автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Оптимизация регулятора широтно-импульсной системы управления электропривода вентиляционной установки автономного объекта

На правах рукописи

Богданов Александр Александрович ООЗОБЭ 137"

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕГУЛЯТОРА ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ УСТАНОВКИ АВТОНОМНОГО ОБЪЕКТА

Специальность 05 09 03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 МАЙ 2007

Томск - 2007

Работа выполнена на кафедре электропривода и электрооборудования Электротехнического института Томского политехнического университета

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Букреев В Г

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Бейнарович В А

кандидат технических наук, доцент Терехин В Б

Ведущая организация

ФГНУ Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики, г Томск

Защита состоится «25» мая 2007 г в 15 00 часов на заседании диссертационного совета К 212 269 03 в ауд 217 8-го учебного корпуса Томского политехнического университета по адресу 634050, г Томск, пр Ленина, 30

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета по адресу 634034 г Томск, ул Белинского, 55

Автореферат разослан «24» апреля 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета к т н , доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актутышсть работы

Вентиляционные установки являются одним из самых распространенных типов промышленных механизмов В системах жизнеобеспечения автономных объектов они играют важнейшею роль В общем случае к электроприводу вентиляционных установок предъявляются достаточно мягкие требования по глубине регулирования, точности, быстродействию Однако в случае электропривода вентиляционной установки автономного объекта на первое место выдвигаются повышенные требования по уровню вибрации, производительности, обеспечению требуемых показателей в условиях низкого качества питающего напряжения

Применение в качестве приводного двигателя бесконтактного двигателя постоянного тока (БДПТ) позволяет повысить надежность, улучшить энергетические показатели вентиляционной установки

Вопросами исследования и моделирования электропривода с бесконтактным двигателем постоянного тока занимались Овчинников И Е, Кегуо Т , МШе1 Т I Е , К;щапю11 5 и др Вибрационные и шумовые процессы в вентиляционных установках рассмотрены в работах Соломаховой Т С , Караджи В Г , Во^паш 8 и др

Анализ показал, что наиболее эффективным путем снижения уровня вибрации электрооборудования является их подавление в источнике их возникновения При рассмотрении источников вибрации вентиляционной установки можно выделить вибрации механического, электромагнитного и аэродинамического происхождения Вибрации аэродинамического происхождения чаще всего минимизируются на этапе конструирования двигателя и вентилятора Вибрации механического происхождения также в основном определяются конструкцией установки и пульсациями электромагнитного момента Наиболее эффективной мерой снижения вибраций электромагнитного происхождения является их минимизация средствами системы управления электропривода При этом наилучшего эффекта можно достичь при совместном применении конструктивных способов и методов управления, направленных на минимизацию электромагнитной вибрации и пульсации электромагнитного момента двигателя

Все вышеизложенное и определяет актуальность вопросов, рассматриваемых в диссертации

Цель работы и задачи исследования

Цель диссертационной работы состоит в оптимизации регулятора ши-ротно-импульсной системы управления электропривода, для снижения уровня вибрационных характеристик вентиляционной установки автономного объекта в условиях работы с источником питания ограниченной мощности Для достижения цели поставлены следующие основные задачи -выполнение анализа особенностей работы электроприводов вентиляционных установок автономных объектов и требований к ним,

-разработка математической и имитационной модели электропривода, позволяющей произвести оценку эффективности предложенных алгоритмов оптимизации,

— синтез структуры и алгоритма работы локально-оптимального регулятора, обеспечивающего минимизацию ошибки по вектору состояния электропривода,

— разработка структуры и алгоритма работы широтно-импульсного модулятора (ШИМ), позволяющего уменьшить уровень электромагнитной вибрации в области частот ШИМ,

-проведение исследования с целью доказательства эффективности разработанных алгоритмов управления на экспериментальной установке и имитационной модели

Методы исследований

Для решения поставленных задач в работе использованы методы современной теории управления, пространства состояний, теория матричной алгебры и дифференциальных уравнений, численных методов математического моделирования Имитационное моделирование выполнено в программной среде МАТЬАВ 7

Научная новизна

1 Разработана математическая модель системы «коммутатор - бесконтактный двигатель постоянного тока» в пространстве состояний, позволяющая учесть нестационарность структуры системы и дискретность управляющего воздействия

2 Синтезированы структура и алгоритм работы локально-оптимального регулятора, обеспечивающие уменьшение пульсаций электромагнитного момента путем минимизации ошибки регулирования по выходному вектору системы «коммутатор — бесконтактный двигатель постоянного тока» на интервале ШИМ

3 Предложена структура широтно-импульсного модулятора с распределенной спектральной характеристикой, позволяющая уменьшить уровень электромагнитной вибрации электропривода в рабочей области частот ШИМ

Практическая ценность

1 Разработана имитационная модель «система управления - коммутатор — бесконтактный двигатель постоянного тока» в среде МАТЬАВ/ЗппиЬпк, учитывающая нестационарность параметров электропривода вентиляционной установки на интервалах дискретности ШИМ и позволяющая производить расчет динамических и статических характеристик электропривода на этапе разработки

2 Предложена методика синтеза локально-оптимального регулятора, учитывающая требования к вибрационным характеристикам вентиляционной установки и изменение напряжения питания электропривода Приме-

нение такого регулятора, в сочетании с формированием вектора задания фазных токов, позволяет снизить пульсации фазных токов и момента, обусловленных периодической коммутацией обмоток БДПТ

3 Разработана программно-аппаратная реализация широтно-импульсного модулятора с генерацией длительности периода следования импульсов по равномерному закону распределения в заданном диапазоне

Достоверность поученных результатов

Достоверность результатов подтверждается математическим обоснованием разработанных моделей, сопоставимостью результатов экспериментальных и теоретических исследований

Реатзация результатов работы

Результаты проведенных исследований используются при разработке электроприводов специального назначения в процессе выполнения научно-исследовательской работы в ОАО «НПЦ «Полюс», а также в учебном процессе Томского политехнического университета при подготовке студентов по специальности 140604 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» и магистрантов по магистерской программе «Электроприводы и системы управления электроприводов»

Подтверждением реализации результатов диссертационной работы является наличие двух актов о внедрении

Основные положения, выносимые на защиту

1 Математическая модель системы «коммутатор — бесконтактный двигатель постоянного тока»

2 Алгоритм синтеза локально-оптимального регулятора, обеспечивающий минимизацию ошибки регулирования по вектору состояния системы «коммутатор - бесконтактный двигатель постоянного тока» на интервале ШИМ

3 Структура и алгоритм работы широтно-импульсного модулятора с распределенной спектральной характеристикой, позволяющие уменьшить уровень электромагнитной вибрации в области частот ШИМ

Апробация работы

Результаты диссертационной работы обсуждались на научных семинарах кафедры Электропривода и электрооборудования Томского политехнического университета, научно-техническом семинаре ОАО «НПЦ «Полюс», на научно-технических конференциях «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» (г Томск, 2003-2004 гг), всероссийских научно-технических конференциях «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (г Бийск, 2002-2003 гг ), международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов» (г Новочеркасск, 2002 г ), междуна-

родной научно-технической конференции «Электротехника, электротехнические системы и комплексы» (г Томск, 2003 г ), всероссийском студенческом научно-техническом семинаре "Энергетика экология, надежность, безопасность" (Томск, 2003 г ), международных научно-технических конференциях «Современные техника и технологии» (г Томск, 2003-2004 гг ), всероссийских научно-технических конференциях «Наука Технологии Инновации» (г Новосибирск, 2003 г ), научно-технических конференциях «Электронные и электромеханические системы и устройства» (г Томск, 2004, 2006 гг ), международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация» (г Барнаул, 2005 г ), всероссийской конференции - конкурса инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению «Энергетика и Энергосбережение» (г Томск, 2006 г)

Публикации

Результаты выполненных исследований отражены в 22 печатных работах, в тч в 16 тезисах докладов, 2 статьях в научно-технических журналах, депонированной рукописи, патенте РФ на полезную модель и авторском свидетельстве о регистрации программного продукта для ЭВМ и положительном решении о выдаче патента на изобретение

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения Обший объем работы - 160 страниц, в тч рисунков - 77, таблиц - 6, библиография содержит 93 наименования, приложение — 1

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проводимой диссертационной работы, сформулированы цель работы, основные задачи, научная новизна и практическая ценность исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту

Первая глава посвящена анализу режимов работы вентиляционной установки автономного объекта, требованиям к электроприводам вентиляционных установок и анализу способов снижения уровня вибраций в электроприводах с бесконтактными двигателями постоянного тока

В общем случае вибрацию корпуса вентиляционной установки можно разделить на вибрацию механического, аэродинамического и электромагнитного происхождения Вибрация аэродинамического происхождения может быть эффективно снижена лишь за счет применения конструктивных мер либо снижения производительности К вибрации механического происхождения можно отнести вибрации, возбуждаемые подшипниками качения, несоосностью соединений, дисбалансом ротора и рабочего механизма Интенсивность этих вибраций зависит, в том числе и от уровня пульсации электромагнитного момеота и скорости двигателя Электромагнитная вибрация обусловлена периодическими изменениями электромагнитных сил в зазоре, дис-

кретностью коммутации, ШИМ управляющего воздействия, неравномерностью магнитной системы двигателя

Вибрация механического происхождения должна быть максимально снижена конструктивными мерами, кроме этого необходимо уменьшить пульсации момента приводного двигателя средствами управления По данным различных исследований доля электромагнитной вибрации в общем уровне может составлять до 30% (в зависимости от диапазона частот)

Одной из особенностей работы электрооборудования автономного объекта может являться ограниченность мощности источника питания Нередко мощность источников питания автономных объектов ограничена и соизмерима с мощностью потребителей Вследствие этого, с одной стороны, происходит влияние режимов работы электрооборудования на характер изменений и значения выходных (энергетических) координат источника питания, с другой стороны, происходит ухудшение качества функционирования электроприводов, получающих энергию от данного источника питания Если от общего источника питания получают энергию ряд потребителей, то вследствие указанных факторов может возникнуть взаимосвязь между процессами в различных системах через общий источник питания

Применение в ответственных электроприводах бесконтактных двигателей постоянного тока является одним из радикальных путей повышения надежности, расширения функциональных возможностей и улучшения общих характеристик установки Это определяется такими преимуществами БДПТ, как высокая надежность, высокий коэффициент полезного действия, высокое соотношение мощность/масса Наибольшее распространение получила конструкция БДПТ на базе трехфазного синхронного двигателя с возбуждением от постояшгых магнитов Одним из путей улучшения характеристик ответственных электроприводов является применение БДПТ с многофазным вариантом обмотки

Особенности силовой схемы БДПТ, а именно включение последовательно с секциями обмотки полупроводниковых ключей, вносят определенную специфику в электромагнитные процессы Поскольку пути тока в коммутационном и внекоммутационном участках периода коммутации различны, то двигатель можно представить как систему с переменной структурой, описывающуюся в разные интервалы времени разными системами дифференциальных уравнений Наиболее точное, математическое описание БДПТ можно получить, решая дифференциальные уравнения, описывающие состояние цепей двигателя на отдельных участках периода коммутации в зависимости от угла поворота ротора

В общем случае повышенный уровень электромагнитной вибрации БДПТ связан с ШИМ-регулированием и дискретным переключением фаз двигателя коммутатором Возможной мерой снижения уровня вибрации на частоте ШИМ является использование частот модуляции выше нормируемого уровня либо частотная модуляция по случайному закону Снижение уровня вибраций механического и электромагнитного происхождения в области

частоты коммутации возможно путем формирования токов определенной формы

Вторая глава посвящена разработке математической модели объекта управления бесконтактного двигателя постоянного тока, коммутатора, вентилятора, а также математическому описанию электромагнитных вибраций корпуса двигателя

Выбор системы моделирования в пользу среды МАТЬАВ/йппиЬпк сделан вследствие возможности представления электромеханической системы в форме пространства состояний, использования матричных вычислений, визуального представления имитационной модели При некоторых допущениях и учитывая особенности БДПТ, модель системы «коммутатор - БДИТ» с ши-ротно-импульсной модуляцией питающего напряжения представлена в виде дискретной нестационарной системы х(к + 1) = А(к) х{к) + В(к) и (к) у(к) = С(к) х(к)

где А(к), В(к), С {к) - матрицы параметров соответствующей размерности х(к) - 4-мерный вектор состояния, у(к) - 4-мерный выходной вектор системы (рассматривается частный случай, когда измеряется вектор состояния и С(к) - единичная матрица), а(к) - 2-мерный вектор внешних воздействий, параметр к определяет момент времени г - г, + к Т (Г - период дискретизации модели),

(1)

у{к) = х(к) =

ЧЛк) <о{к)\

мс(к)-} иштЩ'

(2)

1аь(к), 1Ьс(к),

'са(к) ~ контурные токи, о)(к) - частота вращения ротора, Мс(к) - момент нагрузки, О'шп(^) - напряжение питания Схема замещения БДПТ и коммутатора в общем виде приведена на рис 1

В соответствии со 120-градусной коммутацией фаз двигателя в зависимости от угла поворота имеется 6 возможных состояний ключей инвертора, которые определяют внекоммута-ционные интервалы работы системы Внеком-мутационный интервал является основным рабочим интервалом, в течение которого ток протекает только по открытым транзисторным ключам В этом режиме две фазы двигателя оказываются последовательно подключены к источнику питания, а третья фаза отключена Внекоммутационному интер-

Рис 1 Схема замещения ком\г\татора и БДПТ

(3)

валу предшествует коммутационный интервал, в котором токи протекают не только по фазам, подключенным к источнику питания транзисторными ключами, но и по фазе, отключаемой от него

На основе уравнений для контуров формирующихся при коммутации ключей К1 — Кб (рис 1) в зависимости от положения ротора, выражений для ЭДС взаимоиндукции и уравнения движения электропривода были составлены матрицы параметров Л,И/(к) и В(„){к), где п — индекс интервала функционирования системы Для моделирования БДПТ с ШИМ питающего напряжения в матрицы В[п){к) введен параметр /, определяющий состояние ШИМ [1 при

[О при tj+T(k)<t(k)<tj+Tm

т е модулятор в течение каждого периода Тщим открывает силовые ключи на интервал времени [/,, /,+т(&)] и закрывает их на интервал [tj+x(k), /у+Тшим], где t, - точка разбиения всего временного интервала на периоды ШИМ, г (к) - продолжительность включения ключа Причем выполняется условие

типы=рт, (4)

где Р - целое вещественное число При необходимости учета несинусоидальности обратных ЭДС и нелинейности магнитной системы двигателя возможно описать форму ЭДС и зависимости момента от токов в виде произвольных периодических функций, которые могут быть заданы таблично Математическая модель (1) реализована в виде имитационной модели в среде МАТ-LAB/Simulink (рис 2) Модель состоит из следующих подсистем Matrixes - подсистема формирования матриц параметров, Discrete State-Space Core — подсистема расчета модели в пространстве состояний, Measurement - подсистема измерений, Position Sensor - датчик положения Разработанная модель может быть используется для анализа работы электропривода на больших и малых временных интервалах, анализа пульсаций токов и момента и построения модели электромагнитных вибраций двигателя Адекватность разработанной имитационной модели электропривода подтверждается путем сравнения динамических и статических характеристик электропривода полученных экспериментальным и расчетным путем (рис 3)

Рис 2 Имитационная модель системы «коммутатор-БДПТ» в среде Simulmk

Рис 3 Сравнение зкспериментальных и счодечированных характеристик этекгропривода а - переходные процессы скорости, б - осцитлограмча фазного тока

Сравнительная оценка адекватности модели и экспериментальной установки показала, что при пуске максимальное расхождение результатов моделирования и эксперимента (время переходного процесса и перерегулирование) составляет не более 5% Сравнение осциллограмм тока потребления и фазного тока показало расхождение результатов (среднее и амплитудное значение тока) не более 15%

Разработанная математическая модель была применена в ОАО «НПЦ «Полюс» при разработке системы управления низкоскоростного электропривода крышки светозащитного устройства ВЭП-10 и при разработке электропривода насоса ВЭПр-5,5 Применение данной модели позволило значительно сократить сроки отработки алгоритма управления и сроки разработки приборов

Для расчета мгновенных значений параметров вибрации статора двигателя (виброперемещение, виброскорость, виброускорение) используется методика, основанная на рассмотрении ярма и сборки «статор — корпус» в виде тонкого кольца, на которое действуют периодически изменяющиеся во времени и симметрично-распределенные по окружности силы Механическая модель магнитопровода с учетом допущений приведена к одномассовой колебательной системе, для которой дифференциальное уравнение движения массы имеет вид

т с125/Ш2 + г + = (5)

где т — масса кольца, г - коэффициент внутреннего трения А. — податливость в радиальном направлении, Fвo■¡6(í) — возбуждающая сила, слагаемые в выражении (5) т (12.^/с1>2 — сила инерции г Ж/<Ь — сила трения, .у/Я — сила упругости В качестве возбуждающих сил выбираются проекции радиальных сил действующих на статор двигателя на оси А'и У

Полученная математическая модель вибрации БДПТ, вызванной электромагнитными силами, используется для целей сравнительного анализа влияния различных способов управления на уровень вибрации корпуса двигателя

Третья гтава посвящена синтезу регулятора и разработке алгоритмов системы управления электропривода

Исходя из требований по минимизации уровня вибраций и пульсации момента при обеспечении заданной производительности вентиляционной установки критерий оптимальности формулируется в виде

о

У(0-®(')|~1 (6)

"(ЪР

мп

где первый элемента вектора 2(1) (отклонение частоты вращения со(/) от заданной со (/)) определяет учет требований по производительности вентиляционной установки, значение а!Ср отражает значение общего уровня виброускорения, Мп - значение общего уровня пульсации момента, IV — диагональная весовая матрица, элементы которой определяются из требований к производительности, вибрации, пульсации момента

^п =1/(Ай,^)2'И'а=1/(а,Ш/)*>и'зз=1/(М^)2' С7)

где Д(Оич — допустимое отклонение частоты вращения от заданной (определяет отклонение от заданной производительности), Щц\( - допустимое значение виброускорения, Мим — допустимое значение пульсации электромагнитного момента

Записанный критерий предназначен для оценки оптимальности работы вентиляционной установки, в то время как синтез регулятора целесообразно производить исходя из локального критерия, включающего непосредственно регулируемые переменные состояния

С целью снижения уровня электромагнитной вибрации и пульсаций момента предложено синтезировать регулятор, обеспечивающий формирование фазных токов интервале ШИМ Локальный критерий качества такого регулятора может быть записан

'' ''.м'мм

с„= | 0)Л = тт, (8)

где IV,-- весовая матрица (в частном случае <!', = / ), г0 - вектор рассогласования регулируемых переменных состояния

г„(0 = /(0-3'(0 (9)

Для синтеза регулятора длительность функционирования системы «коммутатор - БДПТ» разбивается на интервалы дискретности ШИМ, внутри каждого из которых поведение объекта управления описывается дифференциальными уравнениями

х(Г) = 4„,С 1 = 1) дг(0 + 5(п)(/,/ = 1) и(1) при

*(0 = 4„;С,' = 0) х«) + В^(Г,1 = 0) и(г) при + (»0)

'= к Т = ) Т1Ша1

Управле1ше системой «коммутатор-БДПТ» осуществляется за счет выбора последовательности значений т0, ть , т,, (интервал формирования

управляющего воздействия - длительность импульса ШИМ, определяющая длительность открытого состояния соответствующего ключа коммутатора)

Задача управления формулируется как определение последовательности значений то, Ть , , при которой на каждом интервале времени Гшим обеспечивается минимум критерия (8) Из этих устовий получено выражение для значения длительности формирования управляющего воздействия

I °

'I

при при при

рЫ/))< О

(П)

где

р(х) = (у -<1^0(х))/д,п]1(х), у{г]0(х) = ст^,ах + }г[п]а), 9,и11(х) = сг(Р;л)1х + /^)1), (12) ст — вектор-строка, отражающий включение в состав >■(<) измеряемых или желаемых компонентов вектора состояния, Г\пГ, -^„¡р- матрицы коэффициентов линеаризованных выражений для дискретной (на интервале ШИМ ) модели объекта управления, вычисляются на основе матриц уравнений (10), &1ним - коэффициент коррекции усиления ШИМ (при отсутствии дополнительной коррекции = 1)

Рис

Вариант функциональной схемы электропривода с регулятором предлагаемого вида представлен на рис 4 Формирователь вектора токов генерирует вектор задания на контурные токи, исходя из желаемой формы электромагнитного момента Рассмотренный синтез локально-оптимального регулятора произведен из предположения постоянства вектора входных воздействий u(t) В обшем случае при изменении компонент вектора и(t) локально-оптимальный регулятор может не обеспечить минимум ошибки вектора состояния на интервале ШИМ Исходя из необходимости уменьшения влияния изменений напряжения питания на пульсации фазных токов электропривода производится адаптация регулятора к такого рода возмущениям Компенсация возмущений осуществляется за счет коррекции коэффициента усиления ШИМ &шим

= 4(f)), (13)

где g(cf u(t)) — корректирующая функция, d- вектор-столбец, элементы которого при условии измеряемости напряжения питания имеют вид

4 функциональная схема этектроиривода с локально-оптимальным регулятором и формироватетем вектора задания

Структура системы управления электропривода с коррекцией управляющего воздействия представлена на рис 5 Для обеспечения инвариантности выходного сигнала ШИМ-усилителя относительно значения питающего напряжения иишО) корректирующая функция выбирается из условия

^пит (ОА^га-ггном

Рис 5 Включение корректирующей функции в структуру системы управления

(14)

Для снижения уровня вибраций на частоте основной гармоники ШИМ-модулятора предлагается вариант ШИМ с распределенной спектральной характеристикой Функциональная схема ШИМ-модулятора, реализующая алгоритм формирования значений Тщим по псевдослучайному закону приведена на рис 6 (положительное решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2006109995 Приоритет от 28 03 2006г),

Рис 6 Ф\нкциональная схема ШИМ с распределенной спектральной характеристикой

где КХО — генератор псевдослучайных чисел, 8\¥1, 8 \¥2 -блоки переключения, МЕМ1, МЕМ2 — регистры памяти, СОМР — компаратор Временная диаграмма работы модулятора приведена на рис 7

JJewx/kJ

Rlkl

и

?

Рис 7 Временная диаграмма работы мод\лятора

Генератор псевдослучайных чисел формирует значение приращения D(k) в заданном диапазоне (£Ч//л, D\uy), определяемым желаемыми пределами изменения периода ШИМ На выходе МЕМ2 формируется пилообразный сигнал R(k), темп его нарастания на каждом периоде определяется величиной D(k), амплитуда ограничена на постоянном уровне !(\цх На компараторе пилообразный сигнал R(k) сравнивается с входным сигналом модулятора Unxfk) и формируется ШИМ-последовательность 11т,ул(к) с переменным периодом следования импульсов 7шим

В четвертой главе приведено описание экспериментальной установки, приведены результаты экспериментов и моделирования, даны рекомендации по практической реализации предложенного регулятора

Функциональная схема экспериментальной установки приведена на рис 8, где УП -устройство преобразования сигналов управления, УМ -усилитель мостовой, МКП — плата микроконтроллера, ДПР - датчик положения ротора Номинальные значения основных параметров электровентилятора приведены в табл 1 Таблица 1

Рис 8 Функциональная схема экспериментальной \ становки

Название параметра Значение

Потребляемая мощность, Вт (при £/пит=220В) 550

Производительность, м3/с (м'/ч) 0,07 (250)

Полное давление, кг/м2 (Па) 250 (2450)

Частота вращения, рад/с (об/мин) 314 (3000)

Внешний вид экспериментальной установки приведен [¡а рис 9.

Ш И Исследования эффективности

менению напряжения питания для улучшения вибрационных характеристик электропривода были проведены на имитационной модели вентиляционной установки. На Ш рис, 10 приведено сравнение спектрограммы виброускорений А\- (в

Рщ 9 Внешним вил экспериментальной дЬ отмосительно 1мкм/^) сиу. установки

чая использования синтезированного локально-щитимального регулятора с формирование»! вектора фазных тиков и спектрограммы для случая использования ГШД-регулятора. Пиковые значений виброускорений па гармониках коммутационной частоты отличаются незначительно, однако фоновый уровень вибйЬускорения при использовании локально-оптимального регулятора ниже на 10-12дБ (в раза). Снижение общего уровня виброускорения в рассматриваемой полосе частот составляет около 8дБ (в 2.5 раза).

А V. ПВ

ИЗГ...... 03 С* 35 OS 0.7 3« 39 1 /.кГц

Рис tfl Сравнение спектра вибро\ с ко рения при использовании легально-оптимального регу лятора с формированием фазных токов и при Использовании 11ИД-регуликования тока потребления и скорости электропривода

На рис 1 i приведено сравнение спектрограммы уровней переменной составляющей .электромагнитного момента М\\ (в дБ относительно 1мкН-м) для случая использования синтезированною локально-оптимального регулятора с формированием вектора фазных токов и спектрограммы для случая использования ПИД-регулятора. Видно снижение уровня пульсаций момента на 1-4 гармониках коммутационной частоты на 10-1 Яд Б (в 3,1-8 pat) Сравнительная численная оценка функционирования системы приводится в табл. 2, где el,,, и Мц - средний уровень виброускорения и пульсаций момента в диапазоне частот 0—] кГц; G - значение глобального функционала качества (6); G0 - значение локального функционала качества (8),

Таблица 2

Тип управления «j s, дБ М\\, дБ G «о

П И Д-ре гу ;г ир о в а ние 75 83 1251 6,23

Локально-оптимальное управление 63 74 945 1,76

Применение локально-оптимального регулятора позволяет уменьшить средний уровень виброускорений на 12 дБ (в 4 раза) и пульсаций момента на 9 дБ (в 2,8 раза).

К". • дБ

Рис. 11. Сравнение спектр и пульсаций момента при использовании локальво-оптнмального регулятора с формированием фазных токов и при использовании ПИД-регулирования тока потребления и скорости электропривода

Для определения эффективности работы регулятора при наличии возмущающего воздействия со стороны источника питания (имитация влияния параллельно работающих потребителей на источник питания) было »ров еде-

но моделирование режима с переменной составляющей напряжения (7[1!п=260+30В. частота переменной составляющей /п1п=400Гц- I ¡аличие пульсации фазного тока на внекоммутациокв&м интервале вызывает пульсации электромагнитного момента. Применение адаптации регулятора к изменению напряжения питания существенно снижает амплитуду пульсаций момента. Сравнительная численная оценка функционирования системы нри наличии пульсаций напряжения питания приводится в табл. 3.

Таблица 3

Тип управления árs, дБ М;|, дБ О G0

Без адаптации 66 78 1004 3,18

С адаптацией к возмущению 64 75 972 1,84

Исследования показали, что при использовании адаптации регулятора к возмущений со стороны источника питания снижение среднего уровня пульсаций момента, вызванных пульсациями напряжения, составляет ЗдБ (в 1,4 раза).

Исследования ШИМ с распределенной спектральной характеристикой были проведены на экспериментальной установке и имитационной модели. Результаты экспериментов показали отсутствие отличий основных параметров работы (производительность, потребляемая мощность) электропривода с предложенным ШИМ от параметров электропривода с ШИМ с фиксированной частотой. Уровни виброускорений корпуса элеюровентилятора в направлении X, приведены на рис. 12 Точка измерения виброускорения расположена а области подшипникового узла Ач. дБ

140 120 100 ао 60 40 20

4 000 5000 6000 7000 8000 3000 10000

Рис. 12 Сравнение спектра unópov с корен níi при использовании ШИМ с распределенным спектром и при использовании ШИМ с частотой 7 кГц

Применение ШИМ с распределенным частотным спектром (в диапазоне 7 9кГц) при прочих равных условиях уменьшает пиковые значения амплитуда виброускорений на 10-20дЬ (в 3,1-10 раз) диапазоне частот от 6 до 7,5кГц и на 4 9дЬ (в 1.58-2,8 раза) в диапазоне 7,5-9кГц. Программно-

Av. дБ

аппаратная реализация разработанного ШИМ используется в макетном образце разрабатываемого в ОАО «НПЦ «Полюс» электропривода насоса ВЭПр-5,5

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Разработана математическая модель системы «коммутатор — БДПТ», учитывающая нестационарность структуры и дискретность реального объекта Модель пригодна для анализа статических и динамических режимов работы электроприводов с БДПТ Кроме того, полученная модель может быть использована как для синтеза классических регуляторов, так и для синтеза локально-оптимальных (на интервале коммутации или на интервале ШИМ) систем управления БДПТ

2 Разработана математическая модель вибрации БДПТ, вызванной электромагнитными силами Модель может быть использована для целей сравнительного анализа влияния различных способов управления на уровень вибрации корпуса двигателя

3 Синтезирован локально-оптимальный регулятор, обеспечивающий минимизацию ошибки регулирования по вектору состояния объекта управления на интервале ШИМ Применение данного регулятора в сочетании с формированием вектора задания для фазных (контурных) токов двигателя позволяет снизить пульсации фазных токов и момента обусловленные коммутацией Компенсация возмущающего воздействия со стороны источника питания за счет коррекции усиления ШИМ позволяет снизить уровень пульсации фазных токов и момента, обусловленных периодическими помехами со стороны источника питания Исследования разработанного регулятора на имитационной модели показало снижение пиковых значений пульсаций момента на 1—4 гармониках коммутационной частоты на 10-18дБ, среднего уровня виброускорений — на 12 дБ, среднего уровня пульсаций момента — на 9 дБ

4 Предложены структура и алгоритм работы широтно-импульсного модулятора с распределенной спектральной характеристикой позволяющие снизить общий уровень электромагнитной вибрации в области частот ШИМ Исследования разработанного ШИМ, проведенные на экспериментальной установке и на имитационной модели, показали уменьшение пиковых значений амплитуды виброускорений в области частоты ШИМ на 10-20дБ

Основные работы, опубликованные по теме диссертации

1 Букреев В Г , Богданов А А Математическое моделирование бесконтактного двигателя постоянного тока с распределенными обмотками // Сборник материалов 3-й всероссийской научно-технической конференция "Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях", Бийск, 2002 -С 16-18

2 Богданов А А, Чарухин А Г Имитационная модель многофазного бесконтактного двигателя постоянного тока с широтно-импульсной

модуляцией управляющего воздействия // Сборник материалов 1Х-й международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии", Т 1 Томск, 2003 -С 273-274

3 Букреев В Г , Богданов А А Система управления бесконтактным двигателем постоянного тока Патент на полезную модель №45213 Роспатент Москва Приоритет от 23 11 2004

4 Букреев В Г Леонов С В Богданов А А Чарухин А Г Некоторые вопросы моделирования бесконтактных двигателей постоянного тока с распределенными обмотками // Деп в ВИНИТИ 02 06 03, № 1075-В2003 -2003 -С 1-26

5 Букреев В Г , Шинякова Г П , Богданов А А Цифровая система управления многофазным бесконтактным двигателем постоянного тока // Сборник материалов 4-й Всероссийской научно-технической конференции "Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях" Бийск, 2003 -С 20-23

6 Богданов А А , Букреев В Г , Шинякова Г П Программа управления коммутатором трехфазного бесконтактного двигателя постоянного тока Авторское свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003612651 Роспатент Москва 04 12 2003 г

7 Богданов А А, Шинякова Г П Цифровая система управления электропривода // Сборник тезисов докладов научно-технической конференции молодых специалистов «Электронные и электромеханические системы и устройства», ФГУП НИЦ «Полюс», Томск, 2004 -С 8-9

8 Богданов А А Дискретная математическая модель бесконтактного двигателя постоянного тока // Сборник трудов международной научно-технической конференции "Измерение, контроль, автоматизация", Барнаул АлтГТУ, 2005 -С 59-63

9 Букреев В Г , Богданов А А , Соснин С К , Чащин А К Локальная оптимизация дискретных электромеханических систем // Известия Томского политехнического университета -2005 -№5,—С 133-136

10 Богданов А А , Шинякова Г П , Букреев В Г Положительное решение о выдаче патента на изобретение «Цифровой широтно-импульсный модулятор с распределенной спектральной характеристикой» (заявка №2006109995 Приоритет от 28 03 2006г)

11 Богданов А А Применение дискретно-фазового способа управления в низкоскоростном электроприводе с бесконтактным двигателем постоянного тока // Сборник тезисов докладов XVII научно-технической конференции «Электронные и электромеханические системы и устройства», ФГУП «НПЦ «Полюс» Томск, 2006 -С 195-197

12 Богданов А А Синтез оптимального регулятора электропривода с бесконтактным двигателем постоянного тока // Известия высших учебных заведений Электромеханика 2006 -№3 -С 61-63

13 Богданов А А Оптимальная система управления электропривода вентиляционной установки // Материалы всероссийского конкурса-конференции инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению «Энергетика и энергосбережение» Томск ТПУ, 2006 -С 56-60

Личный вклад автора

Пять работ написано автором единолично В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежит математическое описание двигателя [1] (80%), разработка программного обеспечения [2, 5-7] (75%), разработка структуры системы управления [3,7] (75%), анализ особенностей применения многофазных бесконтактных двигателей постоянного тока [4] (40%), алгоритм работы и структура ШИМ [10] (80%), имитационное моделирование [9] (25%)

Подписано к печати 23 04 2007 Фор мат 60x84/16 Бумага «Классика» Печать RISO Услпечл 1 16 Уч издл 1,05 _Зага29В Тиртж 100 зкз_

Томский политехнический университет Система менеджмента качества Томского политехнического университета сертифи^рована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту ISO 9001 2000

ИЧАТИЬСТВО WTO 634050, г Томск, пр Ленина, 30

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ.

1.1. Особенности работы вентиляционных установок автономных объектов.

1.2. Требования к электроприводу вентиляционных установок.

1.3. Особенности конструкции и применения бесконтактных двигателей постоянного тока (БДПТ).

1.4. Обзор методов снижения уровня вибрации электроприводов с БДПТ.

1.5. Выводы.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ.

2.1. Особенности среды моделирования MATLAB/Simulink.

2.2. Модель БДПТ с ШИМ питающего напряжения.

2.3. Математическое описание механической характеристики вентилятора

2.4. Математическое описание вибрации БДПТ, вызванной электромагнитными силами.

2.5. Моделирование элементов системы управления электропривода.

2.6. Выводы.

3. СИНТЕЗ РЕГУЛЯТОРА ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ.

3.1. Определение критерия оптимальности цифрового регулятора широтно-импульсной системы.

3.2. Синтез локально-оптимального регулятора системы управления электропривода вентиляционной установки.

3.3. Адаптация регулятора для компенсации возмущающего воздействия со стороны источника питания.

3.4. Широтно-импульсный модулятор с распределенной спектральной характеристикой.

3.5. Выводы.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1. Описание экспериментальной вентиляционной установки.

4.2. Оценка адекватности разработанной модели электромеханической системы.

4.3. Исследование локально-оптимального регулятора с адаптацией к изменению питающего напряжения.

4.4. Исследование широтно-импульсного модулятора с распределенной спектральной характеристикой.

4.5. Рекомендации по технической реализации системы управления электропривода.

4.6. Выводы.

Актуальность работы

Вентиляционные установки являются одним из самых распространенных типов промышленных механизмов. В системах жизнеобеспечения автономных объектов они играют важнейшую роль. В общем случае к электроприводу вентиляционных установок предъявляются достаточно мягкие требования по глубине регулирования, точности, быстродействию. Однако в случае электропривода вентиляционной установки автономного объекта на первое место выдвигаются повышенные требования по вибрации, шуму, надежности, обеспечению заданной производительности, возможности работы в условиях низкого качества питающего напряжения.

Применение в качестве приводного двигателя бесконтактного двигателя постоянного тока (БДПТ) позволяет повысить надежность, улучшить энергетические показатели вентиляционной установки. Многофазное исполнение БДПТ позволяет добиться наилучших показателей надежности и отказоустойчивости.

Анализ публикаций показал, что наиболее эффективным путем снижения уровня вибрации электрооборудования является их подавление в источнике. При рассмотрении источников вибрации вентиляционной установки можно выделить: вибрации механического, электромагнитного происхождения и вибрации аэродинамического происхождения. Вибрации аэродинамического происхождения, а также аэродинамический шум вентилятора, чаще всего минимизируется на этапе конструирования двигателя и вентилятора. Вибрации механического происхождения, в основном определяются конструкцией установки, однако пульсации электромагнитного момента могут также оказывать на них значительное влияние. Наиболее эффективной мерой снижения вибраций электромагнитного происхождения является их минимизация алгоритмическим обеспечением системы управления электропривода.

Способам конструктивного снижения уровня вибрации электроприводов посвящено большое количество работ [5, 32, 59, 92]. Однако очевидно, что наилучшего эффекта можно достичь при совместном применении конструктивных способов и методов управления, направленных на минимизацию вибрации и электромагнитного момента.

Вопросами исследования и моделирования электропривода с бесконтактным двигателем постоянного тока занимались И.Е. Овчинников, Т. Kenjo, TJ.E. Miller, S. Nagamori и др. Вибрационные и шумовые процессы в вентиляционных установках рассмотрены в работах Т.С. Соломаховой, В.Г. Караджи, S. Bolognani и др.

Исходя из вышеизложенного, следует отметить, что вопросы разработки электроприводов, обусловленные требованиями к вентиляционным установкам автономных объектов, необходимо решать комплексно как со стороны конструкции, так и со стороны системы управления электропривода.

Все вышеизложенное и определяет актуальность вопросов, рассматриваемых в диссертации.

Цель работы и задачи исследования

Цель диссертационной работы состоит в оптимизации регулятора широт-но-импульсной системы управления электропривода для снижения уровня вибрационных характеристик вентиляционной установки автономного объекта в условиях работы с источником питания ограниченной мощности.

Для достижения цели поставлены следующие основные задачи: -выполнение анализа особенностей работы электроприводов вентиляционных установок автономных объектов и требований к ним; -разработка математической и имитационной модели электропривода, позволяющей произвести оценку эффективности предложенных алгоритмов оптимизации; -синтез структуры и алгоритма работы локально-оптимального регулятора, обеспечивающего минимизацию ошибки по вектору состояния электропривода;

-разработка структуры и алгоритма работы широтно-импульсного модулятора (ШИМ), позволяющего уменьшить уровень электромагнитной вибрации в области частот ШИМ; проведение исследования с целью доказательства эффективности разработанных алгоритмов управления на экспериментальной установке и имитационной модели.

Методы исследований

Для решения поставленных задач в работе использованы методы современной теории управления, пространства состояний, теория матричной алгебры и дифференциальных уравнений, численных методов математического моделирования. Имитационное моделирование выполнено в программной среде MATLAB 7.

Научная новизна

1. Разработана математическая модель системы «коммутатор - бесконтактный двигатель постоянного тока» в пространстве состояний, позволяющая учесть нестационарность структуры системы и дискретность управляющего воздействия.

2. Синтезированы структура и алгоритм работы локально-оптимального регулятора, обеспечивающие уменьшение пульсаций электромагнитного момента путем минимизации ошибки регулирования по выходному вектору системы «коммутатор - бесконтактный двигатель постоянного тока» на интервале ШИМ.

3. Предложена структура широтно-импульсного модулятора с распределенной спектральной характеристикой, позволяющая уменьшить уровень электромагнитной вибрации электропривода в рабочей области частот ШИМ.

Практическая ценность

1. Разработана имитационная модель «система управления - коммутатор - бесконтактный двигатель постоянного тока» в среде MATLAB/Simulink, учитывающая нестационарность параметров электропривода вентиляционной установки на интервалах дискретности ШИМ и позволяющая производить расчет динамических и статических характеристик электропривода на этапе разработки.

2. Предложена методика синтеза локально-оптимального регулятора, учитывающая требования к вибрационным характеристикам вентиляционной установки и изменение напряжения питания электропривода. Применение такого регулятора в сочетании с формированием вектора задания фазных токов позволяет снизить пульсации фазных токов и момента, обусловленных периодической коммутацией обмоток БДПТ.

3. Разработана программно-аппаратная реализация широтно-импульсного модулятора с генерацией длительности периода следования импульсов по равномерному закону распределения в заданном диапазоне.

Достоверность полученных результатов

Достоверность результатов подтверждается математическим обоснованием разработанных моделей, сопоставимостью результатов экспериментальных и теоретических исследований.

Реализация результатов работы

Результаты проведенных исследований используются при разработке электроприводов специального назначения в процессе выполнения научно-исследовательской работы в ОАО «НПЦ «Полюс», а также в учебном процессе Томского политехнического университета при подготовке студентов по специальности 140604 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» и магистрантов по магистерской программе «Электроприводы и системы управления электроприводов».

Подтверждением реализации результатов диссертационной работы является наличие двух актов о внедрении.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Математическая модель системы «коммутатор - бесконтактный двигатель постоянного тока».

2. Алгоритм синтеза локально-оптимального регулятора, обеспечивающий минимизацию ошибки регулирования по вектору состояния системы «коммутатор - бесконтактный двигатель постоянного тока» на интервале ШИМ.

3. Структура и алгоритм работы широтно-импульсного модулятора с распределенной спектральной характеристикой, позволяющие уменьшить уровень электромагнитной вибрации в области частот ШИМ.

Апробация работы:

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: научно-технических конференциях «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», Томск, 2003-2004; всероссийских научно-технических конференциях «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях», Бийск, 2002-2003; международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов», Новочеркасск, 2002; международной научно-технической конференции «Электротехника, электротехнические системы и комплексы», Томск, 2003; всероссийском студенческом научно-техническом семинаре "Энергетика: экология, надежность, безопасность", Томск, 2003; международных научно-технических конференциях «Современные техника и технологии», Томск, 2003-2004;

- всероссийской научно-технической конференции «Наука. Технологии. Инновации», Новосибирск, 2003;

- научно-технических конференциях «Электронные и электромеханические системы и устройства», ФГУП НПЦ «Полюс», Томск, 2004,2006; международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация», Барнаул, 2005;

- всероссийской конференции - конкурса инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению «Энергетика и Энергосбережение», Томск, 2006; научно-технических семинарах кафедры электропривода и электрооборудования Томского политехнического университета;

- научно-технических семинарах секции преобразовательной техники ОАО «НПЦ «Полюс».

Публикации

Результаты выполненных исследований отражены в 22 печатных работах, в т.ч. в 16 тезисах докладов, 2 статьях в научно-технических журналах, депонированной рукописи, патенте РФ на полезную модель, авторском свидетельстве о регистрации программного продукта для ЭВМ и положительном решении о выдаче патента на изобретение.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы - 160 страниц, в т.ч. рисунков - 77, таблиц - 6, библиография содержит 93 наименования, приложение -1.

4.6. Выводы

1. Сравнительный анализ работы экспериментальной установки и разработанной имитационной модели показали приемлемую адекватность модели и пригодность ее для отработки законов и способов управления, предложенных в гл. 3, а также в целом при разработке и исследовании электроприводов рассматриваемого класса.

2. Исследования локально-оптимального регулятора с адаптацией к изменению напряжения питания, проведенные на разработанной имитационной модели в среде MATLAB/Simulink, показали эффективность применения предложенного регулятора для снижения уровня вибрации и пульсации момента путем формирования фазных токов:

- снижение среднего уровня виброускорений корпуса электропривода достигло 8дБ в области частот коммутации;

- снижение амплитуды пульсаций момента двигателя на 10-18дБ. Показана целесообразность и эффективность применения адаптации регулятора к изменению напряжения питания.

Исследования широтно-импульсного модулятора с распределенной спектральной характеристикой были проведены на имитационной модели электропривода и на экспериментальной установке. Результаты исследований показали:

- снижение уровня виброускорений корпуса электропривода на 1020дБ в области частоты ШИМ;

- снижение напряжения радиопомех по цепи питания на 10—15дБ диапазоне частот от 14кГц до 70кГц, что говорит об эффективности использования предложенного ШИМ для целей, поставленных в гл. 1. Предложена структура организации системы управления для реализации разработанных способов управления электроприводом вентиляционной установки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведенных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований можно сформулировать следующие выводы:

1. Анализ требований к электроприводу вентиляционных установок автономных объектов показал отсутствие жестких требований по точности, быстродействию и глубине регулирования частоты вращения вентилятора и наличие повышенных требований к уровню шума и вибрации, производимых установкой, производительности, обеспечению требуемых показателей в условиях низкого качества питающего напряжения. Отмечено, что в условиях работы в автономном объекте из-за ограниченной мощности источника питания качество напряжения питания может ухудшаться под влиянием потребителей.

2. Анализ особенностей конструкции и применения бесконтактных двигателей постоянного тока показал ряд преимуществ данного типа двигателей перед коллекторными и асинхронными двигателями, существенных для условий работы в автономном объекте. Были рассмотрены варианты исполнения позиционной обратной связи (датчик положения), отмечено, что для двигателей с трапециидальной формой обратной ЭДС достаточным является применение дискретного датчика положения отражающего полюсность двигателя.

3. Отмечено, что уровень шума, производимого вентиляционной установкой, определяется в основном аэродинамическими эффектами. В связи с этим аэродинамический шум, а также вибрация аэродинамического происхождения могут быть снижены в результате улучшения конструкции (при условии сохранения заданной производительности). Установлено, что вклад электромагнитной составляющей вибрации в общий уровень вибрации электродвигателя может достигать 30%. Обзор способов снижения уровня вибрации и пульсаций момента показал актуальность использования как конструктивных, так и алгоритмических мер, применяемых в случае электропривода с бесконтактным двигателем постоянного тока. Необходимость использования алгоритмических мер возникает при модернизации существующих электроприводов, а также в других случаях, когда конструктивная доработка невозможна.

4. Использование программной среды MATLAB/Simulink позволяет создавать сложные динамические модели по модульному принципу, объединять в систему элементы математических моделей, логических автоматов и программный код, дает богатые возможности для расширения. Таким образом, среда MATLAB/Simulink может быть выбрана в качестве основного инструмента для имитационного моделирования рассматриваемого класса электромеханических объектов.

5. Разработанная математическая модель системы «коммутатор-БДПТ» учитывает нестационарность структуры и дискретность реального объекта. Модель пригодна для анализа статических и динамических режимов работы электроприводов с БДПТ. Кроме того, полученная модель может быть использована как для синтеза классических регуляторов, решения задач оптимизации, так и для синтеза локально-оптимальных (на интервале коммутации или на интервале ШИМ) систем управления электроприводов с бесконтактными двигателями постоянного тока.

6. Математическая модель вибрации статора бесконтактного давигателя постоянного тока, вызванной электромагнитными силами, может быть использована для целей сравнительного анализа влияния различных способов управления на уровень вибрации корпуса двигателя.

7. Сформулирован глобальный критерий оптимальности, учитывающий требования к минимизации уровня электромагнитной вибрации, пульсаций момента при сохранении заданной производительности вентиляционной установки.

8. Синтезированный локально-оптимальный регулятор обеспечивает минимальную ошибку регулирования по вектору состояния объекта управления на интервале ШИМ. Применение данного регулятора в сочетании с формированием вектора задания для фазных токов позволяет снизить пульсации фазных токов и момента, обусловленные коммутацией обмоток двигателя.

9. Компенсация измеряемых возмущений со стороны источника питания за счет коррекции чувствительности ШИМ позволяет использовать локально-оптимальный регулятор, рассчитанный на номинальное напряжение питания. В результате снижается уровень пульсаций фазных токов и момента, обусловленных нестабильностью напряжения питания.

10. Предложенные алгоритм и структура широтно-импульсного модулятора с распределенной спектральной характеристикой позволяет снизить общий уровень электромагнитной вибрации в области частот ШИМ.

И. Сравнительный анализ характеристик экспериментальной установки и разработанной имитационной модели показал адекватность модели и пригодность ее для исследования законов и способов управления для электроприводов рассматриваемого класса.

12. Показана эффективность применения локально-оптимального регулятора с формированием вектора задания на фазные токи для снижения уровня виброускорений на частотах, кратных частоте коммутации, и для снижения амплитуды пульсаций электромагнитного момента. Исследования разработанного регулятора на имитационной модели показало снижение пиковых значений пульсаций момента на 1-4 гармониках коммутационной частоты на 10-18дБ, среднего уровня виброускорений - на 12 дБ, среднего уровня пульсаций момента - на 9 дБ. Показана целесообразность и эффективность применения адаптации регулятора к изменению напряжения питания.

13. Показана эффективность применения широтно-импульсного модулятора с распределенной спектральной характеристикой с целью снижения уровня виброускорений корпуса электропривода в области частот модуляции и снижения напряжения радиопомех по цепям питания. Исследования разработанного ШИМ, проведенные на экспериментальной установке и на имитационной модели, отражают уменьшение пиковых значений амплитуды виброускорений в области частоты ШИМ на 10—20дБ.

В заключении автор благодарит научного руководителя, профессора, д.т.н. Букреева В.Г. за большой вклад в выполнение данной работы, замечания и полезные советы, сотрудников ОАО «НПЦ «Полюс» Шинякову Г.П. и Барабанова И.К. - за практическую помощь и поддержку, а также сотрудников кафедры электропривода и электрооборудования Электротехнического института Томского политехнического университета за участие в обсуждении данной работы.

1. Aghili F., Buehler M., Hollerbach J.M. Quadratic Programming in Control of Brushless Motors, 2001. (http://ieeexplore.ieee.org/iel5/7423/20183 /00932763.pdf)

2. Anghel C. Sensorless Flux Vector Control for a Permanent Magnet Synchronous Machine with Cylindrical Rotor under Severe Starting Conditions. Thesis submitted for the degree of Master of Applied Science, 1997.

3. Balamurugan S., Arumugam R. Estimation of Vibration in Switched Reluctance Motor Drives. American Journal of Applied Sciences 2(4). 2005. p. 791795.

4. Batzel T.D., Lee K.Y. Slotless Permanent Magnet Synchronous Motor Operation without a High Resolution Rotor Angle Sensor. IEEE Transactions on Energy Conversion. Vol. 15. No. 4.2000.

5. Bianchi N., Bolognani S., Cervaro S., Malesani L., Zigliotto M. Brushless Motor Drives for Ventilation. 1998 (http://www.polito.it/syncrodrive/padova /Reportpadova.pdf)

6. Bogdanov A. A. Mathematical modeling of electric drive with polyphase brushless DC motor in Simulink.//HayKa. Технологии. Инновации/ Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003.

7. Bolognani S., Di Bella A., Zigliotto M. Random Modulation and Acoustic Noise Reduction in IM Drives, Proc. of EMD Conf., Canterbury (UK). 1999. p.137-141.

8. Chapman P.L. Multiple Reference Frame Analysis of Non-sinusoidal Brushless DC Drives. 1999

9. Fundamentals of Polyphase Electric Motors. The Lincoln Electric Company, 1995.

10. Gan W.-C., Qiu L. Torque and Velocity Ripple Elimination of AC Permanent Magnet Motor Control Systems Using the Internal Model Principle. IEEE /ASME Transactions on Mechatronics, 2004.

11. Glumenau A., Hamy M., Lanier C., Moog C. Robust control of a brushless servo motor via sliding mode techniques. // International journal of control. 1993. Vol. 58. №5. p. 979-990.

12. Gopalarathnam Т., Toliyat H.A., Moreira J.C. Multi-Phase Fault-Tolerant Brushless DC Motor Drives, 2001. (http://ieeexplore.ieee.org /iel5/7073/l 9070/00882107.pdf)

13. Ohm D.Y., Oleksuk R.J. Influence of PWM Schemes and Commutation Methods for DC and Brushless Motors and Drives, 2002. (http://www.drivetechinc.com/articles/SWBLDCAC5.PDF)

14. Ohm D.Y., Park J.H. About Commutation and Current Control Methods for Brushless Motors, 1999. (http://www.drivetechinc.com/articles/curbldc3.pdf)

15. Petrovic V., Ortega R., Stankovic A.M., Tadmor G. An Adaptive Controller for Minimization of Torque Ripple in PM Synchronous Motors, 1998. (http://ieeexplore.ieee.org/iel4/5671/15202/00701887.pdf?arnumber=701887)

16. Rodrigues M., Costa Branco P.J., Suemitsu W. Fuzzy Logic Torque Ripple Reduction by Turn-Off Angle Compensation for Switched Reluctance Motors. IEEE Transactions on Industrial Electronics. Vol. 48. No. 3. 2001.

17. Selection of Electric Motors for Aerospace Applications. Marshall Space Flight Center, NASA, 1999. (http://www.klabs.org/DEI/Refer-ences/designguidelines/designseries/l 229msfc.pdf)

18. Simoes M.G., Vieira P. A High-Torque Low-Speed Multiphase Brushless Machine A Perspective Application for Electric Vehicles, IEEE Transactions On Industrial Electronics, Vol. 49, No. 5,2002.

19. Sozer Y., Torrey D.A. Adaptive Torque Ripple Control for Permanent Magnet Brushless DC Motors, 1998. (http://ieeexplore.ieee.org/iel4/5223 /14120/00647674.pdf?arnumber=647674)г .

20. Stankovic A.M., Tadmor G., Coric Z.J, Agirman I. On Torque Ripple Reduction in Current-Fed Switched Reluctance Motors. IEEE Transactions on Industrial Electronics. Vol. 46. No. 1. 1999.

21. Yu-Sheng Lu, Jian-Sshiang Chen. Design of a global sliding mode controller for a motor drive with bounded control //International journal of control. 1995. Vol. 62. № 5. p.1001-1009.

22. Акустический расчет систем вентиляции и кондиционирования возду-ха:Методические указания/ Сост А.Н. Деренок, А.Н. Козлова. Томск: Изд. ТГАСУ, 2005.

23. Альтшуллер М.И., Аристов Б.В., Афанасьев А.А., Белов Б.В. и др. Регулируемый электропривод с вентильным двигателем для погружных насосов нефтяных скважин//Электротехника. 2001. №2. С.20-24.

24. Бабаев М.Б., Голубев А.Н., Королев А.Н. Особенности применения многофазных асинхронных двигателей в регулируемом приводе/Электричество. 1991. №11 С.57-61.

25. Блоцкий Н.Н. Уравнения многофазной синхронной маши-ны//Электричество. 1992. №5. С.16-25.

26. Богданов А.А, Шинякова Г.П. Цифровая система управления электропривода // Сборник тезисов докладов научно-технической конференции молодых специалистов «Электронные и электромеханические системы и устройства», ФГУП НПЦ «Полюс», Томск, 2004. С.8-9.

27. Богданов А.А. Дискретная математическая модель бесконтактного двигателя постоянного тока // Сборник трудов международной научно-технической конференции "Измерение, контроль, автоматизация", Барнаул: АлтГТУ, 2005. С.59-63.

28. Богданов А.А. Разработка цифровой системы управления электропривода с многофазным БДПТ // Сборник материалов 4-й конференции студентов "Электротехника, электромеханика и электротехнологии", Томск, 2004. С.50-51

29. Богданов А.А. Синтез оптимального регулятора электропривода с бесконтактным двигателем постоянного тока // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2006. №3. С. 61-63.

30. Богданов А.А., Букреев В.Г., Шинякова Г.П. Программа управления коммутатором трехфазного бесконтактного двигателя постоянного тока. Авторское свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003612651. Роспатент. Москва. 04.12.2003 г.

31. Богданов А.А., Казанцева М.В. Настройка регулятора скорости электропривода на симметричный оптимум.// Сборник материалов 3-й конференции студентов " Электротехника, электромеханика и электротехнологии", Томск, 2003.

32. Богданов А.А., Чарухин А.Г. Система управления БДПТ на базе микроконтроллера МК-51// Сборник материалов 3-й конференции студентов " Электротехника, электромеханика и электротехнологии", Томск, 2003.

33. Богданов А.А., Чарухин А.Г. Цифровая система управления бесконтактным двигателем постоянного тока.//Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы: Материалы международной науч.-техн. конф. -Томск: ТПУ, 2003. С. 8-11.

34. Богданов А.А., Шинякова Г.П., Букреев В.Г. Цифровой широтно-импульсный модулятор с распределенной спектральной характеристикой. Положительное решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2006109995. Роспатент. Москва. Приоритет от 28.03.2006г.

35. Борцов Ю.А., Федоров С.В. Адаптивный цифровой следящий электропривод с вентильным двигателем//Электротехника. 1997. №8. С.3-8.

36. Борьба с шумом на производстве: справочник/ Е.Я. Юдин, JI.A. Борисов, И.В. Горенштейн и др. М.: Машиностроение, 1985. - 400с.

37. Букреев В.Г. Соснин С.К. Чащин А.К. Богданов А.А. Локальная оптимизация дискретных электромеханических систем. Известия Томского политехнического университета. 2005, №5. С. 133-136.

38. Букреев В.Г., Богданов А.А. Математическое моделирование бесконтактного двигателя постоянного тока с распределенными обмотками // Сборник материалов 3-й всероссийской научно-технической конференции

39. Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях", Бийск, 2002г. С. 16-18.

40. Букреев В.Г., Богданов АЛ. Система управления бесконтактным двигателем постоянного тока. Патент на полезную модель №45213. Роспатент, Москва. Приоритет от 23.11.2004.

41. Букреев В.Г., Параев Ю.И. Адаптивные регуляторы в дискретных системах управления сложными электромеханическими объектами. Томск: Изд-во Том. ун-та. 2000.

42. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. М.: Высш. шк., 1990.

43. Веселитский И.В., Линьков Р.В., Сигуньков С.А. Расчет параметров и электромеханических характеристик вентильных двигателей с высокоэнергетическими постоянными магнитами//Изв. вузов. Электромеханика. 1997. №4-5ю С.31-37.

44. Вибрации и шум электрических машин малой мощности/ Л.К. Волков, Р.Н. Ковалев, Т.Н. Никифорова, Е.Е. Чаадаева, К.Н. Явленский, А.К. Яв-ленский. Л.: Энергия, Ленинградское отделение, 1979. -206 с.

45. Воронин С.Г., Кузьмичев А.Р. Математическая модель для определения координат в электроприводе с вентильным двигателем постоянного тока/электричество. 2000. №3. С.34-38.

46. Гаджиев Г.А., Халилов Д.Д., Абдуллаев Н.Д. и др. Исследование магнитных полей рассеяния в электрических машинах для их диагностики в условия работы//Электротехника. 2000. №6. С.22-27.

47. Голубев А.Н., Игнатенко С.В. Влияние числа фаз статорной обмотки асинхронного двигателя на его виброшумовые характеристи-ки//Электротехника. 2000. №6. С.28-31.

48. Голубев А.Н., Игнатенко С.В. Многофазный асинхронный электропривод в аномальных режимах работы//Электротехника. 2001. №10. С. 17-22.

49. Гордиевский А.А. Вентиляция // Справочник промышленного оборудования. №1.2004. с.34-64.

50. ГОСТ 30296-95 Аппаратура общего назначения для определения основных параметров вибрационных процессов. М.: Изд-во стандартов, 1995.

51. ГОСТ 5976-90 Вентиляторы радиальные общего назначения. Общие технические условия. М.: Издательство стандартов, 1994.

52. ГОСТ Р 51319-99 Совместимость технических средств электромагнитная. Приборы для измерения индустриальных радиопомех. Методы испытаний технических средств источников индустриальных радиопомех. М.: Изд-во стандартов, 2000.

53. ГОСТ Р 51320-99 Совместимость технических средств электромагнитная. Радиопомехи индустриальные. Методы испытаний технических средств -источников индустриальных радиопомех. М.: Изд-во стандартов, 2000.

54. Данилевич Я.Б., Кочнев А.В. Синхронный генератор небольшой мощности с постоянными магнитами//Электричество. 1996. №4. С.27-29.

55. Источники вторичного питания / Под ред. Ю.И.Конева. М.: Радио и связь, 1983.-280 с.

56. Караджи В.Г., Московко Ю.Г. Руководство по применению вентиляцион-но-отопительного оборудования НПП «Инновент». М., 2003.

57. Кенио Т., Нагамори С. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами.: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1989.

58. Кнут Д.Э. Искусство программирования. Т.2. Получисленные методы. -М.: Изд. дом "Вильяме", 2000. -с.29-57.

59. Куликов Н.И., Елизарова Т.А., Куликова Т.В., и др. Исследование и разработка быстродействующих вентильных двигателей//Электричество. 2002. №5. С. 11-21.

60. Мирошник И.В. Теория автоматического управления. Нелинейные и оптимальные системы. СПб.: Питер, 2006. -272с.

61. Овчинников И.Е., Лебедев Н.И. Бесконтактные двигатели постоянного тока с транзисторными коммутаторами. Л.: Наука, 1979.

62. Онищенко Г.Б., Юньков М.Г. Электропривод турбомеханизмов. М.: Энергия, 1972. -240с.

63. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Справочное пособие. / Под ред. Стомахиной Г.И. М.: Пантори, 2003.

64. Параев Ю.И., Букреев В.Г. Локально-оптимальное управление электромеханическими объектами//Электротехника. 1998. №8. С.48-52.

65. Петров Г.П. Математическая модель шестифазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором//Электричество. 1998. №9. С.33-39.

66. Петров Г.П., Попов А.Б., Кныш А.В. и др. Анализ вибрации асинхронного двигателя при удвоении фаз питающего напряжения//Электричество. 2002. №7. С.33-37.

67. Соломахова Т.С. Аэроакустический расчет радиальных вентиляторов с листовыми загнутыми назад лопатками. // Промышленная аэродинамика. М.: Машиностроение, 1988. Вып. 4 (36). С. 288-308.

68. Справочник по автоматизированному электроприводу/ Под. ред. Елисеева В.А. и Шинянского А.В. М.: Энергоатомиздат, 1983.

69. Уайт Д. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи. В 3 вып. Вып. 2. Внутрисистемные помехи и методы их уменьшения: Сокр. пер. с англ. / Под ред. А.И.Сапгира. М.: Сов. радио, 1978. -272 с.

70. Управляемые бесконтактные двигатели постоянного тока/ Адволоткин Н.П., Гращенков В.Т., Лебедев Н.И. и др. JL: Энергоатомиздат., 1984.

71. Центробежные вентиляторы. Под ред. Соломаховой Т.С. М.: Машиностроение, 1975. -416с.

72. Шубов И.Г. Шум и вибрация электрических машин. JI.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986. -208с.

73. Электрооборудование и электропривод промышленных установок. Елисеев В.А., Капунцов Ю.Д. и др. М.: Высш. шк., 1979.