Разработка систем векторного управления асинхронными приводами на базе специализированных сигнальных микроконтроллеров

Общеизвестно, что наиболее простыми, надёжными и дешёвыми электродвигателями являются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (АД)*. Однако при всех своих достоинствах АД имеют весомый недостаток — сложность управления. Поэтому, несмотря на их широкое распространение, применялись они преимущественно в нерегулируемых электроприводах (ЭП), либо в ЭП с невысокими требованиями к качеству регулирования. Несмотря на то, что математическая модель АД как объекта управления известна довольно давно (ставшая классической система «Транс-вектор'^ 1] была запатентована ещё в 1969 г.), её практическое воплощение было затруднено ввиду существенной сложности и большого объёма математических вычислений в реальном времени. Следует отметить, что если задача регулирования скорости асинхронного ЭП решалась сравнительно простыми методами с приемлемой точностью, то регулирование момента АД простыми методами практически невозможно. Конечно, такие системы существуют, но они реализуются на аналоговой технике [28], либо на базе цифровых микросхем малой и средней степени интеграции, что позволяет реализовать лишь предельно упрощённые алгоритмы управления моментом, которые позволяют добиться лишь низкого качества регулирования, обуславливает конструктивную громоздкость и ограниченную функциональность таких систем. С развитием микропроцессорной техники с функциями прямого цифрового управления силовыми ключами, а также силовой электроники задача построения точных систем управления скоростью и моментом АД стала реализуемой.

На сегодняшний день в мире выпускается большое количество преобразователей частоты (ПЧ), предназначенных для управления АД. Причём управление осуществляется по различным алгоритмам, включая как самые простые (скалярное управление), так и наиболее сложные и точные (векторное управление, векторное бездатчиковое управление). Однако по понятным причинам эти ПЧ не находят массового применения в отечественной промышленности — они достаточно дороги, их обслуживание Список принятых в диссертации обозначений приведён в приложении 5 также дорого, а обслуживание собственными силами затруднено, либо невозможно, при этом они представляют собой законченные устройства неизменной конфигурации, и, несмотря на наличие микропроцессорной системы управления, программное изменение конфигурации невозможно, алгоритмы управления закрыты от потребителя. Поэтому до сих пор в отечественной промышленности работает большое количество регулируемых ЭП на базе двигателей постоянного тока (ДПТ), которые имеют серьёзные недостатки и жёсткие ограничения по условиям применения. Во всём мире привода на базе ДПТ постепенно вытесняются и заменяются на другие типы приводов, причём многие из них заменяются асинхронным приводом, который на сегодняшнем уровне развития преобразовательной и управляющей микропроцессорной техники ничуть не уступает по качеству регулирования приводу постоянного тока, а зачастую и превосходит его.

Таким образом, на сегодняшний день задача разработки и внедрения качественных систем управления скоростью и моментом асинхронного привода, каковыми являются системы векторного управления, является весьма важной. Отечественная преобразовательная техника уже сделала большой шаг вперёд и в настоящее время уже существуют автономные ПЧ, которые производятся серийно и пригодны для создания систем векторного управления. Среди таких ПЧ можно выделить серию ПЧ «Универсал», разработанных на кафедре АЭП МЭИ [14,15]. Однако серийных ПЧ отечественного производства со встроенными системами векторного управления АД на сегодняшний день не существует. Для реализации систем векторного управления АД требуется разработка аппаратных средств в виде высокопроизводительных контроллеров с микропроцессорным ядром, а также программного обеспечения (ПО), реализующего требуемые алгоритмы управления и модель АД в реальном времени.

Известно большое количество вариантов построения математической модели АД и структур систем векторного управления АД. На сегодняшний день существует большое количество работ, посвящённых данной теме, среди которых можно выделить труды В. И. Ключева [1], Р. Т. Шрейнера [4], А. Д. Поздеева [12], В. А. Мищенко. Математический аппарат для системы векторного управления достаточно проработан, однако он не систематизирован, требует оптимизации и адаптации для реализации на базе специализированных микропроцессоров.

Всё изложенное выше определяет актуальность работы со следующей целью.

Цель работы: Разработка и техническая реализация программно-аппаратных средств для систем векторного управления асинхронным двигателем на базе промышленного ПЧ.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1) Анализ перспективных структур систем векторного управления. Выбор структуры, оптимальной по критерию реализуемости на базе сигнальных микроконтроллеров для управления двигателями.

2) Разработка методики синтеза систем векторного управления асинхронными двигателями.

3) Разработка модели системы векторного управления в среде МАТЬАВ. Проверка методики синтеза.

4) Разработка аппаратных средств систем цифрового векторного управления асинхронным двигателем на базе ПЧ «Универсал» .

5) Разработка специальных алгоритмов и программного обеспечения для реализации ШИМ базовых векторов.

6) Разработка алгоритмов и модульной структуры программного обеспечения для систем векторного управления АД.

7) Техническая реализация и экспериментальные исследования разработанной системы управления асинхронным приводом на базе ПЧ «Универсал» мощностью 2,2 кВт и 15 кВт.

Основные результаты работы и сделанные выводы заключаются в следующем.

1. Проанализированы существующие структуры систем векторного управления. В качестве оптимальной для реализации на специализированных микроконтроллерах с функциями прямого цифрового управления двигателями выбрана структура в координатах (х, у) с ориентацией оси «х» по вектору потокосцепления ротора.

2. Аналитическая математическая модель АД и системы управления представлена в o.e. и оптимизирована для реализации на DSP-процессорах.

3. Разработана методика синтеза системы векторного управления, которая позволяет оценить динамические возможности привода как по моменту, так и по скорости при двухзонном регулировании. Рассмотрен математический аппарат определения параметров системы управления АД по справочным данным.

4. Разработана имитационная модель системы векторного управления в среде MATLAB.

5. Разработаны и изготовлены специализированные контроллеры, предоставляющие возможности аппаратной реализации системы векторного управления АД.

6. Предложены варианты технической реализации системы ВУ АД, учитывающие особенности поведения реальных систем, реальную точность системы измерения тока и точность задания параметров. Предложены пути упрощения базовой структуры, позволяющие сохранить достаточную точность регулирования момента и скорости и динамику привода. Разработанная система двухзонного регулирования скорости с контуром тока намагничивания ротора обеспечивает следующие показатели:

— диапазон регулирования момента вниз от номинального DM1 = 4,8.

— диапазон регулирования момента вверх от номинального DM2 =4,4.

— точность поддержания момента 5 М = ±5%.

— полоса пропускания по моменту (при постоянном потоке) = 400 Гц.

— диапазон регулирования скорости вниз от номинальной (при использовании датчика разрешением 5000 меток/эл.об.) Ош1 = 800.

— диапазон регулирования скорости вверх от номинальной.

0″)2 = 1,5 5Ш = ± ОД % АОш — 65 Гц.

— точность поддержания скорости.

— полоса пропускания по скорости.

7. Разработана библиотека стандартных программных модулей для систем векторного управления, которая предлагается в качестве основы для реализации различных структур систем векторного управления АД.

8. Предложены и реализованы специальные алгоритмы формирования напряжения посредством векторной ШИМ, позволяющие снизить искажения выходного напряжения инвертора до уровня, приемлемого для использования в быстродействующих замкнутых системах управления.

9. Разработанные программно-аппаратные средства приняты за основу при серийном производстве преобразователей частоты «Универсал» для асинхронных электроприводов с векторным управлением.

Заключение

.