Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Моделирование динамических процессов в индукторных электродвигателях по их геометрическим параметрам 11
1.1. Расчет индуктивности фазы индукторного двигателя для рассогласованного положения зубцов 11
1.2. Расчет магнитной цепи индукторного двигателя при согласованном положении зубцов 22
1.3. Построение динамической модели фазы двигателя 28
1.4. Расчет фазной индуктивности для двигателя с бицилиндрическим ротором 36
Выводы 41
Глава 2. Физические основы бездатчикового контроля положения в вентильно-индукторных электроприводах 42
2.1. Современное состояние бездатчиковых систем управления ИД 42
2.2. Контроль положения ротора время-импульсным методом 47
2.3. Метод регенеративного тока 51
2.4. Определение скорости в бездатчиковых электроприводах 59
2.5. Начальная ориентация в бездатчиковых электроприводах 69
Выводы 76
Глава 3. Бездатчиковые системы управления индукторными двигателями: алгоритмы и структуры 77
3.1. Системы с время-импульсным методом контроля положения 77
3.2. Системы с контролем положения по методу регенеративного тока 87
3.3. Бездатчиковое измерение температуры обмоток в индукторных двигателях
3.4. Особенности высокоскоростных бездатчиковых электроприводов 99
Выводы 105
Глава 4. Разработка и исследование вентильно-индукторного электропривода трубного ключа 106
4.1. Разработка требований к электроприводу ключа для завинчивания труб 106
4.2. Выбор микроконтроллера системы управления 111
4.3. Структурная схема электропривода трубного ключа 118
4.4. Программное обеспечение системы 121
Выводы 124
Заключение 125
Литература 126
- Расчет индуктивности фазы индукторного двигателя для рассогласованного положения зубцов
- Современное состояние бездатчиковых систем управления ИД
- Системы с контролем положения по методу регенеративного тока
- Разработка требований к электроприводу ключа для завинчивания труб
Введение к работе
Принцип действия абсолютного большинства электрических машин, производимых в настоящее время, основывается на использовании сил, действующих на проводник с током в магнитномчполе. При этом, источником поля могут являться как специальные обмотки возбуждения, так и постоянные магниты. Магнитопровод в такой системе служит фактически для улучшения ее энергетических характеристик, снижая магнитное сопротивление на пути замыкания магнитного потока. Характерно, что такие двигатели, в принципе, работоспособны и при отсутствии магнитопровода, как такового.
Однако возможен и другой подход, а именно — использование общего свойства ферромагнитных тел занимать при наличии магнитного поля положение, соответствующее максимуму магнитного потока в системе и, соответственно, максимальной индуктивности контура, являющегося источником поля (принцип электромагнита). Вопреки распространенному мнению, электродвигатели с таким принципом действия отнюдь не являются новым направлением в конструировании электрических машин. Более того, появление многих образцов таких двигателей датируется еще серединой XIX века. Они были созданы задолго до появления классических машин перемененного тока (напомним, что трехфазная система передачи тока была изобретена лишь в 1891 г.). Из-за питания постоянным током, а также использования механического «коллектора», подобные двигатели, как правило, именуются в литературе «двигателями постоянного тока», хотя речь фактически идет об индукторном двигателе (см. ниже) с механическим коммутатором. Конструктивная сложность и низкая надежность последнего привела к тому, что «электромагнитные» машины оказались вытесненными двигателями постоянного тока.
В течение длительного времени среди разработчиков господствовало убеждение, что электрические машины типа «проводник в магнитном поле» обладают однозначно наилучшими показателями, недоступными для двигателей с «электромагнитным» принципом действия. Подобные суждения хорошо
подтверждались на примере сравнения свойств синхронных и асинхронных машин с синхронно-реактивными и шаговыми двигателями, олицетворявшими все возможные альтернативы.
Эволюция машин постоянного тока под влиянием стремления разработчиков устранить ненадежный щеточно-коллекторный узел привела к появлению синхронных машин с постоянными магнитами на роторе. Коммутация фаз статорной обмотки в функции положения ротора делает синхронный двигатель бесконтактным аналогом двигателя постоянного тока. Такая машина в настоящее время является наилучшим по характеристикам электромеханическим преобразователем энергии. При этом, однако, синхронные двигатели с магнитами на роторе сложны в изготовлении, требуют применения дорогостоящих магнитных сплавов на основе редкоземельных элементов, и по технологическим причинам могут выполняться лишь на относительно небольшие мощности. Учитывая вышеизложенное, неудивительно, что исследования, направленные на упрощение и удешевление подобных электродвигателей, продолжаются и по сей день.
Всплеск интереса к так называемым индукторным двигателям обычно связывается с именем проф. П. Лауренсона (Великобритания), который организовал разработку и выпуск первых промышленных образцов таких двигателей. Им же заложены теоретические основы их проектирования и создания электроприводов на их базе [123-125]. Большой вклад в развитие нового направления внесли также Т. Lipo [97,127,128,185], Т. J. Е. Miller [146-151] и др. Из отечественных работ следует отметить публикации М.Г.Бычкова [9-18], Л.А.Садовского [49-52] (МЭИ), Л.Ф.Коломейцева и С.А.Пахомина [34-37] (Новочеркасский политехнический институт).
Англоязычный термин SRM/SRD (Switched Reluctance Motor/Drive) наиболее точно отражает физику процессов в двигателе и может быть переведен на русский язык, как «двигатель с переключаемым магнитным сопротивлением» или «переключаемый реактивный двигатель». В отечественной литературе, тем нее менее, наибольшее распространение получило название «вентильно-индукторный двигатель/привод», призванный подчеркнуть отличие SRM от вентильно-
реактивных синхронных машин. Этим термином, в его сокращенном варианте (ИД), а также ставшими международной аббревиатурой SRM/SRD мы и будем пользоваться в данной работе.
Типовые геометрические конфигурации ИД показаны в Таблице 1. Для двигателей с фазностью т=3 и более принято краткое обозначение конфигурации, состоящей из чисел зубцов статора и ротора, разделенных наклонной чертой (т.е. 6/4, 12/8, 8/6). Обмотки каждой фазы размещаются на диаметрально противоположных зубцах статора. Исключения составляют конфигурации, полученные, путем удвоения (или учетверения) количества зубцов относительно основной конфигурации (например, 12/8 вместо 6/4), где угловой интервал между осями зубцов, принадлежащих одной фазе, составляет 90 или 45.
Нетрудно видеть, что возбуждение какой-либо фазы ИД при наличии рассогласования между ее зубцами и ближайшими к ним зубцами ротора приводит к возникновению момента, стремящегося повернуть ротор в положение, при
Таблица 1
котором указанные зубцы окажутся в точке согласования (т.е. площадь их перекрытия достигнет максимума). Путем последовательной перекоммутации фаз можно добиться непрерывности момента на валу двигателя. Очевидно, что рассмотренная машина может работать и в шаговом режиме, однако на практике такой режим применяется крайне редко, несмотря на конструктивное сходство индукторного двигателя с шаговым. Показательно, что П. Лауренсон начинал свою научную карьеру в качестве разработчика именно шаговых двигателей, что нашло свое отражение в конструкции первых индукторных машин. Позднее, однако, было разработано, множество "атипичных" машин, утративших какое либо сходство с шаговыми. Сюда могут быть отнесены, прежде всего, однофазные ИД, двигатели с переменным зазором, а также с дополнительной аксиальной обмоткой возбуждения. На сегодняшний день известно более 50 видов атипичных ИД из которых не менее десяти выпускаются серийно. Учитывая подобное многообразие, представляется целесообразным сформулировать признаки, отличающие ИД от других типов электрических машин:
отсутствие каких бы то ни было обмоток на роторе, а также сосредоточенный характер статорных обмоток (в отличие от распределенных обмоток традиционных машин переменного тока).;
токи и потоки в ИД несинусоидальны и имеют, как правило, однополярный характер. Несинусоидальность переменных состояния ИД делает проблематичным использование векторных диаграмм и комплексного исчисления для описания протекающих в нем процессов. В отличие от синхронных и асинхронных машин вектор магнитного поля ИД даже при движении с постоянной скоростью не вращается, а перемещается скачком на фиксированный угол (определяемый геометрической конфигурацией ИД), причем для необращенных машин направление движения поля противоположно направлению вращения ротора.
Кроме того, особенностью ИД является исключительная роль силового преобразователя (инвертора), без которого машина оказывается неработоспособной.
Индукторный двигатель отличается конструктивной простотой, надежностью и высокой ремонтопригодностью. По оценкам западных специалистов, по сравнению с самой дешевой машиной переменного тока - двигателем с беличьей клеткой -экономия активных материалов при использовании ИД достигает 30%, а себестоимость производства оказывается в 1.7-2 раза ниже. Коэффициент полезного действия и удельная мощность ИД оказываются близкими к аналогичным показателям асинхронного двигателя, уступая лишь вентильному двигателю с постоянными магнитами. При этом, в случае работы с недогрузом (30-50% номинальной нагрузки) к.п.д. индукторного двигателя оказывается на (5-8)% выше, чем у асинхронного привода с векторным управлением. Весьма показательными в этом отношении являются приведенные в [21] результаты сравнительных испытаний SRD и асинхронного электропривода мощностью 7.5 кВт, 1800 об/мин (Таблица 2).
Довольно перспективным представляется применение ИД для получения высоких и сверхвысоких скоростей вращения. Вызывает интерес возможность применения ИД при создании уникальных механизмов, поскольку стоимость изготовления штучных ИД оказывается существенно ниже таковой для любых иных типов электрических машин. Также представляется целесообразным встраивание элементов индукторного привода в технологические машины: мотор-колесо, крыльчатка вентилятора, совмещенная с ротором обращенной машины, центробежные погружные электронасосы и т.п.
Таблица 2
КПД (Превышение температуры обмотки, С)
Режим
Мн, пн Mf„ 0.5пн Ми, 0.25пи
91.7(60) 90.5 (42)
84.1
Асинхронный двигатель
84.3(106)
73.6(118) _
Энергосберегающий
асинхронный
двигатель
89.5 (62) 82.2(81)
83.5
Однако, индукторный привод имеет и ряд недостатков. К ним следует отнести, прежде всего, высокие пульсации момента ИД и повышенный уровень шума [9]. Кроме того, распространение SRD в значительной мере тормозится весьма сложной и не до конца отработанной процедурой проектирования электропривода для достижения высоких энергетических показателей. Сюда относится, прежде всего, выбор конфигурации машины из большого числа ее разновидностей, а также решение вариационной задачи, связанной с поиском оптимальных значений ее геометрических параметров. При этом нередко приходится рассматривать возможные варианты ИД, отличающиеся не только количеством зубцов, но и фаз; сравнивать машины "классической" конструкции с двигателями, имеющими переменный зазор, многопакетный статор и т.п. Не вполне изученной является проблема взаимосвязи между геометрическими и электрическими параметрами ИД. Методика моделирования типовых ИД по их геометрическим и обмоточным данным рассматривается в первой главе настоящей работы.
Еще одной проблемой в создании промышленных приводов на базе ИД является устранение датчика положения ротора, снижающего надежность и увеличивающего стоимость изделия. Несмотря на практически полное отсутствие отечественных публикаций на эту тему, общие принципы создания таких SRD вполне изучены. Широкую известность получили работы по бездатчиковым SRD работы таких авторов, как P.P.Acarnley [60-63], P.C.Kjaer [118,120], G.Gallegos-Lopez [101,102], J.P.Lyons и S.R.MacMinn [133-139]. Из русскоязычных работ следует отметить публикацию М.Г.Бычкова и Н.Ф.Ильинского [32], касающуюся бездатчикового контроля положения с использованием фазного потокосцепления. К сожалению, в подавляющем большинстве работ, вопросы, связанные с практической реализацией предлагаемых методов, как правило, не рассматриваются. Данное обстоятельство в сочетании с физической простотой большинства методик контроля положения легко создает впечатление, что разработка бездатчикового электропривода является относительно несложной задачей. Однако, приняв за основу какую-либо типовой способ эстимации положения, разработчик нередко сталкивается с большими, а иной раз - и
непреодолимыми трудностями. Многие методики на практике оказываются неработоспособными на низких или, наоборот, на высоких скоростях вращения, имеют недостаточную помехоустойчивость или требуют прецизионных схем измерения. В этой связи в данной работе предпринята попытка изучить особенности применения ряда перспективных методов бездатчикового контроля положения, как в отношении используемых схемотехнических решений, так и в отношении программного обеспечения.
Автор искренне надеется, что настоящая работа будет способствовать дальнейшему развитию вентильно-индукторного электропривода и окажется полезной для специалистов, работающих в этой области.
Расчет индуктивности фазы индукторного двигателя для рассогласованного положения зубцов
Эволюция машин постоянного тока под влиянием стремления разработчиков устранить ненадежный щеточно-коллекторный узел привела к появлению синхронных машин с постоянными магнитами на роторе. Коммутация фаз статорной обмотки в функции положения ротора делает синхронный двигатель бесконтактным аналогом двигателя постоянного тока. Такая машина в настоящее время является наилучшим по характеристикам электромеханическим преобразователем энергии. При этом, однако, синхронные двигатели с магнитами на роторе сложны в изготовлении, требуют применения дорогостоящих магнитных сплавов на основе редкоземельных элементов, и по технологическим причинам могут выполняться лишь на относительно небольшие мощности. Учитывая вышеизложенное, неудивительно, что исследования, направленные на упрощение и удешевление подобных электродвигателей, продолжаются и по сей день.
Всплеск интереса к так называемым индукторным двигателям обычно связывается с именем проф. П. Лауренсона (Великобритания), который организовал разработку и выпуск первых промышленных образцов таких двигателей. Им же заложены теоретические основы их проектирования и создания электроприводов на их базе [123-125]. Большой вклад в развитие нового направления внесли также Т. Lipo [97,127,128,185], Т. J. Е. Miller [146-151] и др. Из отечественных работ следует отметить публикации М.Г.Бычкова [9-18], Л.А.Садовского [49-52] (МЭИ), Л.Ф.Коломейцева и С.А.Пахомина [34-37] (Новочеркасский политехнический институт).
Англоязычный термин SRM/SRD (Switched Reluctance Motor/Drive) наиболее точно отражает физику процессов в двигателе и может быть переведен на русский язык, как «двигатель с переключаемым магнитным сопротивлением» или «переключаемый реактивный двигатель». В отечественной литературе, тем нее менее, наибольшее распространение получило название «вентильно-индукторный двигатель/привод», призванный подчеркнуть отличие SRM от вентильно реактивных синхронных машин. Этим термином, в его сокращенном варианте (ИД), а также ставшими международной аббревиатурой SRM/SRD мы и будем пользоваться в данной работе.
Типовые геометрические конфигурации ИД показаны в Таблице 1. Для двигателей с фазностью т=3 и более принято краткое обозначение конфигурации, состоящей из чисел зубцов статора и ротора, разделенных наклонной чертой (т.е. 6/4, 12/8, 8/6). Обмотки каждой фазы размещаются на диаметрально противоположных зубцах статора. Исключения составляют конфигурации, полученные, путем удвоения (или учетверения) количества зубцов относительно основной конфигурации (например, 12/8 вместо 6/4), где угловой интервал между осями зубцов, принадлежащих одной фазе, составляет 90 или 45.
Нетрудно видеть, что возбуждение какой-либо фазы ИД при наличии рассогласования между ее зубцами и ближайшими к ним зубцами ротора приводит к возникновению момента, стремящегося повернуть ротор в положение, при котором указанные зубцы окажутся в точке согласования (т.е. площадь их перекрытия достигнет максимума). Путем последовательной перекоммутации фаз можно добиться непрерывности момента на валу двигателя. Очевидно, что рассмотренная машина может работать и в шаговом режиме, однако на практике такой режим применяется крайне редко, несмотря на конструктивное сходство индукторного двигателя с шаговым. Показательно, что П. Лауренсон начинал свою научную карьеру в качестве разработчика именно шаговых двигателей, что нашло свое отражение в конструкции первых индукторных машин. Позднее, однако, было разработано, множество "атипичных" машин, утративших какое либо сходство с шаговыми. Сюда могут быть отнесены, прежде всего, однофазные ИД, двигатели с переменным зазором, а также с дополнительной аксиальной обмоткой возбуждения. На сегодняшний день известно более 50 видов атипичных ИД из которых не менее десяти выпускаются серийно. Учитывая подобное многообразие, представляется целесообразным сформулировать признаки, отличающие ИД от других типов электрических машин: - отсутствие каких бы то ни было обмоток на роторе, а также сосредоточенный характер статорных обмоток (в отличие от распределенных обмоток традиционных машин переменного тока).; - токи и потоки в ИД несинусоидальны и имеют, как правило, однополярный характер. Несинусоидальность переменных состояния ИД делает проблематичным использование векторных диаграмм и комплексного исчисления для описания протекающих в нем процессов. В отличие от синхронных и асинхронных машин вектор магнитного поля ИД даже при движении с постоянной скоростью не вращается, а перемещается скачком на фиксированный угол (определяемый геометрической конфигурацией ИД), причем для необращенных машин направление движения поля противоположно направлению вращения ротора.
Кроме того, особенностью ИД является исключительная роль силового преобразователя (инвертора), без которого машина оказывается неработоспособной. Индукторный двигатель отличается конструктивной простотой, надежностью и высокой ремонтопригодностью. По оценкам западных специалистов, по сравнению с самой дешевой машиной переменного тока - двигателем с беличьей клеткой -экономия активных материалов при использовании ИД достигает 30%, а себестоимость производства оказывается в 1.7-2 раза ниже. Коэффициент полезного действия и удельная мощность ИД оказываются близкими к аналогичным показателям асинхронного двигателя, уступая лишь вентильному двигателю с постоянными магнитами. При этом, в случае работы с недогрузом (30-50% номинальной нагрузки) к.п.д. индукторного двигателя оказывается на (5-8)% выше, чем у асинхронного привода с векторным управлением. Весьма показательными в этом отношении являются приведенные в [21] результаты сравнительных испытаний SRD и асинхронного электропривода мощностью 7.5 кВт, 1800 об/мин (Таблица 2).
Довольно перспективным представляется применение ИД для получения высоких и сверхвысоких скоростей вращения. Вызывает интерес возможность применения ИД при создании уникальных механизмов, поскольку стоимость изготовления штучных ИД оказывается существенно ниже таковой для любых иных типов электрических машин. Также представляется целесообразным встраивание элементов индукторного привода в технологические машины: мотор-колесо, крыльчатка вентилятора, совмещенная с ротором обращенной машины, центробежные погружные электронасосы и т.п.
Однако, индукторный привод имеет и ряд недостатков. К ним следует отнести, прежде всего, высокие пульсации момента ИД и повышенный уровень шума [9]. Кроме того, распространение SRD в значительной мере тормозится весьма сложной и не до конца отработанной процедурой проектирования электропривода для достижения высоких энергетических показателей. Сюда относится, прежде всего, выбор конфигурации машины из большого числа ее разновидностей, а также решение вариационной задачи, связанной с поиском оптимальных значений ее геометрических параметров. При этом нередко приходится рассматривать возможные варианты ИД, отличающиеся не только количеством зубцов, но и фаз; сравнивать машины "классической" конструкции с двигателями, имеющими переменный зазор, многопакетный статор и т.п. Не вполне изученной является проблема взаимосвязи между геометрическими и электрическими параметрами ИД. Методика моделирования типовых ИД по их геометрическим и обмоточным данным рассматривается в первой главе настоящей работы.
Современное состояние бездатчиковых систем управления ИД
Как известно, одной из основных задач системы управления ИД является синхронизация переключений фаз машины с положением ротора. Традиционным способом получения необходимой для этого информации о положении является использование соответствующих датчиков. Однако, во многих случаях, установка каких либо измерительных устройств непосредственно на двигатель нежелательна. Проблема особенно актуальна для маломощных электроприводов (удорожание двигателя и увеличение его габаритов), а также для систем со значительным удалением исполнительного механизма от преобразователя (рост числа "длинных связей", проблема помехоустойчивости и т.п.). Как следствие, с момента появления первых ИД усилия разработчиков были направлены на устранение "физического" датчика положения ротора (ДПР), а также иных датчиков, устанавливаемых на двигатель (тахогенераторы, измерители температуры и т.п.) .
Указанная задача может быть решена путем расчета (оценки) положения или иных величин, подлежащих определению, на основании переменных состояния, доступных для измерения непосредственно в преобразователе. Вначале рассмотрим основную проблему, а именно создание "виртуального" датчика положения.
Все известные методы бездатчнковой эстимации положения основываются на изменении фазной индуктивности ИД в функции положения ротора. При этом для определения положения могут быть использованы как собственно индуктивность, так и связанные с ней переменные состояния, в частности, потокосцепление [133,
В этой связи отметим, что под "бездатчиковым" нами понимается электропривод не содержащий датчиков, случае является нелинейной и в учитывать не только эффект насыщения, но и взаимовлияние фаз ИД при их совместной работе [62, 95].
Достоинством рассматриваемого подхода является широкий диапазон применимости, как с точки зрения скорости вращения (от нуля до высоких и сверхвысоких скоростей), так и степени насыщения ИД. Метод обеспечивает непрерывный контроль положения (естественно, в пределах быстродействия используемых АЦП), что значительно улучшает динамические свойства системы, по сравнению с системами, использующими прогнозирование точек коммутации. Кроме того, в высококачественных системах появляется возможность измерения скорости несколько раз за такт, что проблематично для большинства методик оценки положения.
На погрешность вычисления потокосцепления существенное влияние оказывает изменение сопротивления цепи фазы при нагревании обмоток двигателя, что особенно сильно проявляется при низких скоростях вращения, когда падение напряжения на активном сопротивлении фазы соизмеримо со средним значением приложенного к ней напряжения. Как следствие, возникает необходимость в бездатчиковом измерителе температуры. Кроме того, на точности оценки У сказываются смещения нуля в датчиках тока, а также нелинейность их характеристик (например, в случае датчиков с оптронной развязкой). Еще одним слабым местом является проблематичность получения зависимости за()(і) на этапе проектирования системы, поскольку требуемая точность ее задания недостижима для большинства методик инженерных расчетов. Таким образом, достоинства метода практически реализуются лишь в прецизионных системах с большой вычислительной мощностью, что накладывает известные ограничения на его применимость.
Измерение периода переключений релейного регулятора тока [63,109]. Конечной переменной в этом случае фактически служит дифференциальная индуктивность фазы, связанная с положением. Достоинством метода являются минимальная критичность к ресурсам микропроцессора и малое число входных сигналов. Однако метод чувствителен к э.д.с. двигателя и насыщению магнитной цепи, принципиально неработоспособен на высоких скоростях, когда отсутствует режим регулирования тока. Область применения метода - использование в качестве процедуры начального пуска в недорогих электроприводах, предназначенных, например, для вентиляторов и насосов.
Метод регенеративного тока [165]. Здесь в качестве конечной переменной выступает производная фазного тока при запертом верхнем ключе. В момент перехода фазы в генераторный режим указанная производная меняет знак, становясь положительной. Этот момент всегда соответствует одному и тому же положению, что позволяет использовать его в качестве точки отсчета при прогнозировании точек коммутации. Достоинствами этого метода является его нетребовательность как к мощности микроконтроллера, так и к качеству системы измерения в целом. Кроме того, метод малочувствителен к насыщению магнитной цепи машины. Недостатком метода, в его опубликованном варианте [165], является значительное недоиспользование двигателя из-за больших обратных моментов при входе в генераторный режим, необходимость в процедуре начального пуска и невысокие динамические показатели, характерные для систем с прогнозированием. Метод градиента тока [101]. Здесь также контролируется производная тока. Точкой отсчета при этом является момент изменения скорости нарастания тока, соответствующий вхождению фазы в двигательный режим. По свойствам и области применения метод близок к предыдущему. Положительным отличием является лучшее использование машины за счет более благоприятной формы тока фазы, отрицательным - большая погрешность при определении характерной точки и пониженная помехоустойчивость, что связано с тем, что здесь контролируется значение производной, а не ее знак, как в методе регенеративного тока. Вышесказанное относится и к близкому к рассмотренному методу градиента [119]. Метод тестовых импульсов - в одну или несколько неработающих фаз подаются импульсы с известным напряжением. При этом контролируется либо амплитуда импульсов при их постоянной длительности [109], либо время нарастания тока до заданного постоянного значения. Соответственно, конечной переменной является индуктивность фазы или обратная ей величина. Достоинствами метода являются минимальные требования к микроконтроллеру, термостабильность, а также отсутствие каких-либо дополнительных устройств в преобразователе. К недостаткам метода относятся сложность его применения для работы на высоких скоростях, невысокая помехоустойчивость, чувствительность к насыщению ярма (см. п. 2.2).
Метод тестовых сигналов. Здесь для контроля индуктивности нерабочей фазы используются генераторы сигналов специальной формы. Одним из вариантов такого электропривода является система [105], в которой фиксируется возникновение резонанса на фиксированной частоте (от внешнего генератора) в LC-контуре, содержащем индуктивность фазы ИД. В другом случае, наоборот, тестовая фаза входит в состав задающего контура /.С-генератора, частота которого контролируется [93,94]. Методы подобного рода по характеристикам близки к методу тестовых импульсов, однако требуют дополнительных цепей для генерации и обработки тестовых сигналов.
Помимо описанных выше, существуют методы, построенные на использовании в бездатчиковых ЭП специализированных двигателей, особенности которых (например, неоднородности в полюсах статора [70]) упрощают определение положения. К сожалению, такие ИД имеют худшие характеристики по сравнению с машинами типовой конструкции.
Системы с контролем положения по методу регенеративного тока
Как было указано ранее, метод регенеративного тока, в особенности его "кусочно-регенеративная" разновидность, позволяет строить простые и надежные бездатчиковые системы, отличающиеся минимумом компонентов. Типовая структура, реализующая данный принцип контроля положения показана на рис.3.9. Силовая часть, в общем случае, состоит из m-фазного инвертора, выполненного по типовой схеме. Управление ключами инвертора производится с помощью двухканального драйвера ДР, обеспечивающего гальваническую развязку цепей управления от высоковольтных цепей. Сигнал, контролирующий состояние нижнего ключа, поступает с соответствующего выхода LIN контроллера. Сигнал управления верхним ключом, поступает с выхода регулятора тока РТ, причем его прохождение может быть заблокировано с помощью логического ключа S, управляемого сигналом РР ("разрешение работы"). Этот сигнал используется для отключения нерабочих фаз двигателя (фазы в данной системе включены по умолчанию). Задание тока поступает на входы фазных регуляторов тока с выхода DAC (ПАП) контроллера. Кроме вышеуказанных узлов, в схеме имеется датчик напряжения ДН, предназначенный для контроля силового напряжения.
Общий вид алгоритма управления такой структурой показан на рис.3.10. Как указывалось ранее (см. Главу 2), метод регенеративного тока относится к методам, требующим процедуры начального пуска. Эта процедура состоит из подпрограмм начальной ориентации 7 и низкочастотного коммутатора 2. При этом для контроля положения применяется время-импульсный способ в его амплитудном варианте, что позволяет минимизировать требования к микроконтроллеру и исключить появление в схеме дополнительных устройств. Алгоритмы построения блоков 7 и 2 принципиально не отличаются от рассмотренных в п. 3.1. При нарастании скорости до порогового значения cosu (Switch Up - переключение вверх) происходит переключение на основную программу - высокочастотный коммутатор б. Если скорость под действием нагрузки или иных факторов снижается ниже заданного минимума cosn (Switch Down - переключение вниз) выполняется обратный переход к низкочастотной части алгоритма. Переключения выполняются при помощи специальных процедур 4 и 5, обеспечивающих сохранение ориентации системы. При выборе порогов, необходимо соблюдать условие COSU (I)SD, что создает необходимый гистерезис при переходах с одного режима на другой.
Рассмотрим основную часть программного обеспечения - процедуру высокочастотной коммутации. При этом будем ориентироваться на использование относительно недорогих микроконтроллеров, которые, как правило, имеют мультиплексируемый АЦП с одним единственным каналом преобразования. В ее алгоритме, рассмотренном ниже, выделяются два основных сегмента: обработчик прерываний от АЦП, внутри которого осуществляется детектирование генерации и коммутация фаз и основной цикл программы, в котором выполняются расчеты рабочих переменных (скорости, тока закорачивания, максимального тока и др.).
На рис.3.11 приведена блок-схема подпрограммы обработки прерываний. Верхняя ее часть обеспечивает управление коммутацией каналов АЦП (элементы 1-4). Сначала проверяется соответствие состояния мультиплексора (регистра MUX) номеру фазы, используемой для контроля положения (переменная GNP -Generatimg Phase). При обнаружении несоответствия выставляется флаг WRCH (Wrong Channel - не тот канал). Затем производится переключение мультиплексора на нужную фазу, после чего АЦП запускается на преобразование (элемент 3). Далее, если флаг WRCH установлен, работа подпрограммы завершается (элемент 4), а текущее измерение игнорируется. При WRCH=0 проверяется, достаточен ли ток фазы (1Ф) для обнаружения генераторного режима (элемент 5). Если указанный ток оказывается ниже заданного порога (/mjn), что свидетельствует о его недопустимом снижении, процессор производит «аварийное» отпирание верхнего ключа фазы, обеспечивающий повышение тока до требуемого уровня (элемент 6) Одновременно с этим выставляется флаг SGP (Switch on Generating Phase -включить генерирующую фазу).
Если фазный ток достаточен по величине и при этом хотя бы одна его выборка оказывается ниже тока закорачивания 1зкр, производится замыкание нижнего ключа этой фазы и выставляется флаг GEN, в дальнейшем свидетельствующий, что система находится в режиме ожидания генерации (элементы 7,8). Если при этом не наблюдается чрезмерного спада тока (SGP=0, элемент 11), система контролирует знак его производной, обеспечивая, при смене последнего, запуск подпрограммы коммутации (элементы 13-15).
Разработка требований к электроприводу ключа для завинчивания труб
Одним из перспективных направлений применения вентилыю-индукторного электропривода (ВИП) на сегодняшний день являются высокоскоростные машины и механизмы, например, такие, как насосы, шлифовальные станки, механизированный инструмент и т. п. Как правило, важным требованием к таким системам является отсутствие датчика положения ротора, который не только увеличивает стоимость и габариты двигателя, но и снижает надежность всей конструкции в целом, в особенности в тех случаях, когда преобразователь должен быть удален относительно исполнительного механизма.
Вопросы, связанные с созданием бездатчиковых ВИП, рассчитанных ни низкие скорости и близкорасположенный преобразователь, относительно хорошо изучены [32,133,109]. Однако разработка подобных систем на 8000-10000 об/мин, особенно в случае "удаленной" машины, сталкивается с рядом проблем, нехарактерных для обычных ВИП. Одной из таковых, на наш взгляд, является резкое увеличение уровня электромагнитных помех и междуфазных наводок в высокоскоростных электроприводах, что связано со снижением индуктивности обмоток машины, и, соответственно, увеличением крутизны фронтов тока при подаче рабочего напряжения. Указанное явление особенно сильно проявляется в маломощных электроприводах, поскольку в них по экономическим соображениям в большинстве случаев отсутствуют регулятор напряжения, гальваническая развязка схем управления и силовых цепей, а также используются простейшие (т.е. шунтовые) датчики тока. Естественно, что надежность коммутации фаз машины в таких условиях может существенно снижаться.
Наиболее распространенным способом снижения влияния помех на систему управления является применение всевозможных фильтров, действие которых основано на ограничении полосы пропускания измерительных цепей. Как правило, в качестве таковых выступают RC-цепи, которые могут быть использованы как в качестве самостоятельных звеньев, так и в составе обратной связи ОУ системы измерения. Однако, поведение таких схем по отношению к импульсным помехам весьма специфично: снижая амплитуду пиковых напряжений, они растягивают помеху во времени, т.е. речь в этом случае идет не столько о «подавлении» помехи, сколько о перераспределении таковой. Указанный эффект, особенно при достаточно большой постоянной времени фильтра, может приводить к погрешностям в определении положения ротора. В нашей практике, мы столкнулись с данной проблемой во время разработки электропривода с двухфазным ИД (1 кВт, 10000 об/мин), в который для определения положения использовалось значение фазной индуктивности. Точное поддержание заданного угла опережения включения фазы оказалось проблематичным из-за влияния помех в кривой фазного тока, (несмотря на их сглаживание RC-цепочкой), в результате чего наблюдалось снижение среднего значения электромагнитного момента двигателя.
Несмотря на то, что схемы с фильтрами в ряде случаев обеспечивают достаточно качественное и стабильное управление ИД, они, на наш взгляд, не решают проблему защиты от помех в полной мере. В этой связи, представляется перспективной разработка альтернативного направления, заключающегося в создании «помехоустойчивых» алгоритмов и структур управления, в которых требуемая достоверность измерений обеспечивается преимущественно программными средствами. Для выяснения возможных способов решения этой задачи, рассмотрим наиболее часто применяемые методы бездатчикового контроля положения с точки зрения устойчивости их работы в условиях импульсных помех.
1. Измерение индуктивности (потокосцепления) в рабочей фазе. Поскольку для вычисления потокосцепления используется операция интегрирования (кратковременные помехи не приводят к существенному отклонению значения интеграла), то точность определения положения определяется достоверностью выборки сигнала тока. Учитывая высокий уровень помех в означенном сигнале, получение достоверного значения тока требует анализа значительного количества выборок. Как следствие, метод теряет свое основное преимущество — низкие требования к мощности процессора и пропускной способности АЦП.
2. Использование частоты релейного регулятора тока. Метод изначально непригоден для работы на высоких скоростях (отсутствует режим регулирования тока) и может применяться лишь для запуска ИД. Однако и непосредственное применение его в этом качестве весьма проблематично, поскольку существует возможность ложных переключений релейного регулятора при наличии импульсных помех, что с высокой вероятностью влечет за собой ошибки в определении положения.
3. Метод измерительных импульсов. Учитывая то обстоятельство, что амплитуда тестовых импульсов должна быть много меньше рабочего тока, данному методу сопутствуют существенные погрешности, обусловленные влиянием рабочей фазы на измерительную. Заметим, что известный тезис об относительно слабой взаимосвязи фаз ИД требует осторожного применения в случае высокоскоростных ВИП, поскольку магнитная цепь - не единственный путь проникновения электромагнитных наводок в соседние фазы. Указанное положение хорошо иллюстрируется проведенным нами экспериментом по замене в ВИП (на 1 кВт) с использованием ИИ низкоскоростного ИД (1500 об/мин) на высокоскоростной (10000 об/мин). Импульсные наводки, влиянием которых при низкоскоростном ИД можно было пренебречь, возросли настолько, что имели место ложные срабатывания регуляторов тока в обеих фазах — как в рабочей, так и в измерительной. Влияние на точность определения положения также оказалось велико.
В целом, мы полагаем, что наиболее пригодными для работы в высокоскоростных и проблемных с точки зрения помехозащищенности ВИП являются методы с совмещенным измерением, а именно использование потокосцепления рабочей фазы ИД и метод регенеративного тока.
