Содержание к диссертации
Список использованных сокращений 6
Введение 7
1.Обзор и сравнительный анализ методов управления 17
1.1. Обзор методов управления АТД 17
1.2. Основные методы управления АТД 19
1.3. Выводы по разделу 1 31
2.Математическая модель мехатронного модуля на основе асинхронного трёхфазного двигателя 32
2.1. Блок-схема мехатронного модуля на основе асинхронного трёхфазно
го двигателя 32
2.2. Математическая модель трёхфазного асинхронного двигателя как
объекта управления 32
2.3. Математическая модель импульсного усилителя мощности 36
2.3.1. 2л/3 - коммутация силовых ключей с элементом отключения
2.3.2 2тс/3 - коммутация силовых ключей с элементами отключения 40
2.3.3 % - коммутация силовых ключей с элементом отключения-42
2.3.4. 5тг/6 - коммутация силовых ключей с элементом отключения
2.3.5. 5л/6 - коммутация силовых ключей с элементами отключения 45
2.4.Математическая модель специализированного микроконтроллера..47
2.5 Выводы по разделу 2 53
3. Алгоритмы коммутации ключевых элементов при микропроцессорном управлении асинхронными трёхфазными двигателями 54
3.1.Амплитудно-частотное управление асинхронными трёхфазными двигателями 55
3.1.1. (2тг/3) - коммутация силовых ключей 57
3.1.1.1. (2л/3)- коммутация силовых ключей с элементом отключения
Ы 57 3.1.1.2. (2л/3)- коммутация силовых ключей с элементами отключения 60
3.1.2. л- коммутация силовых ключей 62
3.1.3. (5л/6)-коммутация силовых ключей 64
3.1.3.1. (5л/6)- коммутация силовых ключей с элементом отключения 64
3.1.3.2. (5л/6)- коммутация силовых ключей с элементами отключения 66
3.2.Векторный метод управление асинхронными трёхфазными двигателями 69
3.2.1. Математические модели блоков прямого и обратного преобразования Кларка 69
3.2.2. Математические модели блоков прямого и обратного преобразования Парка 70
3.2.3 Математическая модель блока расчёта вектора потокосцепления.
3.2.4. Математическая модель блока регулятора тока 71
3.2.5. Математическая модель блока регулятора момента 71
3.2.6. Математическая модель блока регулятора скорости 72
3.2.7. Математическая модель пространственно - векторной модуляции
3.2.7.1. Расчёт времени открытия и закрытия КЭ 72
3.2.7.2. Алгоритм обобщенного расчёта пространственно-векторной модуляции 76
3.3 Выводы по разделу 3 80
4.Результаты математического моделирования мехатронных модулей в системе Matlab-Simulink 81
4.1. Обзор программ моделирования работы мехатронных модулей на компьютере 81
4.2. Компьютерное моделирование усилителя мощности (ИУМ) 83
4.3.Компьютерное моделирование специализированного микроконтроллера (СМК) в программе Matlab-Simulink 84
4.3.1. 2л/3- коммутация силовых ключей з
4.3.1.1. (2-тг/З)- коммутация силовых ключей с элементом отключения Ы 84
4.3.1.2. (2 7г/3)- коммутация силовых ключей с элементами отключения (t5, t,7, t20) 86
4.3.2. л- коммутация силовых ключей 87
4.3.3. 57г/6- коммутация силовых ключей 89
4.3.3.1. (5-її/б)- коммутация силовых ключей с элементом отключения 89
4.3.3.2. (5-тс/б)- коммутация силовых ключей с элементом отключения 90
4.4.Моделирование непрерывного управления асинхронным трёхфазным двигателем 91
4.4.1. Результаты моделирования, полученные при амплитудном управлении 94
4.4.2. Результаты моделирования, полученные при частотном управлении 96
4.4.3. Результаты моделирования, полученные при амплитудно-частотном управлении 97
4.4.4.Сравнение результатов моделирования при различных методах управления 98
4.5 Дискретное управление асинхронными трёхфазными двигателями 100 4.5.1. 2л;/3-коммутация силовых ключей (/#) для управление АТД с несимметричной коммутацией КЭ 102
4.5.2.71-коммутация силовых ключей управление АТД с несимметричной коммутацией КЭ 103
4.5.3. 571/6- коммутация силовых ключей {t4i) управление АТД с несимметричной коммутацией КЭ 104
4.5.4. Сравнение результатов моделирования при импульсном управлении 105
4.6. Моделирование системы векторного управления асинхронными трёх фазными двигателями 110
4.6.1. Моделирование блоков прямого и обратного преобразования Кларка ПО
4.6.2. Моделирование блоков прямого и обратного преобразования Парка 111
4.6.3. Математическая модель блока расчёта вектора потокосцепления
4.6.4. Математическая модель блока расчёта кода управления УМ... 113
4.6.5. Моделирование системы векторного управления асинхронными трёхфазными двигателями 115
4.7.Выводы по разделу 4 117
5.У правления АТД на основе программируемых микроконтроллеров 118
5.1. Устройства управления двигателями на основе больших микропроцессорных интегральных схем 118
5.2.Обобщенная структура микроконтроллера управления АТД 119
5.3 Микроконтроллеры АТД- PICmicro 121
5.3.1 Обобщенная структура микроконтроллера управления АТД PICmicro 121
5.3.2. Система команд микроконтроллеров PICmicro 122
5.4 Алгоритмы и программы управления двигателем АТД на основе команд PICmicro
5.4.1. Инструментальные средства разработки программ для написания систем команд микроконтроллеров PICmicro 123
5.4.2. Алгоритмы и программы управления АТД с 2л;/3 коммутацией и элементом отключения (t42) 124
5.4.3. Алгоритмы и программы управления АТД с 2я/3 коммутацией и элементами отключения (t5JnJ2o) 126
5.4.4. Алгоритмы и программы управления АТД с ж коммутацией и элементом отключения (t42) 128
5.4.5. Алгоритмы и программы управления АТД с 5я/6 коммутацией и элементами отключения () на основе PICmicro 130
5.4.6. Алгоритмы и программы управления АТД с 5тс/6 коммутация и элементом отключения (/5, t]7, t2o, hi,) на основе PICmicro 133 5.5.Выводы по разделу 5 136
6. Экспериментальное исследование алгоритмов управления 137
6.1 Постановка задачи 137
6.2 Программа генератора кода управления 138
б.З. Описание экспериментального стенда 139
6.4. Экспериментальное исследование динамических характеристик двигателя 142
6.4.1.Экспериментальное исследование регулировочной характеристики АТД 142
6.4.2 Результаты эксперимента исследования при 2л/3 (t]7, t2o, 12\) коммутация 143
6.4.3 Результаты эксперимента исследования при 2л/3 (/«) коммутации 144
6.4.4 Результаты эксперимента исследования при п коммутации 145
6.4.5 Результаты эксперимента исследования при 5тг/6 (/ ) коммутации 146
6.4.6 Результаты эксперимента исследования при 5тс/6 (t5, tn, t2o, hd коммутация 146
6.5.Сравнение и подтверждение экспериментальных результатов с алгоритмами и теорией 148
6.6 Выводы по разделу 6 150
Заключение 151
Список использованных источников 153
Приложения
Введение к работе
Система трехфазного переменного тока, позволившая создать устройства для получения вращающегося магнитного потока, вызвала появление наиболее распространенного в данное время электродвигателя, называемого асинхронным. Это название обусловлено тем, что вращающаяся часть машины - ротор - всегда вращается со скоростью, не равной скорости магнитного потока, т.е не синхронно с ним. Изготовляемый на мощности от долей ватта до тысяч киловатт при напряжениях 127, 220, 380, 500, 600, 3000, 6000, 10 000 В, такой электродвигатель прост по конструкции, надежен в эксплуатации и дешев по сравнению с другими электродвигателями. Он применяется во всех видах работ, где не требуется поддержания постоянной скорости вращения, а также в быту, в однофазном исполнении при малой мощности.
Конструктивно АТД состоит из статора и ротора [1,2,3,4, 5,6,20].
Статор АТД, как правило, выполняется, в виде пакета изолированных листов электротехнической стали. В пазы статора уложены три обмотки, магнитные оси которых сдвинуты в пространстве на 120°.
Различают АТД с роторами двух видов: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Ротор, как и сердечник статора, набирают из листов электротехнической стали толщиной 0,5мм. После штамповки листы собирают в пакет, плотно сжимают, насаживают на вал двигателя и закрепляют. Активная сталь ротора является частью магнитной цепи двигателя. В пазах ротора помещается или короткозамкнутая, или фазная обмотка. Обмотка может быть фазной, построенной по тому же принципу, что и обмотка статора и соединяется в звезду, а выводы подключаются к трем контактным кольцам, насаженным на вал ротора и изолированных от вала и друг от друга. Если в пазы ротора уложены голые медные или алюминиевые стержни, концы которых замкнуты накоротко кольцами, то такая обмотка называется коротко-замкнутой.
Принцип действия АТД [2, 3, 4, 5, 6, 10], как известно, основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля с потоками, которые явля 8 ются результатом наведения ЭДС в роторной обмотке от вращающегося магнитного поля. Для реверсирования АТД достаточно поменять местами две любые фазы, подводящие ток от сети к обмоткам статора. В этом случае меняется порядок следование фаз ABC на АСВ или ВАС и поток вращается в обратную сторону.
Вопросам проектирования и исследования АТД посвящены работы многих российских и других авторов, среди которых можно отметить следующие:
• Н. П. Ермолин, Е. Д. Несговорова, Е. М. Полухина [56] изучили основные принципы проектирования серии исполнительных асинхронных двигателей с беличьей клеткой, особенности электрического расчета АТД с ко-роткозамкнутым ротором и опытному определению параметров АТД.
• В. Ю. Шишмарев [9], П. С. Сергеев [5], посвятили работы структурам, свойствам и требованиям для различных типов АТД и проведению сравнительного анализа их преимуществ и недостатков. И. П. Копылов [1], В. И Попов [57] исследовали электромагнитные параметры обмоток АТД и особенности математической модели двигателя.
• М. М. Кацман [3], В. Л. Анхимюк и О. П. Ильин [15], Зеленов А.Б., Карочкин А.В., Самчелеев Ю.П., Школьников В.И. [17], А. С. Сандлер [19] рассмотрели две группы методов управления АТД. Методы первой группы основаны на управлении изменением параметров цепей обмоток двигателя. Такими параметрами могут быть активные или и индуктивные сопротивления в цепях статора и ротора, а также число пар полюсов машины. Согласно методам второй группы управление скоростью ротора двигателя реализуется при изменении параметров источника питания двигателя, которыми являются напряжение и частота. Амплитудный, частотный и амплитудно-частотный методы управления относятся ко второй группе.
• И.П.Копылов [1], ВЛЛихачев [2], М.М.Кацман [3], С.Г.Герман Галкин, Г.А.Кардонов [4], П.С.Сергеев, Н.В.Виноградов, Ф.А.Горяинов [5],
С. Г. Герман-Галкин, В.Д. Лебедев, Б.А. Марков, Н.И. Чичерин [12], изучили теорию и характеристики АТД, принцип действия основных усилительно-преобразовательных элементов привода с АТД. Рассмотрели релейные, импульсные приводы с АТД, транзисторными и тиристорными усилителями мощности, использующими принцип аналогового управления.
• С. Г. Герман-Галкин, Г.А.Кардонов [4], С. Г. Герман-Галкин [40] представили методику исследования АТД в лаборатории. Получили экспериментальное подтверждение теоретическим сведениям о свойствах АТД при различных методах управления.
• Сандлер А.С. [19], Сандлер А.С., Сарбатов Р.С [21], Е.Ерошкин, О.Горячев [23], изучили регулирование и реверсирование АТД с помощью полупроводниковых ИУМ.
• В.Л.Анхимюк, О.П.Ильин [15], Ю Зеленов А.Б., Карочкин А.В., Сам-челеев Ю.П., Школьников В.И. [17], А. С. Сандлер [19] изучили основные методы управления АТД, провели сравнение преимуществ и недостатков методов управления с помощью различных характеристик и показателей.
С развитием компьютерной технологии появляются программные продукты многих фирм по различным областям, в том числе специальные программы для изучения и моделирования электрических машин. К таким программным продуктам относятся пакеты, как DesignLab, DS88, MATLAB SIMULINK, MathCAD и.т.д. К работам авторов, которые изучают электрические машины и методы управления ними с помощью специальных программ на компьютере, относятся следующие:
• Работы Постникова В. А., Сыроежкина Е. В. [43, 44, 45] посвященые построению имитационных моделей АТД в программных продуктах Des ignLab, MATLAB SIMULINK и MathCAD, которые широко используются при моделировании электромеханических устройств. Приведены разработанные виртуальные схемы управления для этих моделей. Предложена методика компиляции виртуальных схем управления имитационных моделей АТД в соответствии с заданными режимами работы. • С. Г. Герман-Галкин [4, 40], Г. А. Карданов [4] создали в пакете "MATLAB 6.0- SIMULINK" модели электрических машин (АТД является частным случаем) на основе математических выражений, модели силовых преобразователей, автономных инверторов, регуляторов постоянного напряжения. Эти модели использованы при моделировании электрических машин и электромеханических устройств. Приведены разработанные виртуальные схемы управления для этих моделей.
В электроприводной технике постоянно наблюдается развитие двух тенденций. Во-первых, это - чрезвычайно быстрое улучшение характеристик микропроцессорных устройств и силовых полупроводниковых приборов. Во-вторых, постоянное совершенствование технических систем, повышение требования стабильности, надежности и точности характеристик, снижение энергопотребления, массы и размеров. Обе тенденции являются предпосылками к переходу от аналоговых систем приводов к цифровым. В 80х-90х годах появились работы, посвященные цифровому управлению АТД, в том числе микропроцессорной реализации импульсного метода управления АТД. К этой группе принадлежат следующие работы:
• В работе [29] Куликов СВ., Чистяков Б.В рассмотрели вопросы проектирования преобразователей код широтно-импульсная модуляция (ПКШИМ) для управления АТД.
• С. Р. Герман-Галкин посвятил работу [40] цифровым приводам с транзисторными преобразователями. В работе можно выделить два принципиально различных метода управления АТД: скалярное и векторное управление. Для различных методов управления автор представил функциональную схему, временную диаграмму напряжений на двигателе и алгоритм работы (соответствующие выражения напряжений).
• В работе [14] Б. Н. Попов предложил математическое описание цифровой реализации широтно-импульского управления для приводов постоянного и переменного токов. Для совместного управления ключевыми элементами в [60] приведены аналитические выражения для амплитудного управления трехфазными двигателями с несимметричной коммутацией КЭ и фронтальной ШИМ.
По результатам исследований [54, 59, 61] и на практике показано, что в системах электроприводов для повышения точности, надежности и экономичности применяют полупроводниковые импульсные усилители мощности (ИУМ) и микропроцессорные устройства управления, в особенности микроконтроллеры. С появлением на рынке недорогих микропроцессорных устройств, ориентированных на управление различными типами двигателей [30, 31], и программируемых РІС-контроллеров [59], стало возможным реализовать новые цифровые алгоритмы управления системой ИУМ-АТД, снижающие дополнительные потери мощности и увеличивающие ресурс работы систем электроприводов.
Однако, в работах [4], [14], [39], [40], посвященных цифровому управлению АТД, не рассмотрены вопросы амплитудно-частотного управления АТД, не получены коммутационные функции для этих методов, не проведен сравнительный анализ цифровой реализации с 2я/3 коммутацией или с % коммутацией, с 5л/6 коммутацией, не разработаны математические модели управляющих логических автоматов.
Таким образом, целью диссертационной работы является разработка и исследование цифровой реализации импульсных методов управления АТД.
Исследование и разработка алгоритмов управления системой "импульсный усилитель мощности - асинхронный трехфазный двигатель" являются актуальными задачами.
Постановка задачи.
Достижения в области полупроводниковых технологий позволяют интегрировать АТД, импульсный усилитель мощности и управляющую часть в едиенное целое, получившее название мехатронный модуль. Мехатронный модуль является сложным электротехническим комплексом, и одновременно - подсистемой цифрового следящего привода (ЦСП), приведенного на рис.ВІ. От датчиков
Для достижения указанной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие основные задачи: - Проанализированы и обоснован выбор методов подлежащих исследованию и существующие методы управления асинхронными трехфазными двигателями.
-Разработана математическая модель мехатронного модуля на основе АТД.
- Разработаны цифровые алгоритмы коммутации ключевых элементов ИУМ при управлении АТД от программируемых микроконтроллеров.
- Для проверки корректности разработанных цифровых алгоритмов выполнего моделирование мехатронного модуля на основе АТД.
- Разработаны программы управления АТД (логического автомата) для Р1С-контроллера.
- Подтверждена корректность разработанных алгоритмов с помощью эксперимента стенда.
Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка используемых источников и приложения. Объем работы составляет 167 печатных страниц, включая 125 рисунки, 33 таблицы, списка источников и приложения. Библиография содержит 67 наименований.
Первый раздел посвящен анализу различных классических и современных методов управления асинхронными трехфазными двигателями. Проведено сравнение различных методов управления по различным показателям, оценены преимущества и недостатки. Проанализирована тенденция применения различных методов управления АТД в электроприводах и устройствах автоматики.
Второй раздел посвящен разработке математической модели мехатронного модуля на основе АТД. Создана математическая модель АТД как объекта управления, на основе системы дифференциальных уравнений и выражений. Для различных законов коммутации получены системы уравнений, связывающие фазные и линейные напряжения, прикладываемые к обмоткам статора при импульсном управлении АТД, с управляющими логическими функциями (УЛФ). Введена совокупность условий управления системой "ИУМ-АТД", в результате формализации которой получены логические переменные и логико-алгебраические уравнения, описывающие функционирование этой системы. В третьем разделе предложена классификация законов управления процессом коммутации по принципу управления ключевыми элементами, включающая совместное, раздельное и комбинированное управления КЭ. На основе разработанных методов с помощью метода Карно-Вейча (карты Карно) проведен анализ некоторых известных законов коммутации, основанных совместным управлением КЭ (симметричная и несимметричная коммутация). Разработаны энергосберегающие законы коммутации для системы ИУМ-АТД, основанные на комбинированном управлении КЭ (энергосберегающая симметричная и несимметричная коммутация). Для каждого случая синтеза получены временные диаграммы логических переменных и функций, карты Карно для анализа и синтеза законов коммутации КЭ, выражения для переменных, УЛФ и напряжений, прикладываемых к статорным обмоткам АТД, граф-схемы законов коммутации.
Четвертый раздел посвящен результатам моделирования мехатронного модуля различными методами управления АТД. На основе выражений и уравнений, полученных в разделе 2, созданы модели моделирования в S1MULINK4 для управления АТД. Проведено моделирование всех законов управления АТД по двумвариантам: непрерывному и импульсному управлению. Приведены сравнения методов и типов управления АТД по определенным показателям. Результаты сравнения приведены в графическом виде с помощью пакета Ехсе12002 и в форме таблиц.
В пятом разделе показаны типы микропроцессорных устройств для управления электродвигателями, выпускаемые в настоящее время. На основе анализа требований к широтно-импульсному управлению системой "ИУМ-АТД" разработана обобщенная структура микроконтроллера управления АТД, ориентированная на программируемые микроконтроллеры (семейство PICmicro). Разработаны алгоритмы и программы управления АТД на основе системы команд микроконтроллеров PICmicro.
Шестой раздел посвящен экспериментальному исследованию алгоритмов управления АТД. Проведены экспериментальные исследования регулировочных, механических и динамических характеристик, сигналов кода управления АТД. Проведено сравнение и подтверждение экспериментальных результатов теоретическим положениям. Проведено сравнение экспериментальных результатов, полученных с помощью измерительных специализированных приборов в реальном масштабе времени с характеристиками, полученными при моделировании.
По каждому из разделов в конце приведены основные выводы, наиболее важные из которых составляют заключение.
Таким образом, содержание настоящей диссертационной работой составляют цифровые алгоритмы и вопросы, относящиеся к проблеме разработки и исследования законов управления процессами коммутаций КЭ системы ИУМ-АТД, и применения современных микроконтроллеров PICmicro для управления АТД.
Основные научные результаты по теме диссертационной работы изложены в следующих публикациях.
1. Попов Б.Н., Нгуэн Куанг Чунг. "Амплитудно - частотный метод управления асинхронными трехфазными двигателями с 2я/3 коммутацией". Сборник тезисов докладов Всероссийской конференции "Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов". - Москва, МАИ, 2005 [63].
2. Фам Туан Тхань, Нгуен Куан Чунг. "Экспериментальное исследование алгоритма амплитудного управления асинхронным двухфазным двигателем". Сборник тезисов докладов Всероссийской конференции "Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов". - Москва, МАИ, 2005 [64].
3. Попов Б.Н., Нгуэи Куанг Чунг. "Амплитудно - частотный метод управления асинхронными трехфазными двигателями с 5л/6 коммутацией". Сборник тезисов докладов XIV международного научно-технического семинара "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации".- Алушта, 2005 [65].
4. Попов Б.Н., Нгуэн Куанг Чунг, Гущин Д.В. "Устройства управления электродвигателями на основе программируемых микроконтроллеров" Авиакосмическое приборостроение, №6,2006 [66].
