автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Автоматизированный частотный электропривод с векторным управлением от ЭВМ

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ

РГ6 ОД

!С|ОА На правах рукописи

ИССА СУХЕЛЬ

УДК 621.313.33.018

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЧАСТОТНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С ВЕКТОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ОТ ЭВМ

05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

М ннск 1 994

Работа ььнолнена на кафедре "Электропривод и автоматизация промывлеиных установок и технологическим комплексов" Белорусской государственной политехнической академии.

Научниа руководитель - кандидат технических наук, доцент

Петренко Ю. Н.

Офиииальныэ oimoueiiïu: доктор технических наук, профессор

Анхимвк В. Л.,

кандидат технических наук, доцент Давидович J1.M.

Ведущее предприятие - Минское станкостроительное производственное объединение им. Октябрьской Революции.

Защита состоится "/?" o^Mf 1994 года в 10 часов в аул. 201 корп.2 на заседании специализированного совета К 036.02.02 Белорусской государственной политехнической академии по адресу: 220027. toicK. пр-т Ф. Скорины. 63, Белорусская государственная политехническая академия.

Отзшы и ¡замечания на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря с пециа лаз про аанно го совета.

Автореферат разослан " " 1094г.

Учоньй секретарь

специализированного совета.

кандидат технических наук,

доцент ПЛ^^р^" А-Н. Герасимович

)

© Белорусская государственная политехническая академия.1994

ошая характеристика работы

Современный электропривод является важнейшим средством управления технологически™ процессами и энер! етическоП основой их автоматизации. Он должен максимально полно соответствовать требованиям интенсивных технологий и обеспечивать повшение производительности агрегатов и юани, их бесперебойную работу, вьсокое качество выпускаемой продукции, эконогаш энергетических и материальных ресурсов. Решение указанных задач возможно ликь при существенном пошиении технического уровня и эффективности автоматизированных электроприводов, расширении ^ункционаяынос возможностей, росте надежности и экономичности.

В промшлемш развитых странах на долю электроприводов приходится до 65,%' потребляемой электроэнергии. причем 80-90% приводов построены на основе асинхронных С преимущественно короткозамкнутнх) двигателей СЛДЗ.

Одной из наиболее характерных черт развитие автоматизированного электропривода в 80...90-е голы является переход к регулируемым электроприводам переменного тока на основе АД прежде всего благодаря их ¡эксплуатационным преимуществам.

Создание вшакс^-^ективиог-о электропривода с асинхронным двигателем, характеристики которого не уступали бн характеристикам электроприводов на основе двигателей постоянного тока, представляет собой многоплановую и в ряде случаев противоречит,ур аадачу.

Современное автоматизированное оборудование создается на основе нового поколения шаровых САУ, оЗеспечиваишх достижение оптимальных качественных показателей управляемых процессов с учетом особенностей современных управляет« мпкро9|ЗМ. т.е. ограниче ний. накладываемых программном и аппаратным способами формирования управляющих воздействий.

Ц":№,.работы и задачи ^сслйг.оещнил

11олм> работы является разработка теории. методов исследований

и технических средств, спосойствугжах совершенствовании асинхронного частотного электропривода с векторным управлением на микропроцессорной основе.

Ц^тды исследования. Решение поставленных в диссертационной работа ¡задач основано на теории обедненной электрической машины, теория автоматического управления и численны* методах. Основные теоретические исследования подтверждены численными экспериментами на имитационной модели и экспериментальными результатами на лабораторном шкете.

Научная новизна диссертационной работы заключается в слелущеы.

1. Раерабстана методика оценки влияния параметров АД на динамические характеристики электропривода в системе векторного управления.

2. Предложены способы «идентификации параметров двигателя с целью коррекции управлявших воздействий.

3. Разработана структура электропривода с управляицей моделью, обеспечивашая компенсаций влияния изменения сопротивления ротора вследствш нагрева.

4. Разработана методика проектирования микропроцессорного контроллера для управления частотным электроприводом в реальном масштабе времени.

Практическая ценность работы заклпчается п следующем:

- разработанная имитационная модель позволяет проводить разносторонние исследования частотного электропривода с управлявшей модьльв. оптимизировать структуры и параметры управления;

- создан микропроцессор!«А контроллер системы векторного управления. состоящий из на двух однокристальных микроЭВМ КР1Щ6ВЕ31 и схемы сопряжения.

Апробация работы Основнш положения диссертационной работы докладывались и осуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Белорусской государственной политехнической академии, секция "Электропривод". 1992~94гг.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 6 печатных работах.

Резияаация результатов райаты. Комплекс, программ для исследо-

вания систем векторного управления на имитационной модели принят в Республиканский фонд алгоритмов и программ С МАП),

Методика проектирования с помощь» имитационной модели использовалась при курсовом и дипломном проектировании на кафедре "Электропривод и автоматизация проншленних установок и технологических комплексов" БГ11А, а также в НИР кафедри.

Структура и объен диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четьрех глав, списка литературы из 141 наименований и 3 приложений и иллюстрируется 69 рисунками и 6 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность тенм диссертации и приведен краткий обзор систем электроприводов переменного тока и тенденции их развития, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе анализируются способы и структуры векторного управления (ВУЗе регулированием тока и напряжения, с непосредственны« измерением потока двигателя и управлявшей модельс СУМ).

Независимо от способа резлизации существует ВУ с управлением по вектору главного потокосцепления двигателя $п,по вектору пото-косцепления ротора ? ' и статора Нз основе анализа структур предпочтение отдается системе векторного управления с управляющей моделью по вектору потокосцеплекия в которой возможно независимое воздействие на развиваемый двигателем мэм&нт и поток ротора по независимш каналам управления.

По второй главе представлены математические модели асинхронного двигателя,на основе котори* разработана имитационная !К>дель для исследования динамических характеристик системы векторного управления с управлявшей моделью. Структурная схема системы ВУ построена по принципу подчиненного регулирования и приведена на рисЛ.

Существенный элементом структуры ЕУ Г.рис. 1) является управляемая модель СУМ), задачей которой является вьработка управляющих воздействий в виде составляющих вектора тока статора :

РП

У и ПК! ПК2

4

I " РФ *! II*

рйс. 1.Структурная схеыа систеш векторного управления

2/3

«

К

(23

г-'З

сф

г чэ

(33

Преобразователь координат I1K1 функционирует в соответствии с вьракниеы

4«

(U) dt. В Г

cose -sine sine cose

Ш

rae 6= l(üa + «)dt. В №Í2 преобразуется в сигналы

задания фазных токов i i * i *

4 к* яо

Параметры регуляторов РП и PC определялись аналитически и затем уточнялись на имитационной модели, разработанной на яэьке Паскаль 5,реализованной на ГВВМ типа IBM, "ЕС 1840" ила совче-

CTKMUX С H55HH.

Динамические характеристики системы с электродвигателем 4Л1321, Г P)t= 0,55 кВт, Jnp= 1.2ЛДВ) при пуске показаны на рас.2.

Высокие динамические показатели системы ВУ возможны лиюь при постоянных значениях параметров двигателя. Б случае их отклонения от расчетного значения нарушается основной принцип векторного управления - ориентация потока ротора вдоль ося Я, что приводит к к ухудшению статических и динамических характеристик системы, в результате чего имеет место векторная диаграмма, изобраеенная на рис.3. Наибольшее влияние оказывает изменение сопротивлений ротора R вследствие нагрева и L^-з результате насьщения. Так, при увеличении R вдвое по сравнении с номинальным значением шток ротора увеличивается на 100Я, время регулирования по моменту возрастает на 1.7, а по потоку-на 1,9 раза. Для оценки влияния рассчитаны зависимости момента двигателя и потока ротора, что приведено на рис.4 и рис.5 соответственно.

При насьсцении главной магнитной цепи вследствие увеличения составлявшей iBX изменится соотношение

Для оценки степени насыцения введем коэффициент Д. так что СШ запишется в виде

Тогда вьражение момента примет еил:

м* = Jk_ Г Ь С J* 1 —^-. (81

* мзб 1 i.« J ьсл-ia.)»

^

где Hjjj - значение момента при const.

1!а рис.0 показано семейство характеристик МдСЛ), по котором можно определить относительны? потеря пропорциональные

5

Ущнйс)

Увиичение с

о not щ цоз а,о* a,as o.os a,Q7

Щ»

Рис.4. Зависимость HgtWg) при фр= const (15 и кусочно-линейной модели (2)

Рис.5, Зависимость потока от частоты скольжения без учета нэсмцения СП п при кусочно-линейной модели С?..).

Рис.6. Характеристики ^ с ориентацией по поли для опенки чуствител! носта к X

Предел насыщения / для ориентации по /шш

/ Vй

'V

Величины / ^

/ и ■

Рис, 7. Характеристики Фг с ориентацией по полв для опенки чуствительности к А

. вызванные рассогласованием системы вследстгие

нас мнения. Результирующие нормированные характеристики потока

представлены на рис.7.

Анализ этих кривых показывает, что ловыгоенние значения * при лхкЗом рассогласовании приводят к повшанньм значениям потока и увеличению потерь в мели статора для восстановления

заданного вращающего момента.

Двигатели большой мощности, для которых характерно относительно понигенчсе значение намагничивающего тока, обладают <5олывей чувствительностью к рассогласовании по сравнению с двигателями малой момлости. Изсьщение учитывается с помощью кусочно-линейной подели.где потек ротора ограничивается на допустимом уровне.

D третьей главе анализируется методы параметрической адаптапии. необходимость- которой объясняется широким диапазоном изменения параметров двигателя в процессе эксплуатации. плавкими из которых является сопротивление ротора J?r и ичлуктявмост! цепи главного потока L^.

Системой управления должен вырабатываться со ответствуй,чий сигнал коррекции, без которого невозможна развязка каналов управления моментом и потоком двигателя.

Это свойство В.У является характерны» для систем с косвенным регулированием. Ияеальиш решением было <1н измерение Фактического значения параметров и соответствующая настройка системы управления.однако на практике такое, ретепиа сложно и поэтому фактически не реализуемо. Более персиектигнь« является ремение, при котором анализируется величины . нападение которых не представляет слотности и изменение которых говорит об изменении соответствующих параметров.

Для системы £У такой величиной шляется ЗДС самоиндукции

ё - J «ЛЧ

в г 8*Г

(10)

но кзмензнш К(агорой маша судить об изменении потока.

Дли практической реализации сделаем оценку погрешности вычисления по (103. имея в виду. ЧТО:

- электропривод работает в замкнутой систена. следовательно,

- лвбое отклонение в статическом режиш работы вызывается только отклонением ЭДС. Сигнал адаптации лолу чается путем вычисления амплитуды ЭЛС или угла рассогласования в (рис.3).В обоих случае ях содержится погрешность намерения (амплитудная или фазовая).

Сигнал адатации. полученный путем вычисления амплитуды ЭДО,,

где ©„.¿Эц- измеренное значение ЗЛО и его погрешность.

Для определения сип ила адаптации можно воспользоваться сигналом Дер. возникающим при отклонении векторов ё*и е* на угол в (рис.8):

е*ецз1п(е*- в)=е*Сец± Дец)зш[в*-(0±Д0)] ; (13)

где ¿в - угловая погрешность.

Сигнал ошибки может быть также получен- путем определения фазовой погрешности. Для этого воспользуемся произведением ЭДС ё*и ёв в векторной форме ;

Для того, чтобы всклочить громоздкую операции перемножения двух сигналов еа и е* по осям а и 0, заменим их логическими функциями-

бее*- е - е*- (ев± Аец),

(11)

" е<$еа •

(13)

если Б1дп(е )=1;

6^=0. если з1дпСеив)--1. Аналогично для остальных перемешшх (рис.8).

Il

иипеякив B0MD3t>Hdk8«e<Jeu еиэхэио а квнмиАген ewiedjeB{T8

JjviïlS^J »Sis fy ufo ufas

fyvfos тд vSis id

w—ü—ü—u— »-[ПГПТПЛЛ]

Для наделения логического сигнала рассогласования АС воспользуемся функцией "искличашее или". О результате получим

или по одной фазе'- ЛЕЙ= Ь!вй$ Ев. С163

Приведенные соображения позволягт представить блок адаптивного регулирования (БЛР) в виде рис.9; устройства, относящиеся к БАР, обведены пунктиром. 11иф}юй 1 обозначены сигналы по устройству согласно (15). а цифрой 2 -согласно С16); применяется одно из Названных устройств.

Оьписленный фактический сигнал ЭДС ецК и заданное значение е* преобразуются согласно (14). затем выделяется сигнал 6КД по (16).

Последний подается на цифровой интегратор, выходной сигнал которого п остается в управлявшую модель и корректирует сопротивление ротора йг до полного исключения рассогласования.

Разработана математическая модель скользящего режима в системе ЙУ ясинхронньм двигателем. Для адаптации системы дополнительно вьяелим сигнал рассогласования каждой переменной : •

V С1Сь* " + "Ж*1и* ' (17)

V У К - V ♦ - (1Ш

С стационарном состоянии согк1; 0. В этом и

заключается преимущестьо скользящего режима.

Для рассматриваемого йлектроприьода длительность процесса выход«, на установившийся скользяший ре сим составляет 7-10 *с. Для управления двигателем это является удовлетворительным показателем. так как токовьй следящий контур начинает функционировать гораздо раньше, чем происходит разгон двигателя, способствуя качественному процессу с самого его начала.

Моделирование системы показало, что оптимизация динамики и ловииение устойчивости скользящего ре*ичл достигается с помош.п следудакх параметров: :

- ширины петли гистерезиса релейных элементов регулятора тока

гД]„* ;

-^Щ'иг

А1Ш

Рис. 9. Структурная схема параметрической адаптации в системе векторного управления

-коэффициента переключения фаз К (меняя его значение от С0-1Э.

Четвертая глава посвящена разработке и реализации микропроцессорного контроллера электропривода с векторный управлением. При втом решается следующие »опросы: комплектация из серийного набора; проектирование специализированных устройств

(УОО) для сопряжения объекта управления с унифицированные! интерфейсами . микроЭВИ; программирование алгоритмов управления. При выборе микроЭВМ учитывались разрядность, быстродействие, внутреннее (системное) и прикладное ПО, наличие инструментальны* систем автоматизации программирования и отладки, минимальное время вьполнеиия команды. время выполнения арифметических операций, главны* образом умножения и деления, минимальное количество микросхем, необходимое для построения контроллера. максимальная тактовая частота и оценка времени дискретизации. Исходя из этих сображений был выбран микроконтроллер типа KP1816Î3E31 как оптимальный вариант для реализации сложного алгоритма системы векторного управления благодаря тому, что он представляет собой функционально законченное устройство, содержащее процессор, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), многоканальньй интерфейс ввода-вывода, таймер, контроллер прерываний, тактовый генератор и устройство синхронизации. Кроме того, его быстродействие равно одному миллиону коротких операций в секунду, имеются команды умножения и деления. Это позволяет реализовать алгоритм управления рассматриваемой системы за 10~3с, что удовлетвлетворяет требование к быстродействию привода. lia основе КР18168Е51 реализована система векторного управления, функциональная схема которой представлена на рис.10.

К аппаратные средствам системы управления относятся: регулятор тока с гальванической развязкой (РТ); цифро-аналоговый преобразователь СЦАГО; инкрементальный датчик скорости CG); блок преобразования сигналов фотоимпульсного датчика; два блока сопряжения КР580ВВ55; блок векторного сложения.

Для реализации программного обеспечения используется следующее: два микропроцессора типа КР181ВВЕ51 ¡контроллер клавиатуры типа КР580Ш79; клавиатура; дисплей: две микросхемы внешней памяти ПЗУ (РФ2); энергонезависимая память,' реализованная на двух микросхемах РУ10,

Рис. 10. Функциональная схека какропроцессораой системы управления злеетропишоаои с векторнь^ управлением

Предусмотрена возможность подключения компьютера типа ШМ для отладки программного обеспечения. Разработанное ПО разделяется на; 1 - системное, с организацией вычислений, управлением техническим средствами системы и обслуживанием пульта управления; 2 -прикладное, для формирования управления по задгниьм алгоритмам оегупирования.

Для обеспечения требования йьстродействия системы и расширения ее функциональных возможностей алгоритм управления реализован на дпух контроллерах.

Нервы!» контроллер осуществляет.- преобразование частоты вращения ротора,полученной от ФИД-а:

- вьшсление частоты вращения ротора;

- вьмисление сигналов скорости и положения;

- одши дзнньми со вторьм контроллером.

Второй контроллер осуществляет:

- вычисление ] * м*;

к * к

■ вычисление О, ¡ва.

- одмэч дашшми с первьм контроллером.

Наиболее трудоемкой операцией является расчет тригонометрических Функций. Для его реализации применен табличньй метол, которьй значительно экономит время расчета по сравнений с методом разложения в ряд. В итоге удалось реализовать время расчета веек операций, выполняемых лервьм и вторьм контроллерами за время цикла Тц » 10~3с . что является удовлетворительным показателем для данное системы,« создать гибкий экономичньй электропривод с вектор-нш управление« на основе асинхронных короткозанкнутых двигателей.

Разработанньй электропривод может найти применение для широкого класса механизмов, где по разным причинам отдается предпочтение асинхронным двигателям. Это . в частности, относится к электроприводам главного движения и полачи металлорежущих станков и оборудовании ГАП и т.д. с диапазоном регулирования скорости до 2'10э и мощность!) до 13 кВт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С целью создания и внедрения современного электропривода переменного тока на осног-е асинхронных короткозамкнутык двигате-

лей, обеспечивающего достижение качественных показателей управляемых процессов с учетом особенности современных управляющих микроЭВН. был проведен ряд теоретических и экспериментальных исследований. анализ которых позволяет сделать следующие выводы.

l.lfa существу тих методов векторного управления следует отдать предпочтение применении косвенного метола благодаря его конструктивным преимуществам (не требуется встраивание датчика потока). Следовательно, этот метод можно применять для систем привода асинхронных двигателей, которые у «а находятся в эксплуатации без датчиков потока, что является актуаяьнш.

2. Разработанная имитационная модель позволяет исследовать различные структуры систем частотного электропривода с векторный управлением, изучать влияние параметров двигателя на процессы в электроприводе и различные метоли параметрической адаптации, йстганиопная модель обладает достаточной гибкостью и универсальностью при исследовании динамических и энергетических показателей электропривода.

3. Существенное влияние на динамические характеристики электропривода оказывает изменение сопротивления ротора двигателя. При его нагреве до 180° время регулирования потока увеличивается в 1,7 раза, а время регулирования момента - в 1,9 раза. , .

4. Влияние насшенпя главной магнитной цепа мо!ет быть учтено с помощью предложенной кусочно-линейной модели, которая ограничивает насияент потока ¡хлора. Для компенсации погрешности, вносимой настением. следует осуществлять настройку регуляторов на малое значение частоты скольжения; в этом случае система сохпаняет хорошув линейность вращающего момента.

0. to досмотренных методов адаптации к нагреву АД предложенный метод, основаншй на расчете ЭДС самоиндукции потока ротора и выделении логического сигнала рассогласования ЗЛО. является наиболее простш с точки зрения технической реализации.

6. Необходимым условием качественного функционирования системы вектсрного управления является точность и быстродействие внутреннего токонот контура, обеспечивавшего слежение за заданиями электромеханических и электромагнитных величин.

Улу'«пение динамики системы и повыаение ее устойчивости достигается шириной петли гистерезиса релейных элементов токового

контура и величиной коэффициента переключения.

7. Реализация системы векторного управления с управляющей модель!) и параметрической адаптацией целесообразна на микропроцессорном контроллере, состоящем из двух микропроцессоров типа КРШ16ВЕ51. обеспечивающем . необходимое быстродействие .' при управлений в реальном времени.

8. Разработанное программное обеспечение микропроцессорной системы реального времени позволяет реализовать регуляторы скорости и положения, решать задачу управлявшей модели, осуществлять необ-. ходимыэ преобразования координат.

9. Разработанная методика вычисления тригонометрических функций табличньм методом снижает затраты памяти и число команд по сравнении с другими методами.

10. Для повышения быстродействия микропроцессорная система управления снабжается аппаратной поддержкой, вк/шчашей регулятор тока и блок преобразования сигналов стандартного фотоимпульсного датчика скорости.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Петренко Ю.Н. .Исса Сухель Система, векторного управления асгнхронным двигателем с параметрической адаптацией • (Изв. высш. учеб. заведений). - Энергетика. - 1G92.-Ifc 11-12. - С.54-SO.

2. Петренко Ю.Н. .Исса Сухепь, Сархан Атеф. Строчук Д.В. Fery--лятор тока с гальванической развязкой для полупроводникового электропривода // (Изв. вьеш. учеб. заведению. - Энергетика. - 1993.

- К 1-2. - С. 60-61.

3. Исса Су хель. Петренко Ю. II. Влияние насыщения в системе векторного управления асинхронного двигателя С Иов. вьют. учеб. заведений). - Энергетика. - 1S93. - № 3-6. - С. 68-71.

4. Исса Су хель. Гиоик H.H.. Петренко Ю, Н. Микропроцессорный контроллер для системы' векторного управления асинхронным двигателем // Сйзв. высш. учеб. заведений). - Энергетика. - 1993.

- № 11-12. - С. 70-74.

5. Исса Су хель, Петренко Ю.Н. Математическая модель скользящего режима в системе векторного управления асинхронньы двигателем. Депонированная в ВИНИТИ 04.01.94, 16 3. - В. 84.

6. Исса Сухель. Петренко Ю. Н. Программа для исследования динамических характеристик адаптивной системы векторного управления с асинхронным коротко?.айкнуть« двигателем. Ин-т математики АН РБ

- РФАП Pß. - Per. fc 00681.

с