автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование системы бездатчикового управления вентильным двигателем

На правах рукописи

ДИАНОВ АНТОН НИКОЛАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ БЕЗДАТЧИКОВОГО УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

Специальность 05.09 03 - электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2004

Работа выпотнена на кафедре « Лвтомагизированный лек i роцривод" Московского знергегическо) о ин^л ш\ ] а (техниче^ко! о j ни веред ne i a I

Научный руководит ель кандидат гехнкческих на> к д^ченг

Козаченко Владимир Фичиппович Официальные оплонепты доктор технических на\ к профессор

Попов Ьорис Нико ыевнч

Ведущая opi анизация

кандидат техттческих на\ к Ч^ев Паке! Вячеславович ЗАО I IpoeKi но- произволе i венни-техноло) ическая фирма <O.I\î \ Ко;

Зашита диссертации состошся 18 февра ш 2005 года в 14 час 00 мин в аудитории \1-611 на заседании диссер1ационного сове[а Д 212 1^7 02 при Московском энергетическом институте ( техническом \ ниверси i ^ ij i i адресу 111250 Москва Красноказарменная s л д 13 корп M

С диссертацией можно ознакомился в бибтио1еке Московского ¿нер-геп-гческого института (техническою > иивер^и (eut)

Отзыв на автореферат в дв>х змемп 1ярах сверенных пе мтью пр > сим отправлять по адрес\ 111250, г Москва Красноказарменная ) i д!1 Ученый Говег МЭИ (ТУ;

Автореферат разостан « ь___ 2001;

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212 15'

к 1 н доцент

"¿006-4

2.117

■тчььх

Общая характеристика работы

На протяжении последних 50 лет внимание многих исследователей и инженеров как в России, так за рубежом привлекает проблема создания электроприводов (ЭП) с разными типами синхронных машин (СМ) и элекфонных преобразователей, работающих в режиме самокоммутации (т е вентильном) от датчика положения ротора (ДПР) Стремление заменить коллекторную машину постоянного тока бесщегочной, да к тому же еще и бесконтактной, вполне оправдано, так как в современной технике и новых технологиях традиционный двигатель постоянного тока не может удовлетворять многим требованиям

В последнее время в России и развитых зарубежных странах вентильные ЭП с СМ на базе РЗМ полностью вытеснили традиционные ЭП постоянного тока Большой вклад в развитие теории и внедрение вентильных ЭП внесли следующие ученые: Овчинников И Е (ИПУ РАН), Маслов С И., Балагуров В А (кафедра ЭКАО, МЭИ), Алиевский Б А (кафедра ЭМ, МАИ), Кузнецов В А. (кафедра ЭМ, МЭИ), Ивоботенко Б.А. (кафедра АЭП, МЭИ).

Революционный скачок в области силовой и логической электроники, создание цифровых процессоров с огромным быстродействием, совершенствование периферийных устройств, промышленное производство специальных контроллеров, ориентированных на управление приводами конкретных типов и т п привело к интенсивным исследованиям и выпуску вентильных ЭП для разных областей техники Стало возможным уделять больше внимания созданию программного обеспечения и перенести ряд задач, выполняемых ранее при помощи дополнительных устройств, на программное обеспечение

В последние десятилетие происходит резкое упрощение силовой части электропривода за счет усложнения программной. Новые возможности микропроцессорных систем автоматического управления (САУ) позволили решить еще одну важную задачу - исключить ненадежный и дорогой ДПР Оказалось возможным при помощи математического аппарата создать наблюдатель, который по косвенным параметрам может оценить наиболее важный параметр привода - положение ротора, и осуществлять коммутации, фаз------

I ас л и И О НЛЛЬНАЯ ] СИ6ЛИОТЕКА

Наиболее типичными представителями вентильных двигателей является СМ с трехфазной (реже двухфазной) обмоткой распределенной на гладком статоре и явнополюсным (2р - ] - 8) ротором с обычными или редкоземельными (РЗМ) магнитами, укрепленными на его внешней поверхности ВД с РЗМ на внешней поверхности ротора стали основными электродвигателями современных ЭП станков и роботов.

Такие машины обладают большим удельным моментом при его малых пульсациях, высоким КПД Они могут иметь больший зазор при меньших габаритах по сравнению с машинами аналогичной мощности других 1ипов Они отличаются сравнительно простым математическим описанием, что упрощает создание математических моделей и системы управления

Недостатки этих СМ высокая цена магнитов, сложная технология изготовления двигателя (проблемы с крепежом магнитов), ограничения по частоте вращения, чувствительность к тепловым и динамическим перегрузкам, невозможность ремонта в производственных условиях и утилизации и др

В течение последнего десятилетия интенсивные исследования ведущих электротехнических фирм были направлены на устранение отмеченных выше недостатков В конце 90-х годов прошлого века появилась альтернативная конструкция ротора СМ, в которой магниты, располагавшиеся ранее на внешней стороне ротора, были размещены внутри него. У таких двигателей РЗМ расположены в полное гью закрытых прямоугольных пазах шихтованного ротора

Двигатель подобного типа может развивать высокие скорости, не опасаясь разрушения магнитов, он более технологичен при сборке и прост в обслуживании. что существенно расширяет его область применения Такие машины в аш-лоязычнои литературе потучили название 1РМБМ - синхронный двшатель со встроенными (инкорпорированными) магнитами

Разным аспектам разработки и исследования вентильных ЭМ с этими двигателями посвящены многие статьи и доклады на международных конференциях последних лет В этих материалах главное внимание уделено конструированию 1РМ5М, вариантам компоновки ротора, специфике электромагнитных расчетов, соотношениям активной и реактивной составляющих момента и т д Од-

нако в них практически отсутствует информация о разработке вентильного ЭП с машинами такого типа А в нашей стране такие двигатели только начинают появляться, поэтому практически нет работ, посвященных созданию электроприводов на их основе.

Из перечисленного выше следует, что разработка и исследование нового класса электроприводов с IPMSM представляет весьма актуальную задачу Создание математическо! о описания таких ЭП является необходимой базой для синтеза алгоритмов работы МП САУ

Не менее важной задачей является создание вентильного ЭП на базе IPMSM с косвенным определением положения ротора Это существенно расширяет область применения таких ЭП и позволяет использовать их для решения широкого круга трудных задач нефтегазовая промышленное гь, железнодорожный и автомобильный транспорт, авиация, станкостроение и робототехника Исключение датчика положения повышает надежность системы, требует меньших затрат по установке, наладке и профилактике ЭП в целом

Цель работы и задачи исследования

Создание и исследование бездатчиковой микропроцессорной САУ вентильным ЭП на базе СМ с инкорпорированными магнитами на роторе и электронного преобразователя с промежуточным звеном постоянного тока.

Основные задачи, решаемые в данной работе

1 Анализ существующих алгоритмов бездатчикового управления электроприводами с синхронными машинами Выбор оптимального алгоритма для последующей реализации на сигнальном микроконтроллере Обоснование и разработка структуры микропроцессорной САУ ЭП с регулируемым промежуточным звеном постоянного тока

2 Разработка математической модели СМ со встроенными магнитами в естественной системе координат для вентильного режима работы и в сист еме координат dq. для векторного режима работы Разработка математического представления электромеханической системы инвертор - вентильный двигатель Создание математического описания DC/DC преобразователя

63 Построение имитационных и аналитических моделей электропривода в

пакете Маг1аЬ / Зшшкпк.

4 Создание алгоритмов бсздатчикового управления ВД и БСТ)С преобразователем. проверка их на созданной математической модели I {ифровое моделирование разрабатываемой системы бездатчикового управления

5 Разработка аппаратных средств для реализации системы бездатчикового управления приводом и создание необходимого программного обеспечения, позволяющего проводить исследование привода на экспериментальной установке

6 Техническая реализация и экспериментальные исследования разработанной системы бездатчикового управления, создание библиотеки программных модулей, которая позволит в дальнейшем упростить разработку как датчи-ковых, так и безданшковых систем управления вентильными двигателями

Для решения поставленных задач используется следующий аппарат

1. Теория обобщенной машины, координатные преобразования Горева -Парка

2. Численные методы цифрового решения дифференциальных уравнений

3. Имитационные и аналитические методы цифрового моделирования в среде ЯшшЬпк пакета Мат1аЬ и на языке высокого уровня С ^

4 Программные алгоритмы на макетном образце вентильного привода с использованием фирменных аппаратно-программных средств отладки и собственного программного обеспечения, созданною специально для этих целей

Научная новизна

1 На основе анализа существующих структур СУ ВП предложена оригинальная структура бездатчикового управления, реализуемая для приводов с регулируемым преобразователем в звене постоянного тока

2 Созданы математические модели СМ со встроенными магнтами, электромеханической системы инвертор - ВД и модель Е)СТ)С преобразователя, которые адекватно отражают процессы в реальных объектах

-73 Предложены оригинальные алгоритмы бездатчикового управления ВД.

Рассмотрены наиболее типичные ошибки бездатчиковой коммутации и способы их устранения

4 Разработана система управления ВД на базе контроллера МК 113с микроконтроллером TMS320F2407A, реализующая предложенные алгоритмы управления

5 Все алгоритмы апробированы на экспериментальном стенде со статической нагрузкой

6 Разработан опытный макет вентильного ЭП в виде моноблока меха-тронного механизма, на котором проведены испытания с реальной нагрузкой -компрессором холодильного агрегата

Практическая ценность и реализация работы

Результаты работы, полученные в ходе разработки и исследований привода, используются:

1. При испытаниях ЭП на базе СМ со встроенными магнитами, спроектированного кафедрами АЭП и ЭКАО МЭИ

2 При разработке перспективного встраиваемого электропривода поршневого компрессора, рассчитанного на питание от нестабилизированных бортовых сетей постоянного тока, для предприятия «ЭЛМА-Ко»

3 В НИР кафедры АЭП по созданию систем бездатчикового управления вентильными приводами

На защиту выносятся

1 Математическое описание нового типа СМ - IPMSM в естественных (фазных) и вращающихся dq координагах

2. Математические модели СМ с магнитами на роторе, электромеханической системы инвертор ВД и модель DC/DC преобразователя, которые адекватно огражают процессы, проходящие в реальных объектах

3 Алгоритмы бездатчикового управления для СМ со встроенными магнитами и их программная реализация

84 Методы управтения DC "DC преобразователем, обеспечивающие плавность регулирования выходного напряжения как при понижении, так и при повышении входного напряжения

5 Результаты экспериментальных испытаний ЭП как на лабораюрном стенде со статической на1рузкой, так и в составе мехатронного модуля ВД-поршневой компрессор при типовых режимах работы и реальных нагрузках

Апробация работы

Основные результаты работы обсуждались на заседании кафедры «Автоматизированный электропривод» Московского энергетического института (технического университета). Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях

1 Шестая международная научно-техническая конференция для студентов и аспирантов, Москва, МЭИ, 1-2 марта, 2000

2 Девятая международная научно-техническая конференция для студентов и аспирантов, Москва, МЭИ, 4-5 марта, 2003

3 Десятая международная научно-техническая конференция для студентов и аспирантов, Москва, МЭИ, 2-4 марта. 2004.

4 11"' Internationa! Conference ЕРЕ-РЕМС'2004, 2 - 4 September 2004. Riga, Latvia

5 IV Международная (XV Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу, 14-17 сентября 2004 г , Магнитогорск

Публикации

По теме диссертации опубликованы 9 печатных работ

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений; количество страниц 200. иллюстраций 111, число наименований использованной литературы 86 на 8 страницах приложений б па 29 стр

Во введении обоснована актуальность работы и необходимость создания системы бездатчикового управления ВД Сформулированы цель и задачи исследований, дана обшая характеристика работы

В первой главе рассмотрена конструкция существующего вентильного двигателя (рис 1а) и его расчетные характеристики На рис 16 приведены кривые фазного тока и напряжения при естественной коммутации. Также предложена конструкция силового преобразователя (рис.2) с регулируемым звеном постоянного тока (DC/DC-преобразователем)

На основании детального анализа существующих способов бездатчикового управления ВД обоснован и выбран наиболее оптимальный. Хотя он применялся ранее для традиционных вентильных ЭП, для машин такого типа используется впервые. Этот способ предназначен для ЭП с реверсивной парной коммутацией. В этом случае на каждом такте коммутации всегда есть отключаемая фаза, ток в которой спадает Измеряя ЭДС каждой фазы на интервале нулевого тока, можно получить достаточно точную информацию о положении ротора в момент прохождения ее через ноль. Положение ротора может быть определено в середине каждого текущего такта коммутации, т е. 6 раз на электрический оборот, что достаточно для opi анизации режима автокоммутации двигателя

*l Ail В

а) б)

Рис. 1

Метод хорошо приспособлен для процессорных реализаций на базе менеджера событий и быстродействующего АЦП и принят нами в качестве основного для построения системы бездатчикового управления БД

Однако использование противо-ЭДС возможно только на средних и высоких скоростях, где она может быть измерена с необходимой точностью Поэтому для оценки начального положения ротора и доя пуска привода необходимо использовав вспомогательные алгоритмы Тогда задача бездатчикового управления разбивается на три подзадачи определение начального положения ротора двигателя; пуск двигателя в режиме программного разгона (шагового двигателя) по заранее заданной траектории до момента >стойчивой идентификации положения ротора по кривой выделенной ЭДС, перевод двшателя в режим автокоммутации по идентифицированному положению ротора и работа в режиме бездатчикового управления.

Для выбранного способа предложены структуры системы управления для определения начального положения ротора двигателя, пуска привода и работы в режиме автокоммутации На рис. 3 представлена итоговая структура системы управления. Как видно из рисунка, система управления имеет переменную структуру, что объясняется принципиально разными алюришами п>ска и работы в режиме бездатчиковой коммутации

-11В гл 1 также рассмотрены основные задачи системы управления, указан

состав программного обеспечения для каждого из алгоритмов приведено они сание и рекомендации по их использованию

Во вюрой главе рассмотрено математическое описание синхронного двигателя с магнитами на роторе Уравнения моделей приведены в нескольких системах координат и представлены в формах, удобных для моделирования Уравнения двигателя в осях с! м д выглядят следующим образом

Л ¿Уд

и<1 = ^ - +

"О" 2

\Ьп = 1п - тп - I /,

(1)

(2)

(3)

'О ~ 0 ~ 2 2

М = -('РЛМ +1 РУА /V, и, - К + Рт) (4)

где. и</, ич - напряжения, щ, % - потокосцепления, г, - токи в осях й и ц соответственно, Ь,. тп - постоянные составляющие, 6, т2 - амплитудные значения вторых гармоник собственной и взаимной индуктивностей фаз, % - потокос-цепление, создаваемое ротором, число пар полюсов

Питание двигателя осуществляется по трехпроводной тинии. что позволяет измерить только линейные напряжения, а для работы необходимо знать фазные Показано, что дтя фазные напряжения можно рассчитать-_ иСА ~ и 4В _ ~ ивс " 4В

~ 3

и 4В ивс

_ 2йвс ~ илв

*о в 2

(5)

<ос " 3 3

В ьт 2 также рассмотрены координатные преобразования и выбрана непротиворечивая система относительных единиц

-12В этой ыаве деташно рассмотрены все алгоритмы управления ВД Предложено 4 способа определения начального положения ротора двигателя, из которых для практической реализации было выбрано 2 Оба способа подразумевают использование разности магнитных сопротивлений ротора по осям с! ц ц для определения положения ротора, и использование эффекта насыщения стали от совместного действия полей ротора и статора для определения полярности магнитов на роторе При этом первый способ подразумевает использование в качестве тестового сигнала импульса постоянного напряжения, а второй - синусоидальный сигнал напряжения Но второй способ не требует задания сопротивления статора, что позволяет получить большую точность

I Сигнал на

I запуск

' привода Т

I Блок гр, пуска привода |

Г

Блок выделения ЭДС

и определения скорости и положения

Рис 3

Во второй главе также предложен способ пуска двигателя в бездатчиковой системе управления. Этот способ, подразумевает пуск в разомкнутой системе по заранее заданной траектории, которая снимается для аналогичных условий при помощи датчика положения Алгоритм подробно описан в диссертации

В этой главе также рассмотрен алгоритм бездатчикового управления вентильным двигателем в основном диапазоне скоростей и алгоритм определения скорости двигателя На рис 4 показан базовый алгоритм выделения положения

по восстановленным кривым фазных напряжений основанный на измерении интервала времени между очередными момешами прохождения ЭДС через ноль с помощью таймера процессора событий Рассчитав время, соответствующее половине текущего такта коммутации, можно задать момент очередной коммутации которая будет выполнена по прерыванию от канала сравнения

Ль в

Напряжение Напряжение Напряжение

фаты 1 фазы 2 фазы 3

Прохождение противоЭДС через

л_п_п п п_а

Аппроксимация положения ^

а Моменты коммутации

п _п_п п_п_п

Рис 4

В случае нейтральной коммутации приращение времени относительно момента прохождения ЭДС через ноль соответствует 30 электрическим градусам При эл ом обеспечивается максимальный момент привода и наилучшие энергетические показатели Однако при увеличении скорости время спадания тока занимает большую часть периода коммутации по сравнению с низкими скоро-ешми, и энергетические показатели падают Кроме того, момент перехода через ноль начинает сдвигаться влево и может попасть в зону спадания гока, что приведет к неправильной работе алгоритма бездатчикового управления Поэтому, необходимо проводить коррекцию угла коммутации, вводя опережение, зависящее от скорости привода. Это реализовано следующим образом после детек-

тирования прохождения нуля фазным напряжением, считывается значение таймера. в зависимости от него рассчитывается коэффициент опережения кГГ) и задается уставка таймера, которая определяет момент прерывания, отвечающего за коммутацию фаз (см рис 4) Угол опережения изменяется линейно от нейтрального на нулевых скоростях до 20 градусов на максимальной скорости

Блок-схема алгоритма этого алгоритма, который выполняется на каждом периоде ШИМ, показана на рис 5а Еще один не менее важный алгоритм алгоритм расчета скорости в бездатчиковой системе При его построении важно учесть тот факт, что для оценки скорости с приемлемой точностью необходимо следить за правильным представлением результатов вычислений при рабо!е в 16-разрядной системе Кроме того, необходимо организовать фильтрацию входящих данных для того, чтобы избежать сильного влияния от сбоев при определении момента прохождения противо-ЭДС через ноль Блок-схема этого алгоритма представлена на рис. 56

а) б)

Рис 5

-15В третьей главе рассматриваются подходы к моделированию DC'DC преобразователей, выполненных по схеме полного и неполного моста Получены математические модели и алгоритмы для реализации в математических пакетах Рассмотрены несколько способов управления ключами DC/DC преобразователя, приведены характеристики преобразователей для каждого из режимов В качестве основного режима управления выбрано совместное управления ключами DC'DC преобразователями с одинаковыми скважностями. при коюром на оба ключа подаются одинаковые управляющие импульсы, рис 6а При таком управлении зависимость выходного напряжения от коэффициента заполнения управляющего сигнала представлена на рис 66

Для предложенного алгоритма управления была получена структурная схема преобразователя (рис 7) и были синтезированы регуляторы тока и напряжения, которые оказались П-регуляторами

Показано, что для контура тока необходимо введение блока компенсации выходного напряжения. Полученные результаты проверены на разработанной ранее математической модели и показали отличные результаты.

Кроме того, в этой главе представлены рекомендации по выбору параметров реактивных элементов преобразователя

1и„„

а) б)

Рис. 6

Рис. 7

В четвертой главе на основе критического анализа микроконтроллеров ведущих фирм выбрано семейство микроконтроллеров, предоставляющее возможности по наиболее полному и оптимальному решению задач бездатчиково-го управления Сформулированы требования к микроконтроллеру с возможностями реализации систем бездатчиковог о управления. Представлена созданная серия полнофункциональных контроллеров "МК" для систем управления электроприводами, созданная при участии автора Из этой серии выделены контроллеры, удовлетворяющие требованиям для реализации систем бездатчико-вого управления вентильными приводами - контроллеры МК11.3 и МК10.3 на базе процессоров нового поколения ТМ5320ЬК2407А и ТМ8320ЬР2406А соответственно. Проведено разделения ресурсов выбранного контроллера

В пятой главе предложен и реализован в виде программы способ, обеспечивающий получение достоверных данных с АЦП каждый период ШИМ Он представляет собой усреднение восьми выборок, которое реализуется так, чтобы обеспечить максимальное быстродействие процессора

Представлены изменения, внесенные в разработанные ранее алгоритмы, которые были предложены по результатам экспериментов Приведены результаты проведенных исследований для улучшенных алгоритмов' определения начального положения ротора, пуска привода и бездатчикового управления.

По результатам пуска привода по датчику положения была получена траектория разгона, которая закладывается в память контроллера для реализации пуска в бездатчиковой системе Полученная траектория разгона приведена на

рис 8а А на рис 86 показаны осциплограммы фазного тока и напряжения при пуске но такой траектории

На рис 9 приведены осциллограммы линейных напряжений и фазного тока и кривая фазного напряжения, полученная расчетным путем через линейные напряжения Эти осциллограммы совпали с расчетными графиками

АОтскиггчьное время 1ихи анкера

Рис 86 Рис 9

Рассматривается работа DC/DC преобразователя как отдельного модуля, так и в составе привода На рис 1 Оа приведена осцилло1 рамма тока дросселя DC/DC преобразователя при скачкообразном задании. А на рис 1 Об представлены осциллограммы реакции привода на скачкообразное увеличение нагрузки На рис Юв представлена работа ЭП с реальной нагрузкой от действующего компрессора, когда момент сопротивления сильно меняется на одном механическом обороте Как видно из представленных оспилло! рамм, разработанная система отлично отрабатывает изменение заданных величин

В этой главе также рассмотрены типичные ошибки, которые возникают при неправильной коммутации и предложены способы их устранения На рис

-1810г. показаны осциллограммы фазною тока и линейного напряжения при неправильной работе алгоритма коммутации

Гок дросселя / ,„„_

с Ci oti , F-—'-\ -|М 1" ■ II .'»*.............е' 1 1 " 1 1 1 1 1L 1 Li'j Напряжение на вы> »оде .

9-+J

J, 1 ок фазы двигателя «'I-,......

|;4U,,. »¡jjfi,, , Л ftrfl^i1' rfinS

a)

g !фазчв1И ток о a [Фазное

Ток фазы двигателя

1

V

Линейное напряжение

в)

О

Рис. 10

В заключении обобщены основные результаты работы.

В приложении приведены описание программы SCI Monitor; описание принципов работы квадратурных датчиков положения и алгоритмов работы с ними; осциллограммы фазных напряжений при разных скоростях двигателя; технические характеристики контроллеров для САУ ЭП; описание стенда для тестирования контроллеров MFC 11.3; список сокращений

Основные результаты работы

В работе получены следующие основные результаты:

1 Проанализированы существующие алгоритмы бездатчиковых систем управления вентильными двигателями, рассмотрены их достоинства и недостатки В качестве оптимального для реализации на специальных микрокон-

троллерах с функциями прямого управления двигателями выбран алгоритм, позволяющий оценивать положение ротора по прохождению через но ib противо-ЭДС в отключенной фазе Разработана и обоснована структура микропроцессорной системы управления ЭП с промежуточным звеном постоянного тока.

2 Разработана математическая модель СМ со встроенными магнитами на роторе в естественных координатах ив dq осях Созданы математические модели DC/DC преобразователя. ВД и системы инвертор - вентильный двигатель Предложенные модели элементов электропривода и всего ЭП в целом были реализованы в математическом пакете MATLAB Адекватность моделей подтверждается результатами экспериментов

3 Разработаны и реализованы алгоритмы определения начального положения ротора, пуска ВД и алгоритм коммутации фаз Создан модуль измерения скорости в бездатчиковой СУ с усреднением скорости на механическом обороте Предложены алгоритмы работы с квадратурным датчиком положения Разработан алгоритм управления DC/DC преобразователем. Синтезированы регуляторы для предлагаемой двухконтурной системы управления

4 Реализована система бездатчикового управления вентильным двигателем Разработан программно-аппаратный комплекс для исследования привода, в том числе создана программа SCI Monitor, позволяющая менять параметры программ в памяти контроллера

5 Разработаны библиотеки программных модулей, которые можно использовать в дальнейшем Испытания проведены как на лабораторном стенде со статической нагрузкой так и в составе мехатронного модуля ВД - поршневой компрессор при типовых режимах работы и реальных нагрузках Результаты испытаний подтверждают работоспособность созданных алгоритмов даже при сложной нагрузке с переменным моментом сопротивления

„.„304 2006-4

-.2117

Основные положения диссертации опубликованы в elf дующих*рашггахР

1. Дианов Л Н Определение начального положения ротора для приводов с синхронными машинами // Труды МЭИ Электропривод и системы управления -2003. -Вып. 679. -С. 66-73

2. Дианов А Н. Способы определения начального положения ротора для электроприводов с синхронными двигателями // Десятая международная научно-техническая конференция аспирантов и студентов 1 ез. докл в 3-х т. Издательство МЭИ-2004. т2.-С 102- 103.

3 Дианов А Н Микроконтроллеры для встраиваемых систем управления электроприводом Семейство «Motor Control» фирмы Analog Devices // «Электронные компоненты» -2002 -№8 -С 101-106.

4 Дианов А Н., Микроконтроллеры для встраиваемых систем управления электроприводом. Часть 2 Семейства «DashDSP» и «Mixed Signal DSP» фирмы Analog Devices // «Электронные компоненты» -2003 -№1. С. 69 - 74.

5 Козаченко В.Ф , Дианов А.Н , Анучин А С , Кайо Ю Стенд для автоматизированного тестирования контроллеров МК 11 .х // Труды МЭИ Электропривод и системы управления - 2002. -Вып. 678 -С 33-41

6 Дианов А Н Методика тестирования котроллеров для управления двигателями и создание стенда для автоматизированного тестирования // Девятая международная научно-техническая конференция аспирантов и студентов: Тез. докл. в 3-х т. Издательство МЭИ. -2003, т.2, С.91 - 92.

7 Дианов А Н, Анучин А С., Козаченко В.Ф Определение начального положения ротора для синхронных машин с постоянными магнитами // Труды конференции ЕРЕ-РЕМС 2004, Рига, сентябрь 2004. -Рига, 2004. -С 237 - 244. (на англ. языке).

8 Анучин A.C., Дианов А.Н , Козаченко В.Ф. Эффективное управление ВИЛ с DC/DC регуляторами // Труды конференции ЕРЕ-РЕМС 2004, Рига, сентябрь 2004 -Рига, 2004. -С 284 - 290. (на англ. языке)

9 Дианов А Н., Козаченко В Ф , Остриров В Н , Русаков А.М Бездатчиковая система управления вентильным двигателем // Труды IV международной (XV всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу, Магнитогорск, сентябрь 2004 г. -Магнитогорск, 2004. -С 194 - 199

Печ. л. ^ ^

1ираж ^

г

Заказ ^

Введение.

Глава 1. Обоснование и разработка структуры электропривода.

1.1. Разработка структуры аппаратной части привода.

1.1.1. Вентильный двигатель, как объект управления.

1.1.2. Компрессор как объект управления.

1.1.3. Проектирование силовой части.

1.2. Выбор алгоритма бездатчикового управления.

1.3. Обоснование базовой структуры микропроцессорной системы управления.

1.3.1. Структуры алгоритмов бездатчикового управления.

1.3.2. Задачи системы управления.

1.4. Выводы по главе.

Глава 2. Разработка алгоритмов бездатчикового управления вентильным двигателем.

2.1. Математическая модель системы преобразователь-двигатель.

2.1.1. Математическая модель двигателя.

2.1.2. Математическая модель системы преобразовательдвигатель

2.1.3. Расчет фазных напряжений.

2.1.4. Обоснование системы относительных единиц и выбор системы базовых величин.

2.2. Определение начального положения ротора двигателя.

2.2.1. Подходы к определению начального положения ротора.

2.2.2. Токовый сигнал.

2.2.3. Импульсный сигнал напряжения.

2.2.4. Переменное периодическое напряжение.

2.2.5. Синусоидальный сигнал.:.

2.2.6. Выбор оптимального способа определения начального положения ротора.

2.3. Бездатчиковый пуск вентильного двигателя.

2.4. Основной бездатчиковый режим работы ВД.

2.5. Выводы по главе.

Глава 3. Разработка алгоритмов управления DC/DC преобразователем.

3.1. Математическая модель DC/DC преобразователя.

3.1.1. Преобразователь, выполненный по схеме полного моста.

3.1.2. Преобразователь, выполненный по схеме неполного моста.

3.2. Способы управления DC/DC преобразователями.

3.2.1. Раздельное управление.

3.2.2. Совместное управление с одинаковыми скважностями.

3.2.3. Совместное управление с разными скважностями.

3.2.4. Выбор способа управления ключами DC/DC преобразователя.

3.3. Синтез регуляторов.

3.4. Выводы по главе.

Глава 4. Синтез аппаратных средств для реализации бездатчиковой СУ

ВД на базе DSP - микроконтроллера.

4.1. Основные требования к архитектуре контроллера для системы бездатчикового управления ВД.

4.2. Обзор существующих микроконтроллеров для управления двигателями. Выбор центрального микропроцессора.

4.2.1. DSP-микроконтроллеры фирмы Analog Devices.

4.2.2. DSP- микроконтроллеры фирмы Texas Instruments.

4.3. Контроллеры для системы бездатчикового управления вентильными приводами.

4.3.1. Контроллер МК 11.3.

4.3.2. Контроллер МК 10.3.

4.4 Разделение ресурсов контроллера.

4.5. Выводы по главе.

Глава 5. Экспериментальное исследование и оптимизация ЭП.

5.1. Описание экспериментальной установки.

5.2. Оптимизация алгоритма измерения.

5.3. Исследование бездатчиковых алгоритмов управления вентильным двигателем.

5.3.1. Исследование алгоритмов определения начального положения.

5.3.2. Исследование алгоритма бездатчикового пуска привода.

5.3.3. Исследование алгоритма бездатчикового управления в основном режиме работы.

5.4. Результаты отладки и экспериментальных исследований СУ

DC/DC преобразователем.

5.5. Выводы по главе.

Бесконтактный (или бесколлекторный) электродвигатель постоянного тока (БДПТ) представляет собой систему электромеханического преобразования энергии, состоящую из электрической синхронной машины (СМ) и силового электронного преобразователя (инвертора), связанных через датчик положения ротора (ДПР) так, что частота переменного напряжения инвертора равна или кратна частоте вращения ротора машины. По сигналам ДПР осуществляется коммутация ключей инвертора, аналогичная работе коллектора в машинах постоянного тока.

На протяжении последних 50 лет внимание многих исследователей и инженеров как в России, так за рубежом привлекает проблема создания электроприводов (ЭП) с разными типами СМ и электронных преобразователей, работающих в режиме самокоммутации от ДПР, которые в отечественной технической литературе получили название вентильных. По этой причине СМ, специально спроектированные для таких ЭП, стали называть вентильными двигателями (ВД). В англоязычной литературе они называются DC Brushless motors - т.е. БДПТ.

Стремление заменить коллекторную машину постоянного тока бесщеточной, да к тому же еще и бесконтактной, вполне оправдано, так как в ряде случаев традиционный двигатель постоянного тока не может удовлетворять многим требованиям. Наличие коллектора и щеточного аппарата снижает надежность работы машины постоянного тока, затрудняет условия коммутации, ограничивает предельные значения токов в переходных режимах. В некоторых случаях, например в высокоскоростных приводах, где нежелательно использование мультипликаторов, в условиях агрессивной окружающей среды, коллекторные машины неприменимы. А электронный коммутатор (инвертор) обеспечивает ряд дополнительных преимуществ по сравнению с традиционным коллекторным узлом: он не нуждается в профилактических осмотрах, не загрязняет окружающей среды, параметры этой среды не влияют на условия коммутации, он обеспечивает дополнительную практическую возможность воздействия на среднее значение ЭДС в звене постоянного тока ВД путем изменения угла отпирания силовых ключей, снимает ограничения на предельную мощность ВД по условиям коммутации, имеет более высокий уровень коммутационной устойчивости, чем механический коллектор.

Поэтому создание таких приводов, в которых используется БДПТ, всегда привлекало большое внимание со стороны специалистов, а первые варианты электропривода с инверторами на основе не полностью управляемых (ионных) приборов впервые были созданы в 1933 г.

Второй период развития вентильных приводов начался в послевоенные годы и был связан с появлением первых, весьма ненадежных, полупроводниковых приборов. Однако вентильные двигатели с силовыми преобразователями на транзисторах развивались в основном в диапазоне малых мощностей о

10 - 10 Вт). Подобные электроприводы нашли применение в авиационной и космической технике, где цена не играла решающей роли. Они отличались предельно простыми схемами преобразователей, сравнительно низким КПД вентильного ЭП. С этими недостатками приходилось мириться ради основного преимущества - бесконтактности. Однако в последние десятилетия, когда электронная промышленность стала развиваться гигантскими темпами, и когда электронные компоненты вышли на качественно новый уровень, когда появились новые материалы для изготовления магнитов машин, и т.д., стало возможным создание вентильных приводов, которые могли конкурировать с обычными ЭП постоянного тока с коллекторными двигателями. А в последнее время в России и развитых зарубежных странах вентильные ЭП с СМ на базе РЗМ практически полностью вытеснили традиционные ЭП постоянного тока. Большой вклад в развитие теории и внедрение вентильных ЭП внесли следующие ученые: Овчинников И.Е (Институт проблем управления РАН), Маслов С.И., Балагуров В.А. (кафедра ЭКАО, МЭИ), Алиевский Б.А. (кафедра ЭМ, МАИ), Кузнецов В.А. (кафедра ЭМ, МЭИ), Ивоботенко Б.А. (кафедра АЭП, МЭИ).

Бурный рост электроники, создание мощных цифровых процессоров с огромным быстродействием, совершенствование периферийных устройств, создание специальных контроллеров, ориентированных на управление приводами конкретных типов и т.п. привело к очередному рывку в области создания вентильных приводов. Стало возможным уделять больше внимания созданию программного обеспечения и перенести ряд задач, выполняемых ранее при помощи дополнительных устройств, на программное обеспечение.

Поэтому можно говорить, что в последние десятилетие происходит новых этап развития вентильных приводов, характеризуемый упрощением аппаратной структуры привода за счет усложнения программной. Все более широкое распространение получают исследования, направленные на создание эффективных алгоритмов управления ВД. При этом задействуется методики из других областей: создание всевозможных наблюдателей, фильтров и т.д. Такой подход позволяет на современном этапе развития создавать новый класс приводов, в которых отсутствует один из наиболее важных компонентов - датчик положения ротора. В таких ЭП оказалось возможным при помощи математического аппарата создать наблюдатель, который по косвенным параметрам сможет оценить наиболее важный параметр привода - положение ротора, и осуществлять коммутации. В последнее время даже были созданы специальные микросхемы для бездатчикового управления вентильными микродвигателями, применяемыми в аудио- и видеотехнике.

Наиболее типичными представителями вентильных двигателей является СМ с трехфазной (реже двухфазной) обмоткой, распределенной на гладком статоре и явнополюсным (2р = 1 -s- 8) ротором с обычными или редкоземельными (РЗМ) магнитами, укрепленными на его внешней поверхности.

Такие машины обладают большим удельным моментом при его малых пульсациях, высоким КПД. Они могут иметь больший зазор при меньших габаритах по сравнению с машинами аналогичной мощности других типов. Они отличаются сравнительно простым математическим описанием, что упрощает создание математических моделей и системы управления.

Однако, несмотря на высокие технические характеристики, синхронные машины с ротором такой конструкции, обладают рядом существенных недостатков. К ним относятся: высокая цена магнитов, сложная технология изготовления двигателя (проблемы с крепежом магнитов), ограничения по частоте вращения, чувствительность к тепловым и динамическим перегрузкам, невозможность ремонта в производственных условиях и утилизации и др.

Но, несмотря на отмеченные недостатки, ВД с РЗМ на внешней поверхности ротора стали основными электродвигателями современных ЭП станков и роботов. В настоящее время такие двигатели выпускаются серийно в ряде стран. Однако ограничение по скорости, связанное с конструкцией двигателя, а именно с ненадежным креплением магнитов на внешней поверхности ротора, накладывало ограничение на использование таких машин в ряде ЭП, где требуется обеспечить относительно высокие скорости. Поэтому в течение последнего десятилетия интенсивные исследования ведущих электротехнических фирм были направлены на устранение отмеченных выше недостатков.

В конце 90-х годов прошлого века появилась альтернативная конструкция ротора СМ, в которой магниты, располагавшиеся ранее на внешней стороне ротора, были размещены внутри него. У таких двигателей РЗМ расположены в полностью закрытых прямоугольных пазах шихтованного ротора.

Двигатель подобного типа может развивать высокие скорости, без опасности разрушения магнитов, он более технологичен при сборке и прост в обслуживании, что существенно расширяет его область применения. Такие машины в англоязычной литературе получили название IPMSM - синхронный двигатель со встроенными (инкорпорированными) магнитами.

Разным аспектам разработки и исследования вентильных ЭМ с этими двигателями посвящены многие статьи и доклады на международных конференциях последних лет. В этих материалах главное внимание уделено конструированию IPMSM, вариантам компоновки ротора, специфике электромагнитных расчетов, соотношениям активной и реактивной составляющих момента и т.д. Однако в них практически отсутствует информация о разработке вентильного ЭП с машинами такого типа. А в нашей стране такие двигатели только начинают появляться, поэтому практически нет работ, посвященных созданию электроприводов на их основе.

Актуальность задачи. Из перечисленного выше следует, что разработка и исследование нового класса электроприводов с IPMSM представляет весьма актуальную задачу. Создание математического описания таких ЭП является необходимой базой для синтеза алгоритмов работы МП САУ.

Не менее важной задачей является создание вентильного ЭП на базе IPMSM с косвенным определением положения ротора. Это существенно расширяет область применения таких ЭП и позволяет использовать их для решения широкого круга трудных задач в разных областях техники: нефтегазовая промышленность, железнодорожный и автомобильный транспорт, авиация, станкостроение и робототехника. Исключение датчика положения повышает надежность системы, требует меньших затрат по установке, наладке и профилактике ЭП в целом.

Цель работы: Создание и исследование бездатчиковой микропроцессорной САУ вентильным ЭП на базе IPMSM и электронного преобразователя с промежуточным звеном постоянного тока.

Для достижения цели в диссертации поставлены следующие основные задачи:

1. Анализ существующих алгоритмов бездатчикового управления электроприводами с синхронными машинами. Выбор оптимального алгоритма для последующей реализации на сигнальном микроконтроллере. Обоснование и разработка структуры микропроцессорной САУ ЭП с регулируемым промежуточным звеном постоянного тока.

2. Разработка математической модели СМ со встроенными магнитами в естественной системе координат для вентильного режима работы и в системе координат dq, связанных с ротором, для векторного режима работы. Разработка математического представления электромеханической системы инвертор - вентильный двигатель. Создание математического описания DC/DC преобразователя.

3. Построение имитационных и аналитических моделей электропривода в пакете Matlab / Simulink.

4. Создание алгоритмов бездатчикового управления ВД и DC/DC преобразователем, проверка их на созданной математической модели. Цифровое моделирование разрабатываемой системы бездатчикового управления.

5. Разработка аппаратных средств для реализации системы бездатчикового управления приводом и создание необходимого программного обеспечения, позволяющего проводить исследование привода на экспериментальной установке.

6. Техническая реализация и экспериментальные исследования разработанной системы бездатчикового управления; создание библиотеки программных модулей, которая позволит в дальнейшем упростить разработку как датчиковых, так и бездатчиковых систем управления вентильными двигателями.

Для решения поставленных задач используется следующий аппарат

1. Теория обобщенной машины, координатные преобразования Горева

Парка

2. Численные методы решения дифференциальных уравнений

3. Имитационные и аналитические методы цифрового моделирования в среде Simulink пакета Matlab и на языке высокого уровня С++

4. Программные алгоритмы на макетном образце вентильного привода с использованием фирменных аппаратно-программных средств и собственного программного обеспечения, созданного специально для этих целей

Научная новизна

1. На основе анализа существующих структур СУ ВП предложена оригинальная структура бездатчикового управления, реализуемая для приводов с регулируемым преобразователем в звене постоянного тока

-112. Созданы математические модели СМ со встроенными магнитами, электромеханической системы инвертор - ВД и модель DC/DC преобразователя, которые адекватно отражают процессы в реальных объектах

3. Предложены оригинальные алгоритмы бездатчикового управления ВД. Рассмотрены наиболее типичные ошибки бездатчиковой коммутации и способы их устранения

4. Разработана система управления ВД на базе контроллера МК 11.3 с микроконтроллером TMS320F2407A, реализующая предложенные алгоритмы управления

5. Все алгоритмы апробированы на экспериментальном стенде со статической нагрузкой

6. Разработан опытный макет вентильного ЭП в виде моноблока - меха-тронного механизма, на котором проведены испытания с реальной нагрузкой - компрессором холодильного агрегата

Практическая ценность и реализация работы

Результаты работы, полученные в ходе разработки и исследований привода, используются:

1. При испытаниях ЭП на базе СМ со встроенными магнитами, спроектированного кафедрами АЭП и ЭКАО МЭИ

2. При разработке перспективного встраиваемого электропривода поршневого компрессора, рассчитанного на питание от нестабшшзированных бортовых сетей постоянного тока, для предприятия «ЭЛМА-Ко»

3. В НИР кафедры АЭП по созданию систем бездатчикового управления вентильными электроприводами

На защиту выносятся:

1. Математическое описание нового типа СМ - IPMSM в естественных (фазных) и вращающихся dq координатах

2. Математические модели СМ с магнитами на роторе, электромеханической системы инвертор - ВД и модель DC/DC преобразователя, которые адекватно отражают процессы, проходящие в реальных объектах

-123. Алгоритмы бездатчикового управления для СМ со встроенными магнитами и их программная реализация

4. Методы управления DC/DC преобразователем, обеспечивающие плавность регулирования выходного напряжения как при понижении, так и при повышении входного напряжения

5. Результаты экспериментальных испытаний ЭП как на лабораторном стенде со статической нагрузкой, так и в составе мехатронного модуля ВД -поршневой компрессор при типовых режимах работы и реальных нагрузках

Апробация работы

Основные результаты работы обсуждались на заседании кафедры «Автоматизированный электропривод» Московского энергетического института (технического университета). Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях:

1. Шестая международная научно-техническая конференция для студентов и аспирантов, Москва, МЭИ, 1-2 марта, 2000.

2. Девятая международная научно-техническая конференция для студентов и аспирантов, Москва, МЭИ, 4-5 марта, 2003.

3. Десятая международная научно-техническая конференция для студентов и аспирантов, Москва, МЭИ, 2-4 марта, 2004.

4. 11th International Conference ЕРЕ-РЕМС'2004, 2 - 4 September 2004, Riga, Latvia.

5. IV Международная (XV Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу, 14-17 сентября 2004 г., Магнитогорск.

Для решения поставленных задач в первой главе предложена структура силовой части привода, даны рекомендации по управлению отдельными блоками, рассмотрена конструкция ВД. Рассмотрены подходы к построению бездатчиковых систем управления, выбран наиболее оптимальный алгоритм. Предложены структуры программного обеспечения для последующей реализации. Рассмотрены основные задачи системы управления, указан состав программного обеспечения, для каждого из алгоритмов приведено описание и рекомендации по их использованию.

Во второй главе получено математическое описание синхронного двигателя с встроенными магнитами на роторе. Уравнения моделей приведены в естественных и вращающихся dq координатах и представлены в форме, удобной для моделирования. Также рассмотрены координатные преобразования и выбрана система относительных единиц. Разработан способ, позволяющий использовать датчики линейных напряжений для определения фазных, что позволяет использовать трехпроводную питающую линию. Предложены способы определения начального положения ротора двигателя. Рассмотрены способы пуска двигателя в бездатчиковой системе управления. Разработан алгоритм бездатчикового управления вентильным ЭП в основном режиме работы и алгоритм определения скорости двигателя, приведены блок-схемы алгоритмов.

В третьей главе приведено математическое описание DC/DC преобразователей, выполненных по схеме полного и неполного моста. Получены математические модели и алгоритмы для реализации в математических пакетах. Рассмотрены несколько способов управления ключами DC/DC преобразователя, рассмотрены характеристики преобразователей для каждого из режимов. Разработаны рекомендации для выбора параметров реактивных элементов. Для базового алгоритма управления ключами синтезированы цифровые регуляторы тока и напряжения, обеспечивающие предельное быстродействие. Полученные результаты проверены на разработанной ранее математической модели в пакете Matlab.

Четвертая глава посвящена анализу рынка микроконтроллеров и выбору семейств микроконтроллеров, предоставляющих возможности по наиболее полному и оптимальному решению задач бездатчикового управления. На основании структуры вентильного бездатчикового привода сформулированы требования к микроконтроллеру с возможностями реализации систем бездатчикового управления. Описана серия полнофункциональных контроллеров "МК" для систем управления электроприводами, в создании которой принял участие автор. Из этой серии выделены контроллеры, удовлетворяющие сформулированным требованиям для реализации систем бездатчикового управления вентильными приводами - контроллеры МК11.3 и МК10.3 на базе процессоров нового поколения TMS320LF2407A и TMS320LF2406A, соответственно. Проведено разделения ресурсов выбранного контроллера для задачи построения системы управления экспериментальной установкой.

В пятой главе предложен и реализован на практике способ, обеспечивающий получение достоверных данных с АЦП каждый период ШИМ. Приведены экспериментальные данные и результаты исследования двух способов определения начального положения ротора. Реализован на практике и исследован предложенный способ пуска привода в бездатчиковой системе. Исследован алгоритм бездатчикового управления двигателем. По результатам экспериментов проведена оптимизация предлагаемых алгоритмов. Рассмотрены типичные ошибки, которые возникают при неправильной коммутации, предложены способы их устранения.

В заключении обобщены основные результаты работы. В приложениях приведены:

Описание программы SCI Monitor

Описание принципов работы квадратурных датчиков положения, приведены алгоритмы определения положения и коррекции результатов

Осциллограммы фазных напряжений при различных скоростях двигателя

Технические характеристики контроллеров для САУ ЭП

Описание стенда для тестирования контроллеров МК 11.3

Список принятых сокращений

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Дианов А.Н. Определение начального положения ротора для приводов с синхронными машинами // Труды МЭИ, выпуск 679, стр.66-73.

-152. Дианов А.Н. Способы определения начального положения ротора для электроприводов с синхронными двигателями // Десятая международная научно-техническая конференция аспирантов и студентов, 2004, МЭИ, т.2, с. 102-103.

3. Дианов А.Н. Микроконтроллеры для встраиваемых систем управления электроприводом. Семейство «Motor Control» фирмы Analog Devices // «Электронные компоненты» №8,2002, с. 101-106.

4. Дианов А.Н. Микроконтроллеры для встраиваемых систем управления электроприводом. Часть 2. Семейства «DashDSP» и «Mixed Signal DSP» фирмы Analog Devices // «Электронные компоненты» №1, 2003, с. 69 - 74.

5. Козаченко В.Ф., Дианов А.Н., Анучин А.С., Кайо Ю. Стенд для автоматизированного тестирования контроллеров МК 11.x // Труды МЭИ, выпуск 678, стр.33-41.

6. Дианов А.Н. Методика тестирования контроллеров для управления двигателями и создание стенда для автоматизированного тестирования // Девятая международная научно-техническая конференция аспирантов и студентов, 2003, МЭИ, т.2, с.91 - 92.

7. A.N. Dianov, A.S. Anuchin, V.F. Kozachenko. Initial Rotor Position Detection Of PM Motors // EPE-PEMC 2004 conference, Riga. Paper 75138.

8. Alecksey Anuchin, Anton Dianov, Vladimir Kozachenko., Adaptive Efficient Control for Switch-Reluctance Drives with DCDC-regulator for Inverter Supply // EPE-PEMC 2004 conference, Riga. Paper 71119.

9. Дианов A.H., Козаченко В.Ф., Остриров B.H., Русаков A.M. Бездатчи-ковая система управления вентильным двигателем // Труды IV международной (XV всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу, Магнитогорск, сентябрь 2004 г. -Магнитогорск, 2004. -С. 194 - 199.

Состав диссертации: введение, пять глав, заключение, список литературы, приложения, количество страниц 200, рисунков 111, число наименований используемой литературы 86 на 8 стр., приложения 6 на 29 стр.

Результаты работы могут быть использованы при разработке любого класса приводов, питание которых осуществляется от бортовой сети постоянного тока. Предложенные алгоритмы и созданные программные модули могут быть использованы при разработке датчиковых и бездатчиковых вентильных приводов. Предложенные математические модели могут быть использованы как при разработке новых алгоритмов, так и в учебном процессе.

-164

Заключение

В работе получены следующие основные результаты:

1. Проанализированы существующие алгоритмы бездатчиковых систем управления вентильными двигателями, рассмотрены их достоинства и недостатки. В качестве оптимального для реализации на специальных микроконтроллерах с функциями прямого управления двигателями выбран алгоритм, позволяющий оценивать положение ротора по прохождению через ноль противо-ЭДС в отключенной фазе. Разработана и обоснована структура микропроцессорной системы управления ЭП с промежуточным звеном постоянного тока.

2. Разработана математическая модель СМ с инкорпорированными магнитами на роторе в естественной системе координат ив dq осях. Созданы математические модели DC/DC преобразователя, ВД и системы инвертор -вентильный двигатель. Предложенные модели элементов электропривода и всего ЭП в целом были реализованы в математическом пакете MATLAB. Адекватность моделей подтверждается результатами экспериментов.

3. Разработаны и реализованы алгоритмы определения начального положения ротора, пуска вентильного двигателя в бездатчиковой системе и алгоритм коммутации фаз. Создан модуль измерения скорости в бездатчиковой СУ с усреднением скорости на одном механическом обороте. Предложены алгоритмы работы с квадратурным датчиком положения. Разработан алгоритм управления DC/DC преобразователем. Синтезированы регуляторы для предлагаемой двухконтурной системы управления.

4. Реализована система бездатчикового управления вентильным двигателем. Разработан программно-аппаратный комплекс для исследования привода, в том числе создана программа SCI Monitor, позволяющая осциллографировать внутренние переменные программы, редактировать их, просматривать произвольные области памяти.

-1635. Разработаны библиотеки программных модулей, которые можно использовать при создании датчиковых и бездатчиковых систем управления вентильными двигателями. Выполнены исследования как отдельных модулей, входящих в состав привода, так и системы в целом. Испытания проведены как на лабораторном стенде со статической нагрузкой, так и в составе мехатронного модуля ВД - поршневой компрессор при типовых режимах работы и реальных нагрузках. Результаты испытаний подтверждают работоспособность созданных алгоритмов даже при сложной нагрузке с переменным моментом сопротивления.

1. Ключев. В.И. Теория электропривода // -М: Энергоатомиздат, 1998.-704 с.

2. Рудаков В.В. Асинхронные электроприводы с векторным управлением // -JL: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1987. -136 с.3. п/р Чиликина. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями // -М.: «Энергия», 1971. -624 с.

3. Ильинский Н.Ф. Основы электропривода // -М.: изд-во МЭИ,2000. -164 с.

4. Елисеев В.А. Релейно-контакторные системы управления электропривода // -М.: изд-во МЭИ, 1995. -144 с.

5. Терехов В.М. Непрерывные и цифровые системы управления скоростью и положением электроприводов // -М.: изд-во МЭИ, 1996. -100 с.

6. Терехов В.М. Дискретные и непрерывные системы управления в электроприводах // -М.: Моск. энерг. ин-т, 1989. -80 с.

7. Ильинский Н.Ф. Элементы теории эксперимента // -М.: Моск. энерг. ин-т, 1988. Изд. 3-е перераб и доп. -100 с.

8. Гольц М.Е. и др. Быстродействующие электроприводы постоянного тока с широтно-импульсными преобразователями // -М.: Энергоатомиздат, 1986. -184 с.

9. Ивоботенко Б.А., Козаченко В.Ф. Проектирование шагового привода // -М.: Моск. энерг. ин-т, 1985. -100 с.

10. Забродин Ю.С. Импульсные преобразователи для электропривода постоянного тока//-М.: Изд-во МЭИ, 1997. -47 с.

11. Попков О.З. Основы преобразовательной техники. Неуправляемые выпрямители: Конспект лекций // -М.: Изд-во МЭИ, 2001. -64 с.

12. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники // -М.: Мир,2001.-704 с.-16514. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0 // -СПб.: Корона принт, 2001.-320 с.

13. Домрачев В.Г. и др. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений // -М.: Энергоатомиздат, 1987. -392 с.

14. Кобзев А.В. и др. Стабилизаторы переменного напряжения с высокочастотным широтно-импульсным регулированием // М.: Энергоатомиздат, 1986. -152 с.

15. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники // -М: Энергоатомиздат, 1992. -296 с.

16. Готтлиб И.М. Инверторы, конверторы, линейные и импульсные стабилизаторы // М.: Постмаркет, 2002. 544 с.

17. Ермолин Н.П. Электрические машины // М.: Высш. школа, 1975. 295 с.

18. Рогозин Г.Г. Определение электромагнитных параметров машин переменного тока // К.: Тезника, 1992. 168 с.

19. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин // М.: Высшая школа, 2001. 327 с.

20. Гельфанд. И.М. Лекции по линейной алгебр // М.: Добросвет, Московский центр непрерывного математического образования, 1998. 320 с.

21. Фаддеев Д.К., Фаддеева В.Н. Вычислительные методы линейной алгебры //-СПб.: Изд-во «Лань»б 2002. 736 с.

22. Хорн. Р., Джонсон Ч. Матричный анализ // Пер. с англ. М.: Мир, 1989. 655 с.

23. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Методы теории функции комплексного переменного // 6-е изд., стер. СПб.: Издательство «Лань», 2002. 688 с.

24. Чуй К. Введение в вейвлеты // М.: Мир, 2001. 412 с.

25. Оре О. Графы и их применение // -М.: Едиториал УРСС, 2002. 168 с.

26. Самарский А.А., Михалов А.П. Математическое моделирование // -М.: Физматлит, 2002. 320 с.-16629. Тартаковский Д.Ф., Ястребов А.С. Метрология, стандартизация итехнические средства измерений // М.: Высшая школа, 2002. 205 с.

27. Назаров Н.Г. Метрология. Основные понятия и математические модели // М.: Высшая школа, 2002. 348 с.

28. Благодатских В.И. Введение в оптимальное управление (линейная теория) // М.: высш. шк., 2001. 239 с.

29. Карпов Ю.Г. Теория автоматов // СПб.: Питер, 2003. 208 с.

30. Келим. Ю.М. Типовые элементы систем автоматического управления // М.: ФОРУМ.: ИНФРА-М, 2002. 384 с.

31. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов // Спб.: Питер, 2002. 608 с.

32. Филлипс Ч., Харбор Р. Системы управления с обратной связью // М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001. 616 с.

33. Лазарев Ю.Ф. MATLAB 5.x // К.: Издательская группа BHV, 2000. 384 с.

34. Шахов Э.К., Михотин В.Д. Интегрирующие развертывающие преобразователи напряжения //-М.: Энергоатомиздат, 1986. 144с.

35. Яблонский А.А., Никифорова В.М. Курс теоретической механики // СПб.: Издательство «Лань», 2002 768 с.

36. Бычков Ю.А., Золотницкий В.М., Чернышев Э.П. Основы теории электрических цепей: Учебник для вузов // СПб.:Издательство «Лань», 2002. 464 с.

37. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле: Учебник // 9-е изд., перераб. и доп. -М.:Гардарики, 2001. 317 с.

38. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: Учебник // 10-е изд., - М.:Гардарики, 2002. 638 с.

39. Демирчян К.С., Бутырин П.А. Моделирование и машинный расчет электрических цепей // М.: Высш. шк., 1988. 335 с.

40. Зевеке Г.В. и др. Основы теории цепей // М.: Энергоатомиздат, 1989. 528 с.

41. Демирчян К.С., Чечурин B.JI. Машинные расчеты электромагнитных полей // М.: Высш. шк., 1986. 240 с.

42. Betz R.E., Cook B.J. A digital current controller for three phase voltage source inverters // Technical report: EE9702, January 1997.

43. Yuzawa Takahiro, Tanaka Kohji, Moriyama Rintaro, Miki Ichiro. An efficient estimation of sensorless initial rotor position for surface PM synchronous motor.

44. Kim Hyunbae, Harke M.C., Lorenz R.D. Sensorless control of interior permanent magnet machine drives with zero-phase-lag position estimation // In Proc. Of IEEE IAS Annual Meeting, Pittsburgh, Oct 11-19,2002.

45. Johnson J. P., Ehsani M., Guzelgunler Y. Review of sensorless methods for brushless DC motor // IEEE IAS Annual Meeting, pp. 143-150,1999.

46. Chen Zhiqian, Tomita Mutuwo, Doki Shinji, Okuma Shigeru. New Adaptive Sliding Observers for Position- and Velocity-Sensorless Controls of Brushless DC Motors // IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.47, No.3, pp.582-591,2000.

47. PMSM at standstill without rotational transducer // Proc. Int. Elec. Mach. and

48. Drives Conf., 1999, p. 785 787.

49. H.Kim, K-K. Huh, M.Harke, J.Wai, R.D. Lorenz, T.MJahns. Initial Rotor Position Estimation for an Integrated Starter Alternator IPM Synchronous Machine // Research report.

50. Аралекян A.K., Афанасьев A.A., Вентильные электрические машины и регулируемый электропривод. В 2 кн. Кн. 1: Вентильные электрические машины // М.: Энергоатомиздат, 1997. 509 с.

51. Аралекян А.К., Афанасьев А.А., Вентильные электрические машины и регулируемый электропривод. В 2 кн. Кн. 2: Регулируемый электропривод с вентильным двигателем // М.: Энергоатомиздат, 1997. 498 с.

52. Электротехнический справочник: В 4 т. Т.4. Использование электрической энергии // Под общ. Ред. Профессоров МЭИ (гл. ред. А.И. Попов), М.: Издательство МЭИ, 2002. 696 с.

53. Дианов А.Н., Остриров В.Н., Садовский Л.А., Фисенко В.Г., Русаков A.M., Козаченко В.Ф., Проработка технических предложений по созданиюсистемы электропривода мощностью 1400 кВт // отчет о научно-исследовательской работе по теме № 2319020, 51 с.

54. Дианов А.Н., Микроконтроллеры для встраиваемых систем управления электроприводом. Семейство «Motor Control» фирмы Analog Devices // «Электронные компоненты» №8, 2002, с. 101 106.

55. Дианов А.Н. Микроконтроллеры для встраиваемых систем управления электроприводом. Часть 2. Семейства «DashDSP» и «Mixed Signal DSP» фирмы Analog Devices // «Электронные компоненты» №1, 2003, с. 69 74.

56. Дианов А.Н. Методика тестирования контроллеров для управления двигателями и создание стенда для автоматизированного тестирования // девятая международная научно-техническая конференция аспирантов и студентов, 2003, МЭИ, т.2, с.91 92.

57. Садовский JI.A., Дианов А.Н. Современные электроприводы прямого действия // Приводная техника №1, февраль 2003, с. 27 38.

58. Дианов А.Н. Способы определения начального положения ротора для электроприводов с синхронными двигателями // десятая международная научно-техническая конференция аспирантов и студентов, 2004, МЭИ, т.2, с.102 103.

59. Конев Ю.И. Структуры полупроводниковых преобразователей для бесколлекторных двигателей. Электронная техника в автоматике. Сборник статей. Выпуск 17 // М.: Радио и связь, 1986.

60. Владимиров Я.Г. Моделирование на ЭВМ процессов в полупроводниковом преобразователе БДПТ. Электронная техника в автоматике. Сборник статей. Выпуск 17 // М.: Радио и связь, 1986.

61. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины // Учебное пособие для электромеханических и электроэнергетических специальностей втузов М.: Высшая школа, 1990. 416 с.

62. Анучин А.С. Разработка системы управления многофазного вентильно-индукторного привода с промежуточным регулируемым звеном постоянного тока: Дис. на соискание ученой степени к-та техн. наук // М.: 2004. - 194 с.

63. A.N. Dianov, A.S. Anuchin, V.F. Kozachenko. Initial Rotor Position Detection Of PM Motors // EPE-PEMC 2004 conference, Riga. Paper 75138.

64. Alecksey Anuchin, Anton Dianov, Vladimir Kozachenko., Adaptive Efficient Control for Switch-Reluctance Drives with DCDC-regulator for Inverter Supply // EPE-PEMC 2004 conference, Riga. Paper 71119.

65. Дианов A.H., Козаченко В.Ф., Остриров B.H., Русаков A.M. Бездатчиковая система управления вентильным двигателем // IV Международная (XV Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу, 14-17 сентября 2004 г., Магнитогорск.

66. Овчинников И.Е., Лебедев Н.И. Бесконтактные двигатели постоянного тока//Л.: Наука, 1979. 270 с.

67. Балагуров В.А. и др. Бесконтактные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами // М.: Энергия, 1975. 128 с.

68. Алиевский Б.А. и др. Специальные электрические машины: Источники и преобразователи энергии // М.: Энергоиздат, 198. 552 с.