию вентильного ВМД встраивают датчик положения (обычно датчик Холла). В исполнительных приводах информацию с этого датчика можно использовать и как сигнал позиционной обратной связи. Следовательно, применение ВМД со встроенными датчиками позволяет упростить не только исполнительную часть модуля, но и цепи обратной связи.

В традиционной приводной технике интерфейсы являются сепарат­ными устройствами. Поэтому их проектирование, изготовление и наладка становятся серьезной проблемой для разработчика привода, особенно когда требуется надежно соединять нестандартные и специализирован­ные элементы различных производителей. Мехатронные структуры от­личаются высокой степенью интеграции элементов, причем эти решения закладываются уже на стадии проектирования и изготовления модулей и машин.

Сравнивая функциональную модель мехатронного модуля (см. рис. 2.6) и структурную модель традиционного электропривода (см. рис. 2.7), можно сделать вывод о том, что суммарное количество основ­ных и интерфейсных блоков в структуре электропривода значительно превышает число выполняемых функциональных преобразований. Дру­гими словами, можно говорить о структурной избыточности традицион­ного 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. В качестве локальных точек интеграции мы будем рассматривать ин­терфейсы привода, обозначенные на рис. 2.7 как I0-I8.

В зависимости от физической природы входных и выходных пере­менных интерфейсные блоки могут быть как механическими, так и ин­теллектуальными преобразователями. Примерами механических интер­фейсов являются передачи и трансмиссии, связывающие механическое устройство с двигателем (интерфейс I4) и датчиками обратной связи (I7,I8).

Интеллектуальные интерфейсы расположены на входах и выходах устройства компьютерного управления мехатронного модуля и предна­значены для его сопряжения со следующими структурными 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 (АЦП);

-  устройствами обратной связи для контроля уровня электрических токов и напряжений в силовом преобразователе (интерфейс I6).

В качестве исходной структуры ММ рассмотрим традиционный электропривод с компьютерным управлением (рис. 2.7).

Для дальнейшего анализа в представленной структурной схеме вы­делим управляющую и электромеханическую подсистемы. Структурная модель электропривода включает в себя следующие элементы:

-  устройство компьютерного управления (УКУ) движением, функ­циональной задачей которого является информационное преобразование (обработка цифровых сигналов, цифровое регулирование, расчет управ­ляющих воздействий, обмен данными с периферийными устройствами);

-  цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), реализующий функцию информационно-электрического преобразования;

-  силовой преобразователь, обычно состоящий из усилителя мощно­сти, широтно-импульсного модулятора (ШИМ) и трехфазного инвертора (для асинхронных двигателей);

-  управляемый электродвигатель (переменного или постоянного то­ка), который выполняет электромеханическое преобразование;

-  механическое устройство, которое реализует заданное управляе­мое движение, и рабочий орган, взаимодействующий с внешними объек­тами;

-  устройство обратной связи, которое дает информацию о значениях электрических напряжений и токов в силовом преобразователе;

-  датчики обратной связи (по положению, скорости движения звень­ев), выполняющие функцию механико-информационного преобразо­вания;

-  интерфейсные устройства, обозначенные на блок-схеме как /0-/8.

Итак, в мехатронном модуле следует реализовать семь функцио­нальных преобразований (см. рис. 2.6). Три из них назовем моноэнерге­тическими (информационный, электрический и механический преобразо­ватели), где входные и выходные переменные имеют одну и ту же физи­ческую природу. Остальные четыре являются дуальными (двойственны­ми), так как в них входные и выходные переменные принадлежат различ­ным физическим видам. К этой группе относятся информационно-электрический и электромеханический преобразователи, расположенные в прямой цепи функциональной модели, а также электроинформационный и механико-информационный преобразователи в цепях об­ратной связи.

Структурная модель мехатронного модуля (ММ) должна отражать состав его элементов и связи между ними. В теории автоматического управления принято структурные модели графически представлять в ви­де блок-схем. Звенья обычно обозначают в виде прямоугольников с указанием входной и выходной переменных, а также передаточных функций.

Отметим, что электрическая энергия является только промежуточ­ной энергетической формой между входной информацией и выходным механическим движением. Следовательно, электрическая подсистема отнюдь не является единственно возможной для выполнения главной функции, как это постулировано в приведенном определении мехатрони­ки. Безусловно, и другие виды энергетических процессов могут быть ис­пользованы в мехатронных системах для промежуточных преобразова­ний и должны рассматриваться как альтернативные варианты на этапе концептуального проектирования.

Выбор физической природы промежуточного преобразователя оп­ределяется возможностями технической реализации, исходными требо­ваниями и особенностями применения. В мехатронных модулях широко применяют:

-  гидравлические преобразователи, которые наиболее эффективны в машинах, испытывающих тяжелые нагрузки, в первую очередь благодаря их высокой удельной мощности;

-  пневматические преобразователи, которые крайне просты, надеж­ны и обладают высоким быстродействием;

-  химические преобразователи применяются в биоприводах, анало­гичных по принципу действия мускулам живых организмов;

-  тепловые энергетические процессы используются в микромеха-тронных системах и основаны на использовании материалов с памятью формы;

-  комбинированные преобразователи, основанные на энергетиче­ских процессах различной физической природы.