Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Электроприводы малой мощности с вентильными двигателями .
Введение 15
1.1. Функциональные схемы электроприводов с вентильными двигателями 15
1.2. Основные узлы вентильного двигателя 25
1.2.1. Силовые синхронные электромеханические преобразователи 25
1.2.2. Датчики положения и скорости вентильного двигателя 26
1.2.3. Основные электронные узлы вентильного двигателя 29
1.3. Анализ влияния параметров вентильного двигателя на его
характеристики 37
1.3.1. Анализ влияния индуктивности обмотки якоря вентильного двигателя 37
1.3.2. Анализ влияния инерционности усилительно-преобразовательного устройства 40
1.3.3. Влияние насыщения усилителей мощности 42
1.4. Методы анализа электроприводов с вентильными двигателями 44
1.5. Постановка задачи 48
ГЛАВА 2. Методы моделирования электроприводов с вентильными двигателями .
Введение 51
2.1. Задачи и основные положения теории моделирования 51
2.2. Критерии оценки математических моделей электроприводов
2.3. Обзор программных средств для моделирования и расчета электроприводов 55
2.4. Обоснование выбора метода моделирования электропривода малой мощности 61
Выводы по главе 2 64
ГЛАВА 3. Исследование нескорректированного вентильного двигателя. Введение 65
3.1. Математическое описание вентильного двигателя в подвижной системе координат d, q 65
3.2. Выбор относительных единиц и базовых величин 76
3.3. Решение системы дифференциальных уравнений вентильного двигателя с помощью программирования 78
3.4. Решение системы дифференциальных уравнений вентильного двигателя в пакете MATLAB 5.2 83
Выводы по главе 3 88
ГЛАВА 4. Исследование вентильного двигателя со статической коррекцией характеристик .
Введение 89
4.1. Исходные системы уравнения вентильного двигателя в неподвижной системе координат 89
4.2. Характеристики вентильного двигателя в установившихся режимах работы 96
4.2.1. Уравнения вентильного двигателя в установившихся режимах работы 96
4.2.2. Нелинейности механических и регулировочных характеристик 101
4.2.3. Схемы статической коррекции и их реализация 103
4.3. Моделирование процессов в вентильном двигателе в пакете MATLAB5.2 107
4.4. Результаты моделирования в пакете MATLAB 5.2 109
4.4.1. Исследование статических характеристик 112
4.4.2. Исследование схемы статической коррекции 119
4.5. Исследование электропривода с вентильным двигателем малой мощности 134
Выводы по главе 4 148
ГЛАВА 5. Экспериментальные исследования вентильного двигателя при аналоговом и микропроцессорном управлении .
Введение 151
5.1 Описание экспериментальной установки и ее основные узлы 151
5.2 Результаты экспериментального исследования вентильного двигателя 162
5.2.1. Уточнения параметров вентильного двигателя 162
5.2.2. Снятия характеристик вентильного двигателя малой мощности 166
5.3. Сравнительный анализ экспериментальных исследований 171
Выводы по главе 5 176
Заключение 178
Список литературы 181
- Силовые синхронные электромеханические преобразователи
- Критерии оценки математических моделей электроприводов
- Решение системы дифференциальных уравнений вентильного двигателя с помощью программирования
- Уравнения вентильного двигателя в установившихся режимах работы
Силовые синхронные электромеханические преобразователи
Несмотря на сходство конструкции и физических процессов, ВД с непрерывным управлением появились в результате другой линии развития электромеханики, а именно систем дистанционной связи на базе синхронных машин. Многофазные синхронные машины появились в конце XIX века, благодаря работам Н. Тесла, Г. Феррариса и др., предложивших концепцию кругового вращающегося поля. Тогда же французский электромеханик М. Депре изобрёл дистанционную передачу угла, усовершенствованную в 1879 г. фирмой Сименс. В дальнейшем, наряду с сельсинами в таких передачах стали применяться более точные устройства — синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы [24].
Дистанционная передача угла или система синхронной связи начала широко распространяться в морских приборах и бортовой аппаратуре. Значительный вклад в развитие этой области техники внесли А. А. Ахметжанов, В. В. Хрущёв, Д. В. Свечарник и др. [74, 83].
В 1956 г. Р. К. Памфилов предложил для управления крутящим моментом заменить приёмники дистанционной передачи синхронным двигателем, снабжённым усилителем фазных токов. Для превращения подобной системы синхронной связи в ВД с непрерывным управлением, достаточно механически соединить в определённом положении валы датчика и двигателя. Это было сделано в бесконтактном двигателе Д. В. Свечарника, изобретение которого было зарегистрировано в 1944 г. По структуре, предложенной Свечарником и Памфиловым, выполняются, по существу, и современные вентильные двигатели на базе синхронных машин с непрерывным управлением, которые применяются в системах безредукторных приводов в качестве моментных двигателей [1, 81].
Позднее аналогичный принцип, называемый сейчас управлением с ориентацией по полю, использован В. Н. Бродовским, Ф. Блашке, Хассе и др для управления асинхронной машины [14, 84]. Третий период развития ВД, начавшийся в начале 70-х гг., связан с возникновением интегральной полупроводниковой технологии [46]. Появление огромного количества разнообразных в функциональном отношении интегральных микросхем стало толчком, заставившим разработчиков ВД по-новому взглянуть на объект своих исследований.
Таким образом, в настоящее время создана общая методология управления машинами переменного тока, включающая методы управления в неподвижной системе координат, векторного управления, частотно-токового управления и т.д. [14, 24, 61].
На практике эти методы начали широко применяться, именно благодаря развитию микропроцессорного управления, в результате чего стала возможной реализация так называемого «гибкого сервоконтроллера», обеспечивающего универсальное управление электрической машиной любого типа (постоянного тока, синхронной и асинхронной). В этом случае при замене типа машины структура «гибкого сервоконтроллера» изменится программным путём. Таким образом, развитие микроэлектроники привело к созданию нового класса электрических машин, характеристики которого в значительной степени формируются благодаря сопряжённым с ними электронным компонентам управления, диагностики и защиты. Такие электрические машины предназначены для использования не только в электроприводе, но и для генерирования энергии, измерения, преобразования информации. Эта совокупность электромеханического и электронного преобразователей получила название электромеханотронного преобразователя, а раздел электромеханики, изучающий свойства таких преобразователей назван электромеханотроникой [51]. Это научное направление, предложенное Ю.П. Коськиным, является составной частью новой отрасли техники — мехатроники, под которой в общем смысле понимается управление механическим движением с помощью электронных средств [45]. Таким образом, благодаря интегральным микросхемам, которые связали измерительный и регулирующий органы, оказалась возможной реализация широких функциональных возможностей электропривода с ВД с приемлемыми массогабаритными показателями. При этом наилучшие результаты с точки зрения управляемости достигнуты при использовании в системе управления универсальных и специальных ЭВМ. Поэтому в современных электроприводах с вентильными двигателями желательно применение цифрового и, в том числе, микропроцессорного управления. Именно в широком применении вычислительной техники для управления, расчёта, проектирования и моделирования состоит главная особенность настоящего, третьего периода развития ВД, как элемента электропривода.
Функциональная схема электропривода с вентильным двигателем, замкнутным по скорости, представлена на рис. 1.1, где PC — регулятор скорости, ВД — вентильный двигатель, МП — механическая передача, ОУ — объект управления, ДС — датчик скорости.
На рис. 1.2 показана функциональная схема современного вентильного двигателя, например, типа ДБМ, ДБ, ДБУ, ДСМ, Б, БК, БЭП, ДБ, ДБУ, ДВМ, ДЭК, МБ и др., где обозначено: СЭМП — синхронный электромеханический преобразователь (например, двухфазный), ПК — преобразователь координат, УМ — усилитель мощности по числу фаз синхронной машины. Вместе ПК и УМ составляют усилительно-преобразовательное устройство (УПУ) [38, 46, 51].
При работе двухфазного СЭМП с постоянными магнитами на роторе и взаимно перпендикулярными фазами А и В обмотки статора в составе ВД, управление осуществляется электронным усилительно-преобразовательным устройством УПУ, формирующим фазные напряжения по любому заданному закону.
Критерии оценки математических моделей электроприводов
Появление в 1971 году первого микропроцессора ознаменовало собой начало новой эры не только в развитии вычислительной техники, но и в области систем встроенного управлений оборудованием, эры высокопроизводительных и надежных цифровых, микропроцессорных систем управления, интегрированных в рабочую машину [90, 94, 100]. Революция в управляющей электронике сопровождалась революцией в силовой электронике, что вызвало появление конструктивно интегрированных в оборудование (встроенных) систем управления. Так, встроенная система управления вентильного двигателя, может представлять собой одно- или многоплатную микроЭВМ с необходимым набором интерфейсов для обеспечения его управления и взаимодействия с человеком и системой управления высокого уровня, что позволяет решать задачи автоматизации. Встраиваемым управляющим устройством является микропроцессорная система управления, в которую кроме центрального процессора на базе однокристального микропроцессора или микроконтроллера входят необходимые дополнительные элементы памяти и периферийные интерфейсы больших интегральных схем (БИС) для организации сопряжения с датчиками, объектом управления и системой управления более высокого уровня.
Существуют два класса задач, решаемых в системах встроенного управления: управление событиями в реальном времени и управление потоками данных. Каждый класс задач предъявляет свои специфические требования к микропроцессору или к микроконтроллеру, что отражается, прежде всего, в наборе функций, реализуемых на кристалле, а также в системе команд. Наиболее распространенными типами микропроцессоров являются: Микропроцессорные комплекты (МІЖ). Однокристальные микроЭВМ (ОЭВМ). Микроконтроллеры (МК). Цифровые процессоры обработки сигналов (ЦПОС).
Микропроцессорные комплекты (МІЖ) содержат несколько специализированных больших интегральных схем, из которых может быть собрана микроЭВМ. Примером МІЖ является серия К580, выпускаемая в России, отличающаяся функциональной полнотой. Однокристальная микроЭВМ содержит все необходимые компоненты ЭВМ в одной БИС. Типичными микропроцессорами являются БИС 80186, 80286, 80386 и т.д. фирмы Intel. В состав микроконтроллеров включаются помимо микроЭВМ специализированные устройства ввода-вывода (интерфейс), облегчающие сопряжение МК с аналоговой и цифровой частями УПУ
Первый микроконтроллер Intel 4004, положивший начало современной компьютерной революции, был четырехразрядным. В 1976 году появились 8-ми-разрядные микроконтроллеры MCS-48, MCS-51. В 1982 г. появились высокопроизводительные 16-ти-разрядные микроконтроллеры MCS-96. Аналогичные серии микроконтроллеров выпускаются фирмами MOTOROLA, NEC, MUSHUBISHI, PHILIPS, TOSHIBA, HITACHI, SIEMENS, TEXAS INSTRUMENTS, ANALOG DEVICES и др. 16-ти-разрядные микроконтроллеры отличаются развитым интерфейсом и высоким быстродействием. Помимо центрального процессора имеются специализированные процессоры, обеспечивающие параллельный и автономный ввод и вывод аналоговой и дискретной информации по большому числу каналов. Их применение сводит до минимума необходимость в дополнительных средствах, сопряжения различных датчиков и выходных усилительно-преобразовательных устройств. В 1996 г. был начат выпуск нового семейства 16-ти-разрядных контроллеров MCS-296 с интегрированным на кристалл микроконтроллера сопроцессором для цифровой обработки сигналов (digital signal processor — DSP). Отличительной особенностью ЦПОС является применение сокращенного набора команд (RISC-архитектуры), ориентированной на эффективную реализацию алгоритмов цифровой фильтрации. Эти микроконтроллеры отличаются наиболее высоким быстродействием.
Главным критерием выбора типа МП является время вычисления по заданному алгоритму, т.е. его быстродействие. Вторым по важности критерием выбора типа МП является наличие соответствующего встроенного интерфейса. В этом отношении, применительно к задачам построения ВД, 16-ти-разрядные микроконтроллеры имеют, как правило, более развитый интерфейс по сравнению с известными типами ЦПОС.
Примером 16-ти-разрядного микроконтроллера является микроконтроллер семейства MCS-196. Это однокристальная микроЭВМ с интеграцией на кристалле центрального процессора, оперативной памяти (ОЗУ), постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) и заданного спецификой применения микроконтроллера набора периферийных устройств. Все микроконтроллеры этого семейства построены по модульному принципу и содержат базовый блок, имеющий единую архитектуру для всех изделий серии MCS-196. Особый интерес для управления вентильного двигателя представляют микроконтроллеры MCS-196 MC/MD/MH, специально спроектированный для управления электродвигателями. Они имеют Одну из самых широких номенклатур встроенных периферийных устройств. В состав микроконтроллера входят: центральный процессор (ЦПУ), внутренняя память, контроллер памяти и набор периферийных устройств [29, 41,54,59].
Решение системы дифференциальных уравнений вентильного двигателя с помощью программирования
Применение относительных единиц при анализе электрических машин дает общеизвестные преимущества [30, 43, 62, 63]. Выбор базовых величин отражает существующие методы анализа процессов в ВД. При рассмотрении ВД с позиции машины постоянного тока с ограниченным числом коллекторных пластин, выбираются базовые величины, принимаемые при анализе машин постоянного тока. Получаемые при этом параметры ВД в относительных единицах можно сравнивать с параметрами коллекторных машин [60, 63]. Анализ ВД, как синхронной машины, замкнутой обратной связью по положению ротора, определяет выбор относительных единиц системы Xd и Хд, в которых рассматриваются параметры ВД.
Различные системы относительных единиц и базовые величины дают разные значения некоторых параметров ВД, по которым часто сравнивают ВД между собой.
В диссертационной работе используется смешанная система относительных единиц, основу которой составляют режимы холостого хода и короткого замыкания (пуска). базовой единицей напряжения выбирается напряжение питания двухфазного усилителя мощности UQ = Un, базовой единицей тока является ток, потребляемый от источника постоянного тока в режиме пуска IQ = /Пуск, базовой единицей сопротивления определено активное сопротивление фазы обмотки статора Re =Unl Іщск, базовой единицей мощности является мощность, потребляемая от источника постоянного тока в режиме пуска PQ= UU /пуск, базовой единицей электрической частоты вращения определяется частота вращения ротора в режиме идеального холостого хода «б, при этом базовая угловая скорость С1б = щ/рп =юхх/Аг= UJ.CE, 77 базовой единицей времени выбирается величина, обратная частоте вращения идеального холостого хода t6 = 1/юб, базовой единицей момента является пусковой момент (момент короткого замыкания) Мб = Мпуск = См /пуск, базовой единицей индуктивности является величина LQ = RQ /сОб В таблице 3.1 приведены численные значения базовых величин вентильного двигателя на основе его параметров [10] и экспериментальных данных, описанных в главе 5.
Система дифференциальных уравнений ВД (3.35), описывающая переходные и установившиеся процессы, является линейной и может быть решена численными методами интегрирования. Из существующих численных методов интегрирования- наиболее распространен метод Рунге-Кутта, обладающий относительно высокой точностью и простотой реализации алгоритма. В монографиях по численным методам анализа и расчета нет единого мнения в оценке точности и достоверности данного метода [25, 26]. Данный метод является неоправданно трудоемким, не обеспечивающим гарантированную оценку погрешности. По этим причинам его использование рекомендуется только для вычисления начального участка, после чего предлагается использовать более экономичные методы, для которых необходим предварительный «разгон». Последние методы называют методами «прогноза и коррекции». После очередного «продвижения» на один шаг (прогноз) выполняется итерационное уточнение вычисленных значений с использованием решения в предыдущих точках (коррекция) расчета [25, 27]. Оценки погрешности определяются проще, но необходимость использования двух различных методов и программ расчета с переменным шагом интегрирования является существенным недостатком метода. Необходимо отметить, что реальная оценка точности методов исследования, в том числе и численных, должна проводиться в сопоставлении результатов решения и реальным поведением электромеханической системы. В большинстве случаев на фоне погрешностей, обусловленных введенными допущениями (см.3.1), методическая погрешность вычислительного метода при соблюдении необходимых условий применения неразличима. Правомерность применения метода Рунге-Кутта в различных модификациях для анализа электромеханических систем и достоверность получаемых результатов подтверждаются многочисленными исследованиями, опубликованными в монографиях и статьях [28].
Необходимым условием возможности использования методов численного интегрирования является требование непрерывности функций и частных производных первого порядка. Кроме того, дифференциальные уравнения должны быть приведены к нормальной форме Коши, т.е. разрешены относительно производных первого порядка [27,28, 62].
Вычислительная схема метода Рунге-Кутта сводится к следующему. Исходная система п обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка, приведенная к нормальной форме имеет вид;
Уравнения вентильного двигателя в установившихся режимах работы
Результаты исследований, проведенных в предыдущих разделах, показывают существенное влияние статической коррекции на характеристики вентильного двигателя в установившихся режимах. Можно ожидать, что изменение характеристик вентильного двигателя, в частности их линейности, приводит к изменению динамики замкнутого электропривода с вентильным двигателем. В настоящем разделе исследуются динамические характеристики электропривода с вентильным двигателем, замкнутым по скорости в подвижной системе координат.
Исследования проводятся на линейной и нелинейной моделях вентильного двигателя без статической коррекции и при полном и упрощенном алгоритмах статической коррекции.
Схема регулирования скорости вентильного двигателя показана на рис. 1.4, где PC — регулятор скорости, предназначенный в данном случае для усиления ошибки AQ и подачи её на управляющий вход вентильного двигателя, ТГ — механически связанный с ВД тахогенератор постоянного тока, напряжение на выходе Ui которого пропорционально скорости вращения ротора СЭМП П, т.е. Ui = KTl-Q, СК — схема статической коррекции, ОУ — объект управления, МП — механическая передача (редуктор). Эффективность схемы характеризуется коэффициентом передачи разомкнутой системы Кр (глубиной тахометрической обратной связи), который равен произведению коэффициентов передачи всех звеньев входящих в замкнутый контур Kv= К -Ктт-Кп, где Крс — коэффициент передачи регулятора скорости, К — крутизна тахогенератора (масштаб скорости), Ка= КУ/СЕ — коэффициентов передачи по скорости вентильного двигателя.
Для исследования влияния характеристик вентильного двигателя на работу электропривода с регулятором скорости проводится его моделирование в пакете MATLAB 5.2. При этом на линейной и нелинейной моделях снимаются переходные процессы по скорости вентильного двигателя при ступенчатом воздействии на входе электропривода U\=6,4 В, при различных значениях постоянных времени, коэффициентах передачи разомкнутой системы и различных алгоритмах статической коррекции. Время переходного процесса /п пр оценивалось по уровню 0,95 от установившегося значения скорости.
Основные результаты моделирования сведены в таблицы в приложениях 1 и 2.
Проанализируем влияние постоянных времени Гу и Гф на переходные процессы электропривода с вентильным двигателем со статической коррекцией и без неё на линейной модели вентильного двигателя на холостом ходу (Мв=0) при значениях коэффициента передачи разомкнутой системы р=10, 65 и 100. При этом по результатам испытаний в главе 5 принято ATQ= 47,06 рад/В-с, а значения постоянных времени изменились от нуля до 7ф=3 мс и 7у= 6,5 мс.
На рис. 4.20 показан вид переходного процесса с коэффициентом передачи разомкнутой системы Кр=№ при различных значениях электромагнитной постоянной времени 7ф = 1, 2 и 3 мс, Ту=0 и влиянии статической коррекции. Время переходного процесса /„ пр без влияния постоянных времени Гф=7 у=0 составляет 0,12 с (кривая 1). При увеличении 7ф до значений 7ф=1 мс (кривая 2), 7ф=2 мс (кривая 3), 7ф =3 мс (кривая 4) время переходного процесса увеличивается соответственно до tn пр= 0,7; 2 и 3,5 с. С использованием схемы статической коррекции по алгоритму (4.36) время переходного процесса при указанных постоянных времени существенно уменьшается и приближается к значению времени переходного процесса при отсутствии постоянных времени (tn пр= 0,12 с) при этом переходный процесс имеет близкий вид (кривая 5).
На рис. 4.21 показаны результаты влияния постоянных времени усилительно-преобразовательного устройства при Ту =3, 4,5 и 6,5 мс, 7ф =0 и с коэффициентом передачи разомкнутой системы Kv=10. Так как двигатель при Ту Ф0) при разгоне не достигает заданного значения скорости холостого хода, то время переходного процесса (для кривых 2, 3, и 4) следует считать бесконечным. С использованием схемы статической коррекции по алгоритму (4.35) время переходного процесса уменьшилось до 0,12 с (кривая 5), что близко ко времени переходного процесса без влияния постоянных времени Гу=7ф =0 (кривая 1). Кроме того, из рис. 4.21 (кривые 2-4) видно изменение вида начального участка переходной характеристики с увеличением постоянной времени Ту. При статической коррекции устраняются отличия начального участка, и время переходного процесса во всех случаях одинаково.
