Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор и анализ методов управления состоянием асинхронных электродвигателей 11
1.1. Введение 11
1.2. Методы скалярного управления 12
1.3. Методы управления с ориентацией по векторам потоков 15
1.4. Методы прямого управления электромагнитным моментом и магнитными потоками АД 17
1.5. Методы оптимального управления состоянием АД 22
1.6. Выводы по главе 24
2. Методы и модели оценки состояния асинхронных электродвигателей 26
2.1. Введение 26
2.2. Математические модели асинхронного электродвигателя 27
2.3. Диапазон регулирования электромагнитного момента АД 29
2.4. Идентификация потоков АД 36
2.5. Выводы по главе 39
3. Разработка и исследование вариантов управления координатами асинхронных электродвигателей 40
3.1. Введение 40
3.2. Оптимальное управление состоянием асинхронных электродвигателей, описываемых уравнениями в ортогональных системах координат 40
3.3. Управление координатами асинхронных электродвигателей, описываемых уравнениями в трехфазных системах координат 66
3.4. Режимы работы управляемого электропривода на основе АД 88
3.5. Выводы по главе 97
4. Экспериментальная проверка вариантов управления асинхронными электродвигателями 98
4.1. Введение 98
4.2. Обзор технических решений в области управления асинхронными электродвигателями 98
4.3. Испытательный стенд 99
4.4. Программное обеспечение ...108
4.5. Экспериментальные данные 112
4.6. Выводы по главе 119
Заключение и основные выводы 121
Список литературы 123
Приложение 132
Приложение 132
- Методы прямого управления электромагнитным моментом и магнитными потоками АД
- Диапазон регулирования электромагнитного момента АД
- Оптимальное управление состоянием асинхронных электродвигателей, описываемых уравнениями в ортогональных системах координат
- Испытательный стенд
Введение к работе
Актуальность работы
Одним из путей дальнейшего повышения технико-экономических показателей электроприводов на базе асинхронных электродвигателей (АД) является совершенствование способов управления их состоянием. При этом асинхронный электродвигатель рассматривается как источник силовых управляющих воздействий на механическое передаточное устройство электропривода, определяющий успех выполнения технологических операций и формирование необходимого внутреннего состояния элементов всей электромеханической системы.
Вопросами управления АД занимаются уже более 80 лет. Первым вариантом управления, сформулированным еще в 1925 г. академиком М.П. Костенко, является одноименный закон управления. Этот вариант управления широко применяется для систем разомкнутого управления, где не требуется высокая точность управления частотой вращения.
Дальнейшее развитие теории управления АД можно разделить на два направления: варианты скалярного управления и варианты управления с ориентацией по вектору потока ротора. Представителями первого направления являются А.А. Булгаков, А.С. Сандлер, Р.С. Сарбатов, Ю.А. Сабинин, В.Л. Грузов и др. Второе направление получило усиленное развитие в работах зарубежных авторов, таких как, К. Хасс (Hasse), Ф. Блашке (F. Blaschke) и др. Неоспоримым достоинством второго направления является высокое качество управления как в переходных, так и в установившихся режимах. После выхода работы F. Blaschke многие авторы обратили свое внимание на усовершенствование методов управления с ориентацией по вектору потока.
В это время (1985 г.) М. Депенброк (М. Depenbrock) предлагает совершенно другой подход к задаче управления АД. Подход заключался в непосредственном управлении траекторией движения вектора потока статора воздействием на него вектора напряжения статора. Благодаря такому управлению одновременно решаются задачи регулирования магнитного состояния машины и управления электромагнитным моментом. Независимо от М. Депенброка авторы И. Такахаши (I. Takahashi) и Т. Ногучи (Т. Noguchi) годом позже (1986 г.) предлагают аналогичный вариант управления, отличающийся от предыдущего более простой реализацией и круговой траекторией вектора потока статора. Варианты получили название «прямое управление моментом». После выхода работ М. Депенброка, И. Такахаши и Т. Ногучи многие зарубежные авторы обратили внимание на усовершенствовании вариантов прямого управления моментом.
Следует отметить также существование в отечественных работах обособленного подхода к управлению АД, основанному на теории оптимального управления. Оптимальные управления АД можно разделить на два направления: непрерывное управление (управляющее воздействие - частота напряжения статора), кусочно - непрерывное управление (управления - составляющие вектора потока статора). В работах Е.К. Ещина показана связь вариантов оптимального управления и вариантов управления с ориентацией по вектору потока и прямого управления моментом.
Необходимо отметить, что:
теоретически существует множество возможных вариантов оптимального управления объектом, описываемым дифференциальными уравнениями, которые обеспечивают одинаковый результат управления. Естественно возникает проблема поиска наилучшего решения среди оптимальных решений, как второй уровень оптимизации построения системы управления электроприводом.
в большинстве работ авторы предлагают частное решение задачи, например, управления электромагнитным моментом и магнитным состоянием, минуя общую постановку задачи управления АД, и при изменении постановки задачи проводят новый поиск решений. В этой связи можно сформулировать задачу поиска общего решения задачи управления координатами АД, которую можно, используя терминологию, принятую в работах Л.С.Понтрягина, сформулировать следующим образом: среди всех допустимых управлений и. є /, переводящих АД из исходного положения в заданное, найти такое, для которого
функционал J = \f[x,Ujdt принимает наименьшее возможное значение.
- многочисленными исследованиями установлено, что именно высокий уровень
динамической нагруженности является одной из наиболее важных причин низ
кой надежности электроприводов, например, горных машин (ГМ). Именно этот
фактор определяет интенсивный расход ресурсов всех элементов активных ча
стей электроприводов. Формирование необходимой динамической нагружен
ности элементов ГМ возможно на основе использования исполнительных элек
трических машин в качестве источников формирования силовых управляющих
воздействий.
Таким образом, вопросы управления состоянием АД можно считать недостаточно изученными и в этой связи необходимо:
найти решение общей задачи управления состоянием АД в виде синтезирующих функций (аналитических конструкций оптимальных управляющих устройств), определяющих правила связей управляющих воздействий на АД с его фазовыми координатами;
выявить наиболее простые и реализуемые аналитические конструкции оптимальных устройств управления состоянием АД на основе общих вариантов управления;
выполнить компьютерный анализ качества выявленных аналитических конструкций оптимальных управляющих устройств;
экспериментально подтвердить результаты теоретических исследований на экспериментальной установке, включающей преобразовательное устройство в виде автономного инвертора напряжения и электромеханический преобразователь - АД.
Цель работы - разработка алгоритма поиска вариантов оптимального управления состоянием асинхронного электродвигателя, объяснение и прогнозирование динамических процессов передачи и электромеханического преобразования энергии в асинхронных электроприводах в управляемых режимах, направ-
ленные на повышение уровня эксплуатации электроприводов и необходимые для использования при исследовании этих процессов в проектной практике.
Идея работы состоит в использовании физических возможностей современной преобразовательной техники для физической реализации аналитических конструкций оптимальных устройств управления состоянием асинхронного электродвигателя, рассматриваемого как источник силового управляющего воздействия на электромеханическую систему электропривода.
Основные научные положения
Алгоритмический поиск практических вариантов аналитических конструкций оптимальных устройств управления состоянием АД производится на основе специально полученных средствами принципа максимума Л.С. Понтрягина совокупностей оптимальных связей целевых функционалов с фазовыми координатами АД, которые неявным образом учитывают структуру и режим работы электропривода.
Варианты аналитических конструкций оптимальных устройств управления состоянием АД являются кусочно-непрерывными функциями, физически воспроизводимыми автономным инвертором напряжения. При этом исключается необходимость реализации широтно-импульсной модуляции автономного инвертора.
Найденные аналитические конструкции оптимальных устройств управления состоянием АД имеют структуру минимальной сложности, благодаря чему распространение ошибок вычисления при построении цифровых систем управления минимизируется.
Методы исследований
При выполнении диссертационной работы: производилось моделирование электромеханических процессов АД в управляемых режимах на основе математических моделей теории обобщенной электрической машины, численных методов решения систем дифференциальных (метод Рунге-Кутта 4-го порядка) и алгебраических (метод Гаусса) уравнений, выполнялось решение общей задачи управления состоянием АД на основе метода теории оптимального управления (принцип максимума Л.С. Понтрягина), а также выполнялась экспериментальная проверка результатов теоретических исследований методами имитационного физического и вычислительного моделирования.
Научная новизна
Разработан алгоритм синтеза оптимальных устройств управления состоянием АД, при котором управляющие воздействия являются кусочно-непрерывными функциями, величина которых определяется при помощи синтезирующих функций, зависящих от состояния АД.
На основе разработанного алгоритма синтеза оптимальных устройств управления получены частные варианты управления состоянием АД (электромагнитным моментом и магнитными потоками), обладающие минимальной сложностью.
Разработаны алгоритм и программа для цифровой системы управления электроприводом, состоящим из электрического (автономного инвертора напряже-
ния) и электромеханического (АД) преобразователей энергии, реализующие аналитические конструкции оптимальных устройств управления состоянием АД.
Практическая ценность состоит:
В разработке алгоритма синтеза оптимальных управляющих устройств состоянием АД, позволяющего синтезировать частные варианты управления состоянием минимальной сложности при произвольной целевой формулировке задачи управления.
В разработке конструкций оптимальных устройств управления электромагнитным моментом и магнитным состоянием АД, позволяющих минимизировать распространение ошибок в системах управления электроприводом.
В разработке технического решения, позволяющего реализовать разработанные конструкции оптимальных управляющих устройств при построении систем управления электроприводов на базе асинхронных электродвигателей, использующего элементную базу современной преобразовательной техники.
Достоверность научных положений и выводов подтверждается совпадением результатов, полученных на основе вычислительного эксперимента моделирования электромеханических процессов при управлении электромагнитным моментом и магнитным состоянием АД на основе синтезированного алгоритма управления и экспериментальных данных, полученных на испытательной установке, включающей в себя автономный инвертор напряжения со встроенной цифровой системой управления и АД, реализующей разработанный алгоритм управления.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались на международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании '2008» (Одесса, 15-25 декабря 2008 г.), международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований '2009» (Одесса, 16-27 марта 2009 г.), П-ой Всероссийской научно-технической конференции «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий» (Уфа, 19-20 марта 2009 г.), 1-ой Всероссийской, 54 научно-практической конференции «Россия молодая» (Кемерово, 20-24 апреля 2009 г.).
Публикации
По результатам выполненных исследований опубликовано 8 печатных работ, в том числе патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 4 разделов и заключения, изложенных на 130 страницах машинописного текста.
Методы прямого управления электромагнитным моментом и магнитными потоками АД
В середине 1980-х, когда большинство исследователей работало над улучшением управления с ориентацией по векторам потоков, М. Депенброк (М. Depenbrock) представил метод «прямое саморегулирование потока и крутящего момента электрической машины с вращающимся полем» (Direct Self Control of the flux and rotary moment of a rotary-field machine) [11, 17, 18]. В это время (1986) И. Такахаши (I. Takahashi) и Т. Ногучи (Т. Noguchi) независимо от М. Депенброка предлагают метод, получивший название «прямое управление моментом» (Direct Torque Control), который отличается от DSC структурной реализацией и траекторией пространственного вектора потокоецепления [11, 20, 21]. В отличие от FOC, которое включает пшротно-импульсную модуляцию и контуры регулирования составляющих вектора тока статора, DTC и DSC содержат нелинейные регуляторы с зонами неоднозначности, которые работают непосредственно с потоком статора и моментом без использования внутренних контуров тока. После появления этих двух работ исследователи в области электропривода обратили свое внимание на улучшение и разработку новых методов и алгоритмов, основой которых является DTC и DSC.
Неоспоримым преимуществом DTC и DSC по сравнению с FOC и скалярным управлением является быстродействие контуров регулирования момента и потока. Однако это обстоятельство приводит к следующим недостаткам: повышенный размах колебаний момента и потока, непостоянство частоты переключения ключей инвертора, низкое качество управления при малой частоте вращения ротора машины [11, 23, 24]. Непостоянство переключения ключей инвертора для электрической части установки считается недостатком, так как вызывает излишние динамические потери в силовых элементах преобразователя. При этом для механизмов, приводимых во вращение, особенно для многоступенчатых редукторов, это обстоятельство является достоинством, так как исключаются резонансные колебания.
Некоторые работы посвящены применению DTC и DSC в управлении машиной двойного питания (МДП) [22, 26]. Применение МДП с управлением по вариантам DTC и DSC предоставляет следующие преимущества: распределение подаваемой в машину мощности между преобразователями в цепи статора и цепи ротора, снижение класса напряжения преобразователя, стоящего в цепи ротора, увеличение точности и быстродействия каналов регулирования момента, потока статора и потока ротора, а также увеличение диапазона регулирования момента. Идея методов DTC и DSC заключается в формировании электромагнитного момента путем изменения положения вектора потока статора в заданном направлении [17, 18]. Для этого необходимо сформировать вектор напряжения в- направлении необходимого приращения вектора потока статора. Величина приращения вектора потока статора определяется временем воздействия и амплитудой вектора напряжения. Для создания требуемого вектора напряжения М. Депенброк, И. Такахаши и Т. Ногучи предложили использовать автономный инвертор напряжения (АИН), который может создать восемь векторов напряжения, включая два нулевых. При формировании ненулевого вектора напряжения вектор потока статора начинает прирастать таким образом, чтобы были достигнуты заданный момент и амплитуда вектора потока статора. При воздействии нулевого вектора напряжения приращение потока не происходит, а за счет падения напряжения на активном сопротивлении статора он незначительно убывает.
Достоинства методов управления DTC и DSC: о высокое быстродействие контуров управления электромагнитным моментом и амплитудой вектора потока статора; высокое качество регулирования электромагнитного момента и амплитуды вектора потока статора в переходных режимах; простота системы управления; диапазон регулирования частоты вращения может достигать D = 1000: J. Недостатки методов управления DTC и DSC: колебания электромагнитного момента и амплитуды вектора потока статора относительно заданных значений; необходимость точного определения составляющих вектора потока статора, электромагнитного момента и активного сопротивления обмотки статора; непостоянство частоты коммутации ключей инвертора. В работе [24] представлен улучшенный метод прямого управления моментом и вектором магнитного потока статора, основанный на DTC. Для обеспечения устойчивого пуска и работы на низкой скорости автор, М.П, Казмир-ковский (М.Р. Kazmierkowski), предлагает ввести добавочный сигнал, изменяющийся с частотой 500 Гц. Дело в том, что нулевые векторы напряжения, которые используются в DTC и DSC для снижения момента, неприемлемы для работы на низких скоростях, из-за небольшой частоты вращения потока ротора. Предпочтительнее в данном случае будет использовать активный вектор напряжения. Добавочный сигнал вводится только при низкой частоте вращения ротора и обеспечивает выбор только активных векторов напряжения.
Введение добавочного сигнала также применяется в работе И. Такахаши и Т. Ногучи [25] для увеличения частоты коммутации ключей инвертора, снижения акустического шума электродвигателя и уменьшения размаха колебаний электромагнитного момента и амплитуды вектора потока статора около заданных значений,
В работе [23} был предложен другой подход к прямому управлению моментом. Его целью является - получение заданного момента и потока статора через заданный промежуток времени. Как правило, этот промежуток является ограничением, связанным с частотой коммутации ключей и скоростью вычислительного алгоритма. Идея метода заключается в формировании заданного вектора потока за один период дискретизации в зависимости от заданных значений амплитуды потока и электромагнитного момента. При таком подходе координаты АД имеют квазисинусоидальный характер, что обеспечивает минимизацию потерь в двигателе и преобразователе. Другое название этого подхода DeadBeat DTC [21, 23]. Недостатки подхода: использование пространственно-векторной ШИМ, необходимость оценки параметров статора и ротора электродвигателя.
Диапазон регулирования электромагнитного момента АД
Развитие теории управления электроприводами с АД в последние годы сводится к усовершенствованию вариантов управления, полученных из двух идей: ориентирование по вектору поля и прямое управление моментом и потоками. Применение теории оптимального управления к задаче управления АД представляет большие трудности в виду нелинейности и сложности объекта управления. Но, несмотря на это, существует несколько работ в этом направлении, представляющие интерес для разработчиков систем управления состоянием электроприводов с АД.
Оптимальное управление электроприводами с АД, основанное на алгоритме скоростного градиента А.Л. Фрадкова, рассматривается в работах В.М. Завьялова и И.Ю. Семыкиной [38-40]. Выражения для оптимальных управляющих воздействий представляют собой интегральные формы произведений разностей заданных и действительных значений электромагнитного момента, амплитуды вектора потока статора и составляющих вектора потока статора. Достоинства градиентного метода управления: отсутствие координатных преобразований; высокая статическая и динамическая точность канала регулирования электромагнитного момента. Недостатком градиентного метода управления является наличие операции интегрирования, которая порождает проблемы накопления ошибки в канале регулирования переменных.
Другой подход к оптимальному управлению электроприводами с АД развит в работе А.А. Колесникова и Г.Е. Веселова [41]. Подход основан на синергетической теории оптимального управления. Полученные конструкции громоздки и трудно реализуемы на практике, кроме того они предполагают использование прямых и обратных координатных преобразований, что дополнительно усложняет их реализацию. К достоинству относится высокое качество управления частотой вращения и углом поворота ротора (позиционирование).
Еще один подход к управлению состоянием АД носит название фазового принципа векторного управления. Это направление развито в работах В.А. Мищенко [42]. Отличительной особенностью данного подхода является представление АД через систему дифференциальных уравнений, основанную на фазах и амплитудах векторов напряжений, токов и потоков. В связи с этим представлением электромагнитный момент становится инвариантным относительно активных сопротивлений обмоток статора, ротора и индуктивностей. Недостатками являются: громоздкость системы управления, включающей в себя векторный анализатор, векторный оптимизатор, векторный регулятор и векторный наблюдатель состояния АД; необходимость оценки фаз результирующих векторов АД; использование в конструкциях управляющих устройств тригонометрических функций.
Среди всех вариантов оптимального управления состоянием АД следует отметить варианты, развитые в работах Е.К. Ещина [30-34]. Отличительной особенностью вариантов является универсальность конструкций управляющих устройств, а также инвариантность относительно систем координат. В работах Е.К. Ещина показано, что, используя различные методы теории оптимального управления (классическое вариационное исчисление, принцип максимума Л.С. Понтрягина, принцип абсолютного минимума В.Ф. Кротова), можно прийти к одинаковым результатам. Результаты синтеза оптимальных устройств управления представляются в двух видах: непрерывное управление (управляющее воздействие - частота питающего напряжения), кусочно-непрерывное управление (управляющие воздействия - составляющие вектора напряжения). Недостатками описанных вариантов управления являются: управления формируются в ортогональной системе координат, что в-случае управления трехфазным АД-дополнительно усложняет систему управления; при непрерывном управлении необходимо определять параметры цепи ротора. Достоинствами оптимальных управляющих устройств являются: отсутствие операций интегрирования, отсутствие координатных преобразований, простота конструкций управляющих устройств, минимум значений параметров, необходимых для реализации управления.
Наиболее простые варианты управления АД (скалярные разомкнутые) предполагают низкое качество управления координатами, поэтому их использование в некоторых случаях нецелесообразно. Например, для управления потоком воздуха в вентиляционных системах или давлением в трубопроводе системы водоснабжения можно использовать скалярное управление по закону Костенко. Но для привода горных машин, протяженных конвейеров, дробилок и других механизмов, работающих в предельных режимах, этот вариант управления не даст удовлетворительных результатов.
С другой стороны излишне сложный вариант управления, использующий значения множества параметров и координат машины, которые трудно измерить и определить, в реальных условиях будет иметь низкую надежность. Например, варианты управления с ориентацией по векторам потоков чувствительны к неточностям определения параметров ротора и частоты вращения вектора потока ротора.
Таким образом, оптимальное управление должно сочетать в себе простоту и качество. Здесь особенно выделяются варианты прямого управления моментом и потоком DTC и DSC.
При их реализации нет необходимости в координатных преобразованиях переменных машины, оценке параметров ротора, оценке частоты вращения вектора потока ротора? использовании ШИМ. Достоинствами являются: быстродействие управления электромагнитным моментом и потоком статора (изменение электромагнитного момента до номинального значения происходит за время 0,001 с и- менее), малая чувствительность к изменению параметров АД» (активное сопротивление статора может быть оценено с погрешностью 10%). Главным препятствием на пути использования этого управления являются следующие недостатки: «рябь» (ripple) электромагнитного момента и потока статора, малое время расчетов текущих координат АД (для качественного управления не более 25 мкс), непостоянство частоты переключения ключей инвертора. Многие исследователи предложили пути усовершенствования метода DTC для исключения его недостатков. Здесь можно отметить методы DeadBeat DTC и DTC-SVM, предполагающие использование пространственно-векторной ШИМ. Также можно выделить метод, представленный в работах [14, 20], предполагающий расчет времени переключения вектора напряжения при помощи нечеткой логики и непосредственного расчета на основе выражения для приращения электромагнитного момента. Существует к этой проблеме подход, основанный на увеличении частоты коммутации ключей инвертора [25], но данный подход технически трудно реализуем в электроприводах средней и большой мощности.
Оптимальное управление состоянием асинхронных электродвигателей, описываемых уравнениями в ортогональных системах координат
В главе были рассмотрены модели АД, АИН, алгоритм идентификации: состояния АД. Также были получены выражения, позволяющие определить зависимость максимального и минимального момента АД от частоты вращения ротора. На основании зависимостей был сделан вывод о том, что для достижения максимального значения электромагнитного момента в широком диапазоне частот вращения необходимо, чтобы амплитуда тока статора превышала номинальную в 2-5 раз. Также был представлен вариант использования этих зависимостей для ограничения заданий электромагнитного момента и амплитуды вектора потока статора для систем управления состоянием АД. Был рассмотрен вариант идентификации состояния АД, основанный на модели статорной цепи (упрощенная модель). Его достоинствами являются: зависимость только от одного параметра (активного сопротивления обмотки статора), низкая чувствительность к ошибкам в измерениях токов и напряжений. Недостатком является низкая точность оценки потоков при частоте вращения, меньшей 2я рад/с. Для точной оценки состояния АД необходимо точно вычислять значения фазных напряжений и токов.
Таким образом, были представлены модели АД и методы оценки их состояния. Это позволяет синтезировать и исследовать систему управления состоянием АД на вычислительной и физической моделях.
Теоретически существует множество вариантов синтеза устройств управления объектами, описываемыми системами дифференциальных уравнений. Оптимальные управляющие устройства обеспечивают наилучшее качество управления объектами по заданному критерию. Основы теории оптимального управления были заложены в работах Л.С. Понтрягина, Р. Беллмана, Н.Н. Кра-совского, В.В. Солодовникова и др. Математический аппарат теории дает универсальный инструмент разработки управляющих устройств объектами различной природы, поэтому представляет научный интерес задача поиска алгоритма синтеза управляющих устройств координатами конкретного объекта (АД). Проверка алгоритма синтеза заключается в применении разработанного алгоритма к решению конкретных задач управления состоянием АД.
Вопросы оптимального управления объектами, описываемыми системами дифференциальных уравнений в форме Коши, были изучены в работах Л.С. Понтрягина и В.Г. Болтянского [37, 70]. В работе [71] приводится решение задачи оптимального управления с различными критериями качества. Оптимальность по Понтрягину понимается в смысле минимума интегрального функционала, выражающего цель управления: J = jnf \f{x u)dt, где х - вектор фазовых координат, U - вектор управлений, / - цель управления. Задача оптимального управления считается «решенной до конца» если «искомое оптимальное управление и — v(x) в каждый момент зависит лишь от того, в какой точке пространства находится в данный момент фазовая точка». Функция v(x) называется синтезирующей функцией, а задача поиска синтезирующей функции — задача поиска оптимальных управлений [37]. Вопросы оптимального управления состоянием асинхронного электродвигателя рассматривались в работах [30-34], где цель управления задавалась в виде / = (м. -м)2. В работах [30,32] управлением являлась частота питающего напряжения (непрерывная функция). В работе [31] управлениями были непосредственно составляющие вектора напряжения (кусочно-непрерывные функции), при этом была достигнута лучшая динамика управления электромагнитным моментом, а конструкции управляющих устройств были максимально простыми. В связи с этим, целесообразно искать общее решение задачи управления в виде где а- круговая частота вращения ротора двигателя; Rs, Rr, Ls\ Lr\ ks, kr - активные сопротивления статора, ротора, переходные индуктивности статора и ротора, коэффициенты электромагнитной евязи статора и ротора соответственно. Возмущающим воздействием будем считать круговую частоту вращения ротора со. Это допустимо, если цель управления будет связана исключительно с состоянием только двигателя. Условие введения управления со стороны статора (ротора) требует или наличия в подынтегральной функции/0 информации о состоянии статора (ротора), или присутствия управлений, или того и другого вместе. В противном случае следует ожидать аналитической неразрешимости задачи.
Испытательный стенд
Основой программируемого модуля PIIPM15P12D007 является цифровой сигнальный процессор DSP фирмы Texas Instruments TMS320LF2406A. Для написания и отладки программы для этих процессоров компания Texas Instruments предлагает использовать интегрированную среду разработки Code Composer Studio (IDE CCS).
IDE CCS поддерживает два языка программирования Assembler и C/C++. Наиболее компактные программы получаются при использовании первого языка программирования. Именно поэтому большая часть примеров программ для процессоров TMS320LF24xx написана на языке Assembler.
Для быстрого ознакомления с технологией программирования процессоров можно использовать программы сторонних производителей, таких как, Visual Solutions [90] HnnMathworks [91].
Visual Solutions выпустила программу VisSim Embedded Control Deve-lopper для поддержки специалистов в области электропривода и автоматики. Эта программа использует наборы визуальных блоков для составления алгоритма управления в виде блок-схемы. Этот алгоритм впоследствии может быть скомпилирован в файл проекта в CCS, либо загружен непосредственно в DSP.
Компания MathWorks предлагает для освоения DSP от Texas Instruments использовать дополнительную библиотеку компонентов в среде MatLab, программа также составляется из блоков.
Процессоры TMS320LF2406A содержат внутреннюю Flash память программ и память данных DARAM. Для программирования внутренней Flash памяти можно использовать эмулятор JTAG. Программирование через JTAG поддерживается несколькими программами. Одна из них встроена в IDE CCS, другая выпускается сторонними производителями;, в частности, компанией Spectrum Digital; занимающейся созданием эмуляторов и отладочных плат и наборов для работы с.процессорами Texas Instruments. Кроме того, для быстрого освоения DSP Texas Instruments поставляет библиотеку макросов для г построениям типовых систем электропривода. На основе этих макросов могут быть составлены программы для управления АД по способу прямого и косвенного векторного управления и т.д.
Наибольшее быстродействие имеет приложение, текст которого написан на языке Assembler, но разработка и отладка приложения при этом будут наиболее трудоемкими. Наиболее удобна отладка приложения, составленного из структурных блоков (программы VisSim и Matlab), но итоговый код будет иметь значительную величину, а время реализации приложения будет неприемлемо высоким. Таким образом, наиболее оптимальным решением по критерию минимизации времени на разработку и отладку быстрого приложения является язык программирования С.
Библиотеки макросов (программных модулей) имеют две разновидной сти: вызываемая из приложения на языке Assembler и вызываемая из приложения на языке С. В нашем случае полезна вторая - DMC24xx (файл dmc24xx.lib). Текст большинства модулей библиотеки написан на языке Assembler с использованием относительной адресации памяти и инструментов вызова из программы, написанной на С.
Для использования модулей библиотеки, необходимо подключить файл библиотеки к файлу проекта приложения (имеет расширение .pjt) и поставить ссылку на заголовочный файл модуля (имеет расширение .h) в заголовочном или главном файле (имеет расширение .с) проекта. Для программы управления электромагнитным моментом асинхронного электродвигателя потребуются следующие стандартные программные модули [92, 93]: 1) PHASE_VOLTAGE_CALC (заголовочный файл volt_cal.h)-— вычисление фазных напряжений, а также напряжений по осям а, р; 2) ILEG2_DCBUS_DRV (F07ILVD.h) - считывание сигналов АЦП и вычисление фазных токов, а также напряжения шины постоянного тока на основе этих сигналов (подобные модули, имеющие доступ к аппаратной части DSP, названы разработчиками как «драйверы»); 3) ACIFE (acife.h) - вычисление потокосцеплений АД на основе значений фазных токов и напряжений (адаптивный наблюдатель); 4) FC_PWM_DRV (F2407pwm.h) - запись в регистры ШИМ микроконтроллера значений, соответствующих заданным скважностям импульсов напряжения; 5) CLARKE (заголовочный файл отсутствует) — модуль, вычисляющий значения составляющих вектора в ортогональной системе координат на основе составляющих в трехфазной косоугольной системе координат (преобразования Кларка). Для проверки вариантов управления были написаны дополнительные программные модули, которые были включены в библиотеки MTCJLIB (файл mtcjib.lib) и CLASSIC_DTC_LIB (файл classic_dtc_lib.lib): 1) TCJEffiXAGON (tcjhexagon.h) — модуль, вычисляющий скважности импульсов напряжения в каждой из фаз по варианту (3.58); 2) STATORMODEL (statmodel.h) - модуль, вычисляющий составляющие вектора потокосцепления статора в системах координат а-/? и а-Ъ-с по упрощенной модели статорной цепи АД; 3) TORQUEJfflST (torque_hist.h) — трехпозиционный релейный гистере-зисный регулятор электромагнитного момента; 4) FLUXHIST (flux_hist.h) — двухпозиционный релейный гистерезисный регулятор потока. На рисунке показаны входные и выходные переменные модулей. Обозначения переменных внутри модуля уникальны, вне модуля - могут повторяться.
Программа работает следующим образом. Вначале считываются значения токов и напряжения шины постоянного тока при помощи модуля ILEG2DCBUSJDRV. Им соответствуют переменные Imeas_a, Imeasb, Imeasc, Vdcjneas. Значения переменных Imeasa и Imeasb модуля ILEG2_DCBUS_DRV присваиваются переменным clarka и clarkjb модуля CLARKE. Затем вызывается процедура расчета выходных переменных модуля CLARKE. После этого выходные переменные будут содержать значения токов АД в ортогональной системе координат. Модуль PHASE_VOLTAGE_CALC восстанавливает значения фазных напряжений на основе значений скважностей импульсов Mfunc_Vl, Mfunc_V2, Mfunc_VS в каждой из фаз и напряжения шины постоянного тока DC bus.
