Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Вентильно-индукторный электропривод как объект исследования .8
1.1. Принцип действия вентильно-индукторного электропривода 8
1.2. Требования к силовому преобразователю и варианты выполнения 15
1.3. Требования к системе управления вентильно-индукторного электропривода 17
1.4. Обзор способов управления ВИП 23
1.5. Экспериментальная база 30
Глава 2. Бездатчиковое управление вентильно-индукторным электроприводом 34
2.1. Варианты реализации бездатчикового управления для ВИМ 34
2.2 Алгоритм бездатчикового управления 47
2.3. Реализация алгоритма бездатчикового управления 49
2.3.1. Выбор масштабов представления для расчетных величин 52
2.4. Влияние дискретности на точность определения положения 57
2.5. Учет падения напряжения 62
Глава 3. Модульная система управления вентильно-индукторного электропривода 67
3.1. Построение модульной системы управления 67
3.1.1. Структура системы управления - разделение на уровни... 68
3.1.2. Микрояядро - состав и задачи 70
3.1.3. Оценка временных и точностных характеристик работы регулятора тока 77
3.1.4. Оценка загруженности процессора модулями ядра 80
3.2. Второй уровень реального времени 81
3.3. Прикладной уровень системы 90
3.4. Варианты компоновки системы управления для разных применений 96
Глава 4. Определение текущего положения ротора в режиме бездатчиковой коммутации вентильно-индукторного электропривода 102
4.1. Постановка задачи 102
4.2. Непрерывное определение положения по сигналам работающей фазы 103
4.3. Получение непрерывного сигнала положения ротора на периоде коммутации фазы 111
4.4. Экспериментальные исследования алгоритма определения текущего положения ротора 114
4.5. Модульная структура программного обеспечения системы непрерывного определения положения ротора 117
Глава 5. Генераторный режим вентильно-индукторного электропривода .125
5.1. Особенности работы ВИП в генераторном режиме 125
5.2. Исследование цикла коммутации в генераторном режиме 130
5.3. Моделирование цикла коммутации ВИП 134
5.4. Построение системы управления в генераторном режиме 144
5.5. Экспериментальные исследования генераторного режима 145
Заключение 158
Литература 159
- Принцип действия вентильно-индукторного электропривода
- Варианты реализации бездатчикового управления для ВИМ
- Построение модульной системы управления
- Непрерывное определение положения по сигналам работающей фазы
Введение к работе
В последние годы за рубежом (Германия, Великобритания, Швеция, Италия, США, Япония), а теперь и в России многими университетами и фирмами ведутся разработки нового типа электропривода для различных применений. Он состоит из очень простой, дешевой и надежной электрической машины с разным числом явно выраженных полюсов на статоре и роторе и электронного коммутатора с микропроцессорным управлением.
В данной работе рассматривается только вентильно-индукторный электропривод (ВИЛ), имеющий в своем составе вентильно-индукторную машину (ВИМ) с самоподмагничиванием. Среди электроприводов с индукторными машинами эта конфигурация наиболее интенсивно исследовалась и развивалась последние 15- 20 лет. В зарубежной литературе она получила название Switched Reluctance Motor (SRM), а электропривод на ее основе - Switched Reluctance Drive (SRD). В этих названиях подчеркивается специфика управления силовым электронным коммутатором в функции углового изменения собственной индуктивности фаз машины.
По массогабаритным и энергетическим показателям ВИЛ не уступает, а по некоторым характеристикам даже превосходит прекрасно отработанный и широко применяемый частотно-регулируемый асинхронный электропривод. Конструктивные и функциональные особенности ВИЛ - отсутствие обмоток на роторе, меньший, чем у обычных машин, момент инерции, легко сменяемые катушечные обмотки статора, большие моменты при низких частотах вращения, гибкое управление скоростью и моментом и др. — делают этот привод весьма привлекательным не только для общепромышленных и транспортных применений, но и для высокоскоростных и высокомоментных электроприводов.
Машину индукторного типа можно считать перспективным электромеханическим преобразователем энергии, способным удовлетворить весьма разнообразным и во многом противоречивым требованиям к современным регулируемым электроприводам. Но характерные особенности ВИМ, главными из которых являются дискретность управления, изменение в широких пределах магнитной системы двигателя, т.е. сложность физических процессов, определяющих работу электропривода, учет которых является необходимым условием для построения привода с высокими потребительскими свойствами, приводят к сложным алгоритмам управления. Кроме того, необходимость датчика положе-
ния ротора, усложняющего конструкцию двигателя, также препятствует выходу вентильно-индукторного электропривода на широкий рынок.
Цель работы - разработка универсальной модульной бездатчиковой системы прямого цифрового управления вентильно-индукторного привода и алгоритмов управления для электроприводов различного назначения.
Для достижения этой цели должны быть решены следующие задачи:
анализ существующих способов бездатчикового управления ВИП и выбор принципа управления;
разработка универсальной модульной системы бездатчикового управления ВИП и апробация ее на электроприводах различной конфигурации;
разработка методики согласования параметров алгоритма управления с параметрами объекта управления и экспериментальной проверки этого соответствия;
определение границ применимости бездатчикового управления и расширение диапазона работы в сторону низких скоростей за счет учета параметров полупроводниковых элементов силовой схемы;
разработка ПО для конкретных применений и экспериментальная проверка алгоритма на действующей насосной установке;
разработка алгоритма непрерывного определения положения ротора в системе бездатчикового управления ВИП, проверка работы наблюдателя положения на экспериментальной установке;
анализ возможности применения разработанного алгоритма бездатчиковой коммутации для работы в генераторном режиме, экспериментальная проверка алгоритма.
Методы исследований
При решении поставленных в диссертационной работе задач использованы базовые положения теории электромеханического преобразования энергии, теории автоматизированного электропривода, практические аспекты промышленной электроники и микропроцессорной техники, компьютерные средства разработки и симулирования программного обеспечения цифровых сигнальных процессоров, численные методы обработки результатов экспериментов на действующих образцах вентильно-индукторного электропривода.
Приведенные в диссертационной работе выводы основаны на проводимых автором в течение последних пяти лет теоретических и экспериментальных исследованиях ВИП. Экспериментальные исследования проведены на об-
разцах ВИМ, изготовленных Ярославским электромашиностроительным заводом по результатам их проектирования сотрудниками научной группы профессора Н.Ф.Ильинского. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сопоставлением теоретических и экспериментальных результатов.
Научные положения, выносимые на защиту
базовая структура системы бездатчикового управления вентильно-
индукторного электропривода, обеспечивающая эффективное токоогра-
ничение при низких скоростях как в двигательном, так и в генераторном
режимах, параллельную работу каналов регулирования напряжения и уг
лов коммутации, стабилизацию скорости на заданном уровне;
методика реализации бездатчиковой коммутации в системе прямого цифрового управления на базе микропроцессора, ориентированная на рациональное использование ресурсов микроконтроллера по объему памяти и быстродействию;
трехуровневая модульная структура организации программного обеспечения микроконтроллера, реализующая все необходимые основные и вспомогательные функции системы бездатчикового управления ВИП;
способ учета неидеальности полупроводниковых элементов силовой схемы в алгоритме бездатчикового управления ВИП, обеспечивающий расширение диапазона работы в сторону низких скоростей;
алгоритм определения текущего положения ротора ВИП, основанный на расчете нормализованного потокосцепления и экстраполяции этого сигнала от предыдущей фазы на время получения недостоверного сигнала от вновь включаемой фазы;
модификации алгоритма бездатчиковой коммутации, обеспечивающие работу ВИП в генераторном режиме.
Практическая ценность работы
Создано модульное программное обеспечение для бездатчикового управления вентильно-индукторным электроприводом, позволяющее с минимальными затратами адаптировать его для конкретных требований и структур системы управления. Разработаны алгоритмы бездатчикового управления вентильно-индукторным электроприводом для различных применений.
Полученные в ходе исследований результаты и разработанное программное обеспечение использованы:
при разработке опытных образцов вентильно-индукторных электроприводов на Ярославском электромашиностроительном заводе;
при создании опытных образцов электропривода электровелосипеда (160 Вт, 160 об/мин);
при создании опытных образцов электроприводов насосных установок (15 кВт, 3000 об/мин и 7,5 кВт, 3000 об/мин);
при разработке системы бездатчикового управления вентильно-индукторного электропривода по заказу фирмы "Daimler Crysler".
Разработки автора и созданные с их использованием прототипы промышленных вентильно-индукторных электроприводов способствуют продвижению вентильно-индукторного электропривода на рынок регулируемых электроприводов.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на:
11-ой Международной конференции по силовой электронике и средствам управления (Латвия, Рига, 2-4 сентября 2004 г.);
IY Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития» (Магнитогорск, 14-17 сентября 2004 г.);
7-ой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ, 27 - 28 февраля 2001 г.);
8-ой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ, 28 февраля 1 марта 2002 г.);
- электронной конференции по подпрограмме "Топливо и энергетика" на-
уч.-техн. программы "Научные исследования высшей школы по приори
тетным направлениям науки и техники" (Москва, ноябрь - декабрь 2002
г.);
- 9-ой Международной научно-технической конференции студентов и ас
пирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва,
МЭИ, 4 - 5 марта 2003 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 11 печатных работ и получен патент на изобретение.
Принцип действия вентильно-индукторного электропривода
На рис. І. I показана упрощенная функциональная схема ВИЛ, содержащего, помимо индукторной машины ВИМ (на рисунке четырехфазной, с числом полюсов 8/6), силовой коммутатор К, подключенный к выпрямителю В, систему управления (СУ) и датчик Д положения ротора. Структура ВИЛ повторяет типовую структуру современных частотно-регулируемых электроприводов (ЭП), но каждый его элемент имеет свои особенности. В первую очередь их определяют особенности электромеханического преобразователя (ЭМП) - вен-тильно-индукторной машины (ВИМ).
Основные отличия ВИМ, в совокупности выделяющие ее среди традиционных электромеханических преобразователей: наличие двойной зубчатости магнитной системы машины; в отличие от шаговых двигателей (ШД) полюсные деления (и числа зубцов) статора и ротора различны, число зубцов невелико (обычно, от четырех до шестнадцати); реактивный характер электромагнитного момента, основанный на явлении втягивания ферромагнитного сердечника в магнитное поле катушки с током; дискретность работы - при простейшем способе коммутации в любой момент времени, за исключением моментов перекоммутации, включена только одна фаза; наличие в зонах перекрытия зубцов сильного локального насыщения ферромагнитного материала обеспечивает высокую степень электромеханического преобразования энергии в ВИМ.
Работу ВИЛ можно свести к поочередному последовательному включению электромагнитов (индукторов), якорями у которых являются зубцы ротора. Возбуждение фазы вызывает возникновение электромагнитных сил притяжения между зубцами этой фазы статора и ближайшими к ним зубцами ротора. В результате ротор перемещается в согласованное положение (совпадение осей зубцов статора и ротора). Так как число зубцов статора и ротора различно, то в согласованном положении ротора для одной фазы следующая фаза оказывается в рассогласованном положении и подготовленной к включению. Последовательная коммутация фаз с помощью, например, датчика положения ротора обеспечивает непрерывное создание вращающего момента и, следовательно, непрерывное вращение ротора.
Основными параметрами, характеризующими геометрию зубцового слоя ВИМ, являются: Ns , NR - число зубцов статора и ротора, определяющие соответствующие полюсные деления т5 и TR, RS- радиус расточки статора, 8- воздушный зазор между зубцом статора и ротора в согласованном положении, / угловой размер зубца статора и Д? - угловой размер зубца ротора по диаметру воздушного зазора (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Геометрические параметры магнитной системы ВИМ
Перечисленные геометрические параметры названы основными потому, что именно они наряду с магнитодвижущей силой (МДС) обмотки, длиной пакета и магнитными свойствами стали определяют развиваемый ВИМ момент, зону его эффективного воспроизведения, число фаз обмотки т, а также соотношение между частотой коммутации и угловой скоростью ротора [3].
Вращение ротора ВИМ происходит за счет последовательного переключе ния импульсов тока в фазах обмотки. Частота следования импульсов в каждой фазе/s = 1/Ts, где Ts - длительность периода коммутации фазы. Частота пере ключения (коммутации) импульсов из одной фазы в другую в т раз больше fK = l/TK = m/Ts. (1.1)
Слабая магнитная связь между фазами позволяет рассматривать их работу независимо друг от друга. В цикле коммутации фазы ВИМ можно выделить три интервала, отличающихся своим назначением и характером изменения величин (рис. 1.3):
Интервал включения іВкл начинается в момент приложения к обмотке напряжения UBKJI И заканчивается в момент начала возрастания магнитной проводимости As за счет перекрытия зубцов. На этом этапе происходит возрастание потока Ф от нуля до Ф{ и тока і до //.
Интервал работы tpAB начинается в момент приложения к обмотке напряжения L/рАБ, которое в общем случае не равно 1/вкл и продолжается до приложения к обмотке обратного напряжения - т.е. до начала отключения. Наличие тока в обмотке и положительной производной dA/dO создает двигательный момент.
Интервал отключения фазы ї0тк начинается при 0= Оком и длится пока поток спадает от Фком ДО нуля. В общем случае отключение производится с некоторым упреждением tyo относительно согласованного положения зубцов Ашх- На этапе ty0 спадание тока и момента происходит под действием двух факторов: уменьшения потока за счет приложения к обмотке U = - Uom и продолжения роста As. Этап отключения фазы может происходить частично или полностью при dA/dO 0, что вызывает изменение знака момента, некоторое замедление спадания тока и переход части механической энергии обратно в магнитную. Кэмп WMEX І УУЭЛМ-Уравнение электрической цепи для каждой фазы в наиболее общем виде может быть представлено как ная в механическую за цикл коммутации, равна площади SOABFO, описываемой изображающей точкой в процессе коммутации фазы, а максимальное значение электрической энергии WjMM SOABE Среднее значение момента может быть рассчитано по формуле где 4у- суммарное потокосцепление всех катушек фазы, иф — напряжение, подводимое к фазе; / - мгновенное значение тока; Яф - сопротивление фазы. Взаимосвязь между ! и / определяется семейством кривых намагничивания =/(в, і) (рис. 1.5). Нижняя кривая соответствует полностью рассогласованному положению зубцов - совпадают оси зубца статора и паза ротора. Верхняя кривая - согласованное положение зубцов - совпадают оси зубцов статора и ротора. Между ними располагаются кривые, соответствующие частичному перекрытию зубцов.
Варианты реализации бездатчикового управления для ВИМ
Вентильно-индукторная машина при простоте конструкции, как уже указывалось, весьма требовательна к системе управления. Для реализации вентильного режима работы ВИЛ необходимо иметь сигнал положения ротора, для получения которого обычно используется связанный с валом двигателя датчик положения ротора (ДПР). От типа датчика, числа его каналов и разрешающей способности зависит способ обработки его выходных сигналов и возможные режимы коммутации ВИП. Хотя принципиально возможно применение датчиков положения аналогового типа (например, сельсины, си-нусно-косинусные вращающиеся трансформаторы) или их комбинации с цифровыми средствами обработки сигналов [29, 26, 4], более технологичными в изготовлении и более помехозащищенными являются дискретные датчики.
Простейшим вариантом с точки зрения обработки информации является применение датчика с числом каналов, равным числу фаз двигателя. При соответствующем исполнении вращающегося элемента датчика, а также размещении чувствительных элементов, коммутация фаз ВИП осуществляется непосредственно выходными сигналами датчика. Недостаток этого варианта в том, что установленный угол коммутации нельзя изменить в процессе работы простыми средствами. Единственный способ - установка угла опережающей коммутации и введение регулируемой в функции скорости временной задержки между сигналом датчика положения и сигналом включения фазы. Определенные сложности имеют место и при необходимости реверсирования направления вращения.
Многоразрядные кодовые датчики положения решают проблему регулирования угла коммутации, но имеют сложную конструкцию. Импульсные (инкрементальные) датчики с достаточно большим числом импульсов на оборот также позволяют регулировать угол коммутации, но требуют начальной установки счетчика импульсов в момент появления реперного сигнала.
Во многих случаях установка каких-либо устройств непосредственно на двигатель нежелательна. Проблема особенно актуальна для маломощных электроприводов (увеличение габаритов двигателя, удорожание электропривода), а также для систем со значительным удалением исполнительного ме ханизма от преобразователя ("длинные связи" снижают помехоустойчивость и т.д.). В общем, можно говорить о том, что наличие датчика положения ротора усложняет конструкцию двигателя, интерфейс между контроллером и двигателем, снижает надежность работы в условиях электромагнитных помех и в агрессивных средах, а в конечном счете увеличивает стоимость электропривода и затраты на его обслуживание. Этот недостаток является одним из факторов, сужающих сферу применения вентильных приводов, особенно в массовых применениях, чувствительных к стоимости электропривода и уровню его эксплуатации.
Вопрос устранения датчиков поднимался многими авторами и в настоящее время интерес к этому вопросу не стихает. В последние десятилетия в связи с бурным развитием микропроцессорных средств разработаны различные способы, позволяющие устранить датчик положения ротора из систем управления вентильных электроприводов. Это стало возможным за счет совершенствования алгоритмов управления, позволяющих косвенно измерить положение по сигналам электрических величин.
Схемы бездатчиковой коммутации можно разделить на три группы [42, 47, 52, 53, 43]: 1. Схемы с разомкнутой структурой, с дополнительными средствами стабилизации: Стабилизация посредством изменения длительности работы фазы Стабилизация посредством изменения угла включения фазы. 2. Схемы, работающие на основе данных, получаемых с рабочей фазы: Неоднородности в полюсах статора и ротора Расчет потокосцепления Релейное регулирование Система с наблюдателями Регенеративный ток Детектирование формы тока. 3. Схемы, работающие на основе данных, получаемых с нерабочей фазы. Метод взаимной индуктивности Метод активных пробных сигналов Метод модулирования сигнала Метод регенеративного тока.
Обзор всех этих методов приведен в докторской диссертации Бычкова М.Г., в кандидатской диссертации Глухенького Т.Г. [3, 6], поэтому нет необходимости подробного повторного их описания. Мы остановимся лишь на некоторых из них и тех, информация о которых появилась в последние годы.
В [78] основная классификация проводится по признаку интенсивности использования ресурсов микропроцессорной системы управления (рис. 2.1). Методы, интенсивно использующие аппаратные средства [79]-[83], требуют наличия внешних устройств для ввода тестовых сигналов, по параметрам которых и определяется положение ротора. Примером методов, интенсивно использующих ресурсы памяти, является технология косвенного измерения потока, в которой требуются большие таблицы данных для хранения магнитных характеристик ВИМ [53], [84]. Основанные на моделях методы, такие как метод наблюдателей состояния [85] - [88], метод измерения сигналов мощности [89], технология, основанная на модели индуктивностей [90], [91], нейронные сети и нечеткая логика [92], [93] и др., требуют очень быстрых микропроцессоров, таких как цифровые сигнальные процессоры (DSP) с производительностью в десятки миллионов операций в секунду (MIPS).
Построение модульной системы управления
Модульное построение программного обеспечения является общепринятым средством разработки программ различного назначения. Оно позволяет работать над проектом одновременно нескольким программистам, использовать готовые модули, созданные в других проектах, сократить число ошибок и ускорить процесс отладки. Модульное программирование основано на понятии модуль. Модуль - логически завершенная взаимосвязанная совокупность функциональных частей, оформленных в виде функций и/или процедур. Каждый модуль является самостоятельной программой. Модульное программирование -организация программы в виде совокупности модулей (относительно независимых частей программы) со строгим соблюдением правил их взаимодействия. Модульность естественно сочетается с методами проектирования программы "сверху вниз" и структурного программирования. Основная концепция проектирования "сверху вниз" заключается в разбиении (декомпозиции) всей задачи на отдельные модули и определении того, как эти модули взаимодействуют между собой. Однако программирование для микропроцессорных систем имеет ряд особенностей [38]. Фактически в микропроцессорах аппаратное обеспечение является частью проекта программного обеспечения. Поэтому требуется модификация традиционного метода. Комбинированный метод проектирования "сверху вниз, снизу вверх" требует более углубленной работы над иерархией программных модулей, диаграммой потока данных в системе.
Опыт разработки микроконтроллерных систем управления электроприводов [30, 36] показал, что стремление максимально использовать возможности аппаратных модулей конкретного типа микроконтроллера приводит к существенному усложнению переноса разработанного программного обеспечения на новые МК, даже при использовании модульного подхода.
В данной работе предпринята попытка создания универсального модульного программного обеспечения для вентильно-индукторного электропривода общего и специального назначения в диапазоне мощностей от сотен ватт до десятков киловатт с номинальными частотами вращения от 160 до 3000 об/мин. Под универсальностью ПО будем понимать рациональное разделение и организацию взаимодействия программных модулей, обеспечивающих максимальную аппаратную независимость и легкость адаптации системы к задачам ее конкретного применения. Как показал сравнительный анализ микроконтроллеров и DSP ведущих фирм, предпосылками к обеспечению универсальности ПО является то, что в составе всех микроконтроллеров класса "Motor control" присутствуют схожие по назначению и основным функциям периферийные устройства.
В качестве контроллера для конкретных реализаций (см. табл. 1.4) был выбран контроллер МК 9.1 и его дальнейшие модификации, разработанные на кафедре автоматизированного электропривода МЭИ и построенные на базе DSP TMS320F240/241 (20 млн.оп./с), а затем и TMS320LF2406 (40 млн.оп./с) [13, 15].
При разработке структуры модульного ПО были использованы следующие условия [6]:
- минимальная дискрета времени изменения входной информации и выходных управляющих воздействий равна периоду ШИМ;
- используются сигналы датчиков тока, установленных в каждой фазе двигателя и сигнал датчика напряжения в звене постоянного тока инвертора;
- последовательный опрос всех заданных каналов с частотой, определяемой временем преобразования АЦП; для организации опроса используется запрос на прерывание по готовности результата предыдущего измерения;
- за базовый режим выбран режим одиночной бездатчиковой коммутации, основанный на вычислении мгновенного значения потокосцепле-ния во включенной фазе {t) и сравнении его с заданной линией переключения І ЗАДСО 3.1.1. Структура системы управления - разделение на уровни
Система управления разделена на три уровня программного обеспечения (рис. 3.1). К первому уровню отнесены драйверы - программные модули, осуществляющие связь с аппаратными средствами ввода/вывода микроконтроллера. Кроме того, на этом уровне расположены программные модули, требующие жестко фиксированного интервала повторения (управление АЦП) или минимального времени реакции системы (регулятор тока и модуль защит). Указанные модули обязательно присутствуют в любой системе управления ВИП и составляют конфигурируемое микроядро, работающее в режиме реального времени. Под режимом реального времени подразумевается такой режим, при котором корректность работы зависит не только от факта выполнения требуемых вычислительных процедур, но и от интервала времени их выполнения. Если временные параметры задания нарушены - оно считается невыполненным. Нарушение этого условия может привести к нестабильной работе системы. Для выполнения этого условия ядро должно быть компактным и быстрым.
Непрерывное определение положения по сигналам работающей фазы
Непрерывное определение текущего положения ротора в вентильно-индукторном электроприводе может быть необходимо в следующих случаях:
Изменение угла включения, угла отключения или угла работы фазы в процессе работы (при изменении скорости или нагрузки), например с целью получения максимальной выходной мощности или максимума КПД;
Задание требуемой формы тока одновременно работающих фаз в функции угла поворота ротора, например, с целью минимизации пульсаций суммарного момента, потребляемого тока или для снижения уровня шума;
Получение сигнала текущего положения ротора для восстановления текущего значения скорости, что может быть необходимо для реализации замкнутого контура регулирования скорости с целью ее стабилизации;
Организация замкнутого контура регулирования положения для работы в режиме позиционирования или слежения, а также для стабилизации движения на низких скоростях.
Как уже указывалось в главе 2, обычно для непосредственного изменения углов коммутации фаз двигателя в процессе работы в системе управления используется сигнал обратной связи по положению, получаемый с помощью датчика положения с высокой разрешающей способностью. Это может быть многоразрядный абсолютный датчик, инкрементальный датчик с большим числом импульсов на оборот, резольвер, синусно-косинусный вращающийся трансформатор. Применение готовых датчиков требует их стыковки с валом двигателя. Встраивание датчика в конструкцию двигателя усложняет его конструкцию и стоимость.
Альтернативным решением может быть использование датчика положения с низкой разрешающей способностью, встраиваемого обычно в конструкцию двигателя для обеспечения коммутации фаз с постоянным углом коммутации, и применение программно регулируемой задержки, сдвигающей момент коммутации фаз в сторону отставания относительно сигнала датчика положения. Возможно также применение прогнозирующих или наблюдающих устройств, вырабатывающих оценку текущего положения ротора на интервале между двумя соседними фронтами сигналов датчика положения. В любом случае усложняется алгоритм работы, требуются дополнительные ресурсы процессора. Кроме того, алгоритм оказывается принципиально нечувствительным к изменению положения и скорости на интервале дискретности датчика положения.
В данной работе рассматривается возможность реализации непрерывного измерения положения ротора при коммутации фаз по методу косвенного измерения потокосцепления.
Косвенное определение положения ротора по сигналам работающей фазы отличается от описанного в главе 2 способа пробных импульсов тем, что длительность интервала работы фазы значительно больше длительности пробного импульса, подаваемого в неработающую фазу, а изменение во времени потокосцепления m(t) и тока i(t) определяется не только способом коммутации силовых ключей и соответствующими углами управления, но и значением нагрузки.
Длительность интервала работы фазы позволяет многократно регистрировать значения тока и непрерывно вычислять значения потокосцепления от момента включения фазы до момента спадания тока до нуля. Строго говоря, измерение положения по-прежнему остается дискретным, но период дискретизации равен периоду ШИМ, а не периоду коммутации фаз. В этом смысле будем употреблять термин "непрерывное" определение положения.
Основным параметром, изменяющимся в зависимости от положения ротора, является магнитная проводимость воздушного зазора между зубцами статора и ротора. Она приводит к изменению индуктивности соответствующей фазы обмотки L(6). В разделе 1.2 приведены зависимости, определяющие изменение параметров магнитной системы ВИМ в функции положения ротора. На тех участках графика тока, где i(t) Jsat значение индуктивности не зависит от тока, а определяется только положением ротора, поскольку значение индуктивности Ь(в) пропорционально наклону начальных (линейных) участков семейства кривых намагничивания Ш(і, в). В этом случае текущее значение индуктивности L(t) находится по формуле, аналогичной рассмотренному ранее случаю проб ных импульсов, а текущее положение ротора в находится из уравнения Ці) - LREF(6) где LREF(6) - зависимость индуктивности от угла поворота ротора, заданная в системе управления в той или иной форме (таблично или в виде формулы).
Для упрощения вычислений удобно использовать обратную зависимость 6(LREF)- Как и в исходной зависимости Цв), в обратной зависимости выделяются три участка: рассогласованных зубцов, частично перекрытых зубцов, полностью перекрытых зубцов или района согласованного положения. Поскольку в районе значения Ьши индуктивность мало изменяется с изменением угла, обратная зависимость 6(LREF) на начальном участке имеет большую производную, что при прочих равных условиях увеличивает погрешность вычисления в. Аналогичная ситуация имеет место на третьем участке в районе согласованного положения зубцов (0 0), но его протяженность значительно меньше, чем протяженность первого участка.
Наиболее подходящим для определения положения ротора является второй участок (частично перекрытых зубцов), для которого Цв) соответствует линейной зависимости (1.2), и, следовательно, положение ротора может быть вычислено непосредственно по формуле
В ней суммирование начинается в момент включения фазы, а в качестве ім подставляется последнее измеренное значение тока. Обратим внимание на то, что формула справедлива только для в вишь Для определения момента времени, когда это условие выполняется, можно сравнивать текущее измеренное значение индуктивности Цв) с заданным LVNAL- ДЛЯ 9 6VNAL значение Цв) LUNAL- Анализ (4.1) показывает, что точность вычисления в возрастает с увеличением N, т.е. чем дольше включена фаза, тем точнее определяется в.
Если включение фазы происходит с опережающим углом в0ы &ШАЬ Т0 для определения в на этапе нарастания тока необходимо знать зависимость LREF(O). Кроме того, если угол опережения слишком велик, то достоверная информация может быть получена только с того момента, когда производная начнет существенно уменьшаться, то есть кривая тока начнет отклоняться от первоначального прямолинейного участка.
