автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Мультипроцессорная система управления асинхронным частотно-регулируемым электроприводом

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Марков Владимир Владимирович

На правах рукописи

"ГБ ОД

з 1 т ^

МУЛЬТИПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы,

включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород - 1999

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете.

Научный руководитель - Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор C.B. Хватов

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

В.Ф. Глазунов,

кандидат технических наук, доцент В.В. Севастьянов

Ведущая организация - ОАО ТАЗ" - г. Нижний Новгород

Защита состоится " 24 " декабря 1999 г. в 14 часов в аудитории №1258 на заседании диссертационного совета Д.063.85.10 в Нижегородском государственном техническом университете (603600, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24).

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Нижегородского государственного технического университета.

Автореферат разослан ноября 1999 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

В.В. Соколов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На сегодняшний день наиболее перспективным из регулируемых электроприводов (ЭП) является частотно-регулируемый ЭП на основе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (АД) и преобразователя частоты (ПЧ) со звеном постоянного тока и автономным инвертором напряжения (АНН). Управление современным асинхронным частотно-регулируемым электроприводом (АЭП) осуществляется при помощи микропроцессорных систем управления (МПСУ).

В настоящее время АЭП в основном применяется для механизмов длительного режима работы (81, Б6) и поэтому определяющими требованиями к системе регулирования являются поддержание на заданном уровне технологических параметров и высокие энергетические показатели ЭП.

В последнее время расширяется область применения АЭП для механизмов со значительной долей неустановившихся режимов работы (пуско-тормозные, реверс и т.д.). Это металлообрабатывающие станки, подъемно-транспортные устройства различного назначения и другие механизмы где АЭП работают в режимах вг-г-Эб. Здесь наибольшее значение имеет высокое качество динамических процессов (быстродействие, перерегулирование и т.п.).

Применяемые сегодня МПСУ не в полной мере удовлетворяют требованиям АЭП как первой группы механизмов (режимы Б1 и Б6), так, и тем более, второй (режимы 82+85). Это связано с тем, что их элементная база проектируется не специалистами по ЭП, а фирмами-изготовителями, занимающимися выпуском широкой гаммы микропроцессоров (МП) и микроконтроллеров (МК) многоцелевого назначения. В результате, даже специализированные к АЭП микроконтроллеры имеют применительно к АЭП далекую от совершенства архитектуру и "закрытое" алгоритмическое обеспечение. Существующие МПСУ не в полной мере реализуют такие возможности прямого микропроцессорного управления как мультиалгоритмическое регулирование, оптимизированное для каждого режима работы, диагностика и прогнозирование и др.

Традиционно используемые непрерывные методы синтеза и оптимизации систем автоматического регулирования (САР) АЭП, компромиссные настройки регуляторов САР в фиксированной рабочей точке ухудшают динамические свойства АЭП при широком диапазоне регулирования. Теория импульсных систем позволяет использовать как традиционные, так и новые критерии для синтеза регуляторов АЭП и дает возможность реализации принципа декомпозиции при синтезе САР. К тому же, дискретный метод синтеза, оперируя с дискретными величинами, позволяет унифицировать проектирование САР и системы диагностирования.

Независимо от режима работы АЭП постоянно повышаются требования обеспечения необходимых уровней надежности и безотказности. Выполнение этих требований возможно только путем оснащения АЭП встроенной системой диагно-

стирования, проектирование которой должно производиться параллельно с проектированием объекта диагностики (МПСУ и весь ЭП в целом). Ведущиеся в настоящее время исследования в области технической диагностики АЭП не предполагают единого подхода ко всем элементам системы АЭП и, как следствие, малопригодны в практическом плане.

В этой связи комплексное решение всех перечисленных выше проблем МПСУ АЭП является актуальным и своевременным.

Цель диссертационной работы заключается в разработке и исследовании новой архитектуры мультипроцессорной системы управления (ММПСУ) АЭП с реализацией функций регулирования, управления и диагностирования.

Задачи диссертационной работы:

1. Разработка и схемная реализация оптимизированной архитектуры ММПСУ, позволяющей расширить выполняемые функции и предусмотреть дальнейшее увеличение объема вычислений.

2. Разработка математических моделей АЭП, наиболее полно учитывающих физику работы силовой части и ММПСУ АЭП.

3. Структурно-параметрический синтез микропроцессорных регуляторов выходных параметров АЭП.

4. Разработка аппаратных и программных средств технического диагностирования и прогнозирования неисправностей элементов системы АЭП.

Методы исследования. Для теоретических исследований использовались: теория электрических машин переменного тока, теории непрерывных и импульсных систем, дискретно-операторный метод, основанный на использовании модифицированного 2-преобразования, общая теория технического диагностирования. Экспериментальные исследования проводились на макетных и промышленных образцах с помощью современной измерительной аппаратуры и средств автоматизации обработки результатов эксперимента.

Научная новизна:

1. Разработана универсальная архитектура ММПСУ АЭП, оригинальность которой подтверждена свидетельством на полезную модель.

2. На основе дискретно-операторного метода разработана математическая модель, позволяющая более точно учесть электромагнитные и электромеханические процессы в АЭП.

3. Для САР АЭП синтезированы цифровые регуляторы составляющих тока статора, скорости и потокссцепления ротора, реализующие непрерывные (модульный и симметричный оптимумы) и дискретные (минимум среднеквадратичной ошибки и максимальное быстродействие) критерии оптимальности.

4. Предложено описание АЭП как объекта диагностирования, базирующееся на дискретных методах представления объекта и позволяющее с единых методологических позиций оценивать и прогнозировать состояние всех элементов АЭП.

Практическая ценность.

1. Разработанная модульная архитектура ММПСУ обладает высокой производительностью, что позволяет использовать ее для решения большого количества задач управления, регулирования и диагностирования АЭП.

2. Разработанный комплекс алгоритмов и программ регулирования, управления и диагностирования представляет собой законченный продукт и может быть легко перенесен в программное обеспечение ММПСУ АЭП любой степени сложности.

3. Реализованные и экспериментально исследованные перспективные методы векторной широтно-импульсной модуляции позволяют просто и обосновано сделать выбор способа управления АИН в зависимости от конкретных требований потребителя.

4. Разработанные структурные схемы универсальных датчиков для задач диагностирования, прогнозирования и защиты позволяют помимо расширения функциональных возможностей снизить стоимость производства и эксплуатации АЭП за счет унификации и универсальности первичных источников информации.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при разработке и внедрении АЭП вентилятора мощностью 2,2 и 11 кВт в кузнечнс-литейном производстве ОАО "ГАЗ", а также нашли применение в учебном процессе в НГТУ и ВГАВТ.

Апробация работы. Основные положения, результаты, выводы и рекомендации диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительные отзывы на следующих научно-технических конференциях:

- Десятая международная научно-техническая конференция "Электроприводы переменного тока" ЭППТ-95, Екатеринбург, 19Э5.

- Международная научная конференция "Методы и средства управления технологическими процессами", Саранск, 1996.

- Всероссийские научно-методические конференции "Новые информационные технологии в системе многоуровнего образования", Нижний Новгород, 1996, 1997.

- Научно-техническое совещание "Управление движением электромеханических систем", Санкт-Петербург, 1997.

- Региональные научно-технические конференции "Актуальные проблемы электроэнергетики", Нижний Новгород, 1993 - 1999.

- Международная Научно-техническая конференция "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (XI Бернадосовские чтения), Иваново, 1999.

- Первая всероссийская научно-техническая конференция "Компьютерные технологии в наука, практике, производстве", Нижний Новгород, 1999.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 работ, получено свидетельство на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем диссертации составляет 167 страниц основного текста, 63 рисунка, список литературы включает 104 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, показана новизна работы.

В первой главе проведен анализ современного состояния АЭП и показано, что в настоящее время трудно ожидать повторения качественных изменений в структуре АЭП, наблюдавшихся при переходе от тиристоров к ЮВТ-транзисторам. Таким образом, структура силовой части, сложившаяся к началу 90-х годов, в ближайшее время, видимо, не изменится. Работы по совершенствованию АЭП в основном будут сосредоточены на информационном канале АЭП - его МПСУ. Анализ различных методов частотного управления асинхронных ЭП подтвердил, что наиболее целесообразен для практической реализации метод векторного управления с ориентацией по вектору потокосцепления ротора.

Структура системы управления АЭП определяется набором тех функций, которые она должна реализовывать. Это векторное управление, формирование и распределение импульсов управления вентилями ПЧ (широтно-импульснзя модуляция - ШИМ), обработка сигналов обратных связей (координатные и функциональные преобразования), различные вспомогательные функции (обеспечение оптимальности управления в каждом режиме работы мультиалгоритмическим программным обеспечением, диагностирование состояния элементов АЭП и самой МПСУ, прогнозирование наступления аварийных режимов, обмен информацией с другими устройствами). Произведенный расчет необходимых вычислительных ресурсов всех функций управления, регулирования и диагностирования показал, что время их реализации отличается в 1,2-3 раза. Трудоемкость и разнообразие необходимых функций привело разработчиков АЭП к очевидному выводу о целесообразности мультипроцессорной реализации системы управления. Количество и сложность задач, решаемых ММПСУ, непрерывно возрастает в связи с внедрением АЭП в новые области. Поэтому архитектура ММПСУ АЭП должна быть открытой, предусматривать возможность наращивания своих возможностей путем подключения новых МП и МК.

Недостатком подавляющего большинства существующих МПСУ АЭП является невозможность расширения их функциональных или вычислительных ресурсов

без серьезных аппаратных изменений. Анализ различных типов архитектур ММПСУ показал предпочтительность иерархического принципа построения ММПСУ АЭП.

В работе предложена новая архитектура ММПСУ АЭП, которая за счет использования модульного принципа является открытой и легко наращиваемой (рис. 1). Ее оригинальность защищена патентным документом - свидетельством на полезную модель. В предлагаемой структуре предусмотрено следующее разделение вычислительной нагрузки между МК. Численные и логические задачи управления приводом, интеграционные функции ЭП в едином технологическом процессе, общую координацию всех процессов в ММПСУ целесообразно возложить на отдельный микроконтроллер, который, наряду с высоким быстродействием, обладал бы и развитыми интерфейсными возможностями. К последним относятся прежде всего поддержка стандартных межсистемных и межконтроллерных интерфейсов (CAN, RS-232 и RS-485, SCI и SSP), а также наличие функций управления жидкокристаллическими индикаторами и опроса клавиатуры. Необходимо также, что этот "главный" микроконтроллер (на рис. 1 - МК1) имел достаточный объем репрограммируемой энергонезависимой памяти программ и данных (ЭСППЗУ, Flash-пэмять, ОЗУ с индивидуальным источником питания).

Выполнение координатных преобразований, расчет регуляторов координат АД, реализацию прямого широтно-импульсного управления инвертором ПЧ, другие задачи, связанные с аналоговыми сигналами и сложными математическими вычислениями оптимально осуществляются в Digital Signal Processor (DSP), архитектура

Рис. 1. Структурная схема АЭП с ММПСУ (ВИ - внешние интерфейсы, ДАБ - двунаправленный асинхронный буфер, КП -координатные преобразователи, СДиП - система диагностики и прогнозирования, СС-система сравнения, ПДД - первичные датчики диагностики

которых адаптирована для выполнения рекуррентных полиномиальных вычислений (на рис. 1 - МК2). К числу необходимых функциональных возможностей DSP следует отнести наличие многоканального (минимум 7 каналов) высокоскоростного АЦП с разрядностью не менее 10, мощной подсистемы широтно-импульсного управления для реализации не только традиционной симметричной ШИМ, но и более сложных ее модификаций (векторная, оптимальная ШИМ).

Задачи диагностирования, автоматизированной наладки и прогнозирования должны решаться отдельно от задач управления, регулирования и комплексной автоматизации, имея ввиду не только увеличение быстродействия ММПСУ, но в первую очередь, повышение надежности всего АЭП. Диагностирующий микроконтроллер (на рис. 1 - МКЗ) должен обладать большим количеством каналов аналогового и цифрового ввода-вывода, а также, при реализации алгоритмов прогнозирования состояния системы АЭП, высоким быстродействием при решении логических и простых математических задач.

Применение двунаправленных асинхронных буферов в качестве внутренних интерфейсов, имеющих стандартные логические уровни ТТЛ-сигналов, позволяет обмениваться информацией подавляющему большинству МК, выпускаемых сейчас и только готовящихся к выпуску. Это объясняется тем, что логические уровни цифровых входов-выходов МК общего применения (т.е. исключая МК для пластиковых карт, мобильных телекоммуникаций и специального назначения) имеют стандартные для ТТЛ-технологии значения.

Во второй главе на базе классического математического описания АД разработана линеаризованная структурная схема силовой части АЭП, в соответствии с которой синтезированы регуляторы, настроенные на дискретные варианты модульного и симметричного оптимумов. После преобразования линеаризованной модели в импульсную (см.рис.2) синтезированы регуляторы составляющих тока статора, скорости и потокосцепления ротора, настроенные на критерии оптимальности импульсных систем - максимальное быстродействие и минимум среднеквадратичной ошибки.

При реализации точных методов оптимизации, специфичных для дискретных систем, в качестве показателя оптимальности используется функционал /(е) решетчатой функции, представляющей разность между желаемой выходной величиной импульсной системы z0[/7,s] и действительной z[n,e]:

Д[л,е] = z0[n,E]- z[n,e]. (1)

В общем виде этот функционал можно записать

/(е) = §/(Д[и,е]). (2)

п=0

•> - Wm(z) 2(Ь1,+2Ь2Х)

У

ть

Wpc(Z)

—<2К

2(Ь1У+2Ь2У)

1

КГ

-к

м.

1

Рис. 2. Импульсная структурная схема

Таблица 1. Разностные уравнения регуляторов

модульный: 1/ \п]=а~тг.и [л-1] + а.тМ Гп-2]+а,.тпи [и — 31 + вых1 ' 2 0 вх1 J 1 0 вх1 ' 0 0 «с1 J

максимальное быстродействие (астатизм первого порядка): + Л(1-г) и [и + 1]-(/ Ы+ 32 3 ■и [и + 1] + 3 2 3 ■и [п1

максимальное быстродействие (астатизм второго порядка): ивых№ = а2тхиех[п - Ч + (а2т0 +а\т\ ^" 2] + (а,тп+а,т,)и [п-Ъ^ + а.тМ [л-4] + (1 -я„ )1! + 4 1 0 0 1' вх1 ' 0 0 вх1 J 4 2' еых1 ' («- - п. )1/ [п-2] + (п,-п-)и [п-ъ] + п~и [и-4]. 4 2 1' еых1 J 4 1 (Г еых1 J 0 вы*1 J

минимум среднеквадратичной ошибки: = "г"1! ^ - Ч + (а2т0 + "Л )ивх^п - 21+ {а\то+- 45+<-2-"{>ивь^п - Ч -("0 -2"1 + Г>ивЫХ1"~2^<-2"0

Используя функционал (2) и задаваясь временем переходного процесса, определяем передаточные функции контуров регулирования и самих регуляторов. Разностные уравнения синтезированных регуляторов составляющих тока статора, настроенные на различные оптимумы, приведены в табл. 1.

Аналогичные алгоритмы получены для внешних контуров скорости и пото-косцепления ротора.

Синтезированные алгоритмы регуляторов были проанализированы по показателям качества переходных процессов и сложности реализации. Реакция контуров регулирования составляющих тока статора на входное воздействие типа "единичный скачок" приведена: при настройке на максимальное быстродействие и различном астатизме на рис.3, при настройке на минимум среднеквадратичной ошибки и дискретный вариант модульного оптимума на рис.4. Реакция контуров регулирования составляющих тока статора на входное линейное воздействие приведена: при настройке на максимальное быстродействие и различном астатизме на рис.5, при настройке на минимум среднеквадратичной ошибки и дискретный вариант модульного оптимума на рис.6

Показано, что применение алгоритмов регуляторов САР АЭП, настроенных на критерии оптимальности дискретных систем, позволяет по сравнению с настройками на модульный и симметричный оптимумы уменьшить время переходного процесса в 1,5-2 раза, перерегулирование - на 10-20%. Сложность реализации оценивалась во-первых по необходимому объему памяти, во-вторых по количеству и виду арифметических операций. Поскольку время выполнения того или иного алгоритма зависит не только от самого алгоритма, но и от программы, его реализующей, от входящих в него констант и переменных, а также от выбора МП, то для сравнения использовались условные единицы времени. Было принято, что операция сложения или вычитания требует 2, а операция умножения - 8 условных единиц. В соответствии с принятыми единицами измерения, вычислительные ресурсы, необходимые для реализации алгоритмов приведены на рис.7.

Из рис.7 следует, что реализация любого алгоритма, оптимизированного точными методами, требует как минимум 3-х кратного увеличения ресурсов по сравнению с алгоритмами регуляторов, оптимизированными приближенными методами (модульный и симметричный оптимумы). Таким образом, несмотря на то, что алгоритмы, настроенные на критерии оптимальности дискретных систем, не требуют каких-либо специальных вычислительных операций (например, разложение в ряд и др.), реализация их в реальном масштабе времени возможна только на быстродействующих распределенных мультипроцессорных системах.

В третьей главе разработана встроенная система диагностирования и прогнозирования (СДиП) АЭП. Спецификой АЭП как объекта диагностики является необходимость использования разнородных математических моделей, описывающих

Минимум среднеквадратичной ошибки---МО]

Рис. 3

Рис.4

| -Астатиэм 1 порядка--Асгатизм 2 порядка | }-Минимум среднеквадратичной ошибки ---МО |

Рис. 5

Рис.6

РТ(МО) РТ(МБ1. РТ{МБ2) РТ (МС04) РП (МО) РП, РС МСОЗ) (МБ1.

Тип регулятора САР МС04)

РП. РС РС (МО) РС (СО) (МС05)

II»)

Рис. 7. Показатели сложности реализации различных алгоритмов регулирования

элементы АЭП. Предложено общее математическое описание АЭП как абстрактной динамической системы, процесс функционирования которой состоит в изменении состояния системы под воздействием внешних и внутренних причин. Это позволяет объединить в единый объект диагностики силовую и управляющую части АЭП.

Для распознавания технического состояния АЭП как объекта диагностирования использовалось множество технических состояний Е. Входящие в него подмножества б (где /=0,1,2...../V) описывают технические состояния е, объекта, характери-

зующие совокупность возможных его состояний в]. Подмножество Еа (при /=0) соответствует исправному состоянию объекта, а подмножества £ (при М) - его неисправным состояниям, вызванным появлением дефекта в /-й составной части объекта.

Результат проверки /-элемента (при том, что каждый элемент объекта выполняет лишь один алгоритм функционирования) определяется следующим образом:

3=Ф|/чб. (3)

где Ф| - функция условия работы /-элемента, определяемая конъюнкцией внешних и внутренних переменных.

Обозначим символом П множество всех элементарных проверок 2\ (/=1,2,....в). Тогда прямоугольная таблица, строкам которой соответствуют элементарные проверки 2Г|, столбцам - технические состояния г!, элементов объекта, а клеткам / /, находящимся на пересечениях строк 3 и столбцов соответствуют результаты проверок, будет представлять собой матрицу или таблицу функций неисправностей (ТФН) объекта диагностирования.

Общее число возможных состояний объекта диагностирования при его разделении на N функциональных элементов и двухальтернативном исходе (исправен, неисправен) составляет 2"-1. Определить и учесть такое большое число состояний весьма трудно даже для простых объектов диагностирования. Существенно сократить число возможных неисправных состояний объекта диагностирования позволяет допущение, что в объекте диагностирования возможен дефект лишь одного функционального элемента. В этом случае множество £ технических состояний объекта диагностирования на 1 больше числа логических элементов.

Задачу построения алгоритма диагностирования формулируется следующим образом. Через разбиение множества £ на Я. непересекающихся множеств Е„ (где ^^..Х) задана требуемая глубина диагностирования объекта. Следует определить минимальную совокупность элементарных проверок и последовательность их реализации, обеспечивающих заданную глубину диагностирования объекта.

Указанное разбиение объекта хорошо сочетается с представлением объекта диагностирования его функциональной моделью и соответствует ТФН с минимальным числом столбцов и строк. Чтобы обеспечить требуемую глубину диагностирования, совокупность элементарных проверок алгоритма диагностирования должна различать каждую пару технических состояний объекта диагностирования, принадлежащим разным подмножествам £у и £„, (м*у) его состояний, т.е. обладать свойствами обнаружения и различения заданных дефектов объектов. Совокупность П элементарных проверок алгоритма диагностирования является полной, если она обеспечивает диагностирование с заданной глубиной, и неизбыточной, если удаление из нее любой одной элементарной проверки ведет к уменьшению глубины диаг-

ностирования. Полные неизбыгочные совокупности с наименьшим числом элементарных проверок называют минимальными. Определение минимальных совокупностей элементарных проверок осуществляется по ТФН.

Условие различения состояний в| и ек объекта диагностирования любой одной элементарной проверкой 2меП| представляется логической суммой (дизъюнкцией) двоичных переменных 2ы. N

Л=1 ' "

Различие каждой пары состояний ЦеЦ /=1,2,...|(У| любой одной элементарной проверкой определяется логическим произведением дизъюнкций вида (4), т.е. выражением:

\и\ N М

ЛУ4=ЛVV-• )/ (5)

/=1Й=1 (=1

Минимальному числу элементарных проверок будут соответствовать проверки 21, которые в логической сумме конъюнкций (5) входят в состав конъюнкций с наименьшим числом двоичных перемещений 2\.

Синтез алгоритмов диагностирования проведен на основе функциональных схем АЭП, после преобразования их в математические модели. Синтезированные алгоритмы (см. рис. 8) содержат для заданной глубины диагностики минимально необходимое число элементарных проверок и, поэтому, оптимизированы по времени реализации. Для упрощения синтеза разработан соответствующий программный продукт для компьютера 1ВМ РС.

Предложенное математическое описание предполагает наличие как минимум двух уровней иерархии средств диагностирования, верхний из которых реализует описанный выше алгоритм. Нижний уровень иерархии обеспечивают первичные датчики. Разработаны структурные схемы таких датчиков (см. рис. 9), которые, для обеспечения многофункциональности и унификации, имеют встроенный интеллект, производящий первичную обработку поступающей информации.

На основе предложенного математического описания произведена интеграция системы диагностирования и прогнозирования. Разработан алгоритм прогнозирования состояния вентилей АИН (см. рис. 10), работающий совместно с описанным алгоритмом диагностирования.

Определено, что для выполнения функций диагностирования и прогнозирования в реальном масштабе времени длительность всего цикла СДиП должна бьггь не более половины периода несущей частоты ШИМ (т.е. 100 мкс при несущей частоте 5 кГц). Поэтому для обеспечения этих функций должен использоваться отдельный МК с быстродействием не ниже 1 млн. операций в секунду (МКЗ на рис.1).

В четвертой главе проведены экспериментальные исследования предложенных решений. Приведено описание разработанного экспериментального макета АЭП с ММПСУ мощностью 2,2 кВт. ММПСУ была реализована в двух вариантах. Основной вариант полностью выполнен на МК RISC-архитектуры семейства AVR90 (ATMEL). В нем функции основного МК выполняет БИС AT90S8535, а функции МК ШИМ - AT90S1200. Второй вариант - комбинированный. Функции МК ШИМ обеспечиваются, как и в первом варианте, БИС AT90S1200, а в качестве основного МК применен МК ¡80С31 семейства MCS-51 (INTEL). В обоих вариантах алгоритмы работы МК оставались одинаковыми. Обмен информацией производился через асинхронный буфер емкостью 4 байта. Время задержки при прохождении информации через буфер не превышало 50 не. Это доказывает работоспособность и реализуемость предлагаемой архитектуры ММПСУ на практически любой, существующей в настоящее время, элементной базе.

В макете были реализованы три способа ШИМ - синусоидальная, векторная и векторная с уменьшенным числом коммутаций. Во всех способах несущая частота ШИМ составила 5 кГц. Определено, что реализация векторной ШИМ с уменьшенным числом коммутаций требует в 3 раза вычислительных ресурсов от ММПСУ по сравнению с синусоидальной и векторной ШИМ.

В приложении приведены основные фрагменты программного обеспечения разработанной ММПСУ, программа для синтеза алгоритма диагностирования, документы, подтверждающие внедрение результатов работы.

Рис. 10. Алгоритм прогнозирования вентилей АИН

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Анализ современного состояния и путей дальнейшего совершенствования динамических, энергетических и надежностных характеристик АЭП показал необходимость нового подхода к комплексному проектированию микропроцессорной системы управления АЭП.

В результате рассмотрения предложенных автором решений получены следующие основные результаты:

1. Разработана новая модульная распределенная архитектура мультипроцессорной системы управления частотно-регулируемым асинхронным ЭП, позволяющая реализовать:

- векторное управление с ориентацией по потокосцеплению ротора;

- САР, перенастраиваемую в зависимости от текущего режима работы;

- произвольно сложный алгоритм управления АИН;

- диагностирование и прогнозирование состояния всех узлов системы АЭП;

- расширенный интерфейс местного и централизованного управления.

Предложенная архитектура ММПСУ пригодна для АЭП любой степени сложности. Оригинальность архитектуры подтверждена свидетельством на полезную модель.

2. Разработанная математическая модель АЭП, реализующая векторное управление с ориентацией по вектору потокосцепления ротора, пригодна для синтеза алгоритмов САР, настроенных на критерии оптимальности непрерывных и дискретных систем. Синтезированные алгоритмы микропроцессорных регуляторов позволяют реализовать принцип декомпозиции при разработке САР быстродействующих и высокоточных АЭП. Изменение настройки микропроцессорных регуляторов не приводит к изменению структуры микропроцессорной САР. Применение алгоритмов регуляторов САР АЭП, настроенных на критерии оптимальности дискретных систем, позволяет по сравнению с настройками на модульный и симметричный оптимумы уменьшить время переходного процесса в 1,5-2 раза, перерегулирование на 10-20%. Проведенные с помощью численного моделирования исследования показали тождественность показателей регулирования, обеспечиваемых синтезированными регуляторами для различных АД серии 4А в диапазоне мощностей (1,1-315) кВт.

3. С позиций дискретных систем разработан единый математический подход к синтезу встроенной системы диагностики и прогнозирования частотно-регулируемого АЭП. Это позволяет объединить в единый объект диагностирования и прогнозирования силовую и управляющую части АЭП, минимизировать аппаратные и программные средства диагностирования, обеспечить максимальное быстродействие при реализации этих функций. Разработан комплекс программных и аппаратных средств для реализации задач СДиП, в числе которых датчики диагностики и прогнозирования параметров АЭП.

4. Разработанная и экспериментально исследованная новая архитектура ММПСУ продемонстрировала безотказную работу при использовании двух различных семейств МК (MCS-51 и AVR90). Частота обмена информацией между МК достигала 1,25 МГц, что доказывает ее работоспособность и реализуемость на практически любой, существующей в настоящее время, элементной базе.

5. Разработанный и испытанный макет АЭП реализует произвольно сложный алгоритм ШИМ. Векторная ШИМ с уменьшенным числом коммутации требует в 3 раза больше вычислительных ресурсов по сравнению с синусоидальной и векторной центрированной ШИМ. Тем не менее, этот способ позволяет снизить на 1/3 динамические потери в транзисторах АИН по сравнению с синусоидальной и векторной центрированной ШИМ. Поэтому, основываясь на экспериментальных исследованиях, представляется целесообразным широкое применение в АЭП векторной ШИМ с уменьшенным числом коммутаций.

6. Изготовлены и внедрены в кузнечно-литейном производстве ОАО "ГАЗ" асинхронные частотно-регулируемые электроприводы вентилятора мощностью 2,2 и 11 кВт с управлением от разработанной ММПСУ. Это позволило уменьшить потери электроэнергии, повысить надежность технологического процесса.

ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Хватов C.B., Крюков О.В., Марков В.В. К вопросу создания экспертной системы автоматизированного электропривода// Научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электроэнергетики"'. Тез. докладов/ НГТУ, Н. Новгород, 1994. С. 18-19.

2. Хватов C.B., Крюков О.В., Беляев В.Ю., Марков В.В. Дискретно-операторный метод синтеза и анализа машин двойного питания с микропроцессорным управлением// Десятая научно-техническая конференция "Электроприводы переменного тока" ЭППТ-95: Доклады/УГТУ, Екатеринбург, 1995. С.52-55.

3. Хватов C.B., Крюков О.В., Марков В.В. Алгоритмы комплексного исследования характеристик асинхронных приводов на универсальном стенде. В кн.: "Электрооборудование промышленных установок", НГТУ, Н. Новгород, 1995. С.4-13.

4. Хватов C.B., Крюков О.В., Марков В.В. Архитектура микропроцессорных систем управления ПЧ-АД// Научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электроэнергетики": Тез. докладов/НГТУ, Н. Новгород, 1995. С.11-13.

5. Хватов C.B., Крюков О.В., Марков В.В. Диагностика электропривода преобразователь частоты - асинхронный двигатель с микропроцессорной системой управления. В кн.: "Электрооборудование промышленных установок", НГТУ, Н. Новгород, 1996. С.4-12.

6. Хватов C.B., Крюков О.В., Марков B.B. Контроллер с распределенной архитектурой для управления электроприводом ПЧ-АД// Международная научная конференция "Методы и средства управления технологическими процессами", Тезисы докладов/ МГУ им. Огарева, Саранск, 1996. С.82.

7. Крюков О.В., Марков В.В. Модель диагностирования электропривода с микропроцессорной системой управления// Научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электроэнергетики": Тез. докладов /НГТУ, Н. Новгород, 1996. С.16-18.

8. Крюков О.В., Марков В.В., Беляев В.Ю., Малашко AB. Интеллектуальные датчики для автоматизированного асинхронного электропривода//Всероссийская научно-методическая конференция "Новые информационные технологии в системе многоуровневого образования", Тезисы докладов/НГТУ, Нижний Новгород, 1997. С.79.

9. Марков В.В. Экономичный электропривод "ПЧ-АД" с микропроцессорной системой управления II Научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электроэнергетики": Тез. докладов/ НГТУ, Н. Новгород, 1997. С. 12-13.

10. Свидетельство №7260 на полезную модель. Микропроцессорная система управления асинхронным двигателем. Хватов C.B., Крюков О.В., Марков В.В., Сляд-зевская К.П. М.: Роспатент, 1998, Бюл.№7.

11 Марков В.В. Вопросы разработки микропроцессорной системы управления асинхронным электроприводом// Научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электроэнергетики": Тез. докладов/ НГТУ, Н. Новгород, 1998. С. 11-13.

12. Хватов C.B., Крюков О.В., Марков В.В. Распределенная архитектура микропроцессорной системы управления асинхронным электроприводом// Международная научно-техническая конференция "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (XI Бенардосовские чтения): Тез. докладов/ ИвГЭУ, Иваново, 1999. С. 199.

13. Крюков О.В., Марков В.В., Филатов И.Н. Компьютерная система диагностирования асинхронного электропривода//В кн. "Компьютерные технологии в науке, практике, производстве: Тез. докладов I Всероссийской научно-технической конференции". - Н. Новгород: НГТУ, 1999 - ч.Ю, с.24.

Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат: новые схемные решения /4,6,8,10,12/, математические модели и алгоритмы программ /3,5,7,13/, постановка задачи /4,6,12/, обобщения результатов /1,5,7/.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ И АРХИТЕКТУРА УПРАВЛЕНИЯ АЭП

1.1. Обзор современного состояния компонентов 10 АЭП

1.2. Методы управления АЭП

1.3. Анализ микропроцессорных средств управле- 28 ния АЭП

1.4. Разработка новой архитектуры мультипро- 39 цессорной системы управления АЭП

Выводы

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ КООРДИНАТ АЭП

2.1. Математическое описание

2.2. Методика синтеза микропроцессорных регу- 57 ляторов

2.2.1. Задачи и методы синтеза

2.2.2. Методика синтеза регуляторов приближенными методами

2.2.3. Методика синтеза регуляторов точными методами

2.3. Синтез микропроцессорных регуляторов

2.3.1. Синтез регуляторов приближенными 66 методами

2.3.2. Синтез регуляторов составляющих 68 тока статора точными методами

2.3.3. Синтез регуляторов внешних конту- 7 5 ров точными методами

2.4. Анализ переходных процессов 80 Выводы

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ВСТРОЕННОЙ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ 8 9 АЭП С ММПСУ

3.1. Анализ АЭП с ММПСУ как объекта диагности- 89 рования

3.2. Математическое описание

3.3. Синтез алгоритмов диагностирования

3.4. Реализация алгоритмов диагностики в АЭП 109 Выводы

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АЭП С ММПСУ

4.1. Выбор элементной базы макета

4.2. Разработка макета АЭП

4.2.1. Разработка функциональной схемы 121 макета

4.2.2. Разработка принципиальной схемы 125 макета

4.2.3. Синтез программного обеспечения 130 ММПСУ

4.3. Способы широтно-импульсной модуляции

4.4. Экспериментальное исследование различных способов широтно-импульсной модуляции

4.5. Практическая реализация АЭП с ММПСУ 156 Выводы

Актуальность работы. На сегодняшний день совершенство электропривода (ЭП) является определяющим фактором при оценке эффективности и целесообразности большинства видов жизнедеятельности человека. В промышленности, сельском хозяйстве, быту ЭП определяет важнейшие свойства того или иного изделия и является основным энергопотребителем. В связи с этим, на протяжении последних десятилетий происходит непрерывное совершенствование ЭП с целью расширения его функциональных возможностей, повышения энергетических показателей, увеличения надежности, снижения стоимости изготовления и эксплуатации. Управление современным ЭП, как правило, осуществляется при помощи микропроцессорных систем управления (МПСУ). Это позволяет резко улучшить такие основные показатели ЭП как точность и диапазон регулирования, динамические и энергетические свойства, надежность и удобство эксплуатации. Прогресс в области микроэлектроники дает возможность строить компактные, многофункциональные МПСУ, замкнутые по нескольким параметрам.

В настоящее время самым перспективным из регулируемых ЭП является частотно-регулируемый электропривод на основе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (АД) и преобразователя частоты (ПЧ) со звеном постоянного тока и автономным инвертором напряжения (АИН). Применение частотно-регулируемого асинхронного электропривода (АЭП) с МПСУ позволяет обеспечить энерго- и ресурсосбережение (внедрение регулируемого ЭП в механизмы вентиляторов, компрессоров и т.п.); модернизацию существующих технологических процессов (замена ЭП постоянного тока более технологически и экономически совершенным АЭП), получить новые функциональные свойства механизмов транспортных, бытовых и автономных объектов.

Основными организациями, занимающимися разработкой и внедрением АЭП в России являются АО "Электропривод" (г. Москва), ОАО "ВНИИЭлектромаш" (г. С.-Петербург), ОАО ВНИИЭ (г. Москва),

АО "Электровыпрямитель" и ГУП НИИ силовой электроники (г. Саранск), ОАО ВНИИР (г. Чебоксары), НПО "Сапфир" (г. Москва), МЭИ, СПГЭУ, УГТУ, ИвГЭУ, НГТУ, ряд других отечественных организаций и предприятий. Среди многочисленных зарубежных фирм выделяются: ABB, Hitachi, Siemens, Fanuc, Danfoss.

В результате, такой тип ЭП сейчас стал массовым, унифицированным и относительно дешевым. В настоящее время АЭП с МПСУ активно внедряется в машиностроении, металлургии, бумагоделательной и горнодобывающей промышленности, нефтегазовом комплексе и для др. механизмов длительного режима работы (S1, S6) . В этом случае определяющими требованиями к системе регулирования являются поддержание на заданном уровне технологических параметров (давление, температура, напор и т.п.) и высокие энергетические показатели ЭП.

В последнее время расширяется область применения АЭП для механизмов, где существенна доля неустановившихся режимов работы (пуско-тормозные, реверс и т.д.). Это металлообрабатывающие станки, подъемно-транспортные устройства различного назначения и другие механизмы, где АЭП работают в режимах S2-S-S5. Здесь на первом месте высокое качество динамических процессов (быстродействие, перерегулирование и т.п.).

Однако МПСУ, применяемые сегодня для (см. раздел 1.3) не в полной мере удовлетворяют требованиям АЭП как первой группы (режимы S1 и S6) , так, тем более, второй (режимы S2-^S5) . Это связано с тем, что применяемая в настоящее время для МПСУ АЭП элементная база проектируется не специалистами по ЭП, а фирмами-изготовителями, занимающимися выпуском широкой гаммы микропроцессоров (МП) и микроконтроллеров (МК) многоцелевого назначения. В результате, даже специализированные к АЭП микроконтроллеры имеют далекую от совершенства применительно к АЭП архитектуру и "закрытое" алгоритмическое обеспечение. Существующие МПСУ не в полной мере реализуют такие возможности прямого микропроцессорного управления как мультиалгоритмическое регулирование, оптимизированное для каждого режима работы, диагностика и прогнозирование и др.).

Отсутствие мультипроцессорной архитектуры МПСУ ограничивает выполняемые ею функции, быстродействие и объем вычислений. Это сдерживает дальнейшее совершенствование особенно быстродействующих АЭП. Вместе с тем традиционно используемые непрерывные методы синтеза и оптимизации систем автоматического регулирования (САР) АЭП при высоких требованиях к статической и динамической точности, предъявляемых к АЭП металлообрабатывающих станков и др. механизмов, могут дать неверные алгоритмы. Это объясняется использованием в подавляющем большинстве работ при синтезе цифровых регуляторов методов непрерывной аппроксимации, что приводит к двойному преобразования параметров (из дискретных к непрерывным и обратно) и, как следствие, накоплению ошибки. Компромиссные настройки регуляторов САР в фиксированной рабочей точке ухудшают динамические свойства АЭП в широком диапазоне регулирования. Теория импульсных систем позволяет использовать как традиционные, так и новые критерии для синтеза регуляторов АЭП (максимальное быстродействие, минимум среднеквадратичной ошибки и др.), и дает возможность реализации принципа декомпозиции при синтезе САР. К тому же, дискретный метод синтеза, оперируя с дискретными величинами, позволяет унифицировать проектирование САР и системы диагностирования, обеспечивая инвариантность последней к элементам конкретного АЭП. Для решения этих вопросов необходимы МПСУ с новой, более совершенной архитектурой.

Независимо от режима работы АЭП постоянно повышаются требования обеспечения необходимых уровней надежности и безотказности. Выполнение этих требований возможно только путем оснащения АЭП встроенной системой диагностирования (СД), проектирование которой должно вестись параллельно с проектированием объекта диагностики (МПСУ и весь ЭП в целом) . Ведущиеся в настоящее время исследования в области технической диагностики

АЭП не предполагают единого теоретического подхода ко всем элементам системы АЭП и, как следствие, малопригодны в практическом плане.

В этой связи комплексное решение перечисленных проблем МПСУ АЭП является актуальным и своевременным.

Цель диссертационной работы заключается в разработке и исследовании новой архитектуры мультипроцессорной системы управления (ММПСУ) АЭП с реализацией функций регулирования, управления и диагностирования.

Задачи диссертационной работы:

1. Разработка и схемная реализация оптимизированной архитектуры ММПСУ, позволяющей расширить выполняемые функции и учесть дальнейшее увеличение объема вычислений.

2. Разработка математических моделей АЭП, наиболее полно учитывающих физику работы силовой части и ММПСУ АЭП.

3. Структурно-параметрический синтез микропроцессорных регуляторов выходных параметров АЭП.

4. Разработка аппаратных и программных средств технического диагностирования и прогнозирования неисправностей элементов системы АЭП.

Методы исследования. Для теоретических исследований использовались : теория электрических машин переменного тока, теории непрерывных и импульсных систем, дискретно-операторный метод, основанный на использовании модифицированного Ъ-преобразования, теория технического диагностирования. Экспериментальные исследования проводились на макетных и промышленных образцах с помощью современной измерительной аппаратуры и средств автоматизации обработки результатов эксперимента.

Научная новизна:

1. Разработана универсальная архитектура ММПСУ АЭП, оригинальность которой подтверждена свидетельством на полезную модель.

2. На основе дискретно-операторного метода разработана математическая модель асинхронного частотного ЭП, позволяющая более точно учесть электромагнитные и электромеханические процессы в АЭП.

3. Для САР АЭП синтезированы цифровые регуляторы составляющих тока статора, скорости и потокосцепления ротора, реализующие непрерывные (модульный и симметричный оптимумы) и дискретные (минимум среднеквадратичной ошибки и максимальное быстродействие) критерии оптимальности.

4. Предложено описание АЭП как объекта диагностирования, 9 базирующееся на дискретных методах представления объекта и позволяющее с единых методологических позиций оценивать и прогнозировать состояние всех элементов АЭП.

Практическая ценность.

1. Разработанная модульная архитектура ММПСУ обладает высокой производительностью, что позволяет использовать ее для решения большого количества задач управления, регулирования и диагностирования АЭП.

2. Разработанный комплекс алгоритмов и программ регулирования, управления и диагностирования представляет собой законченный продукт и может быть легко перенесен в программное обеспечение ММПСУ АЭП любой степени сложности.

3. Реализованные и экспериментально исследованные перспективные методы векторной широтно-импульсной модуляции позволяют просто и обосновано сделать выбор способа управления АИН в зависимости от конкретных требований потребителя.

4. Разработанные структурные схемы универсальных датчиков для задач диагностирования, прогнозирования и защиты позволяют помимо расширения функциональных возможностей снизить стоимость производства и эксплуатации АЭП за счет унификации и универсальности первичных источников информации.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при разработке и внедрении АЭП мощностью 2,2 и 11 кВт в кузнечно-литейном производстве ОАО "ГАЗ", а также нашли применение в учебном процессе в НГТУ и ВГАВТ.

Апробация работы. Основные положения, результаты, выводы и рекомендации диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительные отзывы на следующих научно-технических конференциях:

- Десятая международная научно-техническая конференция "Электроприводы переменного тока" ЭППТ-95, Екатеринбург, 1995.

- Международная научная конференция "Методы и средства управления технологическими процессами", Саранск, 1996.

- Всероссийские научно-методические конференции "Новые информационные технологии в системе многоуровнего образования", Нижний Новгород, 1996, 1997.

Научно-техническое совещание "Управление движением электромеханических систем", Санкт Петербург, 1997.

- Региональные научно-технические конференции "Актуальные проблемы электроэнергетики, Нижний Новгород, 1993 - 1999.

- Международная НТК "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (XI Бернадосовские чтения), Иваново, 1999.

Первая всероссийская научно-техническая конференция "Компьютерные технологии в науке, практике, производстве", Нижний Новгород, 1999.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 работ, получено свидетельство на полезную модель.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем диссертации составляет 161 страницу основного текста, 64 рисунка, список литературы включает 104 наименования .

ВЫВОДЫ

Экспериментальное исследование разработанной мультипроцессорной системы управления АЭП позволяет сделать следующие выводы:

1. Предложенная и экспериментально испытанная новая структура ММПСУ АЭП с использованием асинхронного буфера между МП позволила реализовать обмен между МК менее чем за 0,2 мкс, что доказывает ее работоспособность и реализуемость на практически любой, существующей в настоящее время, элементной микропроцессорной базе.

2. Применение асинхронного буфера полностью распараллеливает работу МК. Основной МК работает на тактовой частоте 8 МГц и имеет время цикла вычислений около 25 мкс, в то время как у МК ШИМ эти показатели соответственно 12 МГц и 2 мкс.

3. Разработанный комплекс алгоритмов ММПСУ АЭП реализован для МК семейства МСЭ-51 и семейства АУИЭО, что доказывает их универсальность и работоспособность.

4. Применение векторной ШИМ позволяет увеличить на 15 % напряжение на АД по сравнению с синусоидальной ШИМ. Реализация векторной ШИМ с уменьшенным числом коммутации требует в 3 раза больше вычислительных ресурсов по сравнению с синусоидальной ШИМ и векторной центрированной ШИМ. Тем не менее этот способ позволяет снизить на 1/3 динамические потери в транзисторах АИН по сравнению с другими способами ШИМ.

6. Разработанный и испытанный макет АЭП реализует произвольно сложный алгоритм ШИМ.

7. На основе экспериментальных исследований показана целесообразность широкого применения векторной ШИМ с уменьшенным числом коммутаций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ современного состояния и путей дальнейшего совершенствования динамических, энергетических и надежностных характеристик асинхронного частотно-регулируемого электропривода показал необходимость разработки нового подхода к комплексному проектированию мультипроцессорной системы управления АЭП.

В результате проведенных исследований получены следующие основные результаты:

1. Разработана новая модульная распределенная архитектура мультипроцессорной системы управления частотно-регулируемым АЭП, позволяющая реализовать функции векторного управления с ориентацией по потокосцеплению ротора; САР, перенастраиваемой в зависимости от текущего режима работы; произвольно сложного алгоритма управления АИН; диагностирования и прогнозирования состояния всех узлов системы АЭП; расширенного интерфейса местного и централизованного управления.

Предложенная архитектура ММПСУ пригодна для частотно-регулируемого АЭП любой степени сложности. Оригинальность архитектуры подтверждена свидетельством на полезную модель.

2. Разработанная математическая модель частотно-регулируемого АЭП, реализующая векторное управление с ориентацией по вектору потокосцепления ротора, пригодна для синтеза алгоритмов САР, настроенных на критерии оптимальности непрерывных и дискретных систем. Синтезированные алгоритмы микропроцессорных регуляторов позволяют реализовать принцип декомпозиции при разработке САР быстродействующим и высокоточным станочным и др. подобных частотно-регулируемых АЭП. Изменение настройки микропроцессорных регуляторов не приводит к изменению структуры микропроцессорной САР.

3. Применение алгоритмов регуляторов САР АЭП, настроенных на критерии оптимальности дискретных систем, позволяет по сравнению с настройками на модульный и симметричный оптимумы уменьшить время переходного процесса в 1,5-2 раза, перерегулирование на 10-20 %. Проведенные с помощью численного моделирования исследования показали тождественность показателей регулирования, обеспечиваемых синтезированными регуляторами, для различных АД серии 4А в диапазоне мощностей (1,1 - 315) кВт.

4. С позиций дискретных систем разработан единый математический подход к синтезу встроенной системы диагностики и прогнозирования частотно-регулируемого АЭП. Это позволяет объединить в единый объект диагностирования и прогнозирования силовую и управляющую часть АЭП, минимизировать аппаратные и программные средства диагностирования, обеспечить максимальное быстродействие при реализации этих функций.

5. Показано, что необходимый для ответственных производств уровень надежности частотно-регулируемого АЭП может быть обеспечен только при параллельном диагностировании и прогнозировании состояния основных узлов АЭП: микроконтроллеров, вентилей выпрямителя и АИН, датчиков, АД. Разработан комплекс программных и аппаратных средств для реализации задач СДиП, в числе которых универсальные датчики диагностики и прогнозирования параметров АЭП.

6. Разработанная 'и экспериментально исследованная новая архитектура ММПСУ, предусматривающая унифицированные интерфейсы как с внешними, так и с внутренними устройствами, продемонстрировала безотказную работу при использовании двух различных семейств МК (MCS-51 фирмы Intel и AVR90 фирмы Atmel). Частота обмена информацией между МК достигала 1,25 МГц, что доказывает ее работоспособность и реализуемость на практически любой, существующей в настоящее время, элементной микропроцессорной базе .

7. Разработанный и испытанный макет АЭП реализует произвольно сложный алгоритм ШИМ. Применение векторной ШИМ позволяет увеличить на 15 % напряжение на АД по сравнению с синусоидальной ШИМ. Реализация векторной ШИМ с уменьшенным числом коммутации требует в 3 раза больше вычислительных ресурсов по сравнению с синусоидальной ШИМ и векторной центрированной ШИМ. Тем не менее, этот способ позволяет снизить на 1/3 динамические потери в транзисторах АИН по сравнению с синусоидальной ШИМ и векторной центрированной ШИМ. Поэтому, основываясь на экспериментальных исследованиях, представляется целесообразным широкое применение векторной ШИМ с уменьшенным числом коммутаций в частотно-регулируемом АЭП.

8. Изготовлены и внедрены в кузнечно-литейном производстве ОАО "ГАЗ" взамен привода постоянного тока частотно-регулируемые АЭП вентилятора мощностью 2,2 и 11 кВт с управлением от разработанной ММПСУ. Диапазон регулирования частоты и амплитуды выходного напряжения ПЧ, удобный интерфейс местного управления, низкая стоимость позволили уменьшить потери электроэнергии, повысить надежность технологического процесса.

1. Архангельский Н.Л., Виноградов А.Б. Контур тока асинхронного электропривода с улучшенными регулировочными и энергетическими характеристиками //Электротехника. 1997. №4. С.6-11.

2. Барац Е.И., Браславский И.Я., Ишматов З.Ш. Микропроцессорная система управления частотно-регулируемым асинхронным электроприводом насоса//Труды одиннадцатой НТК "ЭППТ-98", 24-26 февраля 1998, Екатеринбург. С.160-163.

3. Барский В.А., Брызгалов М.Г., Дубров H.H. Создание серии IGBT-преобразователей частоты для регулируемых асинхронных электроприводов//Труды одиннадцатой, НТК "ЭППТ-98", 24-26 февраля 1998, Екатеринбург. С. 7 6-80.

4. Барский В.А., Дубров H.H., Пащенко A.A., Уфимцев И.В., Хануков Б.Г. Оптимальный закон частотного управления, обеспечивающий минимизацию потерь в асинхронном двигателе//Труды одиннадцатой НТК "ЭППТ-98", Екатеринбург. С. 108-112.

5. Браславский И.Я. Асинхронный полупроводниковый электропривод с параметрическим управлением. -М.: Энергоатомиздат, 1988.- 224 с.

6. Бродовский В.Н., Иванов Е.С. Приводы с частотно-токовым управлением. -М.: Энергия, 1974.-168 с.

7. Булгаков A.A. Частотное управление асинхронными двигателями. М.: Энергоиздат, 1982.-216 с.

8. Булычев A.B., Ванин В.К. Метод контроля состояния механической части асинхронного двигателя // Электричество. 1999. №6.

9. Бутырин П.А., Алпатов М.Е. Непрерывная диагностика трансформаторов// Электричество. 1998. №7.

10. Ващенко А.П., Онищенко Г.Б. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод. -М. : ВИНИТИ, 1988.-96 с. -(Итоги науки и техники. Сер. Электропривод и автоматизация промышленных установок/ т.6).

11. Волгин JI.H. Оптимальное дискретное управление динамическими системами/Под ред. П.Д. Крутько.-М.:Наука,198 6.-240 с.

12. Вохмяков С.В., Ефимов A.A., Зиновьев Г.С., Смехнов A.M. Разработка микроконтроллера для систем управления электроприводом/ /Труды одиннадцатой научно-технической конференции "ЭППТ-98", 24-26 февраля 1998, Екатеринбург. С.241-244.

13. Гашимов М.А. Логические методы диагностики электрических машин//Электричество. 1999. №7.

14. Гольдберг О.Д. и др. Автоматизация контроля параметров и диагностика асинхронных двигателей/ О.Д. Гольдберг, И.М. Абдуллаев, А.Н. Абиев; Под ред. О.Д. Гольдберга М. : Энерго-атомиздат, 1991. - 160 с.

15. Гольдман Р.С.,Чипулис В.П. Техническая диагностика цифровых устройств. -М.: Энергия, 1976. -224 с.

16. Дацковкий J1.X., Роговой В.И., Абрамов Б.И. и др. Современное состояние и тенденции в асинхронном частотно-регулируемом электроприводе (краткий аналитический обзор) //Электротехника. 1996. №10. С.18-20.

17. Денисов К., Ермилов А., Карпенко Д. Способы управления машинами переменного тока и их практическая реализация на базе компонентов фирмы Analog Devices//Chip News.1997 .№7-8. С.18-26.

18. Диагностирование на граф-моделях. М. : Транспорт, 1991. - 243 с.

19. Дмитриев А.К. Распознавание отказов в системах электроавтоматики. -JI. : Энергоатомиздат, 1983. 104 с.

20. Жирабок А.Н. Функциональное диагностирование на основе соотношений паритета// Автоматика и телемеханика. 1998. №2. С.133-143.

21. Каляев A.B. Многопроцессорные системы с программируемой архитектурой. -М.: Радио и связь, 1984. -240 с.

22. Киселев В.В. и др. Автоматизация поиска дефектов в цифровых устройствах. -JI.: Энергоатомиздат, 1986. 95 с.

23. Козаченко В.Ф. Микроконтроллеры: Руководство по применению 16-разрядных микроконтроллеров Intel MCS-196/296 во встроенных системах управления. М.: Эком. -1997. -688с.

24. Козаченко В. Основные тенденции встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам// Chip News. 1999, №1, с.2-9.

25. Козаченко В., Шишов Н., Черняк М. и др. Комплект аппаратно-программных средств для встраиваемых систем прямого цифрового управления электроприводами на базе микроконтроллера Intel 8хС196MH//Chip News. 1999. №1. С.24-31.

26. Кошевенко A.B., Шаршупов С.Г. Функциональное тестирование К13С-микропроцессоров//Автоматика и телемеханика. 1998. №10. С.147-160.

27. Крюков О.В., Марков В.В., Малашко A.B. Модель диагностирования электропривода МДП с микропроцессорной системой управления // НТК "Актуальные проблемы электроэнергетики": Тезисы докладов /НГТУ, Нижний Новгород, 1997 С.13-14.

28. Крюков О.В., Марков В.В. Модель диагностирования электропривода с микропроцессорной системой управления// НТК "Актуальные проблемы электроэнергетики": Тезисы докладов /НГТУ, Нижний Новгород, 1996. С.16-18.

29. Крюков О.В., Марков В.В., Филатов И.Н. Компьютерная система диагностирования асинхронного электропривода//В кн.

30. Компьютерные технологии в науке, практике, производстве: Тезисы докладов I Всероссийской НТК".- Н. Новгород: НГТУ, 1999 -ч. 10, с.24.

31. Крюков О.В. Микропроцессорное управление машинами двойного питания: Учеб. пособие / Нижегород. гос. тех. Ун-т. Н. Новгород, 1999. 118с.

32. Куделько А. Р. Автоматизированный частотно-регулируемый электропривод с асинхронными двигателями. Владивосток: Изд-во Дальневост. ун-та, 1991.- 196 с.

33. Кудрявцев A.B., Ладыгин А.Н. Современные преобразователи частоты в электроприводе. В кн. Преобразователи частоты в современном электроприводе// Доклады научно-практического семинара. М.: - Изд-во МЭИ, 1998. С.4-30.

34. Куйбышев А.Б. Надежность асинхронных электродвигателей общепромышленного применения. -М. : Издательство стандартов, 1972. 104 с.

35. Литиков И.П. Кольцевое тестирование цифровых устройств. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 160 с.

36. Марков В.В. Вопросы разработки микропроцессорной системы управления асинхронным электроприводом// Научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электроэнергетики": Тезисы докладов/ НГТУ, Нижний Новгород, 1998. С.11-13.

37. Микропроцессорная система управления асинхронным двигателем: П.м. 7260 РФ/ С.В. Хватов, О.В. Крюков, В.В.Марков, К.П. Слядзевская (Россия). М.: Роспатент,- 1998, Бюл.№7.

38. Микропроцессорные системы управления электроприводами агропромышленных роботов: Учебное пособие/ В.И. Калашников, С.С. Старостин, В.Д. Власов. Киев: УМК ВО, 1988.- 68с.

39. Надежность асинхронных электродвигателей/ Б.Н. Ванеев, В.Д. Главный, В.М. Гостищев, Л.И. Сердюк; Под ред. Б.Н. Ванеева. -К.: Технл.ка, 1983. 143 с.

40. Нахапетян Е.Г. Контроль и диагностирование автоматического оборудования. -М.: Наука, 1990. 272 с.

41. Новожилов А.Н. Моделирование процессов в системе защиты асинхронных двигателей от витковых замыканий/ /Электричество . 1997. №7.

42. Осипов О.И., Усынин Ю.С. Техническая диагностика автоматизированных электроприводов. М. : Энергоатомиздат, 1991.- 160 с.

43. Основы технической диагностики /Под ред. П.П. Пархоменко. М.: Энергия, 1976. - 464 с.

44. Отченаш В.А., Берестов В.М., Харитонов С.А. Преобразователи частоты на 16ВТ модулях для электропривода переменного тока и систем генерирования электрической энергии//Труды одиннадцатой НТК "ЭППТ-98", Екатеринбург. С.288-289.

45. Пархоменко П.П. Определение технического состояния многопроцессорных вычислительных систем путем анализа графа синдромов//Автоматика и телемеханика. 1999. №5. С.126-135.

46. Пархоменко П.П., Согомонян Е.С. Основы технической диагностики (оптимизация алгоритмов диагностирования, аппаратурные средства) / Под ред. П.П. Пархоменко. М. : Энергия, 1981. - 320 с.

47. Рудаков В.В., Столяров И.М., Дартау В.А. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. -JI.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987.-136 с.

48. Руденко B.C., Сенько В.И., Чиженко И.М. Основы преобразовательной техники: Учебник для вузов. М. : Высш. школа, 1980. - 424 с.

49. Сабинин Ю.А., Грузов В.Л. Частотно-регулируемые асинхронные электроприводы. -Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985.-128 с.

50. Сандлер A.C., Гусяцкий Ю.М. Тиристорные инверторы с широтно-импульсной модуляцией для управления асинхронными двигателями. М: Энергия, 1968. 96с.

51. Сандлер A.C., Сарбатов P.C. Частотное управление асинхронными двигателями. М.: Энергия, 1974.-328 с.

52. Серебряков A.C. Способ измерения установившегося значения сопротивления изоляции//Электричество. 1999. №5.

53. Силовые полупроводниковые приборы International Rectifier. Книга по применению. Воронеж: Издательство ТОО МП "Элист", 1995. 662 с.

54. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями/ О.В. Слежа-новский, Л.Х. Дацковский, И.С. Кузнецов и др. -М.: Энергоатомиздат, 1983.- 256 с.

55. Системы регулирования электроприводов переменного тока с микропроцессорным управлением /В.Д. Кочетков, Л.Х. Дацковский, A.B. Бирюков, Ю.М. Гусяцкий, В.И. Роговой// Электротехн. пром-сть. Сер.08. Электропривод: Обзор, информ. 1989. -Вып.26. - С.1-80.

56. Современные микроконтроллеры: Архитектура, средства проектирования, примеры применения, ресурсы сети Интернет. Под ред. Коршуна И.В.; пер. с англ. Горбунова Б.Б. М.: Издательство "Аким", 1998 - 272 с.

57. Соловьев А., Веселов М. Семейство DSP микроконтроллеров фирмы Analog Devices для встроенных систем управления двигателями// Chip News. 1999, №1, С.17-23.

58. Столов E.JT. Проверка цифровых устройств парой последовательно соединенных сигнатурных анализаторов//Автоматика и телемеханика. 1998. №1. С.164-171.

59. Теоретические основы построения частотных электроприводов с векторным управлением/ В.А. Дартау, Ю.П. Павлов, В.В. Рудаков и др. // Автоматизированный электропривод. М.: Энергия, 1980.

60. Техническая диагностика вентильных преобразователей/ В.В. Маркин, В.H. Миронов, С.Г. Обухов. М.: Энергоатомиздат, 1985. 152 с.

61. Трансформатор постоянного тока: А.с.1597755 СССР, МКИ G01R 9/20/ Г.В. Суворов, О.И. Осипов и др. (СССР) . Опубл. в Б.И., 1990, №37.

62. Устройство контроля исправности последовательно соединенных вентилей преобразователя: А.с.630702 СССР/ В.П. Раз-бегаев (СССР). Опубл. в Б.И., 1975, №40.

63. Хватов C.B., Крюков О.В., Марков В.В. Алгоритмы комплексного исследования характеристик асинхронных приводов науниверсальном стенде. В книге: "Электрооборудование промышленных установок", НГТУ, Н. Новгород, 1995. С.4-13.

64. Хватов C.B., Крюков О.В., Марков В.В. Архитектура микропроцессорных систем управления ПЧ-АД// Научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электроэнергетики": Тезисы докладов/ НГТУ, Нижний Новгород, 1995. С.11-13.

65. Хватов C.B., Крюков О.В., Марков В.В. Диагностика электропривода преобразователь частоты асинхронный двигатель с микропроцессорной системой управления. В книге: "Электрооборудование промышленных установок", НГТУ, Н. Новгород, 1996. С.4-12.

66. Хватов C.B., Крюков О.В., Марков В.В. К вопросу создания экспертной системы автоматизированного Электропривода// НТК "Актуальные проблемы электроэнергетики": Тезисы докладов/ НГТУ, Н. Новгород, 1994 С.18-19.

67. Цыпкин Я.З. Основы теории автоматических систем. М.: Наука, 1977.

68. Цыпкин Я.З. Теория линейных импульсных систем. М.:Физматгиз, 1963.

69. Шевкопляс Б.В. Микропроцессорные структуры. Инженерные решения: Справочник. М.: Радио и связь, 1990. 512с.

70. Шрейнер Р.Т., Поляков В.А. Адаптивная система векторного управления асинхронным электроприводом с ориентацией поля ротора// Электротехника. 19 98. №2. С. 23-2 9.

71. Эпштейн И.И. Автоматизированный электропривод переменного тока. М.: Энергоиздат, 1982.-192 с.87. 8-bit AVR Microcontroller with 8К Bytes In-System Programmable Flash AT 90(L)S8535. Atmel Corp. Data Sheet. Rev.104ID 03/1999.

72. Blaschke F. Das Prinzip der Feldorientierung, die Grundlage fur die Transvektor-Regelung von Drehfeld-maschinen//Siemens Zeitschrift.-1971.-№45.-H.10

73. Blaschke F. The principle of field orientation as applied to the new transvector closed-loop control system for rotating field machines// Siemens Review.-1972.-34.5.

74. Izosimov D. AC Drives Development for New Generation Electrical Vehicles// Proceedings of the EVS-15, Oct. 1-3, 1998, Brussels, Belgium.

75. Miller T.J.E. Switch Reluctance Motor and Their Control// Magna Physics Publishing & Clarendon Press, 1993.

76. Motorola Semiconductor. MC68HC912B32 Technical Data. MC68HC912B32TS/D. Motorola Inc. 1997.

77. Motorola Semiconductor. Master Selection Guide. SG73/D. Rev.13. Motorola Inc. 1997.

78. MSP430C32x, MSP430P325A Mixed Signal Microcontroller Slas219 March 1999. Texas Instruments Inc., 1999.

79. P83CE558/P80CE558/P89CE558 Single-chip 8-it Microcontroller. Data Sheet 06 Aug 1996. Philips Electronics North America Corp., 1996.

80. PIC16/17 Microcontroller Data Book 1998 Otober. Microchip Technology Inc, 1998.

81. Siemens 16-bit CMOS Single-Chip Microcontroller SAB80C166/83C166. Edition 1997-08-01. Data Sheet 08.97. Siemens AG 1997.

82. Siemens 8-bit CMOS Microcontroller C515C. Edition 1997-08-01. Data Sheet 08.97. Siemens AG 1997.

83. Siemens Semiconductor Groupe. Discrete and RF Semiconductors . Power Semiconductors. Sensors. Short Form Catalog 10.97. Siemens AG 1997.

84. Schumacher W. And Leonard W. Transistor-fed AC servo drive with microprocessor control// Proc. Int. Power Electr. Conf.-Tokyo. 1983. P.1465.

85. Schumacher W. Mikrorechnergeregelter Drehstrom-Stellantreib mit Asynchronmotor. Diss.- TU Braunschweig, 1985.

86. TMS320C80 Digital Signal Processor. Data Sheet SPRS023B Rev. Oct. 1997 Texas Instruments Inc., 1997.

87. Trzynadlowski A.M., Kirlin R.L., Legowski S.F. Space vector PWM technique with minimum switching losses and a variable pulse rate, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.44, no2, pp. 173-181, 1997.

88. Vagati A. The Synchronous Reluctance Solution: a New Alternative in A.C. Drives// Proc. of the IECON'94, Bologna, Italy, Sept. 1994.