РАЗРАБОТКА  МЕХАТРОННОГО  МОДУЛЯ  ПРИВОДА  НА  BLDC  ДВИГАТЕЛЯХ

Сагитов  Пулат  Исмаилович

д.  т.  н,  профессор,  заведующий  кафедрой  электропривода  и  автоматизации  промышленных  установок  Алматинского  университета  энергетики 

и  связи,  г.  Алматы,  респ.  Казахстан

Гафурьянов  Дамир  Забирьянович

технический  директор  Ltd  «Radan-  electric»  г.  Алматы,  респ.  Казахстан

E-mail: 

Гафурьянов  Рашид  Дамирович

инженер,  с.  Казахcко-Американского  университета,  г.  Aлматы,  респ.  Казахстан

E-mail:  radandc@mail.ru

Согласно  закона  Мура  в  стремлении  к  повышению  гигагерц  участвуют  не  только  процессоры,  но  также  память,  графические  процессоры  и  память  видеокарт  ,  винчестеры.  Все  эти  составляющие  системного  блока  не  только  работают  быстрее  с  каждым  добавленным  гигагерцем  или  оборотом  в  минуту  но  также  потребляют  больше  энергии,  приводящей  к  росту  мощности  блока  питания  и  выделяют  порядочное  количество  тепла,  приводящее  к  снижению  устойчивости  системы.  Для  поддержания  рабочей  температуры  указанных  составляющих  и  повышении  энергосбережения  постоянно  совершенствуется  и  повышается  эффективность  системы  охлаждения.

Под  эффективностью  системы  охлаждения  понимают  возможность  достижения  минимально  возможной  рабочей  температуры  охлаждаемого  компонента  (центрального  процессора,  графического  процессора,  модулей  памяти  и  т.д.).  Повышение  эффективности,  на  данный  момент,  можно  добиться  несколькими  способами:

·     увеличением  площади  рассеяния  радиатора  или  количества  каналов  при  жидкостном  охлаждении;

·     применением  для  радиаторов  материалов  с  более  высоким  коэффициентом  теплопроводности  (вместо  традиционно  используемого  алюминия  и  его  сплавов  -  медь);

·     устранением  микрозазоров  между  поверхностями  охлаждаемого  компонента  и  радиатором  посредством  применения  термопроводящей  пасты;

·     также  на  эффективность  системы  охлаждения  влияет  разность  температур  между  охлаждаемым  компонентом  и  окружающим  воздухом;

·     изменением  направления  потока  воздуха  на  охлаждаемый  элемент  или  от  него;

·     оптимизацией  мехатроники  системы  активного  воздушного  охлаждения  РС  с  использованием  более  производительного  вентилятора  и  новой  системы  автоматизированного  управления  многодвигательным  электроприводом  на  основе  BLDC  электродвигателей  (при  воздушном  охлаждении)  или  компрессора  (при  жидкостном).

Примем  к  рассмотрению  следующую  функциональную  схему  мехатронной  системы  активного  воздушного  охлаждения  (см.  рисунок  1):

Рисунок  1.  Функциональная  схема  мехатронной  системы

Определим  основные  функциональные  требования  к  элементам  системы  /1/:

·     уменьшение  абсолютного  значения  температуры  каждого  тепловыделяющего  логического  элемента  ЛЭ  конструкции  до  пониженного  уровня  и  поддержание  его  постоянным.  Выполнение  этого  требования  позволяет  иметь  высокие  надежностные  показатели  конструируемой  ЭВМ  и  обеспечить  ее  быстродействие;

·     обеспечение  минимального  перепада  температур  внутри  каждого  из  тепловыделяющихся  элементов  конструкции  или  участка  "критической"  тепловой  цепи.  Уменьшение  перепада  температур  между  температурой  элемента  и  температурой  «горячей  точки»  цепи  элементов  при  пониженном  уровне  температур,  позволяет  распологать  повышенным  запасом  помехоустойчивости  ЛЭ  и  ЛЦ;

·     создание  минимального  теплового  сопротивления  между  источниками  теплоты  (логическими  элементами)  и  стоком  теплоты  (холодоносителем).  Выполнение  этого  требования  позволяет  при  сохранении  температуры  источников  теплоты  ЛЭ  на  допустимом  уровне  повысить  тепловые  нагрузки  и  снизить  при  этом  массу  и  габариты  машины;

·     распределение  холодоносителя  между  элементами  и  узлами  конструкции  ЭВМ  в  количествах,  соответствующих  их  тепловыделениям,  и  обеспечение  необходимой  скорости  его  распространения.  Это  обусловливает  такие  условия  теплообмена  между  холодоносителем  и  элементами  ЭВМ,  которые  позволяют  поддерживать  температуру  каждого  элемента  на  допустимом  для  него  уровне  при  минимальном  суммарном  расходе  холодоносителя.  Если  холодоноситель  подается  внутрь  ЭВМ  без  должного  распределения  между  тепловыделяющими  элементами,  то  даже  при  достаточно  суммарном  расходе  некоторые  из  них  оказываются  перегретыми  до  недопустимых  температур  в  то  время  как  другие,  достаточно  охлажденные,  не  могут  использовать  полностью  поступающий  к  ним  избыточный  холодоноситель,  который  затем  выводится  из  конструкции,  не  выполнив  своих  функций;

·     обеспечение  таких  влажностных  функций  для  элементной  базы,  носителей  информации  и  материалов  конструкции,  чтобы  иметь  возможность  создать  минимальные  изменения  в  показателях  надежности  этих  конструктивных  компонентов  ЭВМ  и  отсутствие  образования  конденсата  на  их  рабочих  поверхностях;

·     выбор  элементов  теплоотвода,  средств  и  агрегатов  системы  охлаждения  с  такими  показателями  работоспособности  P(t)  для  всего  времени  эксплуотации  ЭВМ,  чтобы  выполнялось  требование  (вероятность  работоспособности  системы  охлаждения  выше  вероятности  работоспособности  системного  блока  ):

                                                             (1)

где:

-вероятность  работоспособности  системы  охлаждения;

-вероятность  работоспособности  системного  блока  РС.

Системный  подход,  в  решении  задачи  охлаждения,  реализуется,  когда  одновременно  и  взаимосвязано  рассматриваются  и  синтезируются  требуемые  процессы  охлаждения  в  конструкции  системного  блока,  элементы  и  средства  теплоотвода  и  их  конструктивно-тепловые  параметры,  а  также  функциональные  и  надежностные  параметры  конструкции,  средства  обеспечения  холодоносителем  и  их  характеристики.

В  основу  расчета  теплового  режима  системного  блока  положен  метод  электротепловой  аналогии,  обоснованный  Г.Н.  Дульневым  для  задач  теплового  режима  РЭА.  В  обобщенном  случае,  для  расчета  созданной  тепловой  схемы,  применим  известный  способ  расчета  нелинейных  электронных  схем.  В  этом  случае  система  уравнений  в  матричном  виде,  определяющая  вектор-столбец  температур    в  узлах  схемы,  по  аналогии  с  узловыми  потенциалами,  будет  иметь  вид:

                                                        (2)

где:

-температура  в  n  –  м  узле;

n-число  узлов  в  схеме;

A-матрица  узлов;

-  матрица,  транспонированная  от  А;

-вектор  столбец  тепловых  потоков,  проходящих  через  элементы  схемы;

Y  –  диагональная  матрица  тепловых  проводимостей  схемы.

Элементы  матрицы  Y  ,  заданные  температуры  и  тепловые  потоки  могут  подчиняться  тем  или  иным  законам  распределения  с  корреляционными  связями  между  ними.

Учитывая,  что  электромеханическая  часть  мехатронного  модуля  представляет  собой  привод  на  BLDC  электродвигателях  составляем  уравнения  этой  части  системы  в  пространстве  состояний  /3/:

  (3)

где:

x  –  матрица  входных  значений;

u  –  выходных  значений;

A,  B  –  матрицы  определяемые  структурой  силовой  цепи  BLDC  электродвигателя  и  значениями  ее  параметров.

Для  решения  системы  уравнений  (2)  и  (3)  и  статического  расчета  искомых  температур  и  тепловых  потоков,  в  пакете  Simulink  системы  Matlab  7  была  построена  виртуальная  модель  мехатронного  модуля  активной  системы  воздушного  охлаждения  системного  блока  РС,  с  применением  в  качестве  исполнительных  элементов  электромеханической  части  системы  BLDC  электродвигателей  (см.  рисунок  2).  Рабочий  ток  и  мощность  на  примере  одного  BLDC  электродвигателя  представлены  на  рисунке  3.  Рабочая  температура  и  скорость  вращения  на  примере  одного  BLDC  электродвигателя  представлены  на  рисунке  4.