Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обоснование и разработка структуры электропривода 16
1.1. Разработка структуры аппаратной части привода 16
1.1.1. Вентильный двигатель, как объект управления 16
1.1.2. Компрессор как объект управления 18
1.1.3. Проектирование силовой части 20
1.2. Выбор алгоритма бездатчикового управления 25
1.3. Обоснование базовой структуры микропроцессорной системы управления 28
1.3.1. Структуры алгоритмов бездатчикового управления 28
1.3.2. Задачи системы управления 31
1.4. Выводы по главе 37
Глава 2. Разработка алгоритмов бездатчикового управления вентильным двигателем 38
2.1. Математическая модель системы преобразователь-двигатель 38
2.1.1. Математическая модель двигателя 38
2.1.2. Математическая модель системы преобразователь-двигатель 44
2.1.3. Расчет фазных напряжений 52
2.1.4. Обоснование системы относительных единиц и выбор системы базовых величин 53
2.2. Определение начального положения ротора двигателя 55
2.2.1. Подходы к определению начального положения ротора 56
2.2.2. Токовый сигнал 59
2.2.3. Импульсный сигнал напряжения 60
2.2.4. Переменное периодическое напряжение 64
2.2.5. Синусоидальный сигнал : 65
2.2.6. Выбор оптимального способа определения начального положения ротора - 69
2.3. Бездатчиковый пуск вентильного двигателя 70
2.4. Основной бездатчиковый режим работы ВД 72
2.5. Выводы по главе 82
Глава 3. Разработка алгоритмов управления DC/DC преобразователем 83
3.1. Математическая модель DC/DC преобразователя 83
3.1.1. Преобразователь, выполненный по схеме полного моста 83
3.1.2. Преобразователь, выполненный по схеме неполного моста 86
3.2. Способы управления DC/DC преобразователями 89
3.2.1. Раздельное управление 91
3.2.2. Совместное управление с одинаковыми скважностями 96
3.2.3. Совместное управление с разными скважностями 99
3.2.4. Выбор способа управления ключами DC/DC преобразователя 101
3.3. Синтез регуляторов 102
3.4. Выводы по главе 107
Глава 4. Синтез аппаратных средств для реализации бездатчиковой СУ ВД на базе DSP - микроконтроллера 108
4.1. Основные требования к архитектуре контроллера для системы бездатчикового управления ВД 108
4.2. Обзор существующих микроконтроллеров для управления двигателями. Выбор центрального микропроцессора 111
4.2.1. DSP-микроконтроллеры фирмы Analog Devices 112
4.2.2. DSP- микроконтроллеры фирмы Texas Instruments 117
4.3. Контроллеры для системы бездатчикового управления
вентильными приводами 121
4.3.1. Контроллер МК 11.3 121
4.3.2. Контроллер МК 10.3 123
4.4 Разделение ресурсов контроллера 125
4.5. Выводы по главе 127
Глава 5. Экспериментальное исследование и оптимизация ЭП 128
5.1. Описание экспериментальной установки 128
5.2. Оптимизация алгоритма измерения 134
5.3. Исследование бездатчиковых алгоритмов управления вентильным двигателем 137
5.3.1. Исследование алгоритмов определения начального положения 137
5.3.2. Исследование алгоритма бездатчикового пуска привода 143
5.3.3. Исследование алгоритма бездатчикового управления в основном режиме работы 146
5.4. Результаты отладки и экспериментальных исследований СУ
DC/DC преобразователем 155
5.5. Выводы по главе 160
Заключение 162
Список цитируемой литературы 164
- Выбор алгоритма бездатчикового управления
- Математическая модель системы преобразователь-двигатель
- Преобразователь, выполненный по схеме полного моста
- DSP-микроконтроллеры фирмы Analog Devices
Введение к работе
Бесконтактный (или бесколлекторный) электродвигатель постоянного тока (БДПТ) представляет собой систему электромеханического преобразования энергии, состоящую из электрической синхронной машины (СМ) и силового электронного преобразователя (инвертора), связанных через датчик положения ротора (ДПР) так, что частота переменного напряжения инвертора равна или кратна частоте вращения ротора машины. По сигналам ДПР осуществляется коммутация ключей инвертора, аналогичная работе коллектора в машинах постоянного тока.
На протяжении последних 50 лет внимание многих исследователей и инженеров как в России, так за рубежом привлекает проблема создания электроприводов (ЭП) с разными типами СМ и электронных преобразователей, работающих в режиме самокоммутации от ДПР, которые в отечественной технической литературе получили название вентильных. По этой причине СМ, специально спроектированные для таких ЭП, стали называть вентильными двигателями (ВД). В англоязычной литературе они называются DC Brushless motors - т.е. БДПТ.
Стремление заменить коллекторную машину постоянного тока бесщеточной, да к тому же еще и бесконтактной, вполне оправдано, так как в ряде случаев традиционный двигатель постоянного тока не может удовлетворять многим требованиям. Наличие коллектора и щеточного аппарата снижает надежность работы машины постоянного тока, затрудняет условия коммутации, ограничивает предельные значения токов в переходных режимах. В некоторых случаях, например в высокоскоростных приводах, где нежелательно использование мультипликаторов, в условиях агрессивной окружающей среды, коллекторные машины неприменимы. А электронный коммутатор (инвертор) обеспечивает ряд дополнительных преимуществ по сравнению с традиционным коллекторным узлом: он не нуждается в профилактических осмотрах, не загрязняет окружающей среды, параметры этой среды не влияют
на условия коммутации, он обеспечивает дополнительную практическую возможность воздействия на среднее значение ЭДС в звене постоянного тока ВД путем изменения угла отпирания силовых ключей, снимает ограничения на предельную мощность ВД по условиям коммутации, имеет более высокий уровень коммутационной устойчивости, чем механический коллектор.
Поэтому создание таких приводов, в которых используется БДПТ, всегда привлекало большое внимание со стороны специалистов, а первые варианты электропривода с инверторами на основе не полностью управляемых (ионных) приборов впервые были созданы в 1933 г.
Второй период развития вентильных приводов начался в послевоенные годы и был связан с появлением первых, весьма ненадежных, полупроводниковых приборов. Однако вентильные двигатели с силовыми преобразователями на транзисторах развивались в основном в диапазоне малых мощностей (10 - 103 Вт). Подобные электроприводы нашли применение в авиационной и космической технике, где цена не играла решающей роли. Они отличались предельно простыми схемами преобразователей, сравнительно низким КПД вентильного ЭП. С этими недостатками приходилось мириться ради основного преимущества - бесконтактности. Однако в последние десятилетия, когда электронная промышленность стала развиваться гигантскими темпами, и когда электронные компоненты вышли на качественно новый уровень, когда появились новые материалы для изготовления магнитов машин, и т.д., стало возможным создание вентильных приводов, которые могли конкурировать с обычными ЭП постоянного тока с коллекторными двигателями. А в последнее время в России и развитых зарубежных странах вентильные ЭП с СМ на базе РЗМ практически полностью вытеснили традиционные ЭП постоянного тока. Большой вклад в развитие теории и внедрение вентильных ЭП внесли следующие ученые: Овчинников И.Е (Институт проблем управления РАН), Маслов СИ., Балагуров В.А. (кафедра ЭКАО, МЭИ), Алиевский Б.А. (кафедра ЭМ, МАИ), Кузнецов В.А. (кафедра ЭМ, МЭИ), Ивоботенко Б.А. (кафедра АЭП, МЭИ).
-7-Бурный рост электроники, создание мощных цифровых процессоров с
огромным быстродействием, совершенствование периферийных устройств, создание специальных контроллеров, ориентированных на управление приводами конкретных типов и т.п. привело к очередному рывку в области создания вентильных приводов. Стало возможным уделять больше внимания созданию программного обеспечения и перенести ряд задач, выполняемых ранее при помощи дополнительных устройств, на программное обеспечение.
Поэтому можно говорить, что в последние десятилетие происходит новых этап развития вентильных приводов, характеризуемый упрощением аппаратной структуры привода за счет усложнения программной. Все более широкое распространение получают исследования, направленные на создание эффективных алгоритмов управления ВД. При этом задействуется методики из других областей: создание всевозможных наблюдателей, фильтров и т.д. Такой подход позволяет на современном этапе развития создавать новый класс приводов, в которых отсутствует один из наиболее важных компонентов - датчик положения ротора. В таких ЭП оказалось возможным при помощи математического аппарата создать наблюдатель, который по косвенным параметрам сможет оценить наиболее важный параметр привода - положение ротора, и осуществлять коммутации. В последнее время даже были созданы специальные микросхемы для бездатчикового управления вентильными микродвигателями, применяемыми в аудио- и видеотехнике.
Наиболее типичными представителями вентильных двигателей является СМ с трехфазной (реже двухфазной) обмоткой, распределенной на гладком статоре и явнополюсным (2р = 1 -s- 8) ротором с обычными или редкоземельными (РЗМ) магнитами, укрепленными на его внешней поверхности.
Такие машины обладают большим удельным моментом при его малых пульсациях, высоким КПД. Они могут иметь больший зазор при меньших габаритах по сравнению с машинами аналогичной мощности других типов. Они отличаются сравнительно простым математическим описанием, что упрощает создание математических моделей и системы управления.
-8-Однако, несмотря на высокие технические характеристики, синхронные
машины с ротором такой конструкции, обладают рядом существенных недостатков. К ним относятся: высокая цена магнитов, сложная технология изготовления двигателя (проблемы с крепежом магнитов), ограничения по частоте вращения, чувствительность к тепловым и динамическим перегрузкам, невозможность ремонта в производственных условиях и утилизации и др.
Но, несмотря на отмеченные недостатки, ВД с РЗМ на внешней поверхности ротора стали основными электродвигателями современных ЭП станков и роботов. В настоящее время такие двигатели выпускаются серийно в ряде стран. Однако ограничение по скорости, связанное с конструкцией двигателя, а именно с ненадежным креплением магнитов на внешней поверхности ротора, накладывало ограничение на использование таких машин в ряде ЭП, где требуется обеспечить относительно высокие скорости. Поэтому в течение последнего десятилетия интенсивные исследования ведущих электротехнических фирм были направлены на устранение отмеченных выше недостатков.
В конце 90-х годов прошлого века появилась альтернативная конструкция ротора СМ, в которой магниты, располагавшиеся ранее на внешней стороне ротора, были размещены внутри него. У таких двигателей РЗМ расположены в полностью закрытых прямоугольных пазах шихтованного ротора.
Двигатель подобного типа может развивать высокие скорости, без опасности разрушения магнитов, он более технологичен при сборке и прост в обслуживании, что существенно расширяет его область применения. Такие машины в англоязычной литературе получили название IPMSM - синхронный двигатель со встроенными (инкорпорированными) магнитами.
Разным аспектам разработки и исследования вентильных ЭМ с этими двигателями посвящены многие статьи и доклады на международных конференциях последних лет. В этих материалах главное внимание уделено конструированию IPMSM, вариантам компоновки ротора, специфике электромагнитных расчетов, соотношениям активной и реактивной составляющих момента и т.д. Однако в них практически отсутствует информация о разработке
-9-вентильного ЭП с машинами такого типа. А в нашей стране такие двигатели
только начинают появляться, поэтому практически нет работ, посвященных
созданию электроприводов на их основе.
Актуальность задачи. Из перечисленного выше следует, что разработка и исследование нового класса электроприводов с IPMSM представляет весьма актуальную задачу. Создание математического описания таких ЭП является необходимой базой для синтеза алгоритмов работы МП САУ.
Не менее важной задачей является создание вентильного ЭП на базе IPMSM с косвенным определением положения ротора. Это существенно расширяет область применения таких ЭП и позволяет использовать их для решения широкого круга трудных задач в разных областях техники: нефтегазовая промышленность, железнодорожный и автомобильный транспорт, авиация, станкостроение и робототехника. Исключение датчика положения повышает надежность системы, требует меньших затрат по установке, наладке и профилактике ЭП в целом.
Цель работы: Создание и исследование бездатчиковой микропроцессорной САУ вентильным ЭП на базе IPMSM и электронного преобразователя с промежуточным звеном постоянного тока.
Для достижения цели в диссертации поставлены следующие основные задачи:
Анализ существующих алгоритмов бездатчикового управления электроприводами с синхронными машинами. Выбор оптимального алгоритма для последующей реализации на сигнальном микроконтроллере. Обоснование и разработка структуры микропроцессорной САУ ЭП с регулируемым промежуточным звеном постоянного тока.
Разработка математической модели СМ со встроенными магнитами в естественной системе координат для вентильного режима работы и в системе координат dq, связанных с ротором, для векторного режима работы. Разработка математического представления электромеханической системы инвер-
-10-тор - вентильный двигатель. Создание математического описания DC/DC
преобразователя.
Построение имитационных и аналитических моделей электропривода в пакете Matlab / Simulink.
Создание алгоритмов бездатчикового управления ВД и DC/DC преобразователем, проверка их на созданной математической модели. Цифровое моделирование разрабатываемой системы бездатчикового управления.
Разработка аппаратных средств для реализации системы бездатчикового управления приводом и создание необходимого программного обеспечения, позволяющего проводить исследование привода на экспериментальной установке.
Техническая реализация и экспериментальные исследования разработанной системы бездатчикового управления; создание библиотеки программных модулей, которая позволит в дальнейшем упростить разработку как датчиковых, так и бездатчиковых систем управления вентильными двигателями.
Для решения поставленных задач используется следующий аппарат
1. Теория обобщенной машины, координатные преобразования Горева -
Парка
Численные методы решения дифференциальных уравнений
Имитационные и аналитические методы цифрового моделирования в среде Simulink пакета Matlab и на языке высокого уровня С++
Программные алгоритмы на макетном образце вентильного привода с использованием фирменных аппаратно-программных средств и собственного программного обеспечения, созданного специально для этих целей
Научная новизна
1. На основе анализа существующих структур СУ ВП предложена оригинальная структура бездатчикового управления, реализуемая для приводов с регулируемым преобразователем в звене постоянного тока
Созданы математические модели СМ со встроенными магнитами, электромеханической системы инвертор - ВД и модель DC/DC преобразователя, которые адекватно отражают процессы в реальных объектах
Предложены оригинальные алгоритмы бездатчикового управления ВД. Рассмотрены наиболее типичные ошибки бездатчиковой коммутации и способы их устранения
Разработана система управления ВД на базе контроллера МК 11.3 с микроконтроллером TMS320F2407A, реализующая предложенные алгоритмы управления
Все алгоритмы апробированы на экспериментальном стенде со статической нагрузкой
Разработан опытный макет вентильного ЭП в виде моноблока - меха-тронного механизма, на котором проведены испытания с реальной нагрузкой - компрессором холодильного агрегата
Практическая ценность и реализация работы
Результаты работы, полученные в ходе разработки и исследований привода, используются:
При испытаниях ЭП на базе СМ со встроенными магнитами, спроектированного кафедрами АЭП и ЭКАО МЭИ
При разработке перспективного встраиваемого электропривода поршневого компрессора, рассчитанного на питание от нестабилизированных бортовых сетей постоянного тока, для предприятия «ЭЛМА-Ко»
В НИР кафедры АЭП по созданию систем бездатчикового управления вентильными электроприводами
На защиту выносятся:
Математическое описание нового типа СМ - IPMSM в естественных (фазных) и вращающихся dq координатах
Математические модели СМ с магнитами на роторе, электромеханической системы инвертор - ВД и модель DC/DC преобразователя, которые адекватно отражают процессы, проходящие в реальных объектах
3. Алгоритмы бездатчикового управления для СМ со встроенными маг
нитами и их программная реализация
4. Методы управления DC/DC преобразователем, обеспечивающие
плавность регулирования выходного напряжения как при понижении, так и
при повышении входного напряжения
5. Результаты экспериментальных испытаний ЭП как на лабораторном
стенде со статической нагрузкой, так и в составе мехатронного модуля ВД -
поршневой компрессор при типовых режимах работы и реальных нагрузках
Апробация работы
Основные результаты работы обсуждались на заседании кафедры «Автоматизированный электропривод» Московского энергетического института (технического университета). Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях:
Шестая международная научно-техническая конференция для студентов и аспирантов, Москва, МЭИ, 1-2 марта, 2000.
Девятая международная научно-техническая конференция для студентов и аспирантов, Москва, МЭИ, 4-5 марта, 2003.
Десятая международная научно-техническая конференция для студентов и аспирантов, Москва, МЭИ, 2-4 марта, 2004.
11th International Conference ЕРЕ-РЕМС'2004, 2 - 4 September 2004, Riga, Latvia.
IV Международная (XV Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу, 14-17 сентября 2004 г., Магнитогорск.
Для решения поставленных задач в первой главе предложена структура силовой части привода, даны рекомендации по управлению отдельными блоками, рассмотрена конструкция ВД. Рассмотрены подходы к построению бездатчиковых систем управления, выбран наиболее оптимальный алгоритм. Предложены структуры программного обеспечения для последующей реали-
-13-зации. Рассмотрены основные задачи системы управления, указан состав
программного обеспечения, для каждого из алгоритмов приведено описание
и рекомендации по их использованию.
Во второй главе получено математическое описание синхронного двигателя с встроенными магнитами на роторе. Уравнения моделей приведены в естественных и вращающихся dq координатах и представлены в форме, удобной для моделирования. Также рассмотрены координатные преобразования и выбрана система относительных единиц. Разработан способ, позволяющий использовать датчики линейных напряжений для определения фазных, что позволяет использовать трехпроводную питающую линию. Предложены способы определения начального положения ротора двигателя. Рассмотрены способы пуска двигателя в бездатчиковой системе управления. Разработан алгоритм бездатчикового управления вентильным ЭП в основном режиме работы и алгоритм определения скорости двигателя, приведены блок-схемы алгоритмов.
В третьей главе приведено математическое описание DC/DC преобразователей, выполненных по схеме полного и неполного моста. Получены математические модели и алгоритмы для реализации в математических пакетах. Рассмотрены несколько способов управления ключами DC/DC преобразователя, рассмотрены характеристики преобразователей для каждого из режимов. Разработаны рекомендации для выбора параметров реактивных элементов. Для базового алгоритма управления ключами синтезированы цифровые регуляторы тока и напряжения, обеспечивающие предельное быстродействие. Полученные результаты проверены на разработанной ранее математической модели в пакете Matlab.
Четвертая глава посвящена анализу рынка микроконтроллеров и выбору семейств микроконтроллеров, предоставляющих возможности по наиболее полному и оптимальному решению задач бездатчикового управления. На основании структуры вентильного бездатчикового привода сформулированы требования к микроконтроллеру с возможностями реализации систем бездат-
-14-чикового управления. Описана серия полнофункциональных контроллеров
"МК" для систем управления электроприводами, в создании которой принял участие автор. Из этой серии выделены контроллеры, удовлетворяющие сформулированным требованиям для реализации систем бездатчикового управления вентильными приводами - контроллеры МК11.3 и МК10.3 на базе процессоров нового поколения TMS320LF2407A и TMS320LF2406A, соответственно. Проведено разделения ресурсов выбранного контроллера для задачи построения системы управления экспериментальной установкой.
В пятой главе предложен и реализован на практике способ, обеспечивающий получение достоверных данных с АЦП каждый период ШИМ. Приведены экспериментальные данные и результаты исследования двух способов определения начального положения ротора. Реализован на практике и исследован предложенный способ пуска привода в бездатчиковой системе. Исследован алгоритм бездатчикового управления двигателем. По результатам экспериментов проведена оптимизация предлагаемых алгоритмов. Рассмотрены типичные ошибки, которые возникают при неправильной коммутации, предложены способы их устранения.
В заключении обобщены основные результаты работы.
В приложениях приведены:
Описание программы SCI Monitor
Описание принципов работы квадратурных датчиков положения, приведены алгоритмы определения положения и коррекции результатов
Осциллограммы фазных напряжений при различных скоростях двигателя
Технические характеристики контроллеров для САУ ЭП
Описание стенда для тестирования контроллеров МК 11.3
Список принятых сокращений
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Дианов А.Н. Определение начального положения ротора для приводов с синхронными машинами // Труды МЭИ, выпуск 679, стр.66-73.
2. Дианов А.Н. Способы определения начального положения ротора для
электроприводов с синхронными двигателями // Десятая международная научно-техническая конференция аспирантов и студентов, 2004, МЭИ, т.2, с. 102-103.
Дианов А.Н. Микроконтроллеры для встраиваемых систем управления электроприводом. Семейство «Motor Control» фирмы Analog Devices II «Электронные компоненты» №8,2002, с. 101-106.
Дианов А.Н. Микроконтроллеры для встраиваемых систем управления электроприводом. Часть 2. Семейства «DashDSP» и «Mixed Signal DSP» фирмы Analog Devices II «Электронные компоненты» №1,2003, с. 69 - 74.
Козаченко В.Ф., Дианов А.Н., Анучин А.С., Кайо Ю. Стенд для автоматизированного тестирования контроллеров МК 11.x // Труды МЭИ, выпуск 678,стр.ЗЗ-41.
Дианов А.Н. Методика тестирования контроллеров для управления двигателями и создание стенда для автоматизированного тестирования // Девятая международная научно-техническая конференция аспирантов и студентов, 2003, МЭИ, т.2, с.91 - 92.
A.N. Dianov, A.S. Anuchin, V.F. Kozachenko. Initial Rotor Position Detection Of PM Motors IIEPE-PEMC 2004 conference, Riga. Paper 75138.
Alecksey Anuchin, Anton Dianov, Vladimir Kozachenko., Adaptive Efficient Control for Switch-Reluctance Drives with DCDC-regulator for Inverter Supply II EPE-PEMC 2004 conference, Riga. Paper 71119.
Дианов A.H., Козаченко В.Ф., Остриров B.H., Русаков A.M. Бездатчи-ковая система управления вентильным двигателем // Труды IV международной (XV всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу, Магнитогорск, сентябрь 2004 г. -Магнитогорск, 2004. -С. 194 - 199.
Состав диссертации: введение, пять глав, заключение, список литературы, приложения, количество страниц 200, рисунков 111, число наименований используемой литературы 86 на 8 стр., приложения 6 на 29 стр.
Выбор алгоритма бездатчикового управления
Существует множество способов оценки положения ротора синхронной машины без помощи датчика положения ротора [48 - 64]. Среди них можно выделить два подхода: использование противо-ЭДС, наводимой магнитами ротора в обмотках статора, которая однозначно определяет положение ротора [48 - 51] и использование магнитной несимметричности ротора (разность магнитных сопротивлений xj и хд) [50].
Первый способ более прост, чем второй, но качество определения положения ротора зависит от величины противо-ЭДС, поэтому он плохо работает в области низких и средних скоростей, где эта величина мала и определяется датчиками с большой погрешностью. Кроме того, противо-ЭДС нельзя измерить непосредственно, поэтому на результаты измерений будут влиять дополнительные факторы, в частоности трансформаторные ЭДС.
Второй способ подразумевает использование дополнительного тестового сигнала, который накладывается на основной. Затем САУ проводит анализ отклика на тестовый сигнал и по заданной математической модели определяет положения ротора.
При этом второй способ является более сложным, требует более серьезных затрат процессорного времени, чем первый, реализации точных математических моделей и качественных измерительных каналов. По сравнению с ним, первый способ, основанный на измерении противо-ЭДС, показывает менее точные результаты и работает в меньшем диапазоне скоростей, но является более простым в реализации, не требует сложных алгоритмов и больших вычислительных мощностей процессора.
Поэтому, исходя из требований, предъявляемых к приводу, в данной работе будет взят за основу способ, основанный на оценке положения ротора по сигналу противо-ЭДС. В рамках данного подхода существует несколько типов алгоритмов определения -подход, при котором, противо-ЭДС рассчитывается по значениям электрических величин электропривода и заложенным в САУ уравнениям [49, 50], и компенсационный подход, при котором в систему заложены уравнения наблюдателей [56, 58, 50, 55]. При этом второй подход является более сложным, по сравнению с первым, требует более сложного математического аппарата и более мощного микроконтроллера. А т.к. к САУ предъявляются невысокие требования по точности управления, имеет смысл использовать первый подход. При таком подходе существует два основных способа оценки положения ротора синхронного двигателя без помощи датчика положения. Первый из них предполагает решение одной из систем уравнений, описывающих состояние двигателя, и нахождение вектора ЭДС, фаза которого связана с положением ротора. А затем используя выражение at которое описывает связь между векторами ЭДС и потокосцепления ротора, находим вектор потокосцепления ротора и непосредственно положение ротора. Если принять, что ротор вращается с угловой скоростью со, то ЭДС фазы, например, фазы А изменяется по закону WAm = Wm sin(cot), тогда противо-ЭДС этой фазы: Такой способ сложен для программной реализации, особенно на фоне работы ШИМ-регуляторов фазных токов, поэтому уравнения часто упрощают, путем отбрасывания незначительных составляющих, или принимают сильные допущения, которые позволяют получить более простое решение [54, 57]. Кроме того, этот способ очень чувствителен к типу используемой математической модели и параметрам двигателя и нагрузки. Второй способ эффективен только при использовании реверсивной парной коммутации фаз. При такой коммутации двигателя все время под -27-ключены только две фазы, что обеспечивает комбинацию из шести векторов (рис. 1.2.1). А в таблице 1.2.1 приведена зависимость вектора поля статора в зависимости от положения ротора при условии получения максимального момента (вектор поля статора опережает поле ротора в среднем на 90 градусов), т.е. для нейтральной коммутации. При двухфазной реверсивной коммутации на каждом такте коммутации всегда есть отключаемая фаза, в которой ток спадает. Если измерять ЭДС каждой фазы на интервале нулевого тока, то можно получить достаточно точную информацию о положении ротора в момент прохождения ЭДС через ноль. Таким образом, положение ротора может быть определено в середине каждого текущего такта коммутации, т.е. 6 раз на электрический оборот, что достаточно для организации режима автокоммутации двигателя. Ограничение, связанное с парной коммутацией [75] незначительно снижает -28-КПД двигателя и электромагнитный момент, поэтому рассматриваемый метод управления можно рекомендовать для систем малой и средней мощности (до нескольких кВт) при невысоких требованиях к качеству и диапазону регулирования скорости (до 10:1). Метод хорошо приспособлен для процессорных реализаций на базе менеджера событий и быстродействующего АЦП и принят нами в качестве основного для построения системы бездатчикового управления ВД. В связи с тем, что предлагаемый метод основан на оценке противо-ЭДС, его нормальное функционирование возможно только начиная с определенной скорости. Однако он не может дать информацию о начальном положении ротора, ни осуществить разгон привода до определенной скорости. Для этих целей необходимо использовать другие алгоритмы. Поэтому задача бездатчикового управления разбивается на три подзадачи: 1. Определение начального положения ротора двигателя 2. Разгон двигателя до момента устойчивой идентификации положения ротора по кривой выделенной ЭДС 3. Перевод двигателя в режим автокоммутации по идентифицированному положению ротора и работа в режиме бездатчикового управления
Математическая модель системы преобразователь-двигатель
При разработке математического описания электрического двигателя и системы управления, как показано в [2], все переменные и параметры электропривода удобно представлять в относительных единицах (о.е.). Такое представление обеспечивает по сравнению с описанием в физических единицах следующие преимущества.
Принцип перехода от абсолютных величин к относительным заключается в том, что все переменные и параметры модели выражаются в долях от соответствующих базовых величин. Например, если за базовые величины выбраны номинальные значения каких-либо переменных, то по относительным значениям переменных легче однозначно оценить условия, в которых работает система. Например, если двигатель работает при фазном токе с относительным значением равным 2.0, то ясно, что в фазе двигателя течет ток, равный двум номинальным значениям.
При разработке математического описания в о.е. результаты аналитического исследования модели системы электропривода, а также её имитационного моделирования могут быть гораздо проще распространены на двигатели широкого ряда мощностей. При изменении мощности электрических машин относительные значения их параметров (например, постоянные времени) изменяются в гораздо меньшей степени, чем их абсолютные характеристики. Это позволяет обобщать и распространять результаты, полученные для одной конкретной машины, на всю серию.
Поскольку настоящая работа посвящена разработке и реализации системы управления ВД на базе управляющего микропроцессора, то в качестве наиболее важного преимущества перехода к о.е. следует указать следующее обстоятельство. Переменные и параметры, представленные в о.е., удобно представлять в процессорах с фиксированной точкой. Дело в том, что при математических расчётах с фиксированной точкой необходимо знать диапазон изменения любой из представленных величин, что значительно упрощается благодаря математическому описанию в о.е. Применение относительных единиц позволяет минимизировать изменение ПО САУ ЭП при его адаптации к двигателю другой мощности.
Задача выбора системы базовых величин нетривиальна. В принципе, базовые величины могут выбираться произвольно, из любых соображений, часто из специфических требований, определяемых конкретной реализацией разрабатываемой системы. В данной работе система базовых величин была выбрана исходя из следующих соображений:
Система базовых величин должна характеризовать номинальный режим работы двигателя
Система базовых величин должна быть непротиворечивой, т.е. содержать некоторое количество (минимально возможное) основных величин, которые будут определять производные базовые величины. Такая система базовых величин позволяет получить наиболее простое математическое описание, по форме аналогичное описанию в абсолютных единицах величин принята следую двигателя
Одной из главных задач в современных системах управления СМ является корректный пуск системы. Для этого необходимо знать точное положение ротора. Эта задача достаточно просто решается, если в системе присутствует абсолютный датчик положения, выдающий непосредственную информацию о положении ротора, но при работе с инкрементальным (квадратурным) датчиком положения, или работе с алгоритмами бездатчикового управления привода эта проблема требует решения. Самое простое решение - подать напряжение на одну из фаз и дождаться пока ротор сориентируется по полю. Однако это может быть неприемлемо для некоторых механизмов, т.к. ротор может совершить неконтролируемое движение назад. Поэтому в последнее время эта проблема широко обсуждается, и в западной прессе появился ряд статей по этой проблеме [59 - 64]. Если ротор машины стоит на месте, то он не создает противоЭДС, которая позволяет определить его положение, поэтому все методы определения начального положения ротора используют специальный тестовый сигнал, который подается на статор машины, и специальный алгоритм анализа отклика на него. Итак, все способы определения начального положения подразумевают задание некоторого тестового сигнала (тока или напряжения), который подается на статор машины и специального алгоритма анализа отклика на него. Существующие способы можно разделить на методы с непосредственным вычислением начального угла по результатам эксперимента [59, 63] и методы с постепенным приближением, т.е. с вычислением и дальнейшей минимизацией функции ошибки [60] или их комбинацию (например, когда первый способ используется для грубой оценки, а второй для более точного определения). По типу тестового сигнала алгоритмы определения начального положения ротора делятся на методы, использующие токовый тестовый сигнал [60, 63], и методы, использующие тестовый сигнал напряжения [59]. В основе определения начального положения ротора лежит разница ин-дуктивностей по осям по осям d и q и эффект насыщения стали статора. Способ, использующий разницу в магнитном сопротивлении ротора по осям d и q, требует разработки дополнительных методик: определение вида и формы тестового сигнала и метода анализа полученного отклика. Однако в этом случае магнитное сопротивление по осям d и q должно быть различным обычно явнополюсная машина), а положение ротора будет определено с точностью до к электрических радиан (останется неизвестным положение полюсов на роторе). Второй способ, использующий эффект насыщения стали двигателя при согласном действии магнитных полей статора и ротора, имеет один главный недостаток: из-за небольшого насыщения машины иногда трудно определить точное положение ротора, поэтому этот способ, в основном, используется в комбинации с первым, и применяется для определения полярности магнитов на роторе. При создании математической модели используются допущения, сделанные ранее. Принятые допущения позволяют провести преобразование координат и привести реальную и-фазную машину к виртуальной двухфазной машине. При этом предполагается, что датчики тока и напряжения расположены так, что получаемая информация позволяет рассчитать в любой момент времени токи и напряжения виртуальной двухфазной машины. На рис. 2.2.1. показан рисунок трехфазной синхронной машины с активным ротором. А, В, С- фазы машины, dviq- оси машины, связанные с ротором, а и и v - оси машины, выбираемые произвольно (иногда для удобства можно ось и связать с фазой А). Фазные обмотки осей d,q и u,v не показаны.
Преобразователь, выполненный по схеме полного моста
На основании предложенной ранее структуры ЭП, и анализа созданных алгоритмов, можно сформулировать требования к центральному микроконтроллеру (МК) и к архитектуре управляющего контроллера.
При этом следует отметить тот факт, что требования, предъявляемые к контроллеру для экспериментальной установки и требования, предъявляемые к серийному образцу, будут сильно отличаться. Это вызвано тем, что на этапе отладки программного обеспечения к контроллеру предъявляются более широкие требования (наличие дополнительных интерфейсов и т.д.). Поэтому сначала будут рассмотрены требования, предъявляемые к контроллеру в экспериментальной установке, а затем будет показано, какими требованиями можно пренебречь для серийного образца.
Контроллер должен иметь достаточно производительный ЦП, который обеспечивал бы работу математических модулей в реальном времени, а также реализацию на периоде ШИМ всех требуемых регуляторов, фильтров, защит и т.д. Кроме того, ЦП должен иметь набор необходимой встроенной периферии для реализации требуемой функциональности управления приводом и обеспечения связи с внешними устройствами, а именно: ? модули ШИМ (для управления трехфазным инвертором и DC/DC преобразователем) для формирования сигналов прямого цифрового управления силовыми ключами инвертора; ? производительный АЦП для обработки аналоговых сигналов с датчиков (фазных токов, линейных напряжений), чтения задания со специального входа и т.д., Количество входов должно быть не менее 10; ? блок обработки сигналов с импульсного датчика положения ротора, который необходим на этапе отладки программных модулей СУ; ? модули связи по следующим интерфейсам: = последовательному асинхронному интерфейсу (RS-232) для связи с компьютером, который необходим для интерактивного управления приводом, диагностики и сбора данных, наблюдения за внутренними переменными программных модулей на этапе разработки; = последовательному периферийному интерфейсу (SPI) для связи с устройствами, расположенными на плате контроллера (энергонезависимое ОЗУ) или с дополнительными платами (пультом оперативного управления, платой релейного ввода/вывода, платой ЦАП), которые будут полезны на этапе разработки ПО; = JTAG-интерфейсу для внутрисхемной эмуляции и отладки программ; = интерфейсу для создания промышленных локальных сетей (CAN), который может использоваться для управления приводом от пульта, или при помощи персонального компьютера с CAN-платой. ЦП должен также поддерживать ввод/вывод дополнительных сигналов: ? ввод по прерыванию аппаратного сигналов аварии от силового модуля; ? ввод/вывод дискретных сигналов для вспомогательных задач, например, для управления светодиодами или дополнительными ключами; Помимо ЦП контроллер должен содержать модули, которые выполняют: ? преобразование сигналов управления ключами инвертора к требуемому виду и уровню напряжения, их усиление (буферирование) и подачу через соответствующий разъём на плату драйверов силовых ключей; ? ввод нескольких аварийных сигналов от силового модуля, их фильтрацию и подачу на соответствующий вход прерывания процессора; ? приём квадратурного сигнала от импульсного датчика положения ротора; этот сигнал может передаваться либо в обычном однополярном виде, либо, для повышения уровня помехозащищённости канала, в дифференциальной форме - контроллер должен обрабатывать сигнал любого вида; ? обеспечивают предварительную обработку аналоговых сигналов; если аналоговый сигнал имеет формат, соответствующий входам АЦП центрального процессора, то он должен только фильтроваться, иначе он должен ещё и масштабироваться для приведения к формату, требуемому микроконтроллером. Для создания системы управления необходимо, чтобы контроллер имел следующие аналоговые входы: = -5 -г- 5 В, 4 входа (линейные напряжения, фазные токи), = 0 -5- 5 В, 4 входа (напряжения на входе и выходе DC/DC преобразователя, ток в дросселе DC/DC, сигнал задания), ? буферирование дополнительных дискретных сигналов, выводимых от контроллера, для приведения к требуемому виду и уровню напряжения, а также выполнять функцию защиты выходов ЦП от перегрузки; ? хранение данных во внешней энергонезависимой памяти (т.е. контроллер должен иметь в своём составе микросхему энергонезависимого ОЗУ, в котором хранятся настройки привода и другая информация); ? хранение данных во внешней памяти, что позволит упростить процесс отладки при помощи JTAG-эмулятора и уменьшить количество циклов записи во флэш-память контроллера, что увеличивает ее ресурс долговечности. ? мониторинг напряжения питания, что обеспечивает качественный сброс ЦП при нарастании/пропадании питания, а также выдачу сигнала о снижении напряжения питания, по которому могут быть произведены какиелибо специфические действия (например, сохранение статуса системы управления в энергонезависимом ОЗУ); приведение логических сигналов интерфейсов к физическим и наоборот (контроллер должен содержать микросхемы драйверов интерфейсов (CAN, RS-232), либо, если драйвер не требуется - буферы для защиты выходов центрального микроконтроллера (SPI)). Принимая во внимание, что требования к промышленному образцу привода гораздо мягче, то и требования к контроллеру для серийного образца будут менее жесткими, а именно: для него не нужен интерфейс с квадратурным датчиком положения, не нужны коммуникационные интерфейсы CAN, RS-485 и RS-232, нужно небольшое число дискретных входов/выходов и т.д.
DSP-микроконтроллеры фирмы Analog Devices
Для питания стенда применяются два источника питания, состоящих из автотрансформатора с последующими выпрямителями и фильтрами. Один из них предназначен для питания цепей управления и выдает постоянное напряжение 80 В. Другой источник обеспечивает регулирование постоянного напряжения в широких пределах (от 0 до 200 В), имеет в своем составе мощные емкостные фильтры, позволяющие снизить коэффициент пульсаций выходного напряжения, и предназначен для питания силовой части привода. Такой подход позволяет питать силовую часть привода на этапе отладки программы низким напряжением, что снижает последствия возможных ошибок.
Помимо вышеперечисленных устройств при исследовании привода использовались: электронный осциллограф PCS64i, подключенный к компьютеру, плата двенадцатиразрядных ЦАП для вывода на экран осциллографа внутренних переменных программы и персональный компьютер, предназначенный для написания и отладки программы, просмотра осциллограмм и т.д.
Регистрация цифровых переменных программы становится возможной за счет применения специально спроектированной внешней платы ЦАП, которая подключается к контроллеру МК 11.3 по шине данных и адресной шине. Данная плата позволяет регистрировать до четырех переменных.
Осциллограф PCS64i (производитель - фирма Velleman) - это цифровой двухканальный осциллограф, который в качестве устройства индикации использует монитор ПК. При этом он позволяет запоминать полученные изображения и сохранять их в файл в виде точечного рисунка. Он может работать в режиме обычного осциллографа, в режиме запоминания, и в режиме регистрации медленно изменяющегося сигнала. Режим запоминания используется для записи осциллограмм переходных процессов.
Однако, как показала практика, для регистрации внутренних переменных плата ЦАП оказалась не очень удобной. Поэтому для этих целей была разработана специальная программа для компьютера и специальный модуль осциллографирования для контроллера МК 11.3. Модуль осциллографирова-ния представляет собой набор подпрограмм, управление которыми осущест -134-вляется от внешней программы по интерфейсу RS-232. Он работает как двухканальный осциллограф и позволяет регистрировать 256 точек по каждому из каналов. Кроме того, он обладает стандартным набором функций осциллографа: всевозможные триггеры, мониторинг нескольких ячеек памяти и т.д. Полное описание этой программы приведено в приложении.
Одна из проблем, которая встала при практической разработке алгоритмов управления - получение достоверных значений электрических величин с датчиков. Наиболее существенными помехами в этих каналах измерения, как показали практические исследования, являются наводки и коммутационные помехи. Если первые из них действуют постоянно, то вторые - в момент коммутации силовых ключей (два раза на периоде ШИМ) (рис. 5.2.1.), что позволяет избежать таких помех при грамотном построении системы измерения, т.е. проводить оцифровку электрических величин в моменты времени, максимально отдаленные от момента коммутации.
Другая проблема - получение достоверного значения тока дросселя в DC/DC преобразователе. Ток в дросселе на одном периоде ШИМ меняется очень сильно (до 40% от среднего значения), а в зависимости от коэффициента увеличения входного напряжения максимум тока может быть очень сильно смещен в ту или иную сторону. Поэтому для измерения среднего значения этого тока, которое необходимо для управления DC/DC преобразователем, недостаточно простого однократного измерения на периоде ШИМ. В этом случае мы получим заведомо неправильное значение тока, которое может отличаться от истинного на 40%
-Осциллограмма тока дросселя Чтобы точно измерить ток дросселя и уменьшить влияние шумов, было решено измерять все электрические величины 8 раз на каждом периоде ШИМ, а затем усреднять полученные значения.
При этом следует учесть, что в системе измеряется 9 электрических величин, а АЦП контроллера - один (псевдомногоканальный). Поэтому за один период ШИМ он должен проводить 72 измерения, что загружает его практически на 100% Кроме того, необходимо оптимизировать подпрограмму обработки результатов измерения электрических величин по быстродействию потому, что именно она будет занимать максимум процессорного времени.
Для выполнения поставленной задачи было решено запускать АЦП вручную, чтобы можно было оцифровывать сигналы ровно 8 раз на периоде ШИМ. Для обеспечения равных интервалов времени между запусками АЦП можно было бы использовать один из таймеров, однако они уже все заняты под другие нужды. Поэтому было решено использовать один из таймеров второго менеджера событий, точнее три его свободных канала сравнения (4, 5 и 6). При этом сам таймер будет работать на другую задачу (управление одним из ключей DC/DC преобразователя), но его период будет равен периоду ШИМ. Зададим уровни сравнения так, как показано на рис. 5.2.2., т.е. чет -136-верть от периода по каналу сравнения 4, половину от периода по каналу сравнения 5 и три четверти от периода по каналу сравнения по каналу 6. В этом случае прерывания будут вызываться в той последовательности, которая показана на рис. 5.2.2.
Порядок вызовов прерываний Далее, все прерывания будут использоваться для суммирования результата, а одно из них для окончательного расчета электрических величин в относительных единицах, обнуления фильтров и подготовке к новому циклу измерений. В качестве этого прерывания удобно взять прерывание по периоду таймера, если все главные алгоритмы выполняются в прерывании по за-ему, и наоборот. В нашем случае в качестве этого прерывания выступает прерывание по периоду таймера. Тогда модуль работы с АЦП должен будет содержать в себе всего три процедуры: инициализации, суммирования и расчета значений. Процедура инициализации должна вызываться в самом начале выполнения программы и устанавливать необходимые режимы работы АЦП.
