Разработка и исследование цифровой системы управления вентильным двигателем с коррекцией статических характеристик

В последнее время наблюдается высокий темп роста доли применения бесконтактных электроприводов переменного тока во всём разнообразии автоматизированных комплексов авиационной, космической, автомобильной и других отраслей промышленности. Особое место среди приводов переменного тока занимают электроприводы на основе вентильного двигателя (ЭПВД) с постоянными магнитами. Данный тип приводов, благодаря своей простоте, хорошим массогабаритным показателям, технологичности, высоким эксплуатационным показателям, получил быстрое развитие и на данный момент практически вытеснил в новых разработках высокотехнологичных отраслей электроприводы с двигателями постоянного тока (ДПТ).

Сама по себе синхронная машина с постоянными магнитами и идея её использования в качестве альтернативы ДПТ появились достаточно давно (в 30-х годах XX века), однако бурное развитие ЭПВД стало возможно только с появлением высокоэффективной силовой полупроводниковой электроники и достаточно мощных вычислительных средств (микроконтроллеров, ПЛИС).

ЭПВД может быть построен на базе различных методов управления вентильным двигателем ВД: с дискретным управлением [11,31,38,44−47], непрерывным [48,51], частотно-токовым [10], векторным [15,17,58,60,62], с бездатчиковым [21,62]. Большинство работ, посвящённых ЭПВД средней и малой мощности, рассматривают дискретный метод управления. Однако данный метод не обеспечивает условия равномерности момента для высокоточного регулирования, а также имеет несинусоидальную форму токов, что ведёт к плохой электромагнитной совместимости и дополнительным потерям.

На сегодняшний день из общей массы можно выделить метод векторного управления [58], как показавший высокую эффективность. Исследованию данного метода посвящены труды таких учёных как: Блашке Ф., Соколовского Г. Г.,, Овчинникова И. Е., Виноградова А. Б. и др. Данный метод относится к непрерывным (с синусоидальной формой фазного тока) и основан на минимизации тока по оси ё. Несмотря на эффективность, с самого зарождения данный метод требовал высоких вычислительных способностей от системы управления и поэтому ассоциировался, как правило, с приводами высоких мощностей, где размер системы управления не являлся критичным параметром.

По мере развития науки и техники, появления высокотехнологичной элементной базы стало возможным применение векторного управления в системах приводов малых мощностей (от десятков ватт). Однако, несмотря на все достоинства, можно выделить ряд недостатков:

— необходимость измерения токов в фазах;

— высокие требования к производительности МК;

— всё ещё большие габариты для встраиваемых систем управления приводов малой мощности;

— высокая стоимость системы векторного управления в сравнении с системами, использующими скалярное управление.

Данные обстоятельства не позволяют применить системы с векторным управлением в простых приводах малой мощности для массового серийного производства, где блок управляющей электроники встраивается непосредственно в сам механизм. Особенно сильно ощущается проблема высокой цены системы управления (СУ), а также больших массогабаритных показателей при использовании отечественной элементной базы с приёмкой «5».

Хорошей альтернативой векторному управлению может послужить управление с коррекцией статических характеристик (КСХ), глубоко исследованный такими учёными как Микеров А. Г., Джанхотов В. В., Мустафа.

М.Н., Самохвалов Д. В. [19,20,34,35,38,48,52,61]. Описываемый в указанных работах метод КСХ является подтипом векторного управления, в котором измерение фазных токов, входные координатные преобразования (прямое Кларка и Парка), регулирование тока по оси с! заменено косвенным вычислением корректирующего напряжения по оси с1, основанным на измеренной скорости и управляющему входу иц. Процесс этого вычисления, как правило, сводится к табличной коррекции [20], однако «косвенность» этих вычислений предполагает зависимость от параметров двигателя.

К недостаткам метода можно отнести следующее:

— зависимость от параметров двигателя;

— наличие преобразователя координат (с^->аЬс);

— управление по входу не позволяет достичь предельной механической характеристики при условии работы УМ без насыщения;

— для УМ, не замкнутых обратной связью по выходному напряжению (все современные импульсные усилители), заданное напряжение иц не будет соответствовать действительности при нестабильном напряжении питания УМ, что приведёт к некорректной работе системы коррекции (СК).

В вышеуказанных работах подробно изложена суть метода при управлении напряжением ия, а также предложены модификации метода при учёте задержки в МК и усилительно-преобразовательном устройстве (УПУ, УМ) [20,48]. Однако, при этом нигде не проводится анализа о влияние нестабильности напряжения питания УМ и параметров двигателя на работу системы коррекции (СК). Так же в указанной литературе не предлагается модель (метод) для случая работы УМ в насыщении.

Анализ опубликованных работ, а также теоретические и экспериментальные исследования по тематике диссертации, выполненные автором в 2008 — 2012 годах на предприятии ЗАО «АэроЭлектроПривод», позволяют считать актуальной следующую цель диссертационной работы: исследование методов КСХ, получение закона коррекции для управления по фазному напряжению, упрощение структуры системы управления ВД с КСХ за счёт исключения преобразователя координат, повышение КПД и улучшение статических характеристик системы с ВД и КСХ в условиях нестабильности питания, технологического разброса параметров двигателя и воздействия окружающей среды.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе были решены следующие теоретические и экспериментальные задачи:

1. Получено математическое описание контура управления с коррекцией статических характеристик при ит=сопз1.

2. На базе анализа влияния параметров двигателя, изменяющихся под воздействием окружающей среды, были получены зависимости корректирующей характеристики и ошибки в коррекции от данных параметров.

3. Предложена структура системы управления, отличающаяся от известных наличием корректирующей связи по напряжению питания и системой коррекции при иш=сопз1 без использования преобразователей координат.

4. Реализована компьютерная модель системы ВД на базе полученного математического описания контура управления.

5. Выполнена экспериментальная проверка результатов математического моделирования.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• Получено математическое описание контура управления с коррекцией статических характеристик при ит=соп5^.

• На базе анализа влияния параметров двигателя, изменяющихся под воздействием окружающей среды, были получены зависимости корректирующей характеристики и ошибки в коррекции от данных параметров.

• Предложена структура системы управления, отличающаяся от известных наличием корректирующей связи по напряжению питания и системой коррекции, реализованной как функция двух переменныхнапряжения и скорости, без использования преобразователей координат. Наличие корректирующей связи позволило повысить КПД ВД в номинальных режимах на 15% (в условиях нестабильного питания), работа без преобразователей координат позволила заметно сократить объём вычислений.

• Разработана компьютерная модель системы ВД на базе полученного математического описания контура управления.

• Доказана адекватность способа коррекции путём:

1) Исследования минимизации тока <1 на математической модели.

2) Измерения взаимного положения тока фазы и фазы противо-ЭДС как на математической модели, так и экспериментально.

3) Сравнения с классическим методом векторного управления, использующего регуляторы тока с! и я, как на математической модели, так и экспериментально.

Практическая значимость полученных автором результатов для теории и практики определяется следующим:

• Реализована компьютерная модель системы ВД на базе полученного математического описания контура управления.

• Проанализировано влияние параметров двигателя, изменяющихся под воздействием окружающей среды, на форму корректирующей характеристики и ошибку в коррекции.

• Проведено сравнение в одинаковых условиях векторного управления и управления с различными методами КСХ. Даны рекомендации по выбору и применению того или иного способа.

Методы исследования.

Исследование ВД с КСХ и разработка системы управления выполнены с использованием теории функций комплексной переменной, теоретических основ электротехники и теории автоматического управления.

Численные методы применяются на базе пакетов программ Maple, MatLab, Simulink. Обработка экспериментальных данных производится с применением программы Matlab и MS Exel.

Оценка адекватности разработанных математических моделей и физической модели выполнена при проведении натурных исследований экспериментального образца ВД.

При выполнении экспериментальных исследований использовались вычислительные возможности платы SciBoard, а так же оборудование лабораторного стенда. Достоверность результатов.

Достоверность научных выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждаются корректным использованием математического аппарата теории автоматического управления и электрических машин, математическим моделированием на базе апробированных математических моделей, экспериментальными исследованиями макета, достаточной апробацией и публикациями полученных результатов. Апробация работы и публикации.

Результаты работы были доложены и обсуждены на международных научно-технических семинарах «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», 2008;2010 гг., Алушта.

Основные материалы диссертации опубликованы в четырёх печатных работах, одна из которых — в издании, входящем в перечень рецензируемых научных журналов и изданий высшей аттестационной комиссии РФ. Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 63 наименования. Основная часть работы.

4.6. Выводы по главе 4.

• Реализована система векторного управления вентильным двигателем.

• Реализована система управления вентильным двигателем с КСХ при ит=соп81-.

• Экспериментально проведено сравнение энергетических и механических характеристик при векторном управлении и при коррекции статических характеристик.

• Показана адекватность созданных математических моделей.

• Полученные теоретические аналитические выражения позволяют синтезировать управление, сходное по эффективности с векторным.

• Синтезированное управление позволяет использовать двигатель малой мощности с КПД до 83% и более.

• Показана возможность создания системы управления ВД без измерения токов в фазах, использования точных энкодеров и преобразования координат, позволяющую обеспечить минимизацию тока по оси с1.

• Для управления использовалась только вычисленная скорость по датчикам Холла, что подтверждает актуальность применения метода в маломощных двигателях.

Заключение

.

Основные научные результаты, полученные в диссертационной работе, можно сформулировать следующим образом:

1. Получены новые законы коррекции статических характеристик вентильного двигателя при иш=сопз1, обеспечивающие минимизацию токов, повышение КПД и линеаризацию СХ.

2. Предложена структура управления ВД с КСХ без преобразователей координат для систем на базе ПЛИС и МК, использующая корректирующую связь по напряжению питания.

Введение

корректирующей связи позволило повысить КПД ВД в номинальных режимах на 15% (в условиях нестабильного питания) и сохранить линейность статических характеристик.

3.Разработана математическая модель контура управления вентильного электродвигателя, отличающаяся от известных наличием корректирующей связи по напряжению питания, отсутствием преобразователей координат, работой без перехода во вращающуюся систему координат.

4. На базе анализа влияния параметров двигателя, изменяющихся под воздействием окружающей среды, вследствие технологического разброса, а также при нестабильности питания, были получены зависимости корректирующей характеристики и ошибки в коррекции от данных параметров.

5. Получены экспериментальные статические характеристики вентильного двигателя при отсутствии коррекции и при введении коррекции, подтвердившие эффективность разработанных законов цифровой коррекции для повышения КПД и линеаризации статических характеристик.

6. Доказана адекватность предлагаемого способа коррекции путём:

1) Исследования минимизации тока с1 на математической модели.

2) Измерения взаимного положения тока фазы и фазы противо-ЭДС как на математической модели, так и экспериментально.

3) Сравнения с классическим методом векторного управления, использующего регуляторы тока ё и ц, как на математической модели, так и экспериментально.