Двигатель — одна из самых важных частей беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Инженеры стремятся сделать его надежным и мощным. Кроме того, повысить его эффективность можно с помощью уменьшения габаритов и веса его частей. Для этого, например, разрабатывают стартер-генераторы, которые сначала запускают двигатель, а затем генерируют энергию для работы всей элеткросистемы. Идея «двух режимов в одном устройстве» экономит пространство и снижает общий вес конструкции. Для управления стартер-генератором используют датчики, но выход из строя даже одного из них может привести к сбою, финансовым затратам и авариям. Ученые ПНИПУ разработали стартер-генератор без датчиков, сделав его более устойчивым к поломкам.
Исследование опубликовано в журнале «Электротехника», № 11, 2023. Разработка проведена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Ученые ПНИПУ реализовали стартер-генератор на базе синхронного двигателя с постоянными магнитами. Такой тип двигателей почти полностью вытесняет асинхронные, потому что коэффициент полезного действия значительно выше, то есть они более мощные и менее чувствительные к скачкам напряжения. Синхронные двигатели используются буквально везде: от самолетов, электрических и гибридных автомобилей и автобусов до скутеров, самокатов и квадрокоптеров.
— Обычно запуск двигателя и генерация электроэнергии происходят с помощью двух разных устройств. Наш стартер-генератор объединяет два режима в одной конструкции, обеспечивает стабильное напряжение на потребителях — на двигателе и всей электронике. Это позволяет улучшить производительность и снизить риск возникновения аварий из-за отказа систем, — объясняет доктор технических наук, заведующий кафедрой автоматики и телемеханики ПНИПУ Александр Южаков.
Политехники поясняют, что основные элементы разработанного ими стартер-генератора — это драйвер двигателя, переключатель и стабилизатор. Для запуска двигателя используется драйвер, в это время всё электричество поступает от аккумулятора. Затем переключатель отключает аккумулятор и драйвер, начинает работать генератор, он преобразует механическую энергию вращающегося двигателя в электрическую. Объединив оба режима в одном устройстве, достигается высокая энергетическая эффективность и компактность.
Ученые Пермского Политеха уделили особое внимание двум деталям. Во-первых, их стабилизатор работает в широком диапазоне входных напряжений и токов. Это важно, потому что нестабильное напряжение может привести к поломке двигателя и в целом электроники самолета. Во-вторых, политехники предложили управлять стартер-генератором без использования датчиков, с применением нечеткого регулятора. Такая технология имеет явные преимущества. Она более выгодна, так как больше не требуются установка и обслуживание датчиков, а также повышаются надежность и энергоэффективность устройств.
Синхронными двигателями на постоянных магнитах часто управляют с помощью датчика Холла (располагается на самом вращающемся моторе), но он легко может прийти в нерабочее состояние из-за повреждений механического характера, перегрева электродвигателя или короткого замыкания.
— Еще один популярный способ — бездатчиковое управление двигателем, но у него есть ограничения — требуются сложные математические модели и алгоритмы высокой вычислительной мощности для их реализации. В некоторых условиях, например, при низких скоростях, оно может быть менее точным. Однако применение нечеткого регулятора позволяет устранить эти недостатки, — рассказывает ассистент кафедры автоматики и телемеханики ПНИПУ Сергей Сторожев.
Разработанный учеными Пермского Политеха стартер-генератор для БПЛА способен работать сразу в двух режимах — запускать двигатель и генерировать электроэнергию для зарядки аккумулятора и питания электрических систем. Замена датчиков мотора на нечеткий регулятор делает систему более надежной. Даже при изменяющихся условиях нагрузки и параметров двигателя устройство обладает высокой точностью, что повышает надежность беспилотников.
Конструкторская и программная документация изобретения уже разработана и планируется к внедрению в системах автоматического управления двигателями в 2024 году.