close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка системы бездатчикового векторного управления синхронным двигателем с постоянными магнитами

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Жилиготов Руслан Игоревич
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ БЕЗДАТЧИКОВОГО ВЕКТОРНОГО
УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ
Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург – 2018
Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном
учреждении высшего образования «Санкт–Петербургский политехнический
университет Петра Великого» на кафедре «Электротехника и электроэнергетика»
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Фролов Владимир Яковлевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, доцент,
заведующий кафедрой робототехники и
автоматизации производственных
систем ФГАОУ ВО «СанктПетербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»
Белов Михаил Петрович
кандидат технических наук,
ведущий научный сотрудник филиала
«Центральный научноисследовательский институт судовой
электротехники и технологии» ФГУП
«Крыловский государственный научный
центр» (г. Санкт-Петербург)
Скворцов Борис Алексеевич
Ведущая
организация:
федеральное
государственное
бюджетное
образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский горный
университет»
Защита состоится «28» июня 2018 г. в 16 часов на заседании диссертационного
совета Д 212.229.20 при федеральном государственном автономном
образовательном учреждении высшего образования «Санкт-Петербургский
политехнический университет Петра Великого» по адресу: 195251, СанктПетербург, ул. Политехническая, д. 29, главный учебный корпус, аудитория 150.
С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГАОУ ВО
«Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» и на сайте
www.spbstu.ru.
Автореферат разослан «____» ___________ 2018 г.
Ученый секретарь
Диссертационного совета Д 212.229.20
кандидат технических наук, доцент
Иванов Дмитрий Владимирович
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования и степень ее разработанности.
Применение синхронных двигателей с постоянными магнитами в последнее
время получает все большее распространение. Двигатели с постоянными
магнитами являются синхронными, что указывает на отсутствие скольжения
между вращающимися полями ротора и статора, что отличает их от
трехфазных асинхронных двигателей. Постоянные магниты обеспечивают
необходимую намагниченность ротора без соответствующих потерь, что
повышает эффективность этого типа двигателя по сравнению с
асинхронным. Поскольку для производства магнитов необходимы
дорогостоящие материалы, до недавнего времени цена таких двигателей
была очень высокой, к тому же спрос значительно превышал предложение.
Тем не менее, в течение последних двух лет наблюдается значительное
снижение цен. В некоторой мере это связано с открытием новых источников
необходимого сырья.
По сравнению с асинхронным двигателем аналогичного класса
эффективности, размер двигателя с постоянными магнитами может быть в
два раза меньше стандартного. Двигатели данного типа могут работать с
помощью одного только преобразователя частоты, при условии, что он
оснащен соответствующей системой управления.
Существенным недостатком двигателей с постоянными магнитами
является необходимость использования преобразователя частоты или
контроллера. Контроллер должен также принимать сигнал позиционной
обратной связи для того, чтобы оптимально ориентировать магнитное поле
посредством переключения ключей инвертора. Вот почему такие системы
часто оснащены энкодером. Поэтому во всем мире проводятся интенсивные
работы по созданию синхронных двигателей с возбуждением от постоянных
магнитов без датчика положения ротора, в которых определение углового
положения ротора осуществляется системой управления. Системы
бездатчикового синхронного электропривода строятся на основе цифровых
сигнальных процессоров.
На данный момент наибольшее распространение получили системы
векторного управления СДПМ. Векторное управление широко применятся в
процессах, где необходимо точное поддержание скорости или момента и
обеспечивает отсутствие пульсаций момента в отличие от систем DTC
(прямое управление моментом). Применение векторной системы управления
для СДПМ лежит в русле современных представлений о надежном и
качественном
электроприводе.
В
свою
очередь,
современные
микропроцессорные средства позволяют реализовать алгоритмы векторного
4
управления предельно быстро, эффективно, относительно недорого, и
поэтому не влияют на конечную стоимость изделия.
Сегодня системы управления предоставляют настолько широкий
набор функций, что их можно назвать интеллектуальными системами
управления электроприводом. Под интеллектом подразумевается набор
качеств, способствующих автономному выполнению технологической
задачи с минимальным вниманием со стороны обслуживающего персонала.
Это алгоритмы самодиагностики и выявления неисправностей, выполнение
локальной задачи автоматизации с передачей информации в систему
верхнего уровня, возможность работы в нескольких режимах управления,
при неисправности переключаться на другие возможные режимы,
надежность алгоритмов управления двигателем с возможностью перехода на
другие алгоритмы при неисправности основного.
Задачи такого рода успешно решаются с помощью дискретных
управляющих автоматов. Однако существует особый род задач, связанный
непосредственно с управлением двигателем и надежностью такого
управления – это резервирование датчика положения вала. Во-первых,
установка датчика положения приводит к увеличению стоимости изделия.
Стоит также отметить, что если для маломощных двигателей задача
сопряжения датчика положения решается просто, то для мощных двигателей
существует ряд серьезных ограничений. Сопряжение вала двигателя и
датчика положения не всегда возможно, а если возможно, то требует
серьезной настройки. Кроме этого, датчик в процессе работы подвергается
различного рода факторам – нагрев, электромагнитные помехи, вибрация.
Линия передачи данных подвержена влиянию электромагнитных
помех. Узел микроконтроллера, принимающий и обрабатывающий сигнал,
также имеет конечную надежность. Все это ставит под вопрос надежность
работы датчиковой системы управления двигателем, и рождает такое
направление, как управление без датчика положения – бездатчиковое
управление. В настоящее время в мире ведутся разработки и исследования
различных вариантов построения бездатчиковых систем. Это касается
практически всех типов двигателей переменного тока – асинхронного,
синхронного, вентильно-индукторного.
Большой вклад в развитие алгоритмов управления и реализацию их на
практике внесли ученые С.В. Дракунов, Д.В. Ефимов, Ж. Ла-Салль, А.Е.
Козярук, С.А. Краснова, В.А. Уткин, Р.Т. Шрейнер, Depenbrock M, Edwards
C., Janiszewski D., Morimoto S., Ortega R., Kubota H., Zhang Y.
В ходе работы предполагается разработать алгоритм идентификации
положения для создания бездатчиковой векторной системы управления. На
основе опыта крупнейших мировых фирм и исследовательских институтов
5
было изучено и проанализировано несколько подходов и вариантов
построения таких систем.
Для того чтобы выяснить, насколько данные подходы оправданы и
выявить наиболее эффективный метод управления, необходимо разработать
несколько математических моделей и провести моделирование в среде
Matlab Simulink. В ходе работы также требуется изучить дополнительную
математическую базу для исследования устойчивости системы управления и
определения влияния изменений параметров двигателя на качество
регулирования. Полученные алгоритмы должны быть реализованы с
использованием микропроцессорной техники, для чего требуется провести
теоретическое и экспериментальное исследование разработанной системы.
Особенностью данной работы также является использование
наблюдателей состояния на основе скользящего режима. Они обладают
рядом привлекательных свойств с точки зрения построения систем
автоматического управления. Одна из особенностей, связанная с
независимостью их от характеристик управляемого объекта, дает
возможность наделить их желаемыми свойствами.
Объектом исследования является бездатчиковый электропривод на
основе синхронного двигателя с постоянными магнитами.
Предметом исследования являются методы и алгоритмы управления
в бездатчиковом электроприводе.
Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной
работы является разработка системы бездатчикового векторного управления
синхронным двигателем с постоянными магнитами с использованием
наблюдателя состояния, работающего на скользящих режимах и, тем самым,
обеспечивающего устойчивость к дрейфу параметров объекта управления.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
1. Разработать наблюдатель состояния СДПМ, работающий на
скользящих режимах, для повышения устойчивости системы управления к
изменению параметров двигателя, таких как активное сопротивление
статора, индуктивность обмоток статора.
2. Разработать математическую модель наблюдателя. Произвести
настройку наблюдателя с использованием полученной модели.
3. Разработать математическую модель системы управления с
использованием наблюдателя, работающего на скользящих режимах.
Провести исследование работы разработанной системы управления –
определить эффективный диапазон работы, проверить качество
регулирования.
6
4. Разработать
модель
системы
векторного
бездатчикового
управления СДПМ с использованием наблюдателя, работающего на
скользящих режимах, с применением блоков поддержки процессоров Texas
Instruments С2000 для получения рабочего кода микроконтроллера.
Произвести
проверку
результатов
моделирования
посредством
экспериментальных исследований.
Научная новизна
1. Разработан наблюдатель углового положения ротора синхронного
двигателя с постоянными магнитами, работающий на скользящих режимах.
Применение указанного наблюдателя в составе системы векторного
управления СДПМ позволяет обеспечить ошибку не более 4° при
вычислении угла положения ротора двигателя, погрешность определения
скорости двигателя при этом составляет 5%. Диапазон регулирования по
скорости составляет 0,03 - 1.
2. Разработана математическая модель системы бездатчикового
векторного управления синхронным двигателем с постоянными магнитами с
использованием наблюдателя, работающего на скользящих режимах.
Модель позволяет определить качество регулирования системы векторного
управления с использованием наблюдателя, работающего на скользящих
режимах. По результатам моделирования при изменении активного
сопротивления и индуктивности статора, ошибка вычисления угла
положения ротора не превышает 10° Результаты моделирования показывают
устойчивость системы управления при переходных процессах: разгоне с 0,5
до 1 номинальной скорости, наброс момента нагрузки с 0,5 до 1
номинальной величины. При этом в наблюдателе происходит переходный
процесс, в ходе которого ошибка вычисления угла минимизируется за время,
не превышающее 0,03 с.
3. Разработана математическая модель системы бездатчикового
векторного управления с использованием наблюдателя, работающего на
скользящих режимах, с применением блоков поддержки процессоров Texas
Instruments серии C2000, позволяющая реализовать и протестировать
разработанный алгоритм управления.
Теоретическая значимость работы заключаются в разработке:
 структуры наблюдателя угла положения ротора СДПМ с применением
скользящих режимов;
 математической
модели
системы
векторного
управления
с
использованием наблюдателя состояния, работающего на скользящих
режимах;
Методы исследования. Теоретические исследования основаны на
разработке математических моделей системы векторного управления
7
синхронным двигателем с постоянными магнитами, осуществления
численного
моделирования
в
специализированном
программном
обеспечении Matlab Simulink и анализе полученных результатов.
Экспериментальные исследования режимов работы СДПМ, регистрация
данных во времени об основных характеристиках СДПМ с использованием
АЦП при изучении полученной системы управления, анализ полученных
результатов. Сравнительный анализ результатов теоретических и
экспериментальных исследований.
Обоснованность и достоверность научных положений, изложенных
в диссертации, базируется на применении общеизвестных положений теории
электропривода, методов численного моделирования с привлечением
специализированного программного обеспечения для моделирования
физических процессов и согласованности результатов теоретических и
экспериментальных исследований.
Положения, выносимые на защиту:
1. Наблюдатель углового положения и скорости ротора СДПМ,
работающий на скользящих режимах и обладающий устойчивостью к
дрейфу параметров двигателя (активное сопротивление и индуктивность
обмотки статора).
2. Математическая модель системы векторного бездатчикового
управления с использованием наблюдателя состояния, работающего на
скользящих режимах, позволяющая провести отладку режимов работы
электропривода.
3. Режимы эффективной
работы алгоритма бездатчикового
векторного управления с использованием наблюдателя состояния,
работающего на скользящих режимах: устойчивость к изменению
параметров статора СДПМ (активное сопротивление и индуктивность
статора).
Практическая значимость работы заключаются в применении
полученного алгоритма для управления электроприводом, выполняющим
ряд таких задач, как: поддержание частоты вращения рабочего механизма с
высокой точностью без применения датчиков скорости, поддержание
момента вращения (натяжения), косвенное определение момента нагрузки,
бездатчиковое управление электроприводами с большим диапазоном
изменения скорости.
Апробация и реализация результатов исследований. Основные
результаты работы доложены и обсуждены на следующих международных и
российских
конференциях,
симпозиумах,
формах,
семинарах:
Международная конференция «2017 IEEE CONFERENCE OF RUSSIAN
YOUNG
RESEARCHES
IN
ELECTRICAL
AND
ELECTRONIC
8
ENGINEERING» (Россия, Санкт-Петербург, 1-3.02.2017); Международная
конференция «Инновации и перспективы развития горного машиностроения
и электромеханики: IPDME-2017» (Россия, Санкт-Петербург, 23-24.03.2017);
Х Всероссийская научная конференция «Наука. Технологии. Инновации»
(Россия, Новосибирск, 05-09.12.2016); II Международная научнопрактическая конференция «Мехатроника, автоматика и робототехника»
(Россия, Новокузнецк, 22.02.2018); XLIII Научный форум с международным
участием «Неделя науки СПбПУ» (Россия, Санкт-Петербург, 01-06.12.2014);
XLIV Научный форум с международным участием «Неделя науки СПбПУ»
(Россия, Санкт-Петербург, 30.11.-05.12.2015); XLV Научный форум с
международным участием «Неделя науки СПбПУ» (Россия, СанктПетербург, 14-19.11.2016).
Публикации по теме диссертации. Основные теоретические и
практические результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах,
в том числе 2 работы в ведущих рецензируемых изданиях, включенных в
действующий Перечень ВАК; 7 работ в других изданиях.
Личный вклад. Автор на всех этапах работы непосредственно
участвовал в постановке задачи, разработке математической модели системы
управления синхронным двигателем с постоянными магнитами, выборе
методик расчётов теоретических параметров, разработке схемы
экспериментального исследования и методов диагностики, монтаже
экспериментального оборудования, разработке алгоритма регистрации
данных,
обработке
результатов
численного
моделирования
и
экспериментального исследования, а также формировании выводов по
выполненной работе.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав,
заключения, списка литературы, включающего 85 наименований, и 4
приложений. Полный объем диссертации – 121 страница, в том числе
рисунков – 65, таблиц – 1.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении представлены актуальность выбранной темы, краткое
состояние проблем исследования систем бездатчикового управления
синхронным двигателем с постоянными магнитами, сформулированы цели и
задачи работы, отмечены научная новизна и практическая ценность.
Первая глава посвящена обзору современных методов управления
СДПМ, указаны основные уравнения, используемые для описания режимов
работы синхронного двигателя с постоянными магнитами. Описана система
векторного управления СДПМ с использованием датчиков положения
ротора. Недостатками системы управления с датчиками являются: низкая
9
помехоустойчивость, высокая стоимость датчиков положения с большой
разрешающей способностью, необходимость прокладки сигнальных
проводов от объекта управления до контроллера, сбой в работе в случае
обрыва сигнальных проводов. Приведена структурная схема и алгоритмы
работы системы прямого управления моментом. Система прямого
управления моментом имеет следующие недостатки: колебания момента,
низкая устойчивость к резкому изменению момента нагрузки. Описана
концепция бездатчикового векторного управления СДПМ. Приведена
классификация наблюдателей состояния синхронной машины с
постоянными магнитами. Произведен анализ современных наблюдателей
состояния. Непрямые наблюдатели, используют тестовый сигнал для
измерения положения ротора СДПМ, обладают высокой точностью на
низких частотах вращения, имеют низкую помехоустойчивость, точность
зависит от конкретного двигателя. Исходя из анализа наиболее
перспективным является применение системы векторного управления с
использованием наблюдателя состояния, работающего на скользящих
режимах. Именно разработке такой системы управления и посвящена данная
работа.
Таким образом, исходя из критического анализа существующих
систем управления синхронным двигателем с постоянными магнитами,
определен ряд задач, требующих разработать математические модели
электропривода с использованием СДПМ с векторной бездатчиковой
системой управления.
Во второй главе представлена методика численного моделирования
системы векторного управления СДПМ с использованием скользящего
наблюдателя состояния в программном продукте Matlab Simulink.
Для решения задачи нечувствительности используемой системы
управления к параметрическому дрейфу синхронного двигателя с
постоянными магнитами используется подход, основанный на введении в
контур обратной связи наблюдателей состояния, работающих на скользящих
режимах. Предложенный наблюдатель строится на основании информации
об известных величинах: токе и напряжении статора. Будем формировать
наблюдатель в осях α,β, запишем следующие выражения:
R
d
1
is  - s is   us - es 
dt
L
L
(1)
Rs
d
1
is  - is  us - es
dt
L
L


10
Указанные уравнения можно представить в матричном виде:
d
(2)
is  Ais  B  us - es 
dt
R
1
Матрицы A и B определяются выражениями: A  - s I , B  I ,
Ls
Ls
3
Ls  Lm где R и Lm - активное сопротивление и индуктивность фазной
2
обмотки статора, I - единичная матрица размером 2×2 .
Скользящий наблюдатель реализуем посредством уравнения:
d
(3)
is  Ais  B U s* - es  z
dt
(4)
z  k sign  is - is 


где is - вычисленный ток, is - измеренный ток, U s* - заданное
напряжение на статоре.
В данном случае релейный регулятор работает с ошибкой по току.
Корректирующий коэффициент z должен иметь такую величину, чтобы
ошибка между измеренным и вычисленным током была равна нулю.
Вычисление корректирующего коэффициента происходит согласно
алгоритму работы релейного регулятора, реализующего поверхность
переключения – зависимость выходного значения корректирующего
коэффициента от значения ошибки на входе регулятора.
Для того чтобы реализовать наблюдатель в цифровой системе
управления, следует записать выражения (3)-(4) в дискретном виде:
(5)
is [n  1]  F  is [n]  G u*s [n] - es [n]  z[n]

z[n]  k  sign is [n]- is [n]

(6)
 R

 R

1
F  I  exp  - s Ts  , G  1- exp   s Ts   I , Ts - период

R 
 Ls  
 Ls 
несущей частоты.
На выходе релейного регулятора сигнал содержит шумы, наиболее
простым средством по их устранению является фильтр низких частот.
Фильтрация сигнала ЭДС обратной связи происходит согласно выражению:
d
(7)
es  -0es  0 z
dt
где 0  2 f 0 , f 0 - частота среза фильтра.
где
11
Из выражения (7) переходим в дискретный вид:
(8)
es [n  1]  es [n]  2 f0  z[n] - es [n]
Значение угла потока ротора определяется из соотношения:
 -sin  
3
es  ke 
(9)

2
 cos  
Таким образом, угол потока ротора определяется по величине
проекций противо ЭДС на оси α и β согласно выражению:
 -e 
(10)
eu  arctan  s 
 es 


При смене направления вращения двигателя происходит коррекция
угла потока ротора путем изменения знаков в выражении (10). Общий вид
структуры наблюдателя представлен на рис. 1. В состав структуры входит
математическая модель двигателя, релейный регулятор, фильтр,
вычислитель угла потока ротора, корректор угла потока ротора.
is
v*s
+
Математическая
модель
- двигателя
is
+
-
Релейный
блок
Фильтр
низких
частот
z
w
es
Вычисление
угла потока
eu
+
-
Коррекция
угла потока
Рисунок 1. Общий вид структуры наблюдателя состояния
Таким образом, подробная структура наблюдателя с использованием
выражений (5)-(10) представлена на рис. 2. Параметр Kslide задает выходное
значение релейного регулятора при насыщении, параметр E0 задает
величину ошибки, при которой происходит насыщение, отношение Kslide/E0
задает наклон линии переключения.
Вычисление
скорости
происходит
согласно
выражению:
e (n)  e (n  1)
e (n) 
(11)
Ts
e
12
K slide
vα,β
>=E 0
+


K sif



G
1

z
-K slide

i , 

U
>=E 0
F
1
K slide
z
arctan
1
E0
z
θ
Рисунок 2. Подробная структура наблюдателя состояния
Кроме того, для сигнала о скорости ротора необходима фильтрация
посредством фильтра низких частот, чтобы уменьшить шум, генерируемый
чистым дифференциатором. Используется фильтр низких частот первого
порядка, заданный следующим уравнением:
de 1
 e  ˆ e 
(12)
dt  c
где ˆ e - сигнал на выходе фильтра,  c 
1
- постоянная времени
2 f c
фильтра низких частот, f c - частота среза фильтра
Целью работы релейного регулятора является сведение ошибки
вычисления тока к нулю:
s  iˆs  is  0
(13)
Настройка наблюдателя происходит посредством ввода паспортных
параметров двигателя: активное сопротивление статора, индуктивность
статора, номинальное напряжение, номинальный ток, число пар полюсов,
дополнительно вычисляется частота тока статора, соответствующая
номинальной частоте вращения ротора. Настройка релейного блока,
посредством изменения поверхности скольжения, происходит изменением
переменных K slide и E0 , частота среза фильтра низких частот
корректируется изменением переменой K sif .
Реализована структура векторного управления, с учетом имеющегося
оборудования. Общий вид модели представлен на рис. 3.
13
Рисунок 3. Модель электропривода с бездатчиковым векторным
управлением СДПМ
Блок регулятора скорости имеет в своем составе формирователь
переходного процесса пуска двигателя и ПИД-регулятор, выходной
величиной которого является задание на момент. Блок векторного
управления в составе имеет блок наблюдателя, который вычисляет скорость
двигателя и передает этот сигнал на вход ПИД регулятора скорости, таким
образом, замыкая петлю обратной связи.
Подробная структура блока векторного управления представлена на
рис. 4.
Рисунок 4. Подробная структура блока векторного управления БВУ
Сигналы задания на напряжения по осям α и β поступают на блок
векторной ШИМ, в котором формируются продолжительности и порядок
14
включения ключей инвертора. Контур регулирования токов работает на
частоте ШИМ.
Произведена оценка влияния дрейфа параметров двигателя на
величину ошибки вычисления угла положения ротора. На рис. 5а приведена
осциллограмма ошибки вычисления угла при паспортных параметрах
двигателя (отсутствие дрейфа). На рис. 5б–е приведены осциллограммы
ошибки вычисления угла при различных режимах работы двигателя.
∆Ɵ,°
∆Ɵ,°
4
4
3
3
2
1
2
1
0
0
-1
-1
-2
-2
-3
-3
-4
-4
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
t,c
0
0,05
0,1
0,15
0,2
а)
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
t,c
б)
∆Ɵ,°
∆Ɵ,°
4
0
3
-50
2
1
-100
0
-150
-200
-1
-2
-250
-3
-300
-4
-350
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
t,c
-400
0
в)
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
t,c
г)
∆Ɵ,°
∆Ɵ,°
10
5
0
0
-10
-5
-20
-30
-10
-40
-15
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5 t,c
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
t,c
е)
д)
Рисунок 5. Осциллограммы ошибки вычисления угла положения ротора: а)
при отсутствии дрейфа параметров двигателя б) при увеличении активного
сопротивления статора в) при увеличении индуктивности до 0,004Гн г) при
старте двигателя д) при ускорении в момент времени 0,2 с е) а при набросе
момента
На рис. 6а представлена зависимость ошибки вычисления угла
положения ротора наблюдателем от величины активного сопротивления
статора, на рис. 6б – зависимость от величины индуктивности статора.
15
∆Ɵ,°
4,5
∆Ɵ,°
8
4
7
3.5
6
3
5
2,5
4
2
3
1,5
2
1
0
2
4
6
8
10
12
1
Rs,Ом
0
а)
0,001
0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008
0,009 0,01
Ls,Гн
б)
Рисунок 6. Зависимости величины ошибки вычисления угла
положения ротора: а) от величины активного сопротивления б) от величины
индуктивности обмотки статора
Моделирование работы системы управления при наличии помех в
измеряемых сигналах токов линий, питающих двигатель. Для этого
произведена имитация наличия помех, путем добавления в сигналы токов
фаз двигателя белого шума на уровне 10% от амплитудного значения тока.
На рис. 7а представлены осциллограммы токов в неподвижной системе
координат α,β, на рис. 7б представлена ошибка вычисления угла при
наличии указанного шума.
iα,о.е
0,1
0,05
0
-0,05
-0,1
-0,15
iβ,о.е
0,1
0,05
0
-0,05
-0,1
-0,15
∆Ɵ,°
5
0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
а)
0,25
0,3
0,35
t,c
-5
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3 t,c
б)
Рисунок 7. Осциллограммы: а)токов в осях α,β при наличии белого
шума на уровне 10%; б) ошибки вычисления угла положения ротора при
наличии белого шума в сигналах токов статора двигателя
Результаты, представленные на рис. 5–7, позволяют сделать вывод о
возможности применения данного наблюдателя в задачах робастности к
дрейфу параметров в широком диапазоне – продемонстрированный на
рисунках диапазон перекрывает возможности изменения указанных
параметров статора при практическом применении алгоритма. Необходимо
отметить, что при отсутствии дрейфа наблюдатель дает низкий уровень
ошибки вычисления угла положения ротора – менее 2о на малых оборотах и
менее 4о на высоких оборотах. Малое время переходного процесса на
16
осциллограмме ошибки вычисления угла положения ротора при пуске
позволяет сделать вывод о том, что возможен пуск, в процессе которого
наблюдатель за короткий промежуток времени (0,025 с) вычислит
положение ротора и система управления введет двигатель в синхронизм. На
малых скоростях происходит критическое увеличение ошибки вычисления
угла положения ротора и выход из устойчивого режима работы. В
переходных процессах (набор, сброс скорости, наброс момента нагрузки)
происходит быстрая стабилизация значения величины ошибки вычисления
угла положения ротора. Наблюдатель имеет зависимость величины ошибки
вычисления угла положения ротора от наличия шума в сигнале по току.
Величина ошибки вычисления угла положения ротора не превышает 5 °при
наличии в сигнале по току шума на уровне 10%.
В третьей главе приведена методика проведения экспериментальных
исследований, целью которых является верификация математической
модели.
Экспериментальная установка представлена на функциональной схеме
(рис. 8). Основным элементом экспериментальной установки является плата
инвертора DRV8301- рис. 8 (2), которая соединяется с платой контроллера
TMS320F28027. Преобразователь рассчитан на питание напряжением от 6 до
24 В, максимальный выходной ток 10 А, пиковый – до 14 А. Плата
инвертора содержит 6 MOSFET транзисторов CSD18533Q5A, управляемых
микросхемой драйвером DRV8103. На плате инвертора находятся два
токовых шунта, позволяющих измерять токи в линиях, питающих двигатель,
понижающий dc-dc преобразователь на напряжение 5В с током до 1,5 А.
Плата управления с микроконтроллером
TMS320F28027 имеет
максимальную рабочую частоту 60 МГц, объем памяти 64 кБайт 13 входов
АЦП 12 Бит, 22 цифровых входа-выхода. Блок питания 24В мощностью
96 Вт имеет низкий коэффициент пульсаций на выходе.
Вышеописанные характеристики источника питания, инвертора и
платы управления подходят для выбранного двигателя. Двигатель соединен
посредством гибкой муфты с машиной постоянного тока, которая
используется в качестве тормоза. На валу, соединяющем машины,
расположен
инкрементальный
энкодер
E40H12-2500-6-L-5,
обеспечивающий определение положения вала двигателя с разрешением
2500 импульсов на оборот. Указанное количество импульсов обеспечит
требуемую точность измерения скорости и угла положения ротора (не менее
0,2°. В качестве аналого-цифрового преобразователя сигнала энкодера
выступает осциллограф SDS6062 с частотой дискретизации 60МГц с
возможностью подключения к компьютеру для записи и дальнейшей
обработки сигнала.
17
2
3
4
1
6
5
7
Рисунок 8. Функциональная схема экспериментального стенда для
проведения испытаний: 1– блок питания KS-257 24В, 2– платы
инвертора DRV8301 и контроллера TMS320F28027, 3– синхронный
двигатель с постоянными магнитами FL42BLS02, 4–
инкрементальный энкодер E40H12-2500-6-L-5, 5– генератор
постоянного тока, 6– осциллограф SDS6062 60МГц, 6– компьютер с
предустановленным программным обеспечением
Для получения рабочего кода микроконтроллера была создана модель
системы управления в среде Matlab Simulink с использованием блоков
поддержки процессоров Texas Instruments С2000. Система управления
состоит из контура регулирования скорости, работающего на частоте 100 Гц,
в него входит блок регулятора скорости и блок задания скорости. Вторым
контуром является контур регулирования токов Id и Iq, работающий на
частоте ШИМ (20 кГц), контур находится в подсистеме «алгоритм
векторного управления», которая имеет вход, по которому осуществляется
сброс. Разделение частоты дискретизации контуров регулирования
позволяет обеспечить экономию вычислительных ресурсов процессора.
Максимальный приоритет исполнения имеет контур регулирования тока,
для увеличения скорости вычислений часть программного кода,
отвечающего за этот блок, находится в оперативной памяти процессора.
18
Верхний уровень модели представлен на рис. 9а, блок алгоритма векторного
управления представлен на рис. 9б: входы АЦП с датчиков тока ADC IA и
ADC IB – слева и выходы ШИМ ePWM1, ePWM2, ePWM3 справа, подача
логической единицы на выход GPIO6 включает плату преобразователя
а)
б)
Рисунок 9. а) общий вид модели б) блок алгоритма векторного
управления
Подробная структура алгоритма векторного управления с
использованием блоков поддержки процессора Texas Instruments
TMS320F28027 представлена на рис. 10. В указанную структуру входят
блоки оптимизации векторных вычислений: блоки прямого и обратного
преобразования Кларк, блоки прямого и обратного преобразования Парка.
Рисунок 10. Структура векторного управления в Matlab Simlink с
использованием блоков поддержки процессоров TI C2000
Наблюдатель угла положения и скорости ротора реализован в
дискретной форме (рис. 11). В его составе выделены фильтр низких частот –
зеленым цветом, вычислитель ошибки по току – синим цветом, блок
релейного регулятора, работающего с насыщением – красным цветом, блок
вычисления угла положения ротора по сигналам противо-ЭДС – желтым
19
цветом, блок вычисления скорости и определения направления вращения –
бордовым цветом.
Рисунок 11. Наблюдатель угла положения и скорости ротора в Matlab
Simulink
Одной из основных целей исследования является подтверждение
результатов математического моделирования и определение фактической
величины ошибки вычисления угла положения ротора наблюдателем, а
также выявление реального рабочего диапазона регулирования скорости
двигателя, под управлением разработанной системы управления.
Далее приведены осциллограммы угла положения ротора и ошибки
вычисления угла положения ротора (рис. 12а), а также скорости и ошибки
вычисления скорости (рис. 12б) при пуске двигателя и работе на скорости
300 об/мин.
Показана работа наблюдателя в переходном режиме: произведем
смену задания на скорость в момент времени 0,5 с. Результаты работы
наблюдателя в этом режиме приведены на (рис 12в, г)
Произведено изменение настроек наблюдателя: выставим значениие
активного сопротивления, меньшее, чем номинальное (Rsном=0,4 Ом).
Измерено значение ошибки вычисления угла положения ротора (рис. 12д) и
значение ошибки вычисления скорости (рис. 12е).
20
Ɵ,°
n,об/мин
350
-50
300
-100
250
200
150
-150
-200
100
50
-250
-300
∆Ɵ,°
∆n,об/мин
1,6
1,3
1
0,8
70
60
50
40
30
0,6
0,3
20
0
-0,3
10
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
t,c
0
0,1
0
0,2
0,3
0,4
а)
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
t,c
б)
Ɵ,°
n,об/мин
350
-50
300
250
-100
200
150
100
-150
50
-250
-200
0
∆Ɵ,°
-300
∆n,об/мин
2,8
2,1
1,4
0,7
35
30
25
20
15
10
5
0
-5
0
-0,7
-1,4
-2,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
t,c
в)
0,1
0
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
t,c
г)
Ɵ,°
n,об/мин
350
-50
300
-100
250
200
150
-150
-200
100
50
0
∆Ɵ,°
-250
-300
∆n,об/мин
1
0
70
60
-1
50
-2
40
-3
30
20
-4
-5
10
0
-6
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
t,c
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
t,c
д)
е)
Рисунок 12. Осциллограммы: а) угла положения ротора и ошибки
вычисления угла положения ротора, б) скорости и ошибки вычисления
скорости при работе двигателя на скорости 300 об/мин; в)угла положения
ротора и ошибки вычисления угла положения ротора, г) скорости и ошибки
вычисления скорости при разгоне в момент времени 0,5с.; д) угла положения
ротора и ошибки вычисления угла положения ротора, е) скорости и ошибки
вычисления скорости при увеличении активного сопротивления статора
СДПМ
Наблюдатель углового положения ротора СДПМ в составе системы
электропривода с векторным управлением позволяет обеспечить высокую
относительную статическую точность поддержания заданной скорости
21
вращения ротора: ошибка вычисления в установившемся режиме не более
5%. Разработанная система управления позволяет осуществить пуск
синхронных двигателей с постоянными магнитами малой мощности. При
пуске могут происходить кратковременные колебания ротора на малом
промежутке времени (порядка 0,1 с), затем наблюдатель определяет
исходное положение ротора и происходит разгон по заданной
интенсивности. По результатам экспериментов рабочий диапазон системы
управления составил от 120 до 4000 об/мин. На низкой скорости происходит
потеря устойчивости.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
По результатам разработанной в диссертации системе бездатчикового
векторного управления синхронным двигателем с постоянными магнитами с
использованием наблюдателя, работающего на скользящих режимах при
условии дрейфа параметров двигателя (активного сопротивления и
индуктивности статора) можно сделать следующие основные выводы:
1. Разработан наблюдатель углового положения ротора синхронного
двигателя с постоянными магнитами. Для обеспечения нечувствительности
к дрейфу величины активного сопротивления и индуктивности обмоток
статора синхронного двигателя с постоянными магнитами при оценке
скорости и углового положения ротора в структуру наблюдателя введен
релейный блок, реализующий работу наблюдателя на скользящих режимах.
Применение указанного наблюдателя в составе системы векторного
управления СДПМ позволяет обеспечить ошибку не более 4 ° при
вычислении угла положения ротора двигателя, погрешность определения
скорости двигателя в установившемся режиме составляет 5%. Диапазон
регулирования по скорости составляет 0,03 - 1.
2. Разработана математическая модель наблюдателя угла положения
ротора, позволяющая произвести настройку параметров наблюдателя: задать
поверхность переключения по минимуму величины ошибки вычисления
угла и произвести настройку фильтра низких частот. Указанный метод
настройки поверхности переключения позволяет упростить процесс выбора
поверхности переключения и настройки наблюдателей, работающих на
скользящих режимах, что позволит сократить время разработки систем
управления.
3. Разработана математическая модель системы векторного
управления синхронным двигателем с постоянными магнитами. Модель
выполнена в среде математического моделирования Matlab Simulink. Модель
позволяет определить качество регулирования указанной системы:
определить погрешность вычислений наблюдателя в рабочем диапазоне
22
двигателя, показать устойчивость системы управления в переходных
процессах. По результатам моделирования при изменении активного
сопротивления и индуктивности статора ошибка вычисления угла
положения ротора не превышает 10°. Результаты моделирования
показывают устойчивость системы управления при переходных процессах:
разгоне с 0,5 до 1 номинальной скорости, наброс момента нагрузки с 0,5 до 1
номинальной величины. При этом в наблюдателе происходит переходный
процесс, в ходе которого ошибка вычисления угла минимизируется за время,
не превышающее 0,03 с.
4. Работоспособность разработанного наблюдателя угла положения и
скорости ротора синхронного двигателя с постоянными магнитами доказана
результатами экспериментальных исследований. Результаты экспериментов
подтверждают указанный диапазон регулирования скорости (от 120 до
4000 об/мин), а также устойчивость к изменению параметров двигателя:
активного сопротивления и индуктивности статора.
Результаты работы, имея теоретическую основу, подтвержденные
экспериментальными исследованиями и численными методами, могут быть
применены при разработке систем бездатчикового электропривода с
использованием синхронного двигателя с постоянными магнитами и
повышением надежности систем электропривода с использованием
датчиков, посредством дублирования последних наблюдателем угла
положения
ротора.
Практическое
применение
подтверждено
в
разработанных алгоритмах управления электроприводами на основе
синхронного двигателя с постоянными магнитами при выполнении НИР с
ООО «Научно-производственный центр «Судовые электротехнические
системы»
Основные публикации, в которых отражены результаты диссертации
1. Zhiligotov, R.I. Development of the sensorless control system BLDC
motor / R.I. Zhiligotov, V.Y. Frolov // В сборнике: Proceedings of the 2017 IEEE
Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering
Conference, ElConRus 2017. – 2017. – 7910749. – С. 1109–1111.
DOI: 10.1109/EIConRus.2017.7910749 (рекомендовано ВАК, индексируется в
базе SCOPUS).
2. Фролов В.Я. Разработка системы бездатчикового векторного
управления синхронным двигателем с постоянными магнитами в Matlab
Simulink / В.Я.Фролов, Р.И.Жилиготов // Записки Горного института. 2018.
Т. 229. –С. 92–98. DOI: 10.25515/PMI.2018.1.000 (рекомендовано ВАК).
3. Жилиготов
Р.И.
Моделирование
векторного
управления
вентильным двигателем в Matlab Simulink / Фролов В.Я. // НАУКА
23
ТЕХНОЛОГИИ ИННОВАЦИИ Сборник научных трудов г. Новосибирск,
05-09 декабря 2016 г. в 9-и частях Часть 5 Изд-во НГТУ, 2016. – С. 118–119.
4. Фролов В.Я. Применение скользящих режимов в наблюдателях
состояния синхронных двигателей с постоянными магнитами / В.Я. Фролов,
Р.И. Жилиготов // Мехатроника, автоматика и робототехника: Материалы
международной научно-практической конференции. –Новокузнецк: НИЦ
МС, 2018. –No2. –С. 80–82.
5. Жилиготов Р.И. Векторное управление синхронным двигателем с
постоянными магнитами на базе микроконтроллера texas instruments c2000 /
Р.И. Жилиготов, В.Я. Фролов // Инновации и перспективы развития горного
машиностроения и электромеханики: IPDME-2017 Сборник научных трудов
международной научно-технической конференции. Научные редакторы В.В.
Максаров, В.В. Габов. – Санкт-Петербург, 2017. – С.144–147.
6. Чуркин А.А. Повышение энергоэффективности промышленных
электроприводов. / Чуркин А.А., Жилиготов Р.И. // Неделя науки СПбГПУ:
материалы научно-практической конференции с международным участием.
– Санкт-Петербург, 2016. – Часть 2. – С. 147–151.
7. Колесов А.Н. Моделирование и анализ асинхронного двигателя для
повышения электромагнитной совместимости/ Колесов А.Н., Жилиготов
Р.И. // Неделя науки СПбГПУ: материалы научно-практической
конференции с международным участием. – Санкт-Петербург, 2015. – Часть
2. – С. 165–168.
8. Киршин Н. А. Моделирование и анализ асинхронного двигателя с
векторным управлением с ориентированием по потокосцеплению ротора/
Киршин Н. А., Жилиготов Р.И. // Неделя науки СПбГПУ: материалы научнопрактической конференции с международным участием. – Санкт-Петербург,
2015. – Часть 2. – С. 168-171.
9. Жилиготов
Р.И.
Моделирование
векторного
управления
асинхронного двигателя в Matlab Simulink/ Даукаев Д.А., Жилиготов Р.И.,
Фролов В.Я. // Неделя науки СПбГПУ: материалы научно-практической
конференции с международным участием. – Санкт-Петербург, 2014. – Часть
1. – С. 192-194.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
1 886 Кб
Теги
синхронный, векторное, постоянный, разработка, система, двигателей, магнитами, управления, бездатчикового
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа