Вентильные индукторно-реактивные двигатели прецизионных следящих систем электропривода

Статические и динамические характеристики систем автоматического управления, промышленных роботов и навигационных приборов определяются качественными и количественными показателями следящих приводов, используемых в них. Повышение точности и надежности работы прецизионных следящих систем обеспечивается применением в них безредукторных приводов, основу которых составляют моментные двигатели. В качестве моментных двигателей используются индукторные асинхронные двигатели, вентильные двигатели с повышенным коэффициентом электромагнитной редукции и вентильные индукторно-реактивные двигатели.

Существующие конструктивные ограничения на традиционную компоновку многополтосных машин стимулировали поиск оригинальных конструкций двигателей, обеспечивающих необходимую величину коэффициента электромагнитной редукции. Наилучшими показателями характеризуются комбинированные двигатели, в которых индукторный принцип сочетается с возбуждением от постоянных магнитов.

Предложенные конструктивные схемы комбинированных двигателей имеют сборный ротор, в котором пакеты зубчатого ротора чередуются g вьсла-дышами из постоянных магнитов, имеющих аксиальное намагничивание. В этих двигателях магнитный поток возбуждения, созданный постоянными магнитами, замыкается поперёк шихтованных пакетов статора и ротора, что снижает эффективность использования постоянных магнитов. Наличие двойной зубчатости на статоре и роторе определяет возникновение дополнительных реактивных моментов, ухудшающих управляемость двигателей. Разработанные конструкции двигателей отличаются сложной и дорогостоящей технологией, которая может быть освоена производством, имеющим большой практический опыт в изготовлении изделий точной механики и электромашиностроения.

Развитие технологии производства полупроводниковой элементной базы, появление доступных силовых полевых транзисторов и встраиваемых микроконтроллеров изменили приоритеты в разработке электромеханических систем и стимулировали интерес к простым в конструктивном исполнении, технологичным и надежным двигателям, к которым относятся и вентильные индукгор-но-реактивные двигатели (ВИРД), именуемые в зарубежной технической литературе — Switched Reluctance Motor (SRM).

Концепция SRM и основные принципы управления впервые сформулированы в работах проф. П. Лоуренсона (1980). Существующие методы анализа, проектирования и способы управления SRM обобщены в монографиях проф. Т. Миллера (1993, 2002). Многие зарубежные компании (Switched reluctance Drives Ltd и др.), оценив достоинства и преимущества SRM, занимаются разработкой двигателей и приводов на их основе.

В России в 1960 — 1980 г. разработкой технологичных двигателей с электромагнитной редукцией занимались сотрудники МЭИ под руководством проф. М. Г. Чиликина. Значительный вклад в развитие данного научного направления внесли работы проф. Б. А. Ивоботенко, И. Ф. Ильинского, П. Ю. Каасика, Б. Е. Коника, А. С. Куракина, Ф: М. Юферова. Появившиеся в последнее время труды Д. А. Бута, М. Г. Бычкова, А. В. Демагина, В. Ф. Козаченко, Л. Ф. Коломейцева, А. Б. Красовского, В. А. Кузнецова, С. А. Пахомина, А. Д. Петрушина способствовали расширению исследований и промышленных разработок ВИРД и электроприводов для различных систем автоматического управления.

Конкурентоспособность ВИРД обеспечивается при повышенных значениях электромагнитных нагрузок: индукции и плотности тока. Зависимость параметров зубцовой зоны от насыщения магнитной цепи и взаимного расположения зубцов статора и ротора, напряженные тепловые режимы работы объясняют необходимость разработки методов анализа и синтеза, адекватно описывающих электромагнитные, электромеханические и тепловые процессы в ВИРД. Достоверное рассмотрение процессов возможно при использовании конечно-элементного анализа, который является основой программных пакетов.

ANSYS и ELCUT. Использование численных методов расчета магнитных и тепловых полей определяет целесообразность систематизации параметров ВИРД для сокращения объема вычислительных работ и получение универсальных проектных зависимостей. Повышенные требования прецизионных следящих систем, основное из которых — минимум пульсаций момента исполнительного двигателя, определяют необходимость разработки методов проектирования ВИРД и микропроцессорного управления, а также алгоритмов компенсации нелинейности характеристик привода.

Цель работы заключается в решении научно-технической проблемы повышения надежности и технологичности электрических двигателей с микропроцессорным управлением, предназначенных для использования в прецизионных следящих системах. Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие основные задачи:

— предложен метод систематизации существующих видов конструктивного исполнения ВИРД по критерию соотношения параметров зубцовой зоны, позволяющий оптимизировать форму распределения момента по расточке статора двигателя;

— установлены функциональные зависимости электромагнитного момента ВИРД от основных геометрических размеров и значений электромагнитных нагрузок, учитывающих особенности формирования момента в функции текущего положения ротора;

— предложены и реализованы математические модели магнитных и температурных полей в ВИРД, учитывающие реальные геометрические размеры параметров зубцовой зоны и свойства используемых материалов, а также разработана методология их моделирования;

— предложены и реализованы математические модели ВИРД, зачитывающие дискретную форму приложенного к обмоткам напряжения и адекватно описывающие электромагнитные и электромеханические процессы в переходных и установившихся режимах работы ВИРД, а также разработана методология их моделирования;

— разработана методика интерактивного проектирования ВИРД, базирующая на использовании встроенного программного пакета ELCUT и позволяющая оптимизировать параметры зубцовой зоны по критериям максимума пускового момента (или минимума пульсаций момента) при выполнении ограничений по допустимой температуре нагрева изоляции обмотки и номинальной частоте вращения ротора;

— предложена система цифровых алгоритмов микропроцессорного управления ВИРД, обеспечивающая формирование токов в фазах двигателя, линеаризацию регулировочных и механических характеристик;

— выполнены проектно-конструкторские разработки макетных образцов ВИРД и аппаратно-программного обеспечения микропроцессорных систем управления^.

Методы) исследования: При решении поставленных в диссертационной работе задач использовались фундаментальные положения теории электромагнитных и температурных полей, теории электрических машин, теории автомат тического управления, теории системного анализа, а также математические методы: конечно-элементный анализ, векторное и матричное исчисления, теория дифференциальных и разностных уравнений, численные методы решения уравнений, гармонический анализ. Теоретические результаты^, полученные в работе, подтверждаются результатами математического моделирования и экспериментальными исследованиями макетных образцов ВИРД.

Научную новизну имеют следующие основные результаты и положения диссертационной работы:

— метод систематизации многообразия конструктивного исполнения ВИРД по критерию соотношения параметров зубцовой зоны, позволяющий получить четыре базовых модели двигателя, параметры которых образуют четыре множества реализуемых соотношений, используемых для получения оптимальных значений;

— аналитические выражения, определяющие зависимость момента ВИРД от основных геометрических размеров, электромагнитных нагрузок и параметров зубцовой зоны, и учитывающие особенности формирования момента в функции текущего положения ротора;

— метод расчета электромагнитного момента ВИРД на основе локальных параметров магнитного поля (индукции и напряженности) для реальных геометрических параметров зубцовой зоны и магнитных свойств используемых материалов;

— выявленные закономерности пульсаций пускового момента ВИРД и методы их минимизации за счет выбора оптимального соотношения параметров зубцовой зоны и режима коммутации фаз;

— математические модели, адекватно описывающие электромагнитные и электромеханические процессы в ВИРД, и методология моделирования переходных и установившихся режимов работы;

— математические модели, адекватно описывающие тепловые процессы в ВИРД в установившихся и переходных режимах работы;

— методика интерактивного проектирования ВИРД, использующая встроенный программный пакет ELCUT и позволяющая осуществить оптимизацию параметров зубцовой зоны по критерию максимума пускового момента (или минимума пульсаций момента) при выполнении ограничений на допустимую температуру изоляции обмотки и номинальную частоту вращения ротора.

Практическая ценность полученных результатов, заключается в разработке методов расчета, моделирования, проектирования и управления ВИРД, обеспечивающих необходимые качественные и количественные показатели. Отдельные алгоритмы и программы расчета и моделирования процессов в ВИРД зарегистрированы и включены в информационный библиотечный фонд Российской Федерации.

Разработанные методики расчета, моделирования магнитных и температурных полей, проектирования ВИРД и их микропроцессорные алгоритмы управления, а также прикладные задачи моделирования и управления электромеханическими системами использованы при выполнении НИР и ОКР в ФГУП ЦНИИ «Электроприбор», в ОАО «НЛП Радар-ММС», а также в учебных процессах кафедры «Информационные технологии в электромеханике и робототехнике» ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» и кафедры «Системы автоматического управления» ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический институт».

Положения диссертационной работы^ выносимые на защиту:

— метод систематизации многообразия конструктивного исполнения ВИРД по критерию соотношения параметров зубцовой зоны;

— аналитические выражения, определяющие зависимость момента ВИРД от основных геометрических размеров, электромагнитных нагрузок и параметров зубцовой зоны, и учитывающие особенности формирования момента в функции текущего положения ротора;

— метод анализа электромагнитного момента и характеристик ВИРД на основе локальных и интегральных параметров магнитного поля с учетом конфигурации зубцовой зоны и насыщения магнитной цепи;

— математические модели, адекватно описывающие электромагнитные и электромеханические процессы в ВИРД, и методология моделирования переходных и установившихся режимов работы;

— математические модели, адекватно описывающие тепловые процессы в ВИРД, и методология моделирования установившихся и переходных тепловых режимов работы;

— методика интерактивного проектирования ВИРД, использующая встроенный программный пакет ELCUT и позволяющая осуществить оптимизацию параметров зубцовой зоны по критерию максимума пускового момента (или минимума пульсаций момента) при выполнении ограничений на допустимую температуру изоляции обмотки и номинальную частоту вращения ротора;

— система цифровых алгоритмов микропроцессорного управления ВИРД, обеспечивающая формирование токов в фазах двигателя^ линеаризацию регулировочных и механических характеристик привода;

— результаты решения прикладных задач электромеханики с помощью разработанных методов расчета и моделирования.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной конференции «Универсальные электромеханические и электрические системы», С.-Петербург, 1998 г.- на Первой международной конференции по мехатронике и робототехнике, С, — Петербург, 2000 г.- на Межотраслевых научно-технических конференциях памяти Н. Н. Острякова, С. Петербург, 1996, 2000, 2002 гг.- на Межотраслевой научно-технической конференции «ОПТИМ-2001» С.- Петербургна заседаниях С.-Петербургского отделения Международной энергетической академии и Российского научно-технического общества электротехники и электроэнергетики в 2001, 2003 гг.- на Международном симпозиуме «Аэрокосмические приборные технологии» СПб., 2002 г., на Международной школе-семинаре «БИКАМП» СПбГУАП, С, — Петербург, 2001, 2003ггна международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» Украина, г. Алушта, 2004 г.- на научных семинарах в ведущих технических университетов Москвы и С.-Петербурга.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 работ, в том числе монография, шесть статей в журналах, рекомендованных ВАК, шесть сообщений в журнале «Гироскопия и навигация», пять зарегистрированных программ в отраслевом фонде Министерства образования РФ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и трех приложений: Работа изложена на 293 страницах основного текста, содержит 99 рисунков и 27 таблицСписок использованных источников включает 203 наименования и занимает 17 страниц.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Установлено, что ВИРД относится к классу вентильных двигателей и должен рассматриваться с позиции теории элекгромашинно-вентильных систем. Специфичность электромашинкой части ВИРД состоит в существовании фиктивного контура возбуждения, МДС которого перемещается по расточке статора при последовательном переключении фаз обмотки. Величина момента ВИРД определяется магнитной энергией, сосредоточенной под возбужденными зубцами статора, и разностью магнитных проводимостей по ортогональным осям двигателя, которые зависят от конфигурации зубцовой зоны двигателя и магнитной проницаемости используемой электротехнической стали в магнито-проводах статора и ротора.

2. Предложена систематизация конструктивных соотношений параметров зубцовой зоны ВИРД. Существующее многообразие соотношений зубцов статора и ротора можно свести к четырем множествам, реализуемых параметров зубцовой зоны. Оптимальные соотношения параметров зубцов статора и ротора по критерию максимального значения синхронизирующего момента удовлетворяют условию рс = 2pphn. Иллюстрацией введенных множеств параметров является предложенная универсальная угловая диаграмма ВИРД.

3. Получены аналитические выражения электромагнитного момента ВИРД, устанавливающие зависимости геометрических размеров поперечного сечения от удельных электромагнитных нагрузок (плотность тока и степень насыщения магнитопровода), которые предлагается использовать как основные уравнения проектирования.

4. Сформулированы условия формирования момента в функции текущего положения ротора. Определены условия симметричности кривой магнитной проводимости воздушного зазора bZ2= J3Z2/tp =0,5 и (l/m)< 0,5, где к./л [1/л I тр. при: этом длительность открытогосостояния транзисторов вентильного коммутатора ограничена диапазоном (2тг1 т)<�у" - Симметричные режимы работы вентильного коммутатора имеют место при одиночной, парной и комбинированной коммутациях фаз. Установлено, что амплитудное значение синхронизирующего момента соответствует пусковому моменту ВИРД в пределах межкоммутационного интервала, равного шагу двигателя при нулевом значении угла опережения включения.

5. Установлено, что магнитное поле ВИРД в пусковом режиме работы является стационарным, плоскопараллельным и удовлетворяет уравнению Пуассона, записанному относительно векторного магнитного потенциала. При расчете момента ВИРД распределением магнитного поля в лобовых частях катушечных обмоток можно пренебречь.

6. Проанализировано влияние параметров зубцовой зоны, насыщения и режима коммутации обмоток на распределение векторного магнитного потенциала, индукции и магнитных потоков в ВИРД. Установлено, что наличие двойной зубчатости и относительно малого воздушного зазора ВИРД определяет повышенные требования к использованию программных пакетов для численного решения уравнения магнитного поля ВИРД, Число узлов должно быть больше 20−40 тыс. и расчетная сетка должна быть привязана к вершинам зубцов статора и ротора. При этом обеспечивается непрерывность второй производной векторного магнитного потенциала, в противном!- случае в распределении потенциала по расточке статора возможны разрывы первого рода.

7. Предложено при оптимизации параметров зубцовой зоны ВИРД использовать критерий максимума пускового момента, который является интегральной величиной магнитного поля. Расчет параметров магнитного поля ВИРД предлагается ограничить определением локальных величин магнитного поляг и момента:

ЛУ ((c)-/)=> L (®, J).

Магнитные потоки и проводимости вычисляютсяна окончательной стадии расчета магнитной цепи двигателя, после определения: оптимального соотношения параметров зубцовой зоны.

8. Установлено, что величина пульсаций пускового момента ВИРД определятся соответствием форм распределения индукции и производной магнитной проводимости в воздушном зазоре по расточке статора. Желаемая трапецеидальная форма распределения магнитной проводимости имеет место, если соотношения параметров зубцовой зоны обеспечивают значения второй и четвертой гармоник проводимости в воздушном зазоре близкие к нулю, а также максимальное значение третьей гармоники, имеющей положительную фазу. Минимальными пульсациями пускового момента характеризуются двигатели. в=> н w fA&J) имеющие соотношения параметров, лежащие в окрестностях точек В и С угловой диаграммы ВИРД. Увеличение числа фаз, плотности тока и применение парной коммутации уменьшает величину пульсаций пускового момента.

9. Предложен метод моделирования скоса зубцов ВИРД, базирующийся на эквивалентной замене объемной полевой задачи (3D) совокупностью плоских полевых задач (2D). Реальный двигатель заменяется элементарными машинами, число которых соответствует числу листов в шихтованном пакете статора. Вычисленное распределение момента каждой машины суммируется с учетом пространственного сдвига между соседними машинами, используя принцип суперпозиции. С помощью скоса зубцов ротора удается подавить отдельные высшие пространственные гармоники и обеспечить желаемое распределение индукции в воздушном зазоре.

10. Установлено, что при увеличении коэффициента электромагнитной редукции в ВИРД пропорциональный рост момента отсутствует. При наличии дополнительных мелких зубцов на полюсе статоре максимальное значение момента ограничено насыщением магнитной цепи, при увеличении которого магнитная проводимость по оси q относительно быстро возрастает из-за замыкания потока через вершины зубцов статора и ротора, минуя паз ротора.

11. Предложена система уравнений ВИРД, описывающая электромагнитные и электромеханические процессы в переходных и установившихся режимах работы. Система уравнений представлена в виде трех подсистем уравнений: уравнения преобразования текущего угла поворота ротора в дискретные напряжения, приложенные к обмоткамуравнения электромашинной части ВИРД и уравнение равновесия моментов на валу привода. Структура и количество уравнений определяются режимом работы вентильного коммутатора и числом фаз обмотки статора. Предложена система относительных единиц для исследования процессов в ВИРД, в качестве базовых единиц предлагается использовать параметры пускового режима. Основная особенность связана с выбором единицы времени, в качестве которой предлагается использовать коэффициент, представляющий отношение пускового момента к потребляемой мощности и имеющий размерность времени.

12. Показано, что напряжения, приложенные к обмоткам ВИРД, могут формироваться либо в функции времени (синхронный режим работы), либо в функции угла (вентильный режим работы). Аналитическая форма записи дискретных уравнений напряжений осуществляется с помощью введенной дискретной коммутационной функции. Уравнения, описывающие однополярные фазные напряжения, представляются в виде трех составляющих: постоянной составляющей, основной переменной составляющей и переменной составляющей, вращающейся с двойной частотой. Переменные составляющие напряжения являются тригонометрическими выражениями от дискретной коммутационной функции,.

13. Показано, что дифференциальные уравнения ВИРД, записанные в естественной системе координат, связанной с токами в реальных обмотках, являются нелинейными. Нелинейность существует в виде произведения интегрируемых функций и тригонометрических зависимостей параметров ВИРД от угла поворота. Решение системы уравнений возможно численными методами при известных параметрах и заданных начальных условиях в программном пакете Matlab. Точность решения определяется погрешностью воспроизведения тригонометрических зависимостей параметров от угла поворота и наличия в модели уравнения баланса реактивной энергии между обмотками и источником постоянного тока. Индуктивность по продольной оси зависит от тока в обмотке, при пуске имеет место минимальное значение, а в режимах близких к номинальному моменту — максимальное.

14. Показано, что уравнения ВИРД, записанные в неподвижной системе координат, жестко связанной со статором, содержат коэффициенты, зависящие от угла поворота, особых преимуществ при моделировании не дают и рекомендуются для исследования многофазных двигателей. Уравнения ВИРД, записанные во вращающейся системе координат, жестко связанной с ротором, так же не имеют постоянных коэффициентов из-за питания обмоток однополярным импульсным напряжением.

15. Предложена методика проектирования ВИРД, особенностью которой является применение встроенного программного пакета ELCUT, используемого для расчета локальных и интегральных параметров магнитных и температурных: полей. Основным расчетным режимом является пусковой режим работы ВИРД при парной коммутации фаз: При проектировании ВИРД выполняются три основные итерационные процедуры. Первая процедура — оптимизация параметров зубцовой зоны по кри терию максимума пускового момента (или минимума пульсаций момента), который вычисляется на основании данных расчета магнитного поля. Втораяпроцедура — определение максимального момента из условия обеспечения допустимого нагрева изоляции обмотки. Третья процедураопределение базовой (номинальной) частоты вращения.

16. Предложена? методика определения геометрических размеров поперечного сечения ВИРД. Области реализуемых соотношений параметров зубцовой зоны определяются универсальной угловой диаграммой ВИРД. Предложены коэффициенты, связывающие размеры зубцов, ярма статора и ротора и обеспечивающие максимальную индукцию (индукцию насыщения) в коронках зубцов статора. Коэффициенты определены на основе анализа распределения потоков в магнитной системе .

17. Установлено, что наилучшими абсолютными и удельными характеристиками обладает ВИРД, магнитопроводы статора и ротора, которого выполнены шихтованными из высококачественной электротехнической стали (холоднокатаной анизотропной тонколистовой). Форма распределения момента по углу поворота определяется геометрией зубцовой зоны двигателя, и почти не зависит от магнитных свойств материала. В системах автоматики возможно применение ВИРД, имеющих комбинированное исполнение (статор — шихтованный, ротор — сплошной). Использование сплошных магнитопроводов для статора ВИРД может быть рекомендовано только для маломощных, встраиваемых двигателей автоматики.

18. Установлено, что проведение тепловых расчетов ВИРД на основе тепловых схем замещения с сосредоточенными параметрами затруднительно, так как вычисление параметров схемы замещения основано на экспериментальных данных. Расчет тепловых режимов ВИРД рекомендуется выполнять на основе построения картины теплового поля. Точность полученного решения зависит от геометрических характеристик тепловых моделей, достоверности свойств материалов и условий теплоотдачи. Предложенные пазовые и лобовые тепловые модели ВИРД позволяют рассчитать установившиеся и переходные тепловые процессы в двигателе.

19. Показано, что использование для проектирования ВИРД существующих методик расчета машин переменного тока и шаговых двигателей не целесообразно, из-за принципиального отличия зубцовых зон. Доводка зубцовой зоны асинхронных двигателей для получения на их базе ВИРД приводит к получению двигателей с низкими удельными показателями.

20. Показано, система управления ВИРД содержит два контура формирования управляющих сигналов: внутренний и внешний. Внутренний контур управления обеспечивает формирование вращающегося магнитного поля в воздушном зазоре в функции текущего положения ротора, компенсацию нелинейности характеристик и тепловую защиту изоляции обмоток двигателя. К внутреннему контуру относится система возбуждения, измерения и преобразования в цифровой код сигналов с датчика угла. Внешний контур управления определяет качественные и количественные показатели следящей системы, в которой применяется ВИРД. В МПСУ ВИРД предпочтительнее использовать синхронный принцип обработки информации. Частота синхронизации МПСУ ограничена снизу полосой пропускания следящей системы, а сверху частотой цикла, т. е. временем, предоставляемым на выполнение рабочих подпрограмм в цикле.

21. Предложено формировать вращающееся поле в воздушном зазоре в МПСУ ВИРД с помощью коммутационных функций ротора NR, определяющей положение ротора, и вентильного коммутатора NBK, определяющей комбинацию включения транзисторов:^, = NR+к. Число дискретных состояний коммутационной функции за эл. оборот должно быть целым числом — пс = 4к, где к = 1, 2,3. Знак определяет порядок следования фаз и, следовательно, знак момента ВИРД.

22. Предложено для линеаризации регулировочных характеристик ВИРД, вызванных нелинейностью 1ПИМ, использовать компенсацию напряжения управления с помощью корректирующей функции UK = 4ит^ л]иУПР .

Объективная сложность электромагнитных, электромеханических и тепловых процессов в ВИРД определила использование теории магнитного и температурного поля для анализа и синтеза характеристик двигателя. Разработанные методики проектирования и способы управления позволяют проектировать прецизионные следящие системы с требуемыми характеристиками. Значение предложенных в диссертационной работе методов анализа, проектирования и управления будет возрастать по мере расширения применения технологичных ВИРД в различных системах автоматического управления и электропривода.

Заключение

.

Технологичность конструктивного исполнения ВИРД определяет повышенный интерес разработчиков систем автоматического управления к этому типу двигателей. Простые схемы вентильных коммутаторов обеспечивают формирование однополярных дискретных фазных напряжений. Микропроцессорное формирование токов в фазах позволяет получить желаемые характеристики привода, построенного на основе ВИРД.

Конкурентоспособность ВИРД по сравнению с традиционными двигателями достигается за счет создания максимальной плотности магнитной энергии в воздушном зазоре под возбужденными зубцами и специфической конфигурацией зубцовой зоны поперечного5 сечения двигателя. Повышенные электромагО нитные нагрузки (индукция в зазоре — 1,8−2,0 Тл, плотность тока — 10−30 А/мм ¦), зависимость параметров двигателя от текущего угла поворота и насыщения магнитной цепи определяют необходимость разработки методов анализа и проектирования, базирующихся на распределенных параметрах двигателя. Электромагнитные и тепловые процессы в системах с распределенными параметрами описываются с помощью теории магнитных и температурных полей.

В диссертационной работе предложен комплексный подход к анализу и синтезу характеристик ВИРД. Совокупность разработанных теоретических положений анализа и синтеза характеристик ВИРД является дальнейшим развитием теории элекгромашинно-вентильных систем и позволила разработать методику проектирования двигателей и предложить способы микропроцессорного управления ими.