Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 12
1.1 Перспективы развития современного электропривода сельскохозяйственных механизмов 12
1.2 Актуальность исследования и разработки индукторных электроприводов для сельскохозяйственных механизмов 15
1.3 Определение областей применения вентильно-индукторного электропривода в сельскохозяйственном оборудовании 22
1.3.1 Сельскохозяйственные механизмы с низкой частотой вращения выходного вала электропривода 25
1.3.2 Сельскохозяйственные механизмы с высокой частотой вращения выходного вала электропривода 33
1.4 Цели и задачи исследования 40
1.5 Выводы 43
2. Математическая модель вентильно-индукторного электропривода для сельскохозяйственных механизмов 44
2.1 Особенности вентильно-индукторного двигателя и методов его исследования. Принятые допущения 44
2.2 Функциональная схема и принцип действия вентильно-индукторного электропривода 47
2.3 Уравнения электромеханического преобразования энергии 49
2.4 Условия формирования момента двигателя 55
2.5 Математическое описание процесса коммутации обмотки вентильно-индукторного двигателя 60
2.5.1 Переходный процесс тока на участке постоянной индуктивности обмотки 63
2.5.2 Переходный процесе тока на участке линейного изменения индуктивности обмотки 64
2.6 Общее описание такта коммутации фазы вентильно-индукторного двигателя 67
2.6.1. Включение фазы и формирование переднего фронта тока 70
2.6.2 Рабочий этап цикла коммутации 71
2.6.3 Этап отключения фазы 71
2.7 Влияние скоростных показателей вентильно-индукторного электропривода сельскохозяйственных механизмов на формирование процессов коммутации 75
2.7.1. Режимы работы вентильно-индукторного двигателя. Зависимость управляющих воздействий от режима работы 76
2.7.2 Способы увеличения темпа изменения тока в обмотках 78
2.7.3 Критерий перехода вентильно-индукторного двигателя из одного скоростного режима работы в другой 81
2.8 Выводы 85
3 Определение параметров вентильно-индукторного электропривода сельскохозяйственного оборудования 86
3.1 Коммутаторы. Влияние коммутации на характер протекания электромагнитных процессов 86
3.1.1 Вентильный коммутатор, выполненный по нулевой схеме 87
3.1.2 Вентильный коммутатор, выполненный по схеме асимметричного моста 88
3.2 Синтез контура регулирования тока 90
3.2.1 Постановка задачи 90
3.2.2 Синтез контура регулирования тока с последовательной коррекцией .91
3.2.2.1 Обоснование необходимости реализации регулятора при широтно-импульсной модуляции 1-го рода 91
3.2.2.2 Допущения при синтезе цифрового регулятора последовательной коррекции тока вентильно-индукторного двигателя. Структурная схема контура регулирования 92
3.2.2.3 Синтез контура тока для высокоскоростных сельскохозяйственных механизмов 97
3.2.2.4 Особенности регулирования тока вентильно-индукторных электроприводов сельскохозяйственных механизмов, работающих в низкоскоростном режиме 102
3.2.2.5 Синтез контура тока для низкоскоростных сельскохозяйственных механизмов 103
3.2.3 Релейное регулирование тока с зоной нечувствительности 113
3.3 Синтез контура регулирования углов включения и отключения обмотки .117
3.3.1 Определение зависимости индуктивности обмоток опытного вентильно-индукторного двигателя от углового положения ротора... 118
3.3.2 Определение оптимального угла включения 120
3.3.3 Определение оптимального угла отключения 122
3.3.3.1 Постановка задачи определения оптимального угла отключения 122
3.3.3.2 Поиск оптимального угла отключения 123
3.4 Выводы 130
4 Имитационное математическое моделирование вентильно-индукторного электропривода сельскохозяйственных механизмов 131
4.1 Общий вид модели вентильно-индукторного электропривода сельскохозяйственных механизмов 132
4.2 Модель вентильно-индукторного двигателя 136
4.3 Модель коммутатора 138
4.4 Модель микропроцессорной системы управления 139
4.5 Результаты моделирования режимов работы вентильно-индукторного электропривода 142
4.6 Выводы 147
5 Разработка стенда для экспериментальных исследований . 148
5.1 Постановка задачи 148
5.2 В ентильно-индукторный двигатель 148
5.3 Датчик положения ротора 149
5.4 Вентильный коммутатор 151
5.5 Микропроцессорная система управления 153
5.6 Программатор для микроконтроллеров PICmicro 154
5.7 Индикатор частоты вращения ротора 154
5.8 Программное обеспечение контроллера управления вентильно-индукторным электроприводом 158
5.9 Выводы 162
Общие выводы 163
Литература 166
Приложение 178
- Актуальность исследования и разработки индукторных электроприводов для сельскохозяйственных механизмов
- Функциональная схема и принцип действия вентильно-индукторного электропривода
- Обоснование необходимости реализации регулятора при широтно-импульсной модуляции 1-го рода
- Результаты моделирования режимов работы вентильно-индукторного электропривода
Введение к работе
Актуальность темы. Во многих отраслях сельского хозяйства используются устройства, рабочий орган которых вращается с частотой, отличной от частоты вращения приводного электродвигателя. Преобразование частоты вращения в большинстве случаев осуществляется применением различного рода механических преобразователей (редукторов), а для облегчения пуска двигателя или предотвращения заклинивания используются различного рода муфты (фрикционные, электромагнитные и т.п.). Масса редуктора порой составляет 80% от всей массы электропривода [109], габаритные размеры редуктора однозначно определяют собой размеры всего механизма. Кроме того, редуктор создает люфты, меняет упругий характер сочлинений, момент инерции и другие параметры. Большая металлоемкость, потери энергии, вибрации, шум, сложность регулирования и интеграции в рабочий орган и технологический процесс заставляют искать пути получения различных частот вращения без механических преобразователей. Таким образом, перспективным направлением развития электропривода сельскохозяйственных машин и механизмов является создание его без механических передач.
Для замены широко используемого в сельском хозяйстве редукторного электропривода предлагается использовать безредукторный (прямой) управляемый вентильно-индукторный электропривод (ВИП), позволяющий создавать частоты вращения в диапазоне от единиц до сотен тысяч оборотов в минуту.
Концепция построения и основные принципы управления вентильно-индукторным двигателем (ВИД) впервые были сформулированы профессором П. Лоуренсона еще в конце 1970-х годов [45]. Однако, технология ВИП является передовой и наиболее перспективной в области силового электропривода сельскохозяйственных механизмов и на сегодняшний день. Этому способствуют: более технологичная, простая и надежная конструкция ВИД, и, вследствие этого, более низкая его стоимость по сравнению с асинхронным двигателем; бурное развитие силовой полупроводниковой техники и микропроцессорных устройств для систем управления, их более высокая надежность и постоянно снижающая стоимость по
7 сравнению с дорогим и менее надежным механическим преобразователем (редуктором), требующим периодического квалифицированного обслуживания. Экономия электроэнергии за счет использования регулируемого электропривода в ряде случаев может достигать 50% [108].
Таким образом, можно заключить, что ВИП обладает целым рядом важнейших преимуществ, что позволяет его эффективно использовать в различных отраслях сельского хозяйства.
Однако, наличие двойной зубчатости в магнитной системе вентильно-индукторного двигателя и связанных с этим нелинейностей, однополярных импульсных токов фаз, дискретного управления коммутацией фаз требуют разработки алгоритмов управления током и моментом ВИД, отличных от применяемых в традиционных электроприводах сельскохозяйственных механизмов.
Все это делает актуальным разработку и исследование вентильно-индукторного электропривода для сельскохозяйственного оборудования.
Объектами диссертационной работы являются вентильно-индукторные двигатели сельскохозяйственных электроустановок и системы управления ими.
Целью диссертационной работы является: расширение областей применения ВИП в сельском хозяйстве; развитие научных основ теории управления ВИП; разработка алгоритмов управления низкоскоростным и высокоскоростным ВИП сельскохозяйственного назначения с улучшенными энергетическими показателями; синтез цифровой системы управления регулируемого ВИП для сельскохозяйственного оборудования.
Для достижения вышеописанных целей поставлены следующие задачи работы:
определение перспективных областей применения ВИП в сельскохозяйственном оборудовании;
разработка математической модели электромеханического преобразования энергии в ВИД;
разработка принципа управления и параметров регулирования ВИП сельскохозяйственных механизмов;
- разработка математического описания процесса коммутации обмотки
ВИД;
исследование особенностей протекания переходных процессов и алгоритмов коммутации от скоростного режима работы ВИП;
синтез контура регулирования мгновенного тока в обмотках ВИП;
определение зависимости оптимальных углов коммутации обмоток ВИП от параметров коммутатора, частоты вращения ротора и заданного тока;
разработка математической имитационной модели ВИП сельскохозяйственных механизмов с цифровой системой управления для изучения свойств и особенностей работы;
проведение экспериментальных исследований для проверки адекватности результатов теоретических заключений и имитационного моделирования.
Результаты решения этих задач дают возможность сформулировать основные положения, выносимые автором на защиту:
обоснование преимуществ использования прямого регулируемого вен-тильно-индукторного электропривода над распространенным в сельском хозяйстве редукторным;
обоснование необходимости регулирования тока и углов коммутации обмотки в зависимости от скоростного режима работы ВИП;
синтез контура регулирования тока, углов включения и отключения обмоток ВИП;
математическое моделирование вентильно-индукторного электропривода с цифровой системой управления;
стенд для экспериментального исследования ВИП сельскохозяйственных механизмов и его системы управления.
Научная новизна работы состоит в следующем:
обоснована возможность и перспективность использования ВИП в сельскохозяйственном производстве;
определены особенности протекания переходных процессов и их связь с выходными параметрами ВИП при различных скоростных режимах работы рабо-
9 чего органа сельскохозяйственных механизмов;
разработана специальная программа для определения параметров цифрового пропорционально-интегрального регулятора тока исходя из требований к качеству переходного процесса;
разработана модель ВИП сельскохозяйственного оборудования, учитывающая изменение сопротивления нагрузки при работе коммутатора, запаздывание и дискретность цифровой системы управления, различные способы регулирования тока и углов коммутации обмоток;
разработаны компьютерные программы, позволяющие рассчитать оптимальные углы коммутации обмоток ВИД в зависимости от параметров коммутатора, частоты вращения ротора и заданного тока;
разработаны принципиальные схемы цифровой системы управления ВИП с использованием современной элементной базы однокристальных микроконтроллеров PICmicro, силовых IGBT-транзисторов и драйверов управления ими;
разработано программное обеспечения для микроконтроллера системы управления, реализующее различные стратегии управления процессами в ВИД при различных скоростных режимах работы рабочего органа сельскохозяйственных механизмов;
разработан и изготовлен стенд для экспериментального исследования вен-тильно-индукторного электропривода сельскохозяйственного назначения.
Методы исследования.
Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались традиционные методы интегрального и дифференциального исчислений, базовые положения теории электромеханического преобразования энергии, теории автоматического регулирования, практические аспекты промышленной электроники и микропроцессорной техники, компьютерные средства структурного имитационного моделирования электромеханических процессов. Численный анализ моделирования ряда процессов осуществлялся на компьютере с использование оригинальных программ, разработанных автором.
10 Практическая ценность.
Разработанные в данной работе принципиальные схемы и программное обеспечение систем управления ВИП позволяют легко адаптировать их для конкретного электропривода сельскохозяйственных механизмов и машин. Выявленные в результате исследований особенности работы ВИП позволяют создавать более мощные и сложные системы электропривода решающие поставленные задачи. Замена редукторного электропривода сельскохозяйственного оборудования вентильно-индукторным позволяет снизить стоимость установки в целом, уменьшить расходы на квалифицированное периодическое обслуживание. В условиях маломощных сельских сетей электроснабжения применение регулируемого ВИП позволяет снизить пусковые токи, увеличить КПД электропривода, сделать процесс преобразования энергии наиболее оптимальным.
Разработанное программное обеспечение для определения оптимальных углов коммутации обмоток ВИД в зависимости от частоты вращения ротора и тока в обмотках позволяет априорно определять параметры коммутации обмоток и использовать их в программе работы контроллера системы управления.
Представленные в диссертационной работе алгоритмы, программы расчета и методы математического моделирования позволяют с достаточной для практики точностью оценить эксплуатационные характеристики двигателей, значительно снизить сроки опытно-конструкторских и натурных испытаний.
Реализация результатов работы. Результаты исследовательской работы приняты к применению НП ЗАО «Валко-электроникс» при разработке цифровой системы управления вентильно-индукторным электроприводом приточно-вытяжной вентиляции; используются МУП «Горзеленхоз» при модернизации установок по измельчению веток и пней; сельскохозяйственным производственным кооперативом «Пригорское» при замене редукторных асинхронных электроприводов технологического оборудования на регулируемый ВИП; применяются в учебном процессе студентов кафедры «Электромеханические системы» филиала ГОУВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Смоленске. Разработанный стенд для эксперименталь-
ных исследований прошел испытания на ОАО «Сафоновский электромашиностроительный завод».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научной конференции РГАЗУ (Москва, РГАЗУ, 2004 г.); Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (Томск, ТПУ, 20-22 октября 2005 г.); 9-й, 11-й, 12-й Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ, 2003, 2005, 2006 гг.); IV научно-практической конференции «Технологии, научно-техническое и информационное обеспечение в образовании, экономике и производстве региона» (Вязьма, филиал МГУТУ в г. Вязьме, 25 апреля 2004 г.); 2-й, 3-й межрегиональных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Информационные технологии, энергетика и экономика» (Смоленск, филиал МЭИ (ТУ) в г. Смоленске, 2005, 2006 гг.); Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Актуальные проблемы ресурсо- и энергосберегающих электротехнологий» (Екатеринбург, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 19-21 апреля 2006 г.).
Публикации.
Основные положения диссертационной работы изложены в 11 научных публикациях, из них 5 публикаций в материалах конференций, имевших статус всероссийских и международных.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и девяти приложений. Работа изложена на 231 странице машинописного текста, содержит 91 иллюстраций, 8 таблиц, список литературы из 148 наименований на 11 страницах и приложения на 54 страницах.
Актуальность исследования и разработки индукторных электроприводов для сельскохозяйственных механизмов
Концепция построения и основные принципы управления ВИП впервые были сформулированы в работах профессора П. Лоуренсона [45] и его коллег из Лидсского университета (Великобритания) в конце 1970-х годов. Появившиеся позднее многочисленные публикации отражают большой интерес к ВИД.
В России в 1960-1980 гг. разработкой технологичных двигателей с электромагнитной редукцией, концепция которых соответствует ВИД, занимались со трудники МЭИ под руководством профессора М.Г. Чиликина [47]. Большой вклад в развитие этого научного направления внесли работы профессоров Б.А.Ивоботенко, И.Ф. Ильинского, Б.Е. Каасика, А.С.Куракина [55,55]. Эти работы отражают принципы действия ВИД и основные особенности построения ВИП на элементной базе своего времени. Появившиеся в последние годы (начиная с 1990-х годов) публикации работ Д.А. Бута, М.Г. Бычкова, А.Б. Красовского, В.А. Кузнецова, Ю.А. Голландцева способствовали расширению исследований ВИП. Основная часть исследований, опубликованных на сегодняшний день в России, направлена на создание различного рода методик расчета и анализа параметров индукторных двигателей [24,26,30,32,42,64,76,115], составление математических моделей ВИД отдельно и всего электропривода в целом [25,65,72,77,82]. Много внимания уделено анализу процессов насыщения зубцов и их влиянию на характеристики привода [26,29,30,63,71]. Множество работ М.Г. Бычкова, А.Б. Красовского посвящены анализу и синтезу методов коммутации обмоток, при которых ВИП обладает оптимальными характеристиками [30,31,70,73,69].
Таким образом, как показал анализ, в России мало опубликованных работ связанных с синтезом систем управления ВИД на основании анализа. Большинство работ не реализованы в виде реального электропривода и представляют собой только теоретические выкладки. В зарубежных публикациях и отчетах есть некоторая информация об особенностях построения электроприводов на базе ВИД [137,142,143], но в связи с ее высоким коммерческим спросом в свободном виде она представлена незначительно и содержит в основном только тезисы и достигнутые результаты работ. Более подробная информация либо является недоступной, либо дорого стоит [138]. Это в очередной раз доказывает, что технология вентильно-индукторного двигателя является передовой и наиболее перспективной в области силового привода на сегодняшний день.
В настоящее время в промышленности ВИП находит все более широкое применение. Существующие тенденции показывают, что данный электропривод найдет широкое применение и в массовом электроприводе сельскохозяйственных механизмов.
Простая, прочная конструкция ВИД обеспечивает его долговечность и высокую надежность. Блок управления контролирует в реальном режиме времени ток статора, частоту вращения, момент на валу, анализирует эти и другие параметры. При превышении номинальных значений отключает питание и выдает сигнал о виде аварии (короткое замыкание, технологическое заклинивание, перегрузка, неполнофазный режим и т.д.). Срок службы такого привода превышает в несколько раз срок службы традиционных электродвигателей выпускаемых мировыми производителями. Кроме этого, не требуется содержание персонала для обслуживания привода. Соответственно снижаются в несколько раз затраты на обслуживание ВИД и на его ремонт. Возможность регулирования частоты вращения и момента на валу позволяет автоматически изменять производительность агрегатов.
Все это определяет перспективы широкого применения индукторных двигателей в различных отраслях сельского хозяйства.
По сравнению с асинхронными и синхронными, а также с коллекторными двигателями постоянного тока и вентильными двигателями с постоянными магнитами (ВДПМ), ВИД имеет ряд важных преимуществ [92]: 1). Простая конструкция. Ротор и статор выполнены в виде пакетов листового магнитомягкого материала. На роторе ВИД отсутствуют обмотки и постоянные магниты. Фазные обмотки находятся только на статоре. Для уменьшения трудоемкости катушки обмотки якоря могут изготавливаться отдельно, а затем надеваться на полюса статора. 2). Высокая ремонтопригодность. Простота обмотки якоря повышает ремонтопригодность ВИД, т.к. для ремонта достаточно сменить вышедшую из строя катушку. 3). Отсутствие механического коммутатора. Управление электромеханическим преобразователем электропривода осуществляется с помощью высокоэффективных силовых полупроводниковых элементов - IGBT или MOSFET (HEXFET) транзисторов, надежность которых существенно превышает надежность любых механических деталей, например: коллекторов, щеток, подшипников. 4). Отсутствие постоянных магнитов. ВИД не содержит постоянных магнитов ни на роторе, ни на статоре, при этом он успешно конкурирует по характеристикам с вентильным двигателем с постоянными магнитами (ВДПМ). В среднем, при одинаковых электрических и ве-согабаритных характеристиках ВИД имеет в 4 раза меньшую стоимость, значительно большую надежность, более широкий диапазон частот вращения, более широкий диапазон рабочих температур. Конструктивно, по сравнению с ВДПМ, ВИД не имеет ограничения по мощности (практически, мощность ВДПМ ограничивается пределом около 20-40 кВт). ВДПМ требуют защиты от металлической пыли, боятся перегрева и сильных электромагнитных полей. Вентильные индукторные электродвигатели свободны от всех этих недостатков.
Функциональная схема и принцип действия вентильно-индукторного электропривода
ВИП является электромеханической системой, функциональная схема которой приведена на рис. 2.1. Основу ВИП составляет вентильно-индукторный двигатель с электромаг нитной редукцией. Коэффициент электромагнитной редукции определяется соот ношением зубцов статора Ъ\ и ротора Z2. Для получения в ВИД регулировочных и механических характеристик, подобных характеристикам двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением, коммутацию фаз необходимо осуществ лять в функции углового положения ротора, для определения которого использу i ется установленный на валу двигателя датчик положения ротора (ДПР). В системе управления (СУ) измеренный угол поворота ротора преобразуется в коммутационную функцию управления транзисторами вентильного коммутатора (ВК). Вентильный коммутатор формирует однополярные дискретные импульсы для питания фаз обмотки и содержит по одному модулю на каждую фазу ВИД. Для преобразования переменного напряжения Uc сети частотой fc в постоянное напряжение питания коммутатора используется выпрямитель (В) и сглаживающий фильтр. Приведенная функциональная схема ВИП отражает принципиальные особенности построения ВИП и может быть дополнена дополнительными связями и блоками в зависимости от рассматриваемой задачи. В электроприводах с ВИД преобразователь, система управления и двигатель образуют единую неразделимую электромеханическую систему. Процесс преобразования энергии в двигателе зависит от режима работы преобразователя. В свою очередь, режим работы двигателя также влияет на работу преобразователя.
Таким образом, математическое моделирование системы должно охватывать и ВИД, и управляемый по определенному алгоритму блок силовых ключей. Тем не менее, процессы электромеханического преобразования энергии в ВИД можно с достаточной точностью рассматривать независимо от преобразователя, если принять допущение [77] о постоянстве амплитуды напряжения на выходе преобразователя, которая определяется напряжением звена постоянного тока преобразователя. Такое допущение открывает возможность создания достаточно достоверной математической модели ВИД, которая может быть применима для анализа электромеханических процессов и расчета характеристик. Основываясь на результатах работ [29, 30, 59], где показано, что магнитные связи между соседними фазами слабы и, следовательно, с достаточной для большинства практических случаев точностью при одиночной коммутации можно не учитывать взаимного влияния фаз двигателя. Таким образом, можно ограничится анализом процессов, протекающих при коммутации одной фазы и рассматривать процесс электромеханического преобразования в каждой фазе отдельно. Электромагнитный момент ВИД определяется из условия преобразования энергии в двигателе [50, 119]. Напряжение, приложенное к обмотке ВИД, связано с магнитным потоком, создаваемым обмоткой, в соответствии с законом Фарадея: где и - напряжение, приложенное к обмотке; і - ток, протекающий по обмотке фазы;
Таким образом, выражение (2.2) показывает, что ЭДС, наводимая в обмотках ВИД, в общем случае складывается из двух составляющих. Одна из них обусловлена изменением тока в обмотке и не связана с перемещением сердечников; вторая - определяется приращением потокосцепления фазы в результате перемещения сердечников при условии неизменности токов возбуждающих контуров, т.е. отражает взаимодействие между механической и электрической частью двигателя. Умножив обе части выражения (2.1) на ток /, получается уравнение баланса мгновенных мощностей в ВИД: Левая часть выражения (2.3) определяет значение мгновенной мощности, получаемой фазой двигателя от источника питания. Первое слагаемое правой части представляет омические потери в обмотке. Второе слагаемое представляет сумму мгновенной механической мощности на валу двигателя и мгновенной мощности, идущей на приращение энергии запасенной в магнитном поле. Графическая интерпретация выражения (2.9) представлена на рис. 2.2. В данном случае кривая намагничивания определяет ток как функцию от потокос-цепления / = /(0,44. В линейной ненасыщенной или линеаризованной магнитной системе, когда энергия в магнитной цепи не зависит от «предыстории», т.е. от значений индукции и напряженности в предшествующий момент времени, магнитная энергия и коэнергия равны между собой При насыщении магнитной цепи двигателя коэнергия превосходит магнитную энергию.
В механическую энергию преобразуется часть магнитной энергии, сосредоточенной в воздушном зазоре. Однако, при насыщении магнитной цепи увеличиваются потери МДС на проведение магнитного потока в сердечнике. Увеличение тока, протекающего по обмотке, вызывает меньшее, чем при работе на линейном участке кривой намагничивания, увеличение потокосцепления, а также сопровождается увеличением активных потерь на сопротивлении обмотки и в преобразователе, что, в свою очередь, ведет к ухудшению процесса преобразования энергии. Поэтому рациональное определение необходимой степени насыщения магнитной системы связано с решением целого ряда технико-экономических задач и выходит за рамки данной работы. Считаем, что магнитная проницаемость стали статора и ротора равна бесконечности, и в дальнейшем будет учитываться только магнитную проводимость воздушного зазора Л.
Обоснование необходимости реализации регулятора при широтно-импульсной модуляции 1-го рода
В современных микропроцессорных цифровых системах в силу легкой реализации большое распространение получил способ регулирования при помощи широтно-импульсной модуляции 1-го рода [20] (управление осуществляется скважностью импульсов при постоянном периоде их повторения). Поэтому в большинстве современных микроконтроллеров, даже среднего класса, модуль широтно-импульсной модуляции (ШИМ) реализован на аппаратном уровне и входит в состав периферийных модулей контроллера, что в свою очередь упрощает программное обеспечение, и, следовательно, увеличивает быстродействие системы управления.
Поэтому для регулирования тока ВИД часто используется ШИМ напряжения питания обмотки. Таким образом, изменение ширины импульсов напряжения питания задает необходимую величину тока.
Для изменения ширины импульсов в зависимости от заданного и текущего значений тока используется регулятор последовательной коррекции тока.
Необходимость в синтезе регулятора в рамках цифровой системы регулирования и получении удовлетворительного практического результата приводит к совместному использованию классических методов исследования аналоговых (непрерывных во времени) систем и систем с дискретным временем.
Классический подход к синтезу систем регулирования с последовательной коррекцией и широко распространенная в электроприводах с классическими электромеханическими преобразователями многоконтурная структура подчиненного регулирования для ВИП в полном объеме не применима. Это связано, прежде всего, с тем, что в рамках теории последовательной коррекции не учитывается изменение в широких пределах электромагнитных параметров обмоток, связанное с нелинейностью магнитной системы ВИД. Учет же этих факторов приводит к необходимости изменения параметров регуляторов в функции величин, недоступных для непосредственного измерения.
Из изложенного выше (см. п. 2.6) алгоритма управления током ВИД видно, что формирование рабочего тока в фазе ВИД происходит на участке с наименьшей постоянной индуктивностью при рассогласованном положении зубцов статора и ротора. Таким образом, практически весь переходный процесс включения фазы будет завершен до участка увеличения индуктивности обмотки. На основании этого, при синтезе регулятора тока можно положить индуктивность обмотки Так как ВИД имеют достаточно большое число полюсов и обладают свойством электромагнитной редукции, то даже при низких скоростях вращения ротора, частоты коммутации обмоток оказываются достаточно высокими. Вдобавок к этому, вследствие инерционности механической части ВИП за период коммутации частота вращения изменяется незначительно. В связи с этим можно считать, что частота вращения ротора в течение такта коммутации обмотки постоянна. Также это обстоятельство позволяет считать сигнал задания тока постоянным на протяжении всего такта коммутации (на протяжении времени действия регулятора).
Так как система управления ВИД строится на базе цифровых вычислительных устройств (например, микроконтроллеров), то главной ее особенностью является дискретный характер сигналов, с которыми она работает. Т.е. непрерывные сигналы, характеризующие состояние ВИД, перед поступлением в микроконтроллер квантуются по уровню и времени. Интервал квантования по уровню в современных микроконтроллерах при применяемой очень большой разрядной сетке обычно составляет 0,1-0,2%, и его влиянием можно пренебречь [106]. Однако даже небольшие интервалы квантования по времени могут оказать заметное влияние на устойчивость и точность системы управления.
На основании принятых допущений, рассматриваются не цифровые, а дискретные сигналы (в некоторых источниках [113] такие сигналы называют импульсными), т.е. сигналы дискретные по времени, но не квантованные по уровню [111,146].
В связи с этим, для синтеза контура регулирования тока фазы ВИД используется блок-схема представленная на рис. 3.3.
В общем случае входной непрерывный сигнал задания тока ізад и сигнал, пропорциональный току в обмотке / в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) преобразуются в дискретную последовательность чисел. Их разность подается на вход дискретного фильтра (ДФ), представляющего собой цифровой регулятор. Здесь она преобразуется в соответствии с алгоритмом регулирования и в цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП) преобразуется в непрерывный сигнал управления преобразователем. ДФ, АЦП и ЦАП работают синхронно по команде таймера с периодом Т0. Преобразователь (силовой коммутатор) считается безинерци-онным звеном с коэффициентом усиления Кп. Обмотка двигателя представлена апериодическим звеном с передаточной функцией
Коэффициент усиления аналоговой части цепи обратной связи Кот учитывает преобразование сигнала тока в обмотке ВИД в пропорциональный ему нормированный по опорному напряжению АЦП контроллера сигнал. Блок Кот в общем случае учитывает приведение к единой разрядности представления сигналов задания и обратной связи по току. А блок Кп учитывает приведение полученного сигнала на выходе ДФ к разрядности ЦАП.
Так как значения непрерывного сигнала в АЦП становятся известными не для любого момента времени, а только для дискретных моментов (кратных периоду квантования Т0), то происходит потеря информации об изменении сигнала между моментами съема. Для того чтобы уменьшить потерю информации, в мо дель системы введено устройство восстановления данных - экстраполятор. Простейшим и наиболее распространенным устройством восстановления данных является экстраполятор нулевого порядка с передаточной функцией . Мате матическая модель, состоящая из последовательно включенных квантователя и экстраполятора, отражает связь между входом (АЦП) и выходом (ЦАП) реального устройства выборки/хранения (микроконтроллера, процессора и т.п.).
Помимо квантователя и экстраполятора в структурной схеме (см. рис. 3.4) присутствуют другие параметры свойственные дискретной системе и ШИМ регулятору. Ток в обмотках ВИД регулируется широтно-импульсной модуляцией напряжения источника питания U„. Максимальная ширина импульса ШИМ определяется значением N. Так как период следования импульсов ШИМ намного меньше электромагнитной постоянной времени двигателя, и разрешающая способность ШИМ-модуля современных контроллеров достаточно высока (обычно составляет 1024), то с достаточной степенью точности ШИМ напряжения питания можно заменить линейным источником питания с передаточной функцией W = \IN.
Период квантования системы равен периоду опроса канала АЦП. За время Т0 АЦП осуществляет преобразование сигнала, система управления вычисляет необходимое значение ширины импульса ШИМ и загружает его в модуль ШИМ.
АЦП имеет разрешающую способность равную Мпри опорном напряжении Uon. Таким образом, входной сигнал величиной Von примет максимальное цифровое значение на выходе АЦП равное М. Передаточная функция АЦП представлена на рис. 3.5.
Результаты моделирования режимов работы вентильно-индукторного электропривода
На преобразование АЦП входного сигнала и расчеты, связанные с П-, ПИ-регулятором и ШИМ-модулем, необходимо некоторое время. Таким образом, существует временная задержка между началом измерения сигнала АЦП и изменения сигнала управления ШИМ, кратная периоду ШИМ (т.к. новые параметры в ШИМ загружаются только начиная с нового периода). Эту задержку учитывает блок Zaderzhka_PWM. Сигналы управления поступают в субсистемы Microprocessor по шине Mode, сигналы задания различных параметров - по шине Zadanie. Подключение напряжения расфорсировки в коммутаторе осуществляется сигналом Otkl, равным единице только при угле поворота большем угла отключения и наличии тока в обмотке. Таким образом, моделируется работа коммутатора, собранного по схеме асимметричного моста. Управление углами коммутации осуществляется путем выбора из таблиц (аналог массива у микроконтроллера) значений углов включения Ugol_VKL и отключения Ugol_OTKL на основании сигналов тока и частоты вращения. Преобразование сигналов тока и частоты вращения от абсолютных значений (ампер, рад/сек) к дискретным значениям, измеренным микроконтроллером, осуществляется блоками Product2, Rounding Function 1 и Product3, Rounding Function2. 142 4.5 Результаты моделирования режимов работы вентильно-индукторного электропривода В результате моделирования получены осциллограммы изменения тока, момента и частоты вращения ротора при пуске ВИД вхолостую. На рис. 4.8. представлен прямой пуск ВИД (с разомкнутой обратной связью по току). Как видно, из-за слабой внутренней обратной связи по току в ВИД значения тока при пуске оказываются очень высокими и ограничиваются временем коммутации. На рис. 4.9, 4.10 представлен пуск ВИД с замкнутой обратной связью по току. Как видно, искусственное ограничение тока на заданном уровне значительно уменьшает пульсации момента. Использование цифрового П-регулятора тока приводит к большим пульсациям тока, чем при релейном регуляторе. Это связано с тем, что время преобразования канала АЦП выше, чем время работы встроенного в контроллер блока компараторов с учетом времени работы процедуры загрузки данных. 0,10 0.11 0,12 0,13 0,14 0, Всплески общего потребляемого двигателем тока (см. рис. 4.8, 4.9, 4.10) обусловлены перекрытием участков коммутации соседних фаз.
Для проверки адекватности используемой математической модели реальным процессам в электроприводе проведена серия опытов на разработанном экспериментальном стенде (см. гл.5). На рис. 4.11 представлены экспериментальная осциллограмма и результат моделирования тока в обмотках опытного ВИД, работающего в установившемся режиме, с разомкнутой обратной связью по току. Вентильный коммутатор выполнен по нулевой схеме с дополнительным резистором в цепи гашения тока. На рис. 4.12 также представлены экспериментальная осциллограмма и результат моделирования тока в обмотках опытного ВИД, работающего в установившемся режиме, с П-регулятором тока. Как видно из рис.4.11 и 4.12. при одном и том же значении тока в конце рабочего этапа при введении регулятора тока двигатель разгоняется до большей частоты вращения, т.к. средний момент за период коммутации увеличивается. В целом, разработанная модель адекватно отражает процессы, протекае-мые в реальном ВИП с цифровой системой регулирования. Для возможности изучения свойств ВИП различных сельскохозяйственных механизмов, экспериментального исследования его работы в различных режимах, проверки адекватности представленной в гл. 4 модели и разработанных алгоритмов управления необходимо иметь лабораторный стенд. Это позволит проводить экспериментальные исследования ВИП и моделировать различного рода нагрузки на валу двигателя, соответствующие реальным нагрузкам на электропривод со стороны рабочего органа сельскохозяйственных механизмов. Наличие вентильно-индукторного двигателя, нагрузочной машины, системы управления, датчиков, измерительной аппаратуры, схемы программирования микроконтроллера и отладки программного обеспечения позволит оперативно отслеживать состояние параметров ВИП и нагрузки, производить отладку программного обеспечения и проверять разработанные алгоритмы управления в лабораторных условиях, до внедрения в реальный сельскохозяйственный механизм. В качестве опытно образца ВИД используется двигатель, разработанный и предоставленный для исследований ОАО «Сафоновский электромашиностроительный завод» (см. рис. 5.1). Для возможности оперативного изменения схемы соединения обмоток фаз, концы обмотки каждого полюса статора ВИД выведены наружу двигателя (см. Приложение 2, рис. П2.1, П2.2).
Для получения информации об угловом положении ротора используется диск с пятью прорезанными секторами, жестко закрепленный на роторе в согласованном с полюсами ротора положении, и три оптических датчика, закрепленные на общей платформе на статоре (см. рис.5.2). Для возможности регулирования углов срабатывания оптических датчиков относительно положения ротора платформа имеет возможность вращаться относительно статора (см. Приложение 2, рис. П2.5). Датчики расположены через 120 друг от друга. Такая конфигурация датчиков и геометрия диска обеспечивает выходные сигналы изображенные на рис.5.3. Таким образом, разработанный датчик положения ротора генерирует сигнал с интервалом каждые 12 механических градусов. Период повторения сигналов - каждые 72 механические градуса. То есть, за один полный оборот ротора сигналы с датчиков повторяются 5 раз.
