автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Бездатчиковое определение положения ротора в системе управления вентильно-индукторного электропривода

На правах рукописи

Чавычалов Максим Вячеславович

БЕЗДАТЧИКОВОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ РОТОРА В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 ОКТ 2013

005534280

Новочеркасск 2013

005534280

Работа выполнена на кафедре «Электрический подвижной состав» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО РГУПС)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Петру шин Александр Дмитриевич

Официальные оппоненты: Пахомин Сергей Александрович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова, профессор кафедры «Электромеханика и электрические аппараты»

Ворон Олег Андреевич кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО РГУПС

заведующий кафедрой «Вагоны и вагонное хозяйство»

Ведущая организация: федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южный федеральный университет»

Защита диссертации состоится «24» октября 2013 г. в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.304.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова» в аудитории 149 главного корпуса по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова». Автореферат диссертации размещен на официальных сайтах ВАК www.ed.gov.ru и ФГБОУ ВПО ЮРГПУ (НПИ) www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан «¿3» сентября 2013 г.

Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) прошу направлять по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Просвещения, 132, Ученый совет ФГБОУ ВПО ЮРГПУ (НПИ), ученому секретарю.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.304.01 д.т.н., доцент АНУ Колпахчьян П.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В реалиях современного мира трудно переоценить важность сбережения энергетических ресурсов. Постоянно растущие цены на энергоносители стимулируют внедрение энергоэффективных технологий. Как следствие, находятся все новые возможности применения электропривода там, где раньше это представлялось нерентабельным.

С 80 годов XX века внимание исследователей привлекает вентильно-индукторный электропривод (ВИП). Повышенные показатели энергетической эффективности, высокий КПД и относительно невысокая стоимость являются обоснованием использования вентильно-индукторных электрических машин (ВИМ) в составе общепромышленного электропривода. В то же время простота конструкции, повышенные показатели надежности, а также живучесть открывают перспективы применения ВИМ в составе ответственных приводов, работающих в тяжелых условиях эксплуатации.

Работы по исследованию и внедрению ВИП активно ведутся в МЭИ, РГУПС, ЮРГТУ. Значительный вклад в разработку и исследование ВИП внесли: Е. Husain, R. Krishnan, P.J. Lawrenson, TJ.E. Miller, A.V. Radun, М.Г. Бычков, Ю.А. Голландцев, A.B. Киреев, Л.Ф. Коломейцев, В.А. Кузнецов, С.А. Па-хомин, А.Д. Петрушин, Г.К. Птах, В.В. Рымша, А.Р. Шайхиев и др.

Для получения наилучших показателей ВИМ необходимо согласовывать ток возбуждения фаз с положением ротора. Для этого используют различные физические датчики положения ротора (ДПР), которые механически сочленены с валом ВИМ: датчики на основе эффекта Холла, оптоэлектрические с сегментированным диском, энкодеры и резольверы. С 80-х годов прошлого столетия ведутся работы по реализации бездатчиковых систем управления ВИМ, для которых необязательно наличие установленного на вал ДПР, а положение ротора определяется косвенно.

Основные достоинства бездатчиковых систем можно сформулировать следующим образом:

- Меньшая стоимость. ДПР может составлять значительную часть электротехнического комплекса для случая проектирования по минимуму стоимости (как правило, при малой мощности ВИМ). Кроме стоимости датчика необходимо учитывать также расходы на соединительные провода к нему;

- Более высокая надежность. Как известно, любой дополнительный конструктивный элемент увеличивает вероятность выхода из строя всей установки. Использование алгоритма бездатчикового управления в качестве резервного в системе ВИП, оснащенного ДПР, в случае выхода из строя последнего поможет обеспечить работоспособность электропривода;

- Возможность использования ВИП в тяжелых условиях эксплуатации, при негативном воздействии окружающей среды. За счет простоты конструкции (отсутствие проводников и скользящего контакта на роторе, сосредоточенные обмотки возбуждения) ВИМ отличается повышенной надежностью в сравнении с традиционными асинхронными машинами и машинами постоянного тока. Это позволяет использовать ВИП в установках с тяжелыми условиями эксплуата-

ции (при высокой температуре окружающей среды, повышенном давлении, запыленности и т.д.). В этом случае ДПР может стать лимитирующим фактором;

- Отсутствие затрат времени на установку и настройку ДПР. Процедура фиксации и последующей настройки любого физического датчика требует затрат времени, использования специального оборудования.

Описанные в настоящее время методы бездатчикового (косвенного) определения положения ротора, как правило, были синтезированы с учетом особенностей конкретной задачи (диапазон частот вращения, режим работы, алгоритм управления фазным током и т.п.) и не могут быть использованы для полноценной замены ДПР.

Учитывая перспективы применения ВИМ в системах электропривода, предназначенных для работы в тяжелых условиях эксплуатации, а также ограничения существующих методов косвенного определения положения ротора, задача исследования существующих и синтеза нового алгоритма бездатчикового определения положения ротора представляется актуальной научно-технической проблемой.

Объект исследований - вентильно-индукторный электропривод. Предмет исследований - алгоритмы бездатчикового определения положения ротора в системе управления вентильно-индукторного электропривода.

Целью работы является разработка алгоритма бездатчикового определения положения ротора в системе управления вентильно-индукторного электропривода.

Задачи исследования, которые поставлены и решены в работе:

- сравнительный анализ известных методов косвенного определения положения ротора ВИМ;

- разработка алгоритма определения стартового положения ротора с учетом возможной ненулевой частоты вращения ротора в момент старта;

- разработка алгоритма бездатчикового пуска в ход вентильно-индукторного двигателя (ВИД);

- разработка мер по повышению точности определения положения ротора;

- разработка алгоритма определения положения ротора на низких и средних частотах вращения ротора;

- разработка имитационной компьютерной модели ВИМ в бездатчиковом исполнении;

выработка предложений по практической реализации алгоритма бездатчикового определения положения ротора ВИД.

Методы исследований. Исследования проведены с использованием положений метода конечных элементов, численных методов решения дифференциальных уравнений, теории электропривода, а также прикладного программирования микроконтроллеров.

Основными положениями, выносимыми на защиту являются:

- алгоритм бездатчикового определения стартового положения ротора, учитывающий возможную ненулевую частоту вращения;

- алгоритм бездатчикового пуска;

- алгоритм повышения точности определения положения ротора в пусковом режиме путем выбора рациональных значений частоты и коэффициента заполнения зондирующих импульсов;

- алгоритм определения положения ротора на низких и средних частотах вращения ротора.

Научная новизна:

- разработан алгоритм бездатчикового определения положения ротора вен-тильно-индукторной электрической машины, отличающийся тем, что не требует наличия предварительно записанной в память системы управления поисковой таблицы, решает задачи определения начального положения ротора и бездатчикового пуска, а также учитывающий конструктивные особенности конкретной вентильно-индукторной машины;

- разработан способ повышения точности определения положения ротора в пусковом режиме, отличающийся тем, что погрешность определения положения ротора снижается путем выбора рациональных параметров зондирующих импульсов;

- разработана имитационная компьютерная модель бездатчикового вен-тильно-индукторного привода позволяющая, в отличие от известных, учитывать влияние зондирующих импульсов на электромагнитные процессы в системе преобразователь - индукторная электрическая машина.

Практическая ценность и внедрение результатов диссертационной работы.

Повышенные показатели надежности вентильно-индукторного привода вкупе с высокой энергетической эффективностью позволяют использовать его в наиболее тяжелых условиях эксплуатации. В этом случае наличие датчика положения ротора как дополнительного конструктивного элемента вентильно-индукторной машины крайне нежелательно, а в некоторых областях применения невозможно. Использование алгоритма бездатчикового определения положения ротора будет способствовать не только повышению эксплуатационных показателей привода, но и продвижению электротехнических систем вентиль-но-индукторного привода на рынке электромеханических устройств.

Результаты диссертационной работы были использованы:

- в научно-исследовательской работе «Разработка конструкции опытного образца вентильно-индукторного двигателя мощностью 2 кВт», выполненной УралЭНИН УрФУ (г. Екатеринбург) в рамках областной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии и инноваций в Свердловской области на 2011 - 2015 годы» Результаты исследований диссертационной работы переданы для внедрения в ОАО «СвердлНИИХиммаш»;

при проведении конструкторских работ на ОАО «ТМЗ им. В.В. Воровского» (г. Тихорецк) в рамках выполнения договора от 13 февраля 2013 года по теме «Исследование и разработка электротрансмиссии путевой машины» при разработке тягового вентильно-индукторного привода путевой машины МПТ-6.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечены натурными испытаниями, корректностью принятых при математическом моделировании допущений, а также использованием современного программного обеспечения для проведения компьютерного моделирования.

Апробация. Положения диссертационной работы докладывались на:

Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2011», г. Ростов-на-Дону;

- X международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов в г. Кременчуг 28-29 марта 2012 г.;

Третьей российской конференции с международным участием «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения» УКИ'12, г. Москва;

- I Международном симпозиуме молодых ученых Transport problems 2012, г. Катовице, Польша;

- Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2012», г. Ростов-на-Дону;

XIX Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика», пгт. Николаевка, АР Крым.

Структура работы. Диссертационная работа изложена на 115 страницах и содержит введение, 3 главы, заключение, список литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели работы, приведены сведения о структуре диссертации.

В первой главе показано структурное отличие бездатчикового исполнения ВИП, а также проведен аналитический обзор известных методов бездатчикового определения ротора. Основой подавляющего большинства методов косвенного определения положения ротора является зависимость фазного пото-косцепления от тока и угла поворота ротора \р=f{i, в). Показано, что в качестве информации для определения положения ротора может быть использовано значение потокосцепления, тока, дифференциальной индуктивности Ld.

Методы бездатчикового определения положения ротора можно разделить следующим образом: методы, не использующие обратную связь по положению ротора; методы, основанные на измерении характеристик активной фазы; методы, основанные на измерении характеристик пассивной фазы. Под активной следует понимать фазу, относительно которой ротор занимает положение между углами открытия и закрытия полупроводниковых ключей преобразователя. По типу используемой информации методы бездатчикового определения положения ротора можно разделить на методы, основанные на использовании поисковых таблиц, и методы, основанные на использовании маркеров. Как правило, поисковые таблицы предполагают предварительное (в некоторых случаях экспериментальное) определение зависимостей \p(i, в), Ld(i, в) и др. В качестве маркера обычно используют характерный участок кривой тока, потокосцепления, дифференциальной индуктивности.

Известные методы бездатчикового определения положения ротора, как правило, синтезируются с учетом особенностей работы конкретной установки. Исходя из этого, они имеют некоторые ограничения: по частоте вращения, алгоритму управления фазным током и т.д. Таким образом, описанные в первой главе методы косвенног о определения положения ротора не могут быть использованы для полноценной замены датчика положения ротора.

Во второй главе приведено математическое описание ВИМ, описаны положения нового алгоритма бездатчикового определения положения ротора, а также меры по его совершенствованию.

Поскольку алгоритм косвенного определения положения ротора ВИМ не должен зависеть от числа фаз и конфигурации зубцовой зоны, было принято исследовать и реализовать бездатчиковое управление трехфазным ВИД конфигурации 12/14 (рисунок 1).

Рис. 1. Поперечное сечение магнитной системы ВИД При математическом моделировании фазы ВИМ приняты следующие допущения: источник питания обладает двусторонней проводимостью; взаимная индуктивность фаз пренебрежимо мала; катушки фазных обмоток имеют одинаковое активное сопротивление и обмоточные данные; воздушный зазор равномерен; вихревые токи в магнитопроводе отсутствуют; силовые ключи преобразователя идеальны. В результате для трехфазной ВИМ составлена система дифференциальных уравнений

8в / д¥г{1г,вУ] 8в

.МУ) дв

Ж ~ Ь,

Ш2.

Л ~~ Д

<и

(1а> Л '

1

■М 1

2М) 1

1

Л

180-ЛГ,

со..........

к

-г, -Я-т-

и, -1, ■ Я-со-

-и -Я-т -

где i„ - ток п-й фазы, A; Ld„ - дифференциальная индуктивность п-й фазы, Гн; и„

— напряжение п-й фазы, В; R - активное сопротивление фазной обмотки, Ом; и - частота вращения ротора, рад/с; 4/„ - потокосцепление фазы п-й фазы, Вб; в

- угол поворота ротора, эл.град; J„p - приведенный момент инерции, кг-м2; TL -момент сопротивления на валу ВИД, Н-м; В - коэффициент трения; Т„ - электромагнитный момент, производимый током п-й фазы, Н-м; Nr - число зубцов ротора.

Описанная система уравнений реализована в системе Matlab/Simulink. Необходимая для проведения численных расчетов зависимость ip=f(i, в) (рисунок 2) получена в комплексе FEMM с использованием скриптового языка Lúa, зависимости Ld=f{i, в) и d^(i,0)/d0=Xi,0) (рисунки 3, 4) получены численным дифференцированием. Зависимость T=fii, в) (рисунок 5) получена из уравнений

Т{ив)=д-^М ,

дв

где W' - коэнергия.

Рис. 2. Зависимость ip=J{i, в)

в. эл.град

Рис. 3. Зависимость Ld=J{i, в)

Рис.4. Зависимость дф/дв^Лив)

Рис. 5 Зависимость Т=/[[,в) Задача бездатчикового управления разделена на три подзадачи: определение стартового положения, бездатчиковый пуск и бездатчиковая работа после осуществления пуска.

Для определения стартового положения ротора ВИД описан алгоритм, заключающийся в одновременной подаче зондирующих импульсов во все фазы с последующим сравнением их амплитуд тока. Так определяется фаза, к которой рационально приложить первый силовой импульс напряжения. При этом процедуру определения стартового положения необходимо повторить несколько раз с последующим сравнением результатов. Такая мера принята для учета возможной ненулевой частоты вращения ротора в момент пуска.

Для бездатчикового пуска рационально использовать маркерную информацию, т.к. в этом случае не требуется предварительного занесения в память системы управления поисковой таблицы, а также зондирующих импульсов напряжения, для обеспечения возможности реализации различных алгоритмов управления фазным током.

В качестве маркера принято минимальное значение дифференциальной индуктивности (максимальная амплитуда тока зондирующего импульса). Пред-

варительная картана фазного тока при использовании такого подход! показана на рисунке 6.

Рис.6. Предварительная картина фазного тока при использовании алгоритма бездат-

чикового пуска

Интервал времени ^ затрачен системой управления на сравнение полученного значения амплитуды тока импульса с предыдущим.

Кроме того, описан также вариант алгоритма бездатчикового пуска при использовании в качестве маркера абсолютного значения амплитуды тока зондирующего импульса в фиксированном положении ротора. Считая более рациональным использование первого варианта бездатчикового пуска, для проверки работоспособности алгоритма в исходную имитационную модель в комплексе МаНаЬ/ЗтиНпк были внесены необходимые изменения. В результате компьютерного моделирования бездатчикового пуска получены зависимости фазных токов и частоты вращения ротора от времени (рисунок 7).

Рис.7. Результаты моделирования ВИД

Погрешность огределения положения ротора при реализации бездатчико-вого пуска может быть определена как

<2=ет-т ,

где вт - положение ротора относительно зондируемой фазы, при котором фиксируется последняя перед срабатыванием маркера амплитуда тока зондирующего импульса.

Предполагая, что наибольшему значению погрешности определения положения ротора соответствует случай, показанный на рисунке 8, а также принимая постоянным интервал времени, в течение которого ключи преобразователя открыты при подаче зондирующего импульса, величина периода зондирования определена как

Р-

з-шлг,^

где Qref— заданное максимальное значение погрешности определения положения ротора, эл. градусы; Ш/- частота вращения ротора в конце электрического такта работы ВИД.

Для максимальной частоты вращения ротора, при которой выполняется условие можно записать

ф —-1--

З-Ш-ЛГ,-^,™,

где Отах - максимальный коэффициент заполнения зондирующих импульсов (учитывая, что положение ротора относительно зондируемой фазы соответствует генераторному режиму, Втах<0,5)- ¡¥т1„ - интервал времени, в течение которого силовые ключи преобразователя открыты.

На рисунке 9 представлены зависимости Q(t) до и после принятия мер по повышению точности определения положения ротора. Как видно, выбор рациональных параметров зондирования способствует уменьшению погрешности.

Алгоритм бездатчикового пуска ограничен по частоте вращения ротора. Для обеспечения наилучших показателей вентильно-индукторного привода (КПД, момент) необходимо менять углы коммутации в зависимости от значения о). Обеспечить такую возможность можно использованием поисковой таблицы. При этом выборку данных для составления зависимости угла поворота ротора от амплитуды тока зондирующего импульса £>=/{/„) предложено осуществлять в процессе пуска с последующим уточнением и дополнением. Возможности современных микроконтроллеров, на основе которых, как правило, строятся системы управления вентильно-индукгорным приводом, позволяют не только генерировать поисковую таблицу, но и представить ее в наиболее удобном для последующей интерполяции виде.

вэл.град.

Рис.8. Случай достижения максимального значения (5

-!-Г " 1 ! ! 1 ...... г | |

1 П Щ

_Г| П :

Д. 11 п 1

'III .1-- 1 -1

б)

Рис. 9. Зависимость £?(*) до принятия мер по увеличению точности определения положения

ротора (а) и после (б)

В процессе производства вентильно-индукторной машины неизбежно возникновение технологических погрешностей изготовления, следствием которых может стать различие зависимостей "ф-Ль в) отдельных фаз. К числу таких конструктивных особенностей можно также отнести радиальное смещение ротора вследствие наличия зазоров в подшипниковых узлах. Для учета возможного различия характеристик фаз в работе предложено формировать поисковую таблицу для каждой фазы в отдельности.

При использовании поисковой таблицы предложено определять положение ротора по одному зондирующему импульсу. Однако, в некоторых случаях рационально использование силового импульса напряжения в качестве зондирующего. Пример предварительной кривой фазного тока показан на рисунке 10.

<

Рис.10 Использование силового импульса напряжения в качестве зондирующего Работа алгоритма бездатчикового определения положения ротора при использовании одного зондирующего импульса, а также при использовании силового импульса в качестве зондирующего, подтверждена при различных значениях частоты вращения ротора и при различных алгоритмах управления фазным током (рисунки 11, 12) математическим моделированием ВИД.

Рис. 11. Результаты математического моделирования ВИД при определении положения ротора по одному зондирующему импульсу

силового импульса напряжения в качестве зондирующего

В третьей главе описаны подробности практической реализации алгоритма бездатчикового определения положения ротора ВИД с помощью современных микроконтроллеров.

Микропроцессорная техника позволяет совместить компактность исполнения с широкими возможностями системы управления. В диссертации описан пример функциональной схемы программного обеспечения микроконтроллера для реализации управления вентильно-индукторным приводом с использованием датчика положения ротора. Кроме того, описаны функциональные схемы программного обеспечения, реализующего описанный алгоритм бездатчикового определения положения ротора.

Физическая апробация алгоритма бездатчикового определения положения ротора осуществлена на установке, включающей ВИМ конфигурации 12/14 и преобразователь, система управления которым построена на базе микроконтроллера Texas TMS320F2809 (рисунок 13). Ниже приведены некоторые характеристики микроконтроллера:

— частота ядра 100МГц;

— гарвардская архитектура;

— разрядность 32 бита;

— сторожевой таймер;

— 12-битный 16-канальный АЦП с временем преобразования 80 не;

— 6 портов ТТТИМ с возможностью включения режима высокого разрешения;

— 3 32-разрядных таймера;

— 35 портов ввода-вывода;

— интерфейсы связи CAN, SPI, I2C;

— возможность эксплуатации при температурах -40°С ... 125°С.

j

t, с

Рис.14 Осциллограмма фазного тока при бездатчиковом пуске ВИД

Рис. 13. Установка физической апробации алгоритма бездатчикового определения положения ротора ВИД на микроконтроллере Texas TMS320F2809 (1 - ВИМ конфигурации 12/14, 2 - лабораторный автотрансформатор, 3 - JTAG-отладчик, 4 - платы силовых ключей преобразователя, 5 - плата управления преобразователем) В результате получена осциллограмма фазного тока ВИД (рисунок 14). Режим работы был повторен на компьютерной модели. Полученная зависимость i{t) показана на рисунке 15

Ьс

Рис.15 Результат компьютерного моделирования бездатчиковош пуска ВИД Как видно из результатов физического и компьютерного моделирования, амплитуда тока силового импульса напряжения изменяется во времени, что обусловлено погрешностью определения положения ротора. Видно, что при практической реализации алгоритма погрешность больше, чем при компьютерном моделировании. Это объясняется несовершенством программного кода микроконтроллера, а также погрешностью измерений.

Алгоритм бездатчикового пуска реализован в качестве основы алгоритма бездатчикового управления на примере микроконтроллера ЛУИ. А1п^а (рисунки^, 17)

Рис.16. Установка физической апробации бездатчикового определения положения ротора ВИД с преобразователем на базе микроконтроллера АУЯ АЬпе§а

Рис.17. Преобразователь бездатчикового ВИП

Из рисунка 17 видно, что преобразователь не имеет клеммных зажимов для соединения с ДПР, т.е. предполагает только бездатчиковую работу ВИД. Представленный преобразователь и ВИД конфигурации 18/12 использованы УралЭНИН УрФУ в качестве основы системы ответственного электропривода, предназначенного для работы в тяжелых условиях эксплуатации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ В заключении по результатам выполненных исследований можно сформулировать следующие выводы:

1. Получена математическая модель ВИМ. С использованием программного пакета вычисления магнитного поля методом конечных элементов FEMM, а также скриптового языка Lúa получена зависимость iА=Дг, в). В комплексе MATLAB/Simulink получены зависимости Ld=flJ., в), д\p/dv=J{i, в) и T-j{i, в), а также составлена компьютерная модель ВИМ трехфазного исполнения, ориентированная на исследование бездатчикового управления.

2. Предложен алгоритм косвенного определения начального положения ротора, основанный на использовании зондирующих импульсов, не требующий задания предварительной информации и учитывающий возможную начальную частоту вращения ротора.

3. Предложены алгоритмы бездатчикового пуска ВИМ, основанные на использовании маркерной информации и не требующие предварительной записи поисковой таблицы в память системы управления.

4. Предлолсен алгоритм повышения точности определения положения ротора в пусковом режиме, основанный на выборе рациональных значений частоты и коэффициента заполнения зондирующих импульсов.

5. Для обеспечения бездатчиковой работы после осуществления пуска предложено в процессе работы ВИД составлять поисковую таблицу формата 9=J{im), из которой в дальнейшем будет получено значение угла поворота ротора. При этом для учета конструктивных особенностей конкретной ВИМ предложено составлять поисковую таблицу отдельно для каждой фазы.

6. Предложено определять положение ротора на низких и средних частотах вращения из поисковой таблицы по одному зондирующему импульсу. При отсутствии возможности подать зондирующий импульс в фазу, описан вариант использования силового импульса напряжения в качестве зондирующего.

7. Работоспособность алгоритма бездатчикового управления при использовании одного зондирующего импульса, а также при использовании силового импульса напряжения в качестве зондирующего проверена на компьютерной модели при различных частотах вращения ротора и различном управления фазным током.

8. Описаны особенности практической реализации алгоритма бездатчикового управления в системе ВИП, основанной на использовании в качестве вычислительного ядра системы управления современных микроконтроллеров. Предложены функциональные схемы программного обеспечения микроконтроллеров для реализации описанного алгоритма бездатчикового определения положения ротора.

9. Экспериментально апробирована работоспособность алгоритма бездатчикового определения положения ротора на двух установках, системы управления которыми построены на микроконтроллерах Texas и AVR Atmega.

Список публикаций по теме диссертации

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Чавычалов М.В. Комплексный алгоритм бездатчикового управления вен-тильно-индукторным двигателем // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электронный журнал. 2012. №4. Режим доступа http://technomag.edu.ru/doc/496400.html

2. Петрушин А.Д., Чавычалов М.В. Бездатчиковый пуск вентильно-индукторных электрических машин // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2012. №3. с. 34-38.

3. Петрушин А.Д., Чавычалов М.В., Илясова Е.Е. Исследование вентильно-индукторной электрической машины с конструктивной асимметрией // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2013. №1. с. 45-50.

Другие издания:

4. Селютин Ю.В., Чавычалов М.В. Выбор метода косвенного определения положения ротора тягового вентильно-индукторного двигателя // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт - 2011» в 3-х частях. Часть 2 технические науки. 2011. с. 435-436.

5. Чавычалов М.В. Методы бездатчикового управления вентильно-индукторными электрическими машинами. // Труды Ростовского государственного университета путей сообщения. 2011. №4. с. 86-88.

6. Чавычалов М.В. Бездатчиковое управление вентильно-индукторными электрическими машинами // Электромеханические системы, методы моделирования и оптимизации. Сборник научных работ X Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов в городе Кременчуг 28-29 марта 2012 г. 2012. с. 368-369.

7. Чавычалов М.В., Гребенников Н.В. Бездатчиковое управление вентильно-индукторными электрическими машинами // Труды Третьей российской конференции с международным участием «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения» УКИ'12. 2012. с. 2032— 2036.

8. Tchavychalov М. Sensorless start-up of a traction switched reluctance motors of the railway rolling stock // Transport problems 2012. Symposium proceedings. I international symposium of young researchers. 2012. p. 113-118.

9. Чавычалов M.B. Бездатчиковое управление вентильно-индукторными электрическими машинами. // Електромехашчш i енергозбер1гаюч1 системи. Те-матичний випуск «Проблеми автоматизованого електропривода. Теор1Я й практика» науково-виробничного журналу. 2012. № 3. с. 188-189.

Ю.Петрушин А.Д., Чавычалов М.В., Илясова Е.Е. Исследование асимметричных способов возбуждения вентильно-индукторных электрических машин. // Електромехашчш i епергозбер1гаюч1 системи. Тематичний випуск «Проблеми автоматизованого електропривода. Teopin й практика» науково-виробничного журналу. 2012. № 3. с. 522-523. 11.Чавычалов М.В. Бездатчиковый пуск вентильно-индукторных электрических машин. // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транс-порт-2012», апрель 2012 г. в 3-х частях. Часть 2. Технические науки. 2012. с. 373-374.

В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежат следующие научные результаты (в квадратных скобках указаны номера работ, представленных выше): разработка алгоритма бездатчикового пуска [2], разработка математической и компьютерной моделей [3, 10], разработка алгоритма бездатчикового управления [7], анализ известных методов косвенного определения ротора [4].

Чавычалов Максим Вячеславович

БЕЗДАТЧИКОВОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ РОТОРА В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

Подписано к печати 19.09.2013. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1,11. Тираж 100 экз. Заказ №7083.

Ростовский государственный университет путей сообщения. Ризография ФГБОУ ВПО РГУПС.

Адрес университета: 344038, г. Ростов н/Д, пл. им. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2.



РОСЖЕЛДОР

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

«Ростовский государственный университет путей сообщения»

БЕЗДАТЧИКОВОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ РОТОРА В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО

ЭЛЕКТРОПРИВОДА

05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор А. Д. Петрушин

высшего профессионального образования

(ФГБОУ ВПО РГУПС)

ЧАВЫЧАЛОВ МАКСИМ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

Ростов-на-Дону 2013

Содержание

Введение...................................................................................................................4

1. Обоснование использования косвенного определения положения ротора. 10

1.1 Общие положения бездатчикового управления...........................................10

1.2 Методы без обратной связи............................................................................14

1.3 Методы измерений характеристик активной фазы......................................17

1.4 Методы измерений характеристик пассивной фазы....................................37

1.5 Выводы по главе 1...........................................................................................42

2. Алгоритм косвенного определения положения ротора ВИД........................45

2.1 Математическое описание ВИД.....................................................................45

2.2 Алгоритм косвенного определения стартового положения ротора...........56

2.3 Алгоритм бездатчикового пуска ВИД...........................................................60

2.4 Алгоритм косвенного определения положения ротора ВИД при средних и высоких частотах вращения ротора.....................................................................73

2.5 Выводы по главе 2...........................................................................................85

3. Практическая реализация бездатчикового определения положения ротора ВИД.........................................................................................................................87

3.1 Использование микроконтроллера в качестве ядра системы управления вентильно-индукторным приводом.....................................................................87

3.2 Практическая проверка работоспособности алгоритма бездатчикового определения положения ротора ВИД..................................................................93

3.3 Выводы по главе 3.........................................................................................101

Заключение...........................................................................................................102

Список использованных источников.................................................................104

Акты внедрения...................................................................................................114

Принятые сокращения

АЦП - аналогово-цифровой преобразователь ВИМ - вентильно-индукторная электрическая машина ВИП - вентильно-индукторный электропривод ДПР - датчик положения ротора

МЭИ - Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» ПО - программное обеспечение

РГУПС - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения»

УрФУ - Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» УралЭНИН - Уральский энергетический институт

ЮРГТУ - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский , политехнический институт)»

Введение

Актуальность проблемы. В реалиях современного мира трудно переоценить важность сбережения энергетических ресурсов. Постоянно растущие цены на энергоносители стимулируют внедрение энергоэффективных технологий. Как следствие, находятся все новые возможности применения электропривода там, где раньше это представлялось нерентабельным.

С 80 годов XX века внимание исследователей привлекает вентильно-индукторный электропривод (ВИП). Повышенные показатели энергетической эффективности, высокий КПД и относительно невысокая стоимость являются обоснованием использования вентильно-индукторных электрических машин (ВИМ) в составе общепромышленного электропривода. В то же время простота конструкции, повышенные показатели надежности, а также живучесть открывают перспективы применения ВИМ в составе ответственных приводов, работающих в тяжелых условиях эксплуатации.

Работы по исследованию и внедрению ВИП активно ведутся в МЭИ, РГУПС, ЮРГТУ. Значительный вклад в разработку и исследование ВИП внесли: Е. Husain, R. Krishnan, P.J. Lawrenson, T.J.E. Miller, A.V. Radun, М.Г. Бычков, Ю.А. Голландцев, A.B. Киреев, Л.Ф. Коломейцев, В.А. Кузнецов, С.А. Пахомин, А.Д. Петрушин, Г.К. Птах, В.В. Рымша, А.Р. Шайхиев и др.

Для получения наилучших показателей ВИМ необходимо согласовывать ток возбуждения фаз с положением ротора. Для этого используют различные физические датчики положения ротора (ДПР), которые механически сочленены с валом ВИМ: датчики на основе эффекта Холла, оптоэлектрические с сегментированным диском, энкодеры и резольверы. С 80-х годов прошлого столетия ведутся работы по реализации бездатчиковых систем управления ВИМ, для которых необязательно наличие установленного на вал ДПР, а положение ротора определяется косвенно.

Основные достоинства бездатчиковых систем можно сформулировать следующим образом:

- Меньшая стоимость. ДПР может составлять значительную часть электротехнического комплекса для случая проектирования по минимуму стоимости (как правило, при малой мощности ВИМ). Кроме стоимости датчика необходимо учитывать также расходы на соединительные провода к нему;

- Более высокая надежность. Как известно, любой дополнительный конструктивный элемент увеличивает вероятность выхода из строя всей установки. Использование алгоритма бездатчикового управления в качестве резервного в системе ВИП, оснащенного ДПР, в случае выхода из строя последнего поможет обеспечить работоспособность электропривода;

- Возможность использования ВИП в тяжелых условиях эксплуатации, при негативном воздействии окружающей среды. За счет простоты конструкции (отсутствие проводников и скользящего контакта на роторе, сосредоточенные обмотки возбуждения) ВИМ отличается повышенной надежностью в сравнении с традиционными асинхронными машинами и машинами постоянного тока. Это позволяет использовать ВИП в установках с тяжелыми условиями эксплуатации (при высокой температуре окружающей среды, повышенном давлении, запыленности и т.д.). В этом случае ДПР может стать лимитирующим фактором;

- Отсутствие затрат времени на установку и настройку ДПР. Процедура фиксации и последующей настройки любого физического датчика требует затрат времени, использования специального оборудования.

Описанные в настоящее время методы бездатчикового (косвенного) определения положения ротора, как правило, были синтезированы с учетом особенностей конкретной задачи (диапазон частот вращения, режим работы, алгоритм управления фазным током и т.п.) и не могут быть использованы для полноценной замены ДПР.

Учитывая перспективы применения ВИМ в системах электропривода, предназначенных для работы в тяжелых условиях эксплуатации, а также ограничения существующих методов косвенного определения положения ротора, задача исследования существующих и синтеза нового алгоритма бездатчикового определения положения ротора представляется актуальной научно-технической проблемой.

Объект исследований - вентильно-индукторный электропривод. Предмет исследований - алгоритмы бездатчикового определения положения ротора в системе управления вентильно-индукторного электропривода.

Целью работы является разработка алгоритма бездатчикового определения положения ротора в системе управления вентильно-индукторного электропривода.

Задачи исследования, которые поставлены и решены в работе:

- сравнительный анализ известных методов косвенного определения положения ротора ВИМ;

- разработка алгоритма определения стартового положения ротора с учетом возможной ненулевой частоты вращения ротора в момент старта;

- разработка алгоритма бездатчикового пуска в ход вентильно-индукторного двигателя (ВИД);

- разработка мер по повышению точности определения положения ротора;

- разработка алгоритма определения положения ротора на низких и средних частотах вращения ротора;

- разработка имитационной компьютерной модели ВИМ в бездатчиковом исполнении;

выработка предложений по практической реализации алгоритма бездатчикового определения положения ротора ВИД.

Методы исследований. Исследования проведены с использованием положений метода конечных элементов, численных методов решения

дифференциальных уравнений, теории электропривода, а также прикладного программирования микроконтроллеров.

Основными положениями, выносимыми на защиту являются:

- алгоритм бездатчикового определения стартового положения ротора, учитывающий возможную ненулевую частоту вращения;

- алгоритм бездатчикового пуска;

- алгоритм повышения точности определения положения ротора в пусковом режиме путем выбора рациональных значений частоты и коэффициента заполнения зондирующих импульсов;

- алгоритм определения положения ротора на низких и средних частотах вращения ротора.

Научная новизна:

- разработан алгоритм бездатчикового определения положения ротора вентильно-индукторной электрической машины, отличающийся тем, что не требует наличия предварительно записанной в память системы управления поисковой таблицы, решает задачи определения начального положения ротора и бездатчикового пуска, а также учитывающий конструктивные особенности конкретной вентильно-индукторной машины;

- разработан способ повышения точности определения положения ротора в пусковом режиме, отличающийся тем, что погрешность определения положения ротора снижается путем выбора рациональных параметров зондирующих импульсов;

- разработана имитационная компьютерная модель бездатчикового вентильно-индукторного привода позволяющая, в отличие от известных, учитывать влияние зондирующих импульсов на электромагнитные процессы в системе преобразователь - индукторная электрическая машина.

Практическая ценность и внедрение результатов диссертационной работы.

Повышенные показатели надежности вентильно-индукторного привода вкупе с высокой энергетической эффективностью позволяют использовать его в наиболее тяжелых условиях эксплуатации. В этом случае наличие датчика положения ротора как дополнительного конструктивного элемента вентильно-индукторной машины крайне нежелательно, а в некоторых областях применения невозможно. Использование алгоритма бездатчикового определения положения ротора будет способствовать не только повышению эксплуатационных показателей привода, но и продвижению электротехнических систем вентильно-индукторного привода на рынке электромеханических устройств.

Результаты диссертационной работы были использованы:

- в научно-исследовательской работе «Разработка конструкции опытного образца вентильно-индукторного двигателя мощностью 2 кВт», выполненной УралЭНИН УрФУ (г. Екатеринбург) в рамках областной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии и инноваций в Свердловской области на 2011 - 2015 годы» Результаты исследований диссертационной работы переданы для внедрения в ОАО «СвердлНИИХиммаш»;

- при проведении конструкторских работ на ОАО «ТМЗ им. В.В. Воровского» (г. Тихорецк) в рамках выполнения договора от 13 февраля 2013 года по теме «Исследование и разработка электротрансмиссии путевой машины» при разработке тягового вентильно-индукторного привода путевой машины МПТ-6.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечены натурными испытаниями, корректностью принятых при математическом моделировании допущений, а также использованием современного программного обеспечения для проведения компьютерного моделирования.

Апробация. Положения диссертационной работы докладывались на:

- Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2011», г. Ростов-на-Дону;

- X международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов в г. Кременчуг 28-29 марта 2012 г.;

- Третьей российской конференции с международным участием «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения» УКИ'12, г. Москва;

- I Международном симпозиуме молодых ученых Transport problems 2012, г. Катовице, Польша;

- Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2012», г. Ростов-на-Дону;

- XIX Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика», пгт. Николаевка, АР Крым.

Структура работы. Диссертационная работа изложена на 115 страницах и содержит введение, 3 главы, заключение, список литературы.

1. Обоснование использования косвенного определения положения

ротора.

1.1 Общие положения бездатчикового управления

Для достижения наилучших показателей ВИП обычно используют обратную связь по току и по положению ротора [1.1-1.3]. Структурную схему ВИП в общем случае можно представить в виде рисунка 1.1а

а)

б)

Рисунок 1.1- Структурная схема ВИП в традиционном (а) и бездатчиковом (б) исполнении ЗУ - задающее устройство; СУ - система управления; ИП - источник питания; ПП - полупроводниковый преобразователь; РМ - исполнительный орган рабочего механизма; ОС, ОС1, ОС2 - канал обратной связи.

По каналам связи ОС1 и ОС2 СУ получает информацию о текущем значении фазного тока и угла поворота ротора соответственно. Обратная связь по току реализуется с помощью фазных датчиков тока, которые расположены в корпусе 1111. Для обеспечения обратной связи по положению ротора используют различные ДПР, закрепляемые непосредственно на валу ВИМ. Такая конструкция снижает показатели надежности и ухудшает эксплуатационную эффективность ВИП.

При использовании ДПР СУ реализует следующие алгоритмы:

- регулирования заданных координат ВИП;

- коммутации фаз в соответствии с требуемым направлением вращения и текущим углом поворота ротора;

- управления фазным током.

На рисунке 1.16 представлена структурная схема бездатчикового ВИП. В этом случае не используется физический ДПР и кроме перечисленных выше алгоритмов СУ реализует также алгоритм бездатчикового (косвенного) определения положения ротора, в зависимости от особенностей которого по каналу ОС кроме текущего значения фазного тока может передаваться также значение фазного напряжения.

Основной принцип бездатчикового управления состоит в том, что информация о текущем положении ротора может быть получена из характеристик питания фазы ВИМ (напряжение и ток) или определяемых из них параметров (потокосцепление и индуктивность). В основе любого метода бездатчикового управления лежит зависимость потокосцепления \|/ от тока г и положения ротора 0 (рисунок 1.3).

I -~

Рисунок 1.3 - Зависимость \|/(/, 0) (характеристика намагничивания ВИМ)Из [1.4-1.7] известно уравнение электрического баланса для фазы ВИМ

„ Р , ¿Лио) ф

и а, =и-К +-;-= 1* ■ К +СО-—~

где иф - фазное напряжение, В, 1ф - фазный ток, А,

Я - активное сопротивление фазы, Ом, со=£/9Л# — угловая частота вращения ротора, рад/с, Ьд=д\\fZdi -дифференциальная индуктивность фазы, Гн. Первое слагаемое уравнения 1.1 представляет собой падение напряжения на активном сопротивлении фазы, второе - ЭДС вращения, третье - ЭДС самоиндукции. Сумма ЭДС вращения и ЭДС самоиндукции представляет собой противо-ЭДС. Поскольку Ьд и ду/дб являются функциями положения ротора (рисунки 1.4 и 1.5), ЭДС вращения и ЭДС самоиндукции также могут служить основой метода бездатчикового управления.

о

180

в, з п. градусы --

Рисунок 1.4 - Зависимость Ьд(в) при /=сопз1

360

У

360

в, зл. г рад усы

Рисунок 1.5 - Зависимость ду//дв(в) при /=сопз1

В [1.8-1.11] приведены примеры классификации методов косвенного определения положения ротора. В данной работе принята следующая классификация:

- Методы без обратной связи:

Компенсация угла проводимости; Компенсация угла коммутации.

- Методы измерений характеристик активной фазы:

Анализ кривой тока; Измерение противо-ЭДС; Метод градиента тока; Фиксация тока генерации;

Использование предварительной информации о ВИМ;

Использование наблюдателей;

Изменение геометрии магнитопровода ВИМ;

- Методы измерений на пассивной фазе:

Методы зондирования; Использование модулированного сигнала; Фиксация тока генерации; Анализ ЭДС взаимоиндукции.

Более подробно положения каждого метода описаны ниже. 1.2 Методы без обратной связи.

При использовании этих методов фазы ВИМ питаются импульсами напряжения от частотного преобразователя. Для улучшения показателей ВИМ при использовании бездатчикового управления без обратной связи по положению ротора используют корректировку угла задержки или углов коммутации.

В литературе, посвященной ВИМ, принято под углами коммутации понимать