автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование вентильных двигателей со статической коррекцией характеристик для электроприводов малой мощности

ВВЕДЕНИЕ.

Список сокращений.

ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ МАЛОЙ МОЩНОСТИ С ВЕНТИЛЬНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ.

Введение.

1.1. Функциональные схемы электроприводов с вентильными двигателями.

1.2. Основные узлы вентильного двигателя.

1.2.1. Силовые синхронные электромеханические преобразователи.

1.2.2. Датчики положения и скорости вентильного двигателя.

1.2.3. Основные электронные узлы вентильного двигателя.

1.3. Анализ влияния параметров вентильного двигателя на его характеристики.

1.3.1. Анализ влияния индуктивности обмотки якоря вентильного двигателя.

1.3.2. Анализ влияния инерционности усилительно-преобразовательного устройства.

1.3.3. Влияние насыщения усилителей мощности.

1.4. Методы анализа электроприводов с вентильными двигателями.

1.5. Постановка задачи.

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С ВЕНТИЛЬНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ.

Введение.

2.1. Задачи и основные положения теории моделирования.

2.2. Критерии оценки математических моделей электроприводов.

2.3. Обзор программных средств для моделирования и расчета электроприводов.

2.4. Обоснование выбора метода моделирования электропривода малой мощности.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСКОРРЕКТИРОВАННОГО

ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ.

Введение.

3.1. Математическое описание вентильного двигателя в подвижной системе координат d, q.

3.2. Выбор относительных единиц и базовых величин.

3.3. Решение системы дифференциальных уравнений вентильного двигателя с помощью программирования.

3.4. Решение системы дифференциальных уравнений вентильного двигателя в пакете MATLAB 5.2.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ СО СТАТИЧЕСКОЙ КОРРЕКЦИЕЙ ХАРАКТЕРИСТИК.

Введение.

4.1. Исходные системы уравнения вентильного двигателя в неподвижной системе координат.

4.2. Характеристики вентильного двигателя в установившихся режимах работы.

4.2.1. Уравнения вентильного двигателя в установившихся режимах работы.

4.2.2. Нелинейности механических и регулировочных характеристик.

4.2.3. Схемы статической коррекции и их реализация.

4.3. Моделирование процессов в вентильном двигателе в пакете MATLAB5.2.

4.4. Результаты моделирования в пакете MATLAB 5.2.

4.4.1. Исследование статических характеристик.

4.4.2. Исследование схемы статической коррекции.

4.5. Исследование электропривода с вентильным двигателем малой мощности.

Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ АНАЛОГОВОМ И МИКРОПРОЦЕССОРНОМ

УПРАВЛЕНИИ.

Введение.

5.1 Описание экспериментальной установки и ее основные узлы.

5.2 Результаты экспериментального исследования вентильного двигателя.

5.2.1. Уточнения параметров вентильного двигателя.

5.2.2. Снятия характеристик вентильного двигателя малой мощности.

5.3. Сравнительный анализ экспериментальных исследований.

Выводы по главе 5.

Электропривод является неотъемлемой частью многих агрегатов и комплексов, используемых в различных отраслях науки и техники. В качестве бесконтактного электропривода малой мощности (до 1 кВт) широко используется электропривод с вентильным двигателем [92, 100].

Электропривод с вентильным двигателем применяется в системах автоматического управления с повышенными требованиями к надёжности и сроку службы, в особенности в тяжёлых условиях эксплуатации, например, в бортовых следящих системах и системах угловой стабилизации высокой точности, системах регулирования скорости с большим диапазоном, имеющих высокий темп пусков, остановок и реверса, намоточных механизмах мотального автомата, космической и авиационной технике, автомобильном машиностроении, биомедицинской аппаратуре, бытовой технике и т.д. [2, 4, 6, 8,43, 53, 58, 77, 79, 85, 90, 101].

Этот тип привода с вентильным двигателем малой мощности является сейчас одним из самых перспективных, что объясняется его высокой перегрузочной способностью, большой гибкостью и многофункциональностью, программируемостью, возможностью построения высококачественных систем управления, хорошими регулировочными свойствами, разнообразием конструкций и схем построения, бесконтактностью, возможностью работы в тяжёлых условиях эксплуатации, большим сроком службы и высокой надёжностью.

В области теории и разработки электроприводов видное место занимают работы учёных: А.Ю. Афанасьева, Ю.А. Борцова, С.В. Демидова, Н.Ф. Ильинского, С.А. Ковчина, Н.И. Лебедева, А.Г. Микерова, Б.В.Новосёлова, А.Д. Поздеева, В.В. Рудакова, Ю.А. Сабинина,

А.А.Сиротина, Г.Г. Соколовского, В.М. Терехова, М.Г. Чиликина и др. [1, 4, 6,12,13,40,51,78, 75,76, 84].

На использование электроприводов с вентильными двигателями малой мощности в следящих системах и возможность замыкания обратных связей по скорости, положению и току в различных системах координат оказывают большое влияние основные узлы вентильного двигателя малой мощности, в особенности усилительно-преобразовательное устройство, которое приводит к запаздыванию выходных сигналов вентильного двигателя и всего электропривода относительно входных. Для устранения этого влияния необходимо использовать различные схемы статической коррекции. Это и определило основное направление настоящей диссертационной работы.

Диссертационная работа состоит из введения и пяти глав, краткий обзор содержания которых приведён ниже.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5

L Экспериментальная установка, созданная для исследования электромеханических и электромеханотронных преобразователей малой мощности с аналоговым и микропроцессорным управлением, содержит синхронный электромеханический преобразователь, датчик положения ротора, линейный усилитель мощности, блок управления, микроконтроллер, индукционный тормоз, тахогенератор, персональный компьютер, вторичные источники питания. Стенд работает в двух режимах управления: аналоговом и микропроцессорном. Максимальная механическая мощность на валу вентильного двигателя составляет 11 Вт.

2. Измерения, проведенные на этой установке, позволили уточнить следующие параметры вентильного двигателя: значения коэффициентов ЭДС и момента (Cjf= 0,085 Вс/рад, С#=См), фазные сопротивления (7^Ф=16,6 Ом), коэффициенты передачи и постоянная времени УПУ (Ку=4, Ту=3 мс), зоны линейности усилителя мощности (до амплитуды фазного напряжения 25 В), амплитуды и частоты помех (2 В и 25132 1/с), начальный угол выставки датчика положения ротора (0о=О , т.е. настройка нейтральная).

3. Показано, что при близких значениях постоянной времени усилительно-преобразовательного устройства ('/у=3,2 мс при аналоговом управлении и Гу=3,3 мс при микропроцессорном управлении) регулировочные характеристики по скорости и току практически совпадают. При этом не обнаружено существенного влияния на характеристики

Ill электромагнитной постоянной времени (7ф=0,05 мс) и квантования по уровню 8-разрядного АЦП микроконтроллера.

4. Установлено, что основным фактором, влияющим на статические характеристики, в данном случае является запаздывание в электронной части вентильного двигателя. Например, при минимально достигнутой в эксперименте постоянной времени УПУ 2У=3 мс параметры двигателя по сравнению с паспортными значениями, определенными для идеализированного вентильного двигателя при амплитуде фазного напряжения 25 В, существенно ухудшаются:

- скорость холостого хода снижается в 4,4 раза с 317 1/с до 71,3 1/с;

- ток холостого хода возрастает в 22 раз с 0,1 А до 2,2 А;

- максимальная механическая мощность на валу падает в 4,9 раз с 11 Вт до

2,25 Вт.

Это подтверждает целесообразность введения схемы статической коррекции.

5. Экспериментальные регулировочные и механические характеристики, снятые в диапазоне амплитуд фазных напряжений от 4 В до 25 В, при изменении постоянной времени УПУ в пределах от Гу=3 мс до 7"у=6,5 мс при аналоговом и микропроцессорном управлении близки аналогичным характеристикам, полученным на нелинейной модели в пакете MATLAB. Максимальное расхождение характеристик не превышает 10%. Совпадают также и формы фазных напряжений в линейной и нелинейной зонах. Все это подтверждает адекватность созданной в диссертационной работе нелинейной компьютерной модели вентильного двигателя малой мощности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные результаты, полученные в диссертационной работе, можно сформулировать следующим образом:

1. Проанализированы основные особенности вентильных двигателей малой мощности в составе электропривода с аналоговым и микропроцессорным управлением и показано влияние параметров основных узлов вентильного двигателя в составе электропривода на его характеристики.

2. Установлено влияние запаздывания на характеристики электропривода, обусловленное усилительно-преобразовательным устройством. Проведён анализ способов улучшения характеристик.

3. Выполнен обзор и анализ математических моделей вентильного двигателя, учитывающих влияние запаздываний, обусловленных постоянной времени усилительно-преобразовательного устройства и электромагнитной постоянной времени. Выбрана модель вентильного двигателя в неподвижной системе координат а, р.

4. Выполнен анализ существующих пакетов прикладных программ для моделирования и математического расчёта электроприводов с вентильными двигателями малой мощности и выбран пакет MATLAB, как наиболее подходящий для решения поставленных задач.

5. Составлена математическая модель нескорректированного вентильного двигателя без учёта влияния постоянной времени усилительно-преобразовательного устройства в подвижной системе координат d,q. Разработана модель в пакете MATLAB, и программа для решения системы дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутта на языке Pascal. Установлена идентичность решений на модели и путем программирования. Для дальнейшего исследования был выбран пакет MATLAB, как более удобный и обладающий большими информационными возможностями.

6. Созданы полная математическая и компьютерная модели вентильного двигателя в неподвижной системе координат а, Р с учётом влияния постоянной времени усилительно-преобразовательного устройства, электромагнитной постоянной времени, насыщения усилителей мощности, высокочастотной помехи и сухого трения.

7. Выбраны алгоритм и структура схемы статической коррекции в подвижной системе координат, и проанализирована эффективность её работы в уменьшении нелинейности статических характеристик, повышении мощности и экономичности двигателя. Рассмотрены различных варианты упрощения алгоритмов статический коррекции. Проведен анализ влияния факторов нелинейности на работу полного и упрощенных алгоритмов коррекции и сформулированы рекомендации по обеспечению оптимального их функционирования.

8. Разработан микропроцессорный стенд с микроконтроллером MCS 196 МС для исследования электромеханических и электромеханотронных преобразователей, на котором проводились испытания электропривода с вентильным двигателем малой мощности при аналоговом и микропроцессорном управлении.

9. Показана эквивалентность аналогового и микропроцессорного режимов управления для характеристик вентильного двигателя при одинаковых значениях постоянной времени электронной части двигателя.

10.Доказана адекватность созданной нелинейной модели вентильного двигателя путем сравнения результатов теоретического расчета, моделирования на линейной и нелинейной моделях в подвижной и неподвижной системах координат с данными испытаний микропроцессорного стенда.

11. С помощью разработанной нелинейной модели показано влияние схемы статической коррекции на динамические характеристики электропривода с вентильным двигателем малой мощности, замкнутого по скорости при

180 различной глубине тахометрический обратной связи, продемонстрирована возможность существенного снижения времени переходного процесса при различных постоянных времени и факторов нелинейности вентильного двигателя.

12. Найденные и исследованные алгоритмы статической коррекции характеристик могут быть использованы при проектировании вентильных двигателей для повышения их мощности и экономичности, а также при создании замкнутых электроприводов с вентильными двигателями для повышения их быстродействия и улучшения переходных процессов.

1. Авиационные моментные двигатели. Столов Л.Н., Зыков Б.Н., Афанасьев А.Ю., Галеев Ш.С. — М.: Машиностроение, 1979.

2. Аракелян А.К., Афанасьев А.А. Вентильные электрические машины и регулируемый электропривод, в двух книгах. Книга первая: Вентильные электрические машины. Книга вторая: Регулируемый электропривод с вентильным двигателем. — М.: Энергоатомиздат, 1997.

3. Архангельский А .Я. PSpice и Design Center. части 1 и 2. — М.: МИФИ, 1996.

4. Афанасьев А.Ю. Моментный электропривод. — Казань: Казан, гос. техн. Ун-т, 1997.

5. Балагуров В.А., Гридин В.М., Лозенко В.К. Бесконтактные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. — М.: Энергия, 1975.

6. Башарин А.Г., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводом. —Л.: Энергоиздат, 1982.

7. Беленький Ю.М., Зеленков Г.С., Микеров А.Г. Бесконтактный моментный привод (технико-экономическая информация). —Л.: ЛДНТП, 1990.

8. Беленький Ю.М., Зеленков Г.С., Микеров А.Г. Опыт разработки и применения бесконтактных моментных приводов. — Л.: ЛДНТП, 1987.

9. Беленький Ю.М., Зеленков Г.С., Микеров А.Г. Проектирование исполнительных электродвигателей для многофункциональных систем автоматического управления. — Электротехника, 1988, № 8.

10. Беленький Ю.М., Микеров А.Г. Выбор и программирование параметров бесконтактного моментного привода.— Л.: ЛДНТП, 1990.

11. Благодарный Н.С., Второв В.Б., Скибицкий И.Н. Система автоматического управления бесконтактным моментным приводом. Известия ЛЭТИ: Сборник научных трудов. Выпуск 404. — Л.:, 1988.

12. Борцов Ю.А. Математические модели автоматических систем. — Л.:,ЛЭТИ, 1981.

13. Борцов Ю.А., Соколовский Г Г. Автоматизированный электропривод с упругими связями. Второе издание, переработанное и дополненное. — СПБ.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербург. Отд-ние, 1992.

14. Бродовский В.Н., Иванов Е.С. Приводы с частотно-токовым управлением / Под редакцией Бродовского В.Н.— М.: Энергия, 1974.

15. Бут Д.А., Бесконтактные электрические машины: Учебное пособие для электромех. и электроэнерг. спец. Вузов. — Мл Высшая школа, 1990.

16. Ваганов М.А., Матюхов В.Ф., Северин В.М. Проектирование вентильных элекромеханотронных преобразователей: Учеб. пособие. ЭТИ, —СПб.: 1992 .

17. Вейнгер А.М. Регулируемый синхронной электропривод. М.— Энергоатомиздат, 1985.

18. Вентильные электродвигатели малой мощности для промышленных работ / Косулин В.Д., Михайлов Г.Б., Омельченко В.В., Путиников В.В. —Л.: Энергоатомиздат, 1988.

19. Второв В.Б. Применение метода инверсии для построения математической модели бесконтактного моментного двигателя постоянного тока Известия ЛЭТИ: Сборник научных трудов. Выпуск 369,—Л.:, 1986.

20. Гаврилов Л. Системы автоматизированного проектирования аналоговых и аналого-цифровых устройств. Электронные компоненты, 2000. № 3,4,5.

21. Гайдай Г. И., Гориловский А. А., Ходько С. Т. Математическая модель моментного привода // Разработка и создание автоматизированныхсистем управления электромеханическими наполнительными устройствами роботов и манипуляторов. — J1.: ЛДНТП, 1986.

22. Герман-Галкин С.Г., Лебедев В.Д., Макаров Б.А., Чичерин Н.И. Цифровые электроприводы с транзисторным преобразователями.— Л.: Энергоатомиздат, 1986.

23. Герман-Галкин С.Г., Мордовченко Д.Д. Анализ различных способов замыкания обратной связи по скорости в бесконтактном моментном электроприводе // электропривод с цифровым и цифроаналоговым. Л.: ЛДНТП, —1991.

24. Голландцев Ю.А, Лурье Я.З. Алгоритм расчета переходных процессов в вентильных двигателях переменного тока. Межвузовский сборник. Вып. 127. —Л.: ЛЭТИ. 1979.

25. Голландцев Ю.А. Влияние параметров на динамические показатели вентильного двигателя. Межвузовский сборник. Вып. 116. — Л. ЛИАП. 1977.

26. Голландцев Ю.А. Метод расчета переходных процессов в вентильном двигателе. Межвузовский сборник. Вып. 116.—Л.: ЛИАП. 1977.

27. Голландцев Ю.А., Овчинников И.Е. Исследование вентильных двигателей,—Л.: ЛИАП. 1983.

28. Гребнев В.В. Однокристальные микроЭВМ (микроконтроллеры семейства MCS-96) — Московское представительство Intel Corporation, 1995.

29. Грузов Л.Н. Методы математического исследования электрических машин.— Л. Госатомиздат. 1953.

30. Гульяев А. К., MATLAB 5.2. Имитационное моделирование в среде Windows: Практическое пособие. — СПБ.: КОРОНА принт, 1999.

31. Датчики положения ротора и синхронные тахогенераторы для бесконтактного моментного привода. Батоврин С.А., Епифанова JI.M., Микеров А.Г., Яковлев А.В., Электротехника. — 1991. № 8.

32. Демидов С.В., Полищук Б.Б, Быстродействующий тиристорный электропривод с питанием от высокочастотного источника. — М.: Энергия, 1977.

33. Дьяконов В.П. справочник по применению системы PC MatLab.— М.: Физматлит, 1993.

34. Ермолин Н.П. Электрические машины малой мощности. — М.: Высш. школа, 1962.

35. Зиннер Л.Я., Скороспешкин А.И. Вентильные двигатели постоянного и переменного тока.— М.: Энергоиздат, 1981.

36. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: учебник для вузов.1. М.: Энергия, 1980.

37. Извеков В.И., Кузнецов В.А. Вентильные электрические двигатели. Учебное пособие по курсу "специальные электрические машины ".1. М.: Изд-во МЭИ, 1998.

38. Капустина Г.В. Компьютерная система Mathematica 3.0 для пользователей: Справочное пособие. — М.: «Солон-П», 1999.

39. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода: учебник для вузов. СПБ.: Энергоатомиздат. — Санкт-Петербург. Отд-ние, 2000.

40. Козаченко В.Ф. Микроконтроллеры: руководство по применению 16-разрядных микроконтроллеров Intel MCS-196/296 во встроенных системах управления. — М.: издательство ЭКОМ, 1997.

41. Колпаков А.И. PSpice для чайников. Электронные компоненты 1999, № 4, с. 70; Электронные компоненты 1999 № 5, С. 64; Электронные компоненты, 2000. № 1,С.б5.

42. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. Второе издание, переработанное и дополненное. — М.: Высшая школа, 1994.

43. Копылов И.П., Фрумин B.JI. Электромеханическое преобразование энергии в вентильных двигателях.— М.: Энергоатомиздат , 1986.

44. Коськин Ю.П., Введение в электромеханотронику.— СПБ.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербург, отд-ние, 1991.

45. Лебедев Н.И., Гандшу В.М., Явдошак Я.И. Вентильные электрические машины.— СПБ.: наука, 1996.

46. Лобанова О.В. Практикум по решению задач в математической системе Derive. — М.: Финансы и статика,1999.

47. Лотоцкий В.А. Вентильный двигатель с электронным датчиком положения ротора. Известия ГЭТУ: Сборник научных трудов. Выпуск 497,—СПБ.:, 1996.

48. Львович А.Ю. Электромеханические системы: Учеб. пособие. — Л. Изд-во ленингр. Ун-та. 1989.

49. Манзон Б.М, Maple V. Power Edition.— М.: 1998.

50. Микеров А.Г. обзор исторического развития электродвигателей малой мощности. Электротехника,— 1988 № 10.

51. Микеров А.Г. Преобразователи координат для бесконтактного моментного привода: Всесоюзная научно-техническая конференция по вентильным электромеханическим системам с постоянными магнитами. 1989. — М.: МЭИ, 1989.

52. Микеров А.Г. Управляемые вентильные двигатели малой мощности. Учебное пособие. — СПБГЭТУ. СПБ.:, 1997.

53. Микеров А.Г. Электромеханические датчики и электронные компоненты управляемых вентильных двигатели. Учебное пособие. — СПБГЭТУ. СПБ.:, 1999.

54. Микеров А.Г., Шутович В. Н., Яковлев А. В. Применение датчика положения ротора вентильного двигателя для замыкания следящей системы: Всесоюзный научно-технический семинар по электромеханотронике: Тез. докл.— JL: АН СССР, 1989.

55. Микеров А.Г., Яковлев А.В. Статические и динамические характеристики бесконтактного моментного привода с электродвигателями серии ДБМ. — В сб.: Применение постоянных магнитов в электромеханических системах. — Межвед. Сб. Трудов №147. — М.: МЭИ, 1987.

56. Микропроцессоры в системах автоматического управления. Intel 8ХС196МС: Учеб. пособие, Бутырин Н.Г., Кан О. П., Щербина А. Л.: — СПб.: СПбГТУ, 1995.

57. Мордовченко Д.Д., Разработка и исследование бесконтактных моментных приводов с использованием микропроцессорной техники. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук.— СПб.: 1995.

58. Овчинников И.Е. Теория вентильных электрических двигателей.— Л.: наука, 1985.62