Коррекция статических характеристик электропривода с вентильным двигателем малой мощности и микропроцессорным устройством управления

В.1.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

.

В последнее время наблюдается быстрое развитие регулируемых электроприводов переменного тока малой мощности, использующих синхронные двигатели с постоянными магнитами. Регулируемые электроприводы с синхронными машинами могут иметь различные структуры: с дискретным управлением [21,25,74,97], с непрерывным управлением (синусоидальной формой фазных токов) [6,68,114,121], с векторным управлением [7,156,165,166, 167,175,176,184,185,188,190], с адаптивным управлением [132,161], с фаззи-регуляторами [162], с гибридным управлением [171,173] с бездатчиковым измерением механических параметров [179]. В литературе [197,204,205,207] показано, что для обеспечения перемещения с высокими точностными характеристиками и быстродействия системы одной из самых перспективных является структура электропривода с векторным управлением синхронным двигателем. В отечественной литературе электропривод с синхронной машиной называется электроприводом с вентильным двигателем (ЭПВД) [22,125,132,141,202], или вентильным электроприводом [3,29,30].

Большинство публикаций, посвященных ЭПВД малой мощности, рассматривают дискретный способ управления (коммутации) синхронной машины [25,52,60,97,98,139]. Но дискретное управление ВД неприемлимо для высокоточных глубокорегулируемых приводов, поскольку не обеспечивает выполнение условий равномерности электромагнитного момента [97,207]. Для достижения равномерности момента ВД применяется непрерывный способ управления ВД [83].

В одном из первых достаточно полных описаний ЭПВД с непрерывным способом управления МДС якоря, содержащемся в работе [18] рассматриваются явнополюсные и неявнополюсные машины различного типа с частотно-токовым управлением, при котором усилитель мощности (УМ) охвачен глубокой отрицательной обратной связью по току и работает в режиме источника тока. В дальнейшем в большинстве опубликованных работ по ЭПВД с непрерывным управлением рассматривается управление синхронной машиной от источника напряжения [16,25,94,103,124,139], поскольку для машин малой мощности применение источника тока не имеет серьезных преимуществ, в связи с малым значением электромагнитной постоянной времени, линейностью и симметричностью характеристик и отсутствием во многих случаях токоограничения.

Однако большинство опубликованных математических моделей ЭПВД с непрерывным управлением не учитывают ряд факторов. В частности, усилительно-преобразовательное устройство (УПУ) принимается линейным и безынерционным, не содержащим цепей статической коррекции характеристик ВД. Между тем, реальные УПУ характеризуются заметным запаздыванием, а также наличием высших гармоник выходных напряжений, вызванных как нелинейностью характеристик УМ, например, за счет насыщения, так и пульсацией напряжений на выходах преобразователя координат (ПК) из-за фазочувствитель-ного выпрямления (в аналоговых ПК) или квантования сигналов (в цифровых ПК) [89].

Высшие гармоники фазного напряжения вызывают дополнительные потери в обмотке якоря, которые должны быть учтены при проектировании теп-лоотвода [9].

Применительно к ЭПВД особо грубым допущением является пренебрежение динамикой УПУ. Экспериментальные исследования ЭПВД на базе машин серии ДБМ показывают, что для них влияние постоянной времени УПУ гораздо больше, чем электромагнитной постоянной времени [88]. Во многих случаях именно эта постоянная времени определяет вид статических и динамических характеристик, ток потребления, схему статической коррекции и другие параметры ЭПВД. При микропроцессорном управлении ЭПВД учет запаздывания управляющего устройства в виде периода дискретности носит принципиальный характер.

Передаточная функция ЭПВД с инерционными усилителями тока на основе опытных данных была приведена еще в работе [18]. Однако аналитическое влияние инерционности УПУ при математическом описании ЭПВД с непрерывным управлением впервые было учтено лишь в публикациях Микерова А. Г. [10,83,89]. В дальнейшем аналогичный подход применен в работах [121,122,137]. Однако, результаты, полученные в указанных работах применимы к структурам ЭПВД с аналоговым ПК. Исследование влияния инерционности УПУ для ЭПВД с непрерывным управлением и цифровым ПК в рассмотренных работах отсутствует.

Наиболее широкое распространение в работах отечественных авторов [10,16,25,48,53,71,83,89,97,104,115], посвященных ЭПВД с непрерывным управлением, получила схема вентильного двигателя (ВД) с аналоговым устройством управления (УУ), изобретенная Д. В. Свечарником [155]. Преобразователь координат такого ЭПВД включает в свой состав ДПР, работающий в режиме СКВТ. На рис.В.1. показан двухфазный ВД, имеющий структуру, предложенную Свечарником, здесь М — модулятор, ГОН — генератор опорного напряжения, ВТ — синусно-косинусный вращающийся трансформатор, ФЧВфазочувствительный выпрямитель, Ффильтр нижних частот, «-1» — блок инверсии фазы (инвертирующий повторитель), УМлинейный усилитель мощности, СЭМП — синхронный электромеханический преобразователь. Блоки М, ГОН, ВТ, ФЧВ и Ф, которые осуществляют преобразование входного напряжения в фазные напряжения иА, ив, образуют усилительно-преобразовательное устройство (УПУ). ВТ используется в качестве преобразователя координат (ПК) и датчика положения ротора (ДПР). Данная структура ВД является классической структурой аналогового ВД с непрерывным управлением.

Для повышения надежности и точности ЭПВД, повторяемости параметров, реализации непрерывного управления ВД в составе ЭПВД малой мощности применяются цифровые микроконтроллеры (МК) [46,63,64,90,100,106]. Микроконтроллер в составе ЭПВД позволяет реализовать корректирующие.

VO сэмп.

Рис.В.1. ЭПВД с непрерывным управлением, изобретенный Д. В. Свечарником звенья (регуляторы и фильтры) и обеспечивает позиционную обратную связь, необходимую для работы СЭМП в режиме ВД [100,116,176,185,191].

При цифровом управлении ВД блок ПК реализуется в виде программы, находящейся в памяти МК.

Микроконтроллер перерабатывает информацию, поступающую от датчиков-источников информации, и в результате этой переработки формирует информацию о фазных напряжениях [48,100,176]. Внедрение в состав ЭПВД МК означает включение в аналоговую (непрерывную) систему цифровой подсистемы, представляющей собой нечто среднее между аналоговыми и дискретными системами: квантование по времени и по уровню, присущее цифровым устройствам, является признаком дискретной системы, но при этом все сигналы внутри цифровых систем являются непрерывными ступенчатыми, что характеризует их как аналоговые. Непрерывность во времени цифровых сигналов обеспечивают запоминающие устройства, к которым относятся память и все операционные устройства (регистры).

При цифровом управлении ВД электропривод становится цифро-аналоговой системой, поскольку СЭМП является аналоговым элементом. При замене аналогового управления электропривода на цифровое математическое описание системы управления усложняется, поскольку требуется дополнительно учитывать влияние дискретизации по времени и по уровню в цифровой части. В работе [108] рассмотрено влияние дискретизации в МК обобщенного ЭП, структура которого сводится к одномерной модели, на динамику цифрового ЭП. Влияние же дискретизации в ЦУУ на точность статических характеристик ЭП в работе [108] не рассмотрено.

Исследованию и созданию ЭПВД с МК посвящены труды Домрачева В. Г., Смирнова Ю. С. [51], Гориловского А. А. [100], Герман-Галкина С.Г. [144]. В работах [51,100] предложены конкретные технические реализации ЭПВД с цифровым управлением, но теоретическое обоснование и оптимизация решений не производятся. В работе [144] акцент сделан на исследование силовой части ЭПВД, а анализ влияния дискретизации в ЦУУ на характеристики ВД отч. сутствует.

В работе [83,122] рассмотрены алгоритмы коррекции инерционности ПК и СЭМП. Но не предложены способы их численной реализации и алгоритмизации задачи коррекции для применения предложенных формул в цифровых системах управления.

В работах [8,9] предложена методика проектирования электропривода с ВД серии ДБМ с непрерывным управлением. В работе [9], на этапе проектирования УПУ, рассматривается вариант использования в качестве преобразователя координат фазочувствительного выпрямителя (ФЧВ) с запоминающим элементом (ФЧВ-3). Постоянная времени такого ФЧВ равна 7i/coB, где совчастота возбуждения ВТ. Таким образом, ФЧВ-3 ведет себя также как МК, частота дискретизации которого равна сов. Однако, в соответствии с рекомендациями методики [9], ФЧВ-3 применяется в качестве ПК при низких частотах вращения, а при высоких частотах применяется ФЧВ с фильтром нижних частот (ФНЧ). Таким образом, использование методики [9] напрямую для ПК, реализованного в цифровом виде невозможно. Кроме того, в работе [9], при расчете потерь в обмотке статора учитывается только первая гармоника пульсаций выходного напряжения ФЧВ-3, и считается, что при постоянстве сдвига фаз сох, ФЧВ-3 не вносит пульсаций. Еще одним недостатком работ [8,9] является отсутствие методики проектирования УПУ для случая коррекции статических характеристик ВД, и в частности, для случая компенсации инерционности УПУ. Таким образом, методика [9] применима только для ЭП с аналоговой системой управления и требует дополнения и развития для случая цифрового управления. Для применения методики [9] к цифровым ЭПВД требуется изменение этапа проектирования УПУ.

В трудах отечественных ученых, специализирующихся на исследовании ЭПВД, Аракеляна А. К. [3], Лебедева Н. Щ77], Микерова А. Г. 84], Овчинникова И. Е. [96], Соколовского Г. Г. 121,122], Столова Л. И., Афанасьева А. Ю. [124] рассмотрение вопросов, связанных с исследованием ЭПВД с МК отсутствует.

В настоящее время известно большое количество работ, посвященных системам управления исполнительными электроприводами с ВД [16,17,31,32,48,80] и синтезу цифровых регуляторов тока, скорости и положения [41,60,69,81,116].

Отличительной особенностью ЭП с машинами переменного тока является влияние постоянных времени ЭП на статические и динамические характеристики [178]. Инерционность ПК, УМ и СЭМП обуславливает нелинейность статических характеристик ЭПВД [74,83,97]. Существуют три основных решения, позволяющих добиться компенсации влияния постоянных времени ЭПВД:

1. Организация структуры ЭПВД по принципу систем подчиненного регулирования [60], при этом синтез регуляторов тока и скорости производится с учетом постоянных времени ЭПВД [48].

Введение

отрицательной обратной связи по току и регулятора тока снижает влияние на характеристики ЭПВД электромагнитной постоянной времени СЭМП и постоянной времени УМ [60].

Введение

обратной связи по скорости и регулятора скорости снижает влияние постоянной времени преобразователя координат и электромеханической постоянной времени [41,94]. Однако, организация замкнутых контуров регулирования координат ЭПВД не позволяет добиться полной компенсации инерционности элементов ЭПВД.

2. В ЭПВД замыкаются контура регулирования токов, Iq, образуя систему векторного управления по току [7,178,196] во вращающейся системе координат (рис.В2.а).

3. Перед d-входом ПК ЭПВД включается блок СК коррекции (рис.В.2.б), вырабатывающий сигнал икомпенсирующий временное запаздывание и ослабление амплитуды сигнала управления [83,178,185,187].

Синтез ЭПВД с МК и использованием теории систем подчиненного регулирования, предлагается проводить в работах [16,125]. При этом рассматриваются математические модели обобщенного цифрового привода, применимые к ЭПВД, только в случае, когда динамические характеристики ВД аналогичны характеристикам электродвигателя постоянного тока и структурная схема ВД сводится к одномерной модели. Это верно при малых отклонениях от режима вращения с установившейся скоростью и при условии соГу «1, юГф «1, где.

Ту — постоянная времени УПУ, 7ф — электромагнитная постоянная времени, со электрическая частота. Таким образом, актуальна задача создания математической модели ЭПВД с МК для относительно больших значений соГу, имеющих место при использовании высокоскоростных ВД.

В работе [94] рассматривается влияние двух методов компенсации инерционности ПК на характеристики ЭПВД (подчиненного регулирования и введения блока коррекции), но совместное действие этих методов на статические характеристики ЭПВД не исследовано. В [94] получена математическая модель ЭПВД, замкнутого по скорости, с учетом влияния постоянной времени ПК и проведено исследование влияния компенсации инерционности ПК на динамические характеристики ЭПВД. Исследование влияния компенсирующего сигнала и^ на статические характеристики ЭПВД проведено при отсутствии тахо-метрической обратной связи и при задании частотонезависимого компенсирующего сигнала иj = const. Недостатком работы [94] является отсутствие синтеза блока коррекции, осуществляющего компенсацию инерционности ПК. Кроме того, в [94] не учитывается влияние инерционности УМ: постоянная времени УМ принимается равной нулю.

Современный ЭПВД с векторным управлением [7,167,178,196], реализованный на базе МК, включает (рис.В.2.а) синхронный электромеханический преобразователь (СЭМП) с постоянными магнитами, датчик положения ротора (ДПР), преобразователи координат ПК1 и ПК2, регуляторы токов Р1 и Р2, усилитель мощности (УМ).

Задание тока 1д, управляющего моментом ЭПВД, сравнивается с фактическим значением тока 1д, вычисляемым ПК2 на основании измеряемых значений фазных токов i^, ig. Ошибка 8д поступает на ПИ-регулятор Р1, на выходе которого вырабатывается напряжение управления uq.

Контур тока организован аналогично контуру тока Задание управляет угловым положением вектора тока статора относительно оси q. Как правило, на вход регулятора РТ2 ЭПВД с векторным управлением поступает задание = 0 [122,196,203,204], при этом обеспечивается максимизация электромагнитного момента для неявнополюсного СЭМП и компенсация нелинейности статических характеристик ЭПВД. Однако, в некоторых случаях, например, при двухзонном регулировании скорости ЭПВД [122], при реализации алгоритмов максимизации момента явнополюсного ВД или максимизации КПД.

ЭПВД [187] задание определяется необходимым законом управления и тождественно не равно нулю.

Для обеспечения регулирования скорости в структуре ЭПВД с векторным управлением замыкается обратная связь по скорости и перед контуром тока включается регулятор скорости (не показаны на рис.В.2.а).

Структура с векторным управлением зачастую является избыточной для ЭПВД малой мощности, так как требует замыкания обратной связи по току. При определении фазных токов ЭПВД с ШИМ-усилителем используются сложные измерительные алгоритмы. При векторном управлении ЭПВД регулирование производится во вращающейся системе координат, и замыкание обратной связи по току требует введение в структуру привода кроме преобразователя координат ПК1 преобразователя координат ПК2 (рис.В.2.а). При микропроцессорной реализации ЭПВД измерение токов, преобразование координат и регулирование токов осуществляются программными средствами.

Таким образом, замыкание обратной связи по току в структуре ЭПВД с векторным управлением, приводит к увеличению программного цикла, и как следствие, к возрастанию квантования управляющих сигналов иа, ир по уровню и увеличению дополнительных потерь в стали статора.

На рис.В.2.б показана структура ЭПВД с МК, обеспечивающая компенсацию нелинейности статических характеристик ЭПВД (коррекцию.

I,.

Id.

МК.

УПУ bq i.

Ж &d ?О pi A.

P2 ч Р.

ПК1 d а.

I,.

Id a.

Рис.В.2. Структуры ЭПВД с микроконтроллером, а) — ЭПВД с векторным управлениемб) — ЭПВД с коррекцией статических характеристик. характеристик) без замыкания контура тока. Блок СК коррекции формирует напряжение и^ на основании сигнала задания iig, информации об электрической частоте со и параметров, характеризующих инерционность УПУ и СЭМП. Такими параметрами являются постоянная времени УПУ Гу и электромагнитная постоянная времени 7ф.

В работе [48] проведено исследование цифрового ЭПВД с регулированием скорости, положения и коррекцией статических характеристик. В работе показано, что для ВД малой мощности с ШИМ-усилителем величина постоянной времени УПУ определяется преимущественно влиянием эквивалентной постоянной времени цифрового контроллера Тк, то есть Тк «Гум.

Экспериментальные исследования ЭПВД на базе цифрового сигнального процессора Motorola DSP56F805 и ШИМ-усилителя показали, что введение коррекции инерционности УПУ для ЭПВД с регулятором скорости дает возрастание частоты вращения на 18% и двукратное снижение тока потребления ВД, при номинальном напряжении питания и относительно малом значении постоянной времени УПУ (Гу=50мкс). Однако, в [48] отсутствует аналитическое описание влияния постоянной времени контроллера на характеристики ЭПВД, не раскрыт способ оценки значения постоянной времени ЦУУ. Полученное в работе [48] экспериментальное доказательство эффективности введения сигнала и^, компенсирующего незначительную инерционность УПУ ЭПВД, при наличии в структуре ЭП регулятора скорости, делает актуальной задачу компенсации инерционности МК посредством введения в структуру ЭПВД корректирующего звена [83,122,184].

В работе [83] произведено сравнение влияния электромагнитной постоянной времени 7ф и постоянной времени УПУ Ту на нелинейность механических и регулировочных характеристик ВД. Показано, что при равенстве шГф =(йТу = 0.5 нелинейность механической характеристики, обусловленная.

TY, составляет 20% и в 5 раз превосходит нелинейность, вызванную влиянием.

7ф. Кроме того, анализ формулы погрешности нелинейности регулировочной характеристики, полученной в [83] показывает, что при выполнении условия Ту «7ф погрешность линейности равна нулю, а при соотношении Ту «7ф погрешность линейности регулировочной характеристики ВД равна погрешности линейности механической характеристики. Результаты исследований влияния инерционности УПУ и инерционности электромагнитного преобразования энергии в СЭМП на линейности статических характеристик, полученные в работе [83] для ВД, построенных на базе СЭМП серии ДБМ, позволяют сделать вывод об актуальности задачи компенсации инерционности УПУ ЭПВД малой мощности. Однако в работе рассматриваются структуры ВД с аналоговыми ПК и отсутствует математическая модель ЭПВД с МК.

В известных технологиях [8,9,10,83] и публикациях [2,3,16,18,25,27,40,58,74,97,121,122,124,141], посвященных ЭПВД, влияние дискретности МК на статические характеристики ВД и законы управления, необходимые для линеаризации статических характеристик ВД с МК, практически не рассматриваются.

Анализ опубликованной литературы и учет задач, выдвигаемых практикой разработки и эксплуатации ЭПВД, позволяют считать, что разработка и экспериментальная проверка математической модели ВД с МК и коррекцией статических характеристик, а также создание методики проектирования ЭПВД с МК относятся к актуальным научно-исследовательским задачам.

В.2. ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

Обзор и анализ опубликованных работ, а также расчетные и экспериментальные исследования по тематике диссертации, выполненные с участием автора в 2000 — 2008 годах в рамках гос. бюджетных и хоздоговорных НИР на кафедре электромеханики и электромеханотроники, кафедре систем автоматического управления и кафедре лазерных и измерительных навигационных систем СПбГЭТУ, позволяют считать актуальной следующую цель диссертационной работы: исследование особенностей построения информационной подсистемы электропривода малой мощности с вентильным двигателем на базе встраиваемых микроконтроллеров, обеспечивающих коррекцию статических характеристик (КСХ), динамическую коррекцию и другие задачи электропривода, и создание практической методики ее проектирования, включающей программирование микроконтроллера.

Для достижения указанной цели в диссертации решаются следующие теоретические и экспериментальные задачи:

1. Разрабатывается уточненное математическое описание ЭПВД с цифровой системой коррекции статических характеристик, в которой учитывается влияние дискретизации МК и производится компенсация ее влияния.

2. Разрабатывается методика цифровой коррекции статических характеристик ЭПВД с МК.

3. Разрабатывается методика проектирования УПУ ЭПВД с МК, в том числе, с учетом применения КСХ.

4. Разрабатываются численные алгоритмы КСХ для реализации в микроконтроллере.

5. Выполняется экспериментальная проверка разработанных методик и алгоритмов.

Научная новизна.

1. Математические модели ЭПВД малой мощности, отличающиеся от известных моделей рассмотрением двух инерционных элементов в составе усилительно-преобразовательного устройства, что позволяет учесть квантование в микроконтроллере и инерционность усилителя мощности.

2. Сформулированы законы коррекции статических характеристик, обеспечивающие минимизацию фазного тока и линеаризацию регулировочных и механических характеристик с учетом особенностей цифрового управляющего устройства (УУ).

3. Разработана методика проектирования усилительно-преобразовательного устройства с микроконтроллером, отличающаяся от известных методик процедурами расчета параметров цифрового УУ и датчика положения ротора, выбора алгоритма коррекции и анализа его эффективности, учетом влияния квантования МК и ШИМ-усилителя на высшие гармоники фазных напряжений и токов.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в следующем:

1. Выработаны рекомендации по применению законов КСХ, учитывающих инерционность МК и УМ.

2. Разработана методика проектирования УПУ с МК, обеспечивающая определение основных параметров микроконтроллерного УУ, реализацию КСХ, определение периода программного цикла, многокритериальный выбор МК, определение пульсаций фазных токов и программирование МК.

3. Разработаны структура и принципиальные схемы ЭПВД с МК, обеспечивающие КСХ.

4. Предложены алгоритмы и программы управления ЭПВД с цифровой коррекцией инерционности УПУ, обеспечивающие существенное улучшение энергетических показателей и линеаризацию характеристик электропривода. Методы исследования.

Исследование ЭПВД с МК и разработка методики проектирования УПУ выполнены с использованием теории функций комплексной переменной, теории гармонического анализа и теории автоматического управления.

Численные методы применяются в виде пакетов программ MatCad, Simulink. Обработка экспериментальных данных производится с применением программы Excel.

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

При выполнении экспериментальных исследований использовалась программа-монитор есш96, для изменения параметров модели, и программа specplus, для спектрального анализа фазных токов ВД.

Апробация работы Основные положения диссертации были доложены на.

• 1-ой международной конференции «Мехатроника и Робототехника -2000», ЦНИИ робототехники и технической кибернетики, Санкт-Петербург, май 2000.

• XXIII научно-технической конференции им. Н. Н. Острякова, ФГУП «Электроприбор», 2002.

• на семинаре секции «Электромеханические системы и средства управления ими» Международной энергетической академии и Российского научно-технического общества электротехники и электроэнергетики, 22.10.2009, СПб ИТМО.

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, из них — 7 статьей (4 статьи включены в перечень изданий, рекомендованных ВАК) и 1 работа — методическое пособие.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 208 наименований и 7 приложений. Основная часть работы изложена на 158 страницах машинописного текста, иллюстрированного 50 рисунками и 5 таблицами.

4.7. ВЫВОДЫ.

1. Для проверки теоретических результатов, полученных в разделах 13, создана экспериментальная установка с ВД на базе16-ти разрядного микроконтроллера INTEL 80С196МС, обеспечивающая непрерывное управление и коррекцию статических характеристик ЭПВД. Инерционность УПУ экспериментального образца ЭПВД определяется вкладом МК, ФНЧ и ЛУМ.

2. Разработаны алгоритмы управления для МК ЭПВД: алгоритм непрерывного управления ВД, алгоритм коррекции статических характеристик ВД, алгоритм для определения частотных характеристик ЛУМ.

3. Для нахождения значения постоянной времени ЛУМ произведено экспериментальное определение частотных характеристик ЛУМ. С помощью методики, предложенной в 3.2., рассчитано значение времени фазового запаздывания МК.

4. Установлена необходимость введения в математическую модель ЭПВД уравнений, учитывающих момент трения в редукторе, и предложена методика его экспериментального определения. В результате обработки экспери4 ментальных данных, полученных при использовании этой методики, установлено, что момент трения в редукторе зависит от угловой скорости вращения ВД, причем, зависимость М = M (Q) имеет линейных характер.

5. Установлено, что для исследования эффективности алгоритмов коррекции необходимо рассмотрение зависимостей токов ВД от частоты вращения п.

6. Получены экспериментальные регулировочные характеристики ЭПВД без коррекции и с введением цифровой коррекции для случая преимущественного влияния инерционности УПУ.

7. Сопоставление экспериментальных характеристик с расчетными позволяет считать, что математическая модель, описывающая МК в виде апериодического звена первого порядка, обеспечивает расчет и моделирование установившихся режимов с точностью 38%, а модель, описывающая МК звеном чистого запаздывания — с точностью 23%.

8. Точность аналитической модели, полученной во втором разделе для ЭПВД с управлением по d-входу, составляет 30.50%. Разброс точности обусловлен целочисленной реализацией алгоритма коррекции в микроконтроллере экспериментальной установки при условии нецелого значения постоянной времени УПУ (1.4мс).

9. В результате обработки опытных данных получено уравнение аппроксимации экспериментальной зависимости момента трения в редукторе от угловой скорости вращения ВД.

10. Установлено, что при отсутствии коррекции регулировочная характеристика холостого хода насыщается. При этом, максимально достижимаяско-рость ВД экспериментальной установки составляет 600 об/мин. Эффект насыщения регулировочных характеристик ЭПВД обусловлен зависимостью угла фазового запаздывания УПУ от частоты.

11. При компенсации инерционности УПУ (при задании постоянной времени, вводимой в алгоритм коррекции, равной 1мс) наблюдается исчезновение эффекта насыщения регулировочной характеристики и возрастание угловой скорости ВД на 40%, при неизменном значении напряжения управления.

12. Установлено, что введение коррекции существенно уменьшает потребляемый ВД ток. Например, при постоянной угловой скорости п = 600 об/мин ток уменьшается на 50% (с 0.8 до 0.4А,), а составляющая тока потребления ВД, вызванная влиянием высших гармоник, уменьшается вдвое (с 0.2 до 0.1 А).

13. Обнаружен эффект насыщения регулировочных характеристик ЭПВД, обусловленный ограниченным быстродействием МК. Насыщение происходит при увеличении частоты дискретизации МК до величины IN, где Го — период дискретизации МК, Nколичество интервалов дискретизации на период управляющей синусоиды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

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

1. Разработаны математические модели электропривода с вентильным двигателем и микроконтроллерным управлением, отличающиеся от известных моделей с аналоговыми устройствами управления, учитывающих инерционность усилительно-преобразовательного устройства, учетом квантования микроконтроллера по времени и по уровню. Первая (упрощенная) модель описывает микроконтроллер в виде апериодического звена первого порядка. Вторая (уточненная) модель рассматривает микроконтроллер как звено чистого запаздывания, вносящее фазовое запаздывание сигнала управления, равное половине периода дискретизации.

2. Получены новые законы коррекции статических характеристик электропривода с вентильным двигателем малой мощности при управлении по оси d, обеспечивающие минимизацию фазных токов и линеаризацию статических характеристик электропривода с микроконтроллерным управлением. При этом показано следующее:

• Чем больше расхождение между значениями времени чистого запаздывания микроконтроллера т и постоянной времени усилителя мощности, тем эффективней работает коррекция, полученная по упрощенной аналитической модели. Например, при сот = ю Ту =0.5 остаточная нелинейность после введения коррекции составляет 25%, а при сот=0.2мс, соГу=0.8мс остаточная нелинейность составляет 10%.

• При введении управления по оси d, удовлетворяющего критерию максимизации момента (минимизации потребляемого тока), для электропривода с вентильным двигателем и цифровым управлением, невозможна точная линеаризации статических характеристик: имеет место остаточная нелинейность, причем погрешность линейности меняет свой знак с «-» на «+».

• Для линеаризации статических характеристик электропривода при т<�Гу необходимо применять приближенный закон управления и^ =-соTyiiq, не учитывающий влияние т. Получена аналитическая оценка остаточной нелинейности при применении приближенного закона коррекции для ЭПВД с.

• Закон коррекции, полученный при описании микроконтроллера апериодическим звеном первого порядка, целесообразно применять при условиях т < Гу, ют < 1, поскольку при этом уменьшается величина возникновения методической ошибки.

• При преимущественном влиянии инерционности микроконтроллера, когда т > Гу, целесообразно применять закон управления, полученный при описании МК с помощью звена чистого запаздывания. Область применения коррекции по уточненной линейной модели ограничена частотами ют < п / 2.

3. Предложен алгоритм косвенного измерения частоты вращения ротора электропривода с вентильным двигателем и синусно-косинусным преобразователем угла посредством численного дифференцирования сигнала углового положения ротора, обладающий более высоким быстродействием по сравнению с известным алгоритмом.

4. Разработана новая методика проектирования усилительно-преобразовательного устройства, которая учитывает влияние высших гармоник, обусловленных дискретизацией сигнала углового положения ротора в микроконтроллере и квантованием в ШИП. Методика таюке учитывает время доступа микроконтроллера к памяти данных, время выполнения диспетчерского прерывания, и обеспечивает использование известной методики проектирования бесконтактного моментного привода с аналоговым управлением для проектирования электропривода с вентильным двигателем и микроконтроллерным управлением.

МК. динамического коэффициента усиления являющегося причиной.

5. Разработаны численные алгоритмы и программы управления электроприводом с вентильным двигателем и коррекции статических характеристик. Создана экспериментальная установка на базе микроконтроллера INTEL 80С196МС и синхронного электромеханического преобразователя ДБМ-63, обеспечивающая работу электропривода в режиме непрерывного управления и проверку новых методик цифровой коррекции статических характеристик вентильного двигателя.

6. Получены экспериментальные регулировочные характеристики электропривода с вентильным двигателем при отсутствии коррекции и при введении коррекции, подтвердившие эффективность разработанных законов цифрового управления для уменьшения потребляемых токов и линеаризации статических характеристик.