автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование алгоритмов управления системой "импульсный усилитель мощности - асинхронный трехфазный двигатель"

На правах рукописи

НГУЕН КУАНГ ЧУНГ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ «ИМПУЛЬСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ-АСИНХРОННЫЙ ТРЁХФАЗНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ»

Специальность 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 2006 г.

Диссертация выполнена на кафедре №702 «Системы приводов авиационно-космической техники» Московского авиационного инсгитуш (государственного технического университета)

Научный руководитель: доктор технических наук,

Попов Борис Николаевич. Официальные оппоненты- доктор юхнических наук, профессор,

Горячев Олег Владимирович, кандидат 1ехнических наук, доцент, Сыроежкин Евгений Викторович.

Ведущая организация: I осударственный научно-исследовательный институ! авиационный систем, г.Москва

Защита сосюится « » UtotA^ 2006 г. в ^'f-píi часов на заседании диссертационного совета Д 212.125.07 в Московском авиационном институте (iосударс1 венном техническом унивсрсшегс) по адресу: 125993, А-80, г.Москва, ГСП-3 Волоколамское шоссе, д.4, ыавный административный корпус, зал заседаний Ученою сове i а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационною института (МАИ).

Отзыв, заверенный печатью, просим направлять в двух экземплярах по адресу: 125993, ГСП-3, Москва А-80, Волоколамское шоссе, д.4, Ученый совет МАИ.

Авюреферат разослан «¿¿ » tUj^n 2006 г.

Ученый секретарь совета, кандидат технических наук, доцент

Кондратьев А.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Система трехфазного переменного тока, позволившая создав устройства для получения вращающегося магнитного потока, вызвала появление наиболее распространенного в данное время электродвигателя, называемого асинхронным. Изготовляемый на мощности от долей ватта до тысяч киловатт при напряжениях от 127 до 10 ООО В, такой электродвигатель прост по конструкции, надежен в эксплуатации и дешев по сравнению с другими электродвигателями. Он применяется во всех видах работ, где не требуется поддержания постоянной скорости вращения, а также в быту, в однофазном исполнении при малой мощности. Достижения в области электроники и полупроводниковых технологий позволяют интегрировать асинхронный трехфазный двигатель (АТД), импульсный усилитель мощности (ИУМ) и управляющую часть в единое целое - мехатронный модуль на основе АТД. С появлением на рынке недорогих микропроцессорных усфойств, для управления различными типами двигателей, стало возможным реализовать новые цифровые алгоритмы управления системой ИУМ-А1Д, которые позволяют уменьшать потери мощности и увеличивать производительность и надежность всего мехатронною модуля. Существуют многие работы, авторы которых изучают характериешки А1Д. Однако, в работах, посвященных цифровому управлению АТД, не получены коммутационные функции для амплитудно-частотною метода, не проведен сравнительный анализ цифровой реализации с 27г/3-коммутацией, с л-коммутацией, с 5т1/6-коммутацией, не разработаны математические модели управляющих логических автоматов. Цель работы

Разработка и исследование цифровых алгоритмов управления системой «импульсный усилитель мощности - ЛТД» для реализации различных законов коммутации ключевых элеменюв при 2я/3-коммутации, п-коммутации и 5л/6-коммутации, векторном управлении АТД. Задачи работы

1.Провести сравнительный анализ существующих методов управления АТД для определения наилучшего для последующей цифровой реализации.

2.Разработать цифровые алгоритмы коммутации ключевых элементов ИУМ при микропроцессорном управлении АТД.

3.Разработать математическую модель мехатронного модуля на основе АТД и реализовать ее в среде ХМЬаЬ и $1тиПпк.

4.Выполнить моделирование мехатронного модуля на основе АТД, для проверки цифровых алгоритмов коммутации.

5. Разработать структуру логического автомата для управления АТД. Реализовать разработанную структуру на основе программируемых микроконтроллеров.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.-Петербург

б.Провести экспериментальные исследования разработанных алгоритмов на стенде с целью проверки корректности разработанных алгоритмов Методы решения

1.Теория и законы булевой алгебры.

2.Графический метод получения минимальной дизъюнктивной нормальной формы ,101 ических функций па основе карт М. Карно.

3.MaIематическое описание сложных конечных автоматов.

4.Математическое моделирование с использованием универсальных интегрированных программных продуктов (Delphi, MPLab, MatLab...).

5.Визуальное npoi раммирование с использованием языков как высокого уровня, так и assembler.

Научная новизна

1.Аналитические выражения для переменных, определяемых частотой питающею напряжения (периодом фазного напряжения Тф).

2.Система логических переменных и управляющих логических функций, обеспечивающая функционирование системы «ИУМ-АТД» и предназначенная для проектирования программируемых микроконтроллеров управления АТД, а также специализированных контроллеров на базе ilолузаказных микросхем.

3.Аналитические выражения управляющих логических функций при управлении ключевыми '«сметами для метода векторного управления.

4.Аналитические выражения управляющих логических функций при управлении ключевыми элеметами для амплитудно-частотно! о меюда с 2 л/3 -ком му та! | и ей. с л-коммутацией, с 5я/6-коммутацисй.

5.Формулы для напряжения на основе управляющих ло!ических функций, прикладываемого к обмоткам статора ЛТД.

6.Струю ура микроконтроллера для управления АТД, ориентированная на использование программируемых микроконтроллеров.

Практическая значимость

1 .Матемашческая модель мехатронною модуля на основе А1Д в системе визуального моделирования SIMUIJNK, которая позволяет исследовать процессы, происходящие в управляющем канале мехатронного модуля.

2.Программы управления АТД на языке assembler для PIC микроконтроллеров, с различными законами коммутации ключевых элементов импульсного усилителя мощности.

3.Программое обеспечение на языке DELPHI, формирующее различные значения кода управления, которые поступают через параллельный или последовательный порт компьютера (LPT или СОМ) на вход цифровых систем управления АТД.

4. Алгоритмы и программы, реализующие амплигудно-часготное управление АТД с 2л/3-коммугацией, я-коммутацией и 5л/6-коммутацией

для микроконтроллеров семейства PIC16CXXX.

5.Экспериментальный стенд для исследования различных характеристик мехатронных модулей на базе АТД.

Апробация работы:

-Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппарашв». Москва. МАИ 2005.

-XIV международный научно-(ехнический семинар «Современные технологии в задачах управления, авюмажки и обработки информации», г.Алушта, 2005.

Публикации.

Основные научные результаты по теме диссертационной работы изложены в журнале «Авиакосмическое приборостроение», одном тезисе доклада международного научно-1ехническо1 о семинара и двух тезисах докладов Всероссийской научно-технической конференции.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка используемых источников и приложений. Она содержит 158 страниц основной рабо!ы и восьми приложений на 9 страницах, в том числе 125 рисунков. 33 таблицы. Список использованных источников содержит 67 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введение обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, приведены сведения об апробации и публикациях, а так же представлена структура работы.

Определен объект исследования - мехатронный модуль, изображенный на рис.1 (обведен пунктиром) и рис.2. Мехатронный модуль входит в состав цифрового следящею привода и состоит из асинхронного трехфазного двша!еля (АТД), импульсного усилителя мощности (ИУМ), управляющего логического автомата (УЛА) или специализированного микроконтроллера (СМК).

От датчкког

ЦУМ кода к, емв к,

Сигнал кода обратной святи

Управляющие

логические функции ц

-, CW ,-,Л .1—

1 < ' M KJ==ÏЧИУМ Е=н АТД

фазные напряжения МЕХАТРОННЫЙ МОДУЛЬ

Кс

-Сигналы с дополнительных датчиков

Рис.1. Цифровой следящий привод

На рис.1 приняты обозначения: ЦУМ-цифровая управляющая машина; АЦП-аналого-цифровой преобразователь; СМВ-специализированный микропроцессорный вычислитель; К„, Кс, Ку-коды, соответствующие входной, выходной координатам и код управления; Фс-угол поворота выходного вала двигателя; О-скорость ротора АТД; IIА. ив , ис-фазные напряжения на обмогках ааюра двигателя; CW- управляющее слово; МП-мсханическая передача

А

?1ь

^ 0 ^

Рис.2. Схема мехатронною модуля на основе ЛТД

На рис.2 используются следующие обозначения: Ю1...КЭ6 - первый... шестой ключевые -моменты соответственно; Ш...1/6 - управляющие логические функции; А, В, С - три обмотки управления на статоре двигателя; ип- источник питания.

Первый раздел посвящен анализу различных классических и современных методов управления асинхронными трехфазными двигателями.

Методами управления АТД являются: нарушение симметрии подводимого напряжения к А1Д, изменение акшвною сопротивления в цепи ротора, изменение числа полюсов обмотки статора, амплжудный, частотный, амплит)дно-частотный, частотно-токовый, векторное управление АТД и и.т.д. Рассмотрены некоторые из вышеперечисленных методов управления АТД.

Амплитудный метод управления А1Д имеет нелинейные регулировочные и механические характеристики. Поэтому на практике почти не используется.

Частотный метод управления АТД является простым и дешевым из вышеназванных методов но коэффициент мощности уменьшается и схема реализации сложная. Диапазон изменения выходной частоты ограничен.

Амплитудно-частотный метод управления АТД с регулировочных и механических характеристики обладают большей линейностью, чем при амплитудном и частотном методах.

Частотно-токовый и векторный управления АТД являются частными случаями амплитудно-частотного метода управления АТД. При частотно-токовом управлении АТД пусковой ток на статорных обмотках меньше, чем в других методах управления А ГД.

Векторное управление обеспечивает увеличение момента двигателя по сравнению с амплитудно-частотным методом. Векторное управление

повышает точность регулирования скорости двигателя и качество характеристик динамики двигателя, но при этом сложность схемы управления.

Применение различных методов управления в системах электроприводов зависит от требуемых задач. На практике, наибольшее распространение получаст амплитудно-частотный метод управления за счет ряда преимуществ. Поэтому его широко применяют в системах автоматики и вычислительных устройствах. Для систем электроприводов, требующих высокую точнос1ь и высокую мощнос1ь нагрузки, принимают частотный меюд управления. А для простых сис!ем электроприводов используют амплитудный меюд управления.

Второй раздел посвящен разработке математической модели мехатронного модуля на основе АТД. Математическая модель АГД как объекта управления описывается извесжой системой дифференциальных уравнений в неподвижной системе координат а, Р, 0 (1-5).

¿У.

А

= итсо5(ол)-к

Л

= ит$т(а)1)-Я5

АЬ

ЧуЬг-Мчу АЬ

А

<Чг

(1)

А

АЬ АЬ

сЮ А

}

М, = К.(\|/(„у„ -\|»0,\|/рг)-

К = - 3рМ

2(ЬЧЬК-М2)' ДЬ = Ь8ЬК -м2.

(2)

(3)

(4)

(5)

В этих уравнениях:

ит - напряжение подводимое к трехфазному двигателю.

\|/аг,\|/пь.у,»,^- потокосцеплсния обмоток ротора, статора по осям »и р.

Ьг, Ц - собственные индуктивности статора и ротора; Я5, Кг - активное сопротивление статорной и роторной обмоток; М - взаимная индуктивность между статором и ротором. Мн - момент рабочею механизма, приведенный к валу, в общем случае он может быть функцией скорости и угла поворота.

Мэ - электромагнитный момент, р - число пар полюсов; j - момент инерции ротора; к0- коэффициент вязкого трения; О- механическая частота вращения ротора;

Обоснована совокупность условий управления системой "ИУМ-АТД" и проведена ее формализация.

Направление вращения двтателя определяется известной переменной

Среднее значение скорости определяется средним напряжением, прикладываемым к точкам подключения обмоток двигателя (при момеше нагрузки Мн=0) и определяется известной переменной (2.

При управлении АТД двенадцать элементов множества допустимых состояний обеспечивают подключение источника питания и пятнадца!ь элементов множества допустимых состояний обеспечивают отключение источника питания от обмоюк. Известно, что три логические переменные УА, УВ, УС реализуют скачкообразное вращение магнитного поля статора с шагом тг/З. Для обеспечения скачкообразного вращения магнишого поля статора с шаюм л/6 необходима дополнительная логическая переменная УП, с помощью которой можно использовав все элемешы, реализующие двигательный режим работы.

Уравнения ло!ических переменных УА, УВ, УС, УО определятся следующими логическими выражениями:

Где: Тф- один полный период фазного напряжения; хт- период одного импульса от ГИ (генераюра импульсов); m - порядковый номер имп>льса с I И: k-номер 1, 2, 3, 4 ...; к0 = h + (к-1) 6; h - номер oi 1 до 6;

Для исключения сквозных токов могут быть введены логические переменные' LSG; LQV; I Л; LB; LC; LD. выражения для коюрых приведены в диссертации.

Таким образом, система jioi ических переменных SG, УА, УВ, УС, YD, Q, LSG, LA, LB, LC, LD, LQ является полной для амплитудно-частотного управления АТД и позволяет реализовать любой из указанных методов управления АТД.

В диссертации для различных законов коммутации получены

SG.

(6)

Уа :

аналитические выражения для фазных и линейных напряжении АТД. Для самого сложного случая 5я/6-коммутации с элементами торможения (75, Ьо, '_>/), уравнения фазных напряжении имеют вид:

+ Ш/3 если Ш-и1Чйб-и5-и4-иЗуиб-Ш-Ц4-иЗ) = 1 + ин/2 если Ц5-иЗ-Ц2-и1 -(иб©и4) = 1 + 2Уп/3 если иб • 115 • И4 • Ш ■ У2 1Л = 1

О если Ц2 • Ш • (116 • Ш - Ц4 ■ 113 V Об • и5 • и4 • Ш)... V иб • 175 • 1)4 • ЦЗ • и2 • Ш = 1 -2ип/3 если Ш• 115 • Ц4• из• 112• Ш = 1 ип/2 если Ц6 Ц4-Ш Ш (Ш©Ш) = 1 -ип/3 если и2 • Ш ■ (иб • Ц5 • Ц4 • Ш V Цб ■ У5 • 1Л4 ■ ЦЗ) = 1 + ип/3 если Ц4 43 (иб Ш Ш ШуЦб 115 Ш ЦТ) = 1 + ип/2 если и! Ц4 113 Ш (иб в Ш) = 1 + 2ип/3 если иб Ц5 "04 из и2 Ш = 1

0 если Ц4~ ЦЗ (иб Ц5 Ц2 и1уЦ6 Ы5 Ш Ш ) (7)

уиб-Ш и4 ЦЗ • и2 Ц1 = 1

- 2ип/3 если Об и5 и4 ЦЗ и2 Ш = 1 -ип/2 если Ц6 и4 иГШ (и5®и1) = 1 -ип/3 если и4 ЦЗ (иб Ц5 Ц2 и 1 V~0б и5 112 ЦТ) = 1

+ Ып/З если Цб и5 (и4 ЦЗ Ц2 и1уЦ4 Ш И2 ЦТ) = 1 + ип/2 если Об и5 ЦЗ Ш (Ш ®Ш) = \ + 2Ш/3 если Цб и5 и4 ЦЗ Ы2 Ш = 1 О если Цб Ц5 (и4 ЦЗ Ц2 и1уЦ4 из Ш ЦТ) V иб Ц5 и4 ЦЗ 112 Ц1 = 1

- 2Ш/3 если иб Ц5 Ц4 ИЗ Ц2 и1 = 1 -ип/2 если иб Ш Щ-Ц2 (ШФШ) = 1 -Уп/3 если иб Ц5 (114 ЦЗ Ш-ШуШ из 02 Ш) = 1

иь =

Ус =

В третьем разделе принята классификация законов управления процессом коммутации по принципу управления ключевыми элементами, включающих совместное, раздельное и комбинированное управления КЭ. На основе разработанных методов с помощью карт Карно проведен анализ некоторых известных законов коммутации, основанных на совместном управлении КЭ. Для каждого случая синтеза получены временные диаграммы всех логических переменных и функций, карты Карно для анализа и синтеза законов коммутации КЭ, выражения для переменных, управляющих логических функций и напряжений, прикладываемых к обмоткам статора АТД, граф-схемы законов коммутации. Метод граф-схем

обладает большой наглядностью и позволяет отображать законы коммутации в функции скважности.

Рассмотрены следующие методы коммушции.

- Метод амплитудно-частотного управления с 2тг/3-коммутацией силовых ключей и элементом отключения ((42). Этот метод управления можно обеспечив пятью логическими переменными-ЯС, С?, УА, УВ, УС, которые были определены выше.

При этом выражения для коммутационных функций имеют вид: Ш = <3 (80 УА УВуБО УВ УА),

112 = (Бв УА УВуБО УВ УА)у(УА УВУУА УСУУВ YC}Q, и3 = 0 (Бв УВ УСуЗД УС УВ), (8)

114 = (Ь0 УВ УСуБС УС УВМУЛ УВУУЛ УСУУВ УС>О, Ш = 0 (БО УС УАу§С УЛ УС),

И6 = (80 УС УАУЭС УЛ УС) V(УЛ УВУУА УСУУВ УС) О

- Метод амплитудно-частотного управления с я-коммутацией силовых ключей и элементом отключения (^2). При этом формулы логического управления коммутацией ключевых элементов управления ЛТД:

ш-о (80УЛУВ/8Ст УВУЛуУЛ УВ УС),

Ш=(80УА УВ,-80 УВУА/УЛ УВУС)/(УЛ УВ/УА УСуУВУС)0, ш=0 (ЯО УВ УО/БО УС У13/УС УВ УА), (9)

и4=(80УВ УСуБС; УС УВУУС УВ УЛ И УЛ УВУУЛ УСУУВ УС)0 и5=0 (8СУС УЛ/8&УЛ УСУУЛ УСУЧ,

иб=(80 УС УА/ЯО УА УС/УА УС' У В >/(УЛ YBvYA УСУУВ УС)0

- Метод амплитудно-частотного управления с 5л/6-коммутацией силовых ключей и элементами отключения (¡¡, 120, Этот метод управления можно обеспечить шестью логическими переменными-80, О, УА, УВ, УС, УЭ, которые были определены выше соответственно выражениями.

При этом формулы логического управления коммутацией ключевых элементов управления АТД:

ш=0 (ЭС УЛ YBvSG УВ-УЛу УЛ УВ-УС УО),

Ш^в-УА УВуЯО УВУАУУА УВУС УО>/(УА УВУУА УО/УВ-УС)<3 ш=0 (БО УВ УСу^Ю-УС УВУ УС- УВ УА УО), (10)

и4=(8&УВУС\/!5(} УС УВуУС УВУА УОМУА УВУУА УО/УВ УС)0, и5=0-(5&УС УАу§0-УА УСУУА УСУ» УО), 116= (БС УС УАу<3(3-УА УСЛ/УА УС УВ ТОМУА УВУ УА-УСУ УВ-УС>0

Для метода амплитудно-частотного управления с 2я/3-коммутацией силовых ключей и элементами отключения (¡5, //- /2о) и метода амплитудно-частотного управления с 5л/6-коммутацией силовых ключей и элементом отключения (/«) приведены в диссертации.

U5 =

- Метод векторного управления. В том числе, переменная и2=ЛЛ;и4 = /иЗ; иб = /и5. При этом формулы логического управления коммутацией ключевых элементов управления АТД:

[1 если (Т,)п]ш1 + Топ,ш2) < I < (ТоПш1 + Т„рт2) (

(12)

(13)

(14)

(15)

Ul= ,

[О если 1<(Гоп,т1 + Т„|12т2) или t>(l„flmI + Í'„nm2) ш = |1 если (Toi,1nl + T„,ún2)<t<(Tllnl+T„Gn2)

|0 если t<(Топ1п1 + Т1я2п2) или1>(Г„пп1 + Г„0п2)

если (T„,gl + Tüu,g2) < t < (T„,gl + T„ng2) О если t <(T„,gl + T,n2g2) или t > (Tollgl +1^)

л/ЗТ (.. . (kn U sin — 3

T =

1 D

TL =

Udc л/ЗТ

- UpCos

'kn^

; )

U

U „eos

í (k — 1 )7t

de V

Usin

(k-l)Tí

¡от, ТоП, '''..и- T0 приведены в уравнении (15).

'о=|

■<TR +TL); Ton, =■V2; Tofl =TL +TR +T0/2;

[Ton2 = (T0 + rL)/2; Iof2=(T0+TL)/2 + TR- t= T (IKyl/Kcn) Переменные логические: mi, m2, ni, n2, gl, g2 приведены в уравнении (16).

g1 =

1 если к = 1 или к = 6.

О если к Ф 1 и к ф 6.

если к = 2 или к = 3.

0 если к*2 и к*3.

1 если к = 4 или к = 5. О если к ф 4 и кф 5.

(16.а) т2 =

(16.в) п2 =

(16.д) g2 =

если к = 2 или к = 4.

0 если к ф 2 и к ф 4.

1 если к = 1 или к = 4.

0 если к ф 1 и к * 4.

1 если к = 3 или к = 6. О если к ф 3 и к ф 6.

(16.6) (16.Г) (16.е)

На рис.3 представлены положения базовых векторов.

ui Le

из

U5

Д.

k = 1

X

k = 2

X

1

k. = 3

k = 4

k = 5

k = 6

Рис.3. Положения базовых векторов

Где: |Ку|-значение модуля счётчика периода преобразователя код-широтно-импульсного сигнал. Ксп-максимальное значение счетчика с периодом ШИМ Т. т1, т2, п1, п2, gl, g2-пepcмeнныe логические. иа и 11р получение по уравнении (2.9) в диссертации, к-номер сектора (к = 1 - 6).

Четвертый раздел посвящен результатам моделирования мехатронного модуля при различных методах управления АТД. На основе выражений и

уравнений (1 до 16 и других показывать в диссертации) описывается разработанная в системе визуального моделирования $1Ш11ШК математическая модель мехатронного модуля с АТД, которая представлена на рис.4.

Рис.4. Математическая модель мехатронного модуля в системе моделирования SIMUUNK Модель мехатронного модуля является иерархической, и состоит из блоков: СМК (Micro.cotrol), ИУМ , АТД (ATD).

Блок СМК предназначен для приема сигнала, поступающего из блока создания кода управления, и формирования управляющих сигналов, подаваемых па вход модели импульсного усилителя мощности. Модель блока СМК для (2я/3)-коммутации силовых ключей с элементом отключения (tj2) представлена на рис.5.

-Kil>-

Рис.5.Модель блока СМК. Блок ИУМ предназначен для преобразования цифровых сигналов, поступающих из СМК в эквивалентные физические значения фазных напряжений. На рис.6 показана модель блока ИУМ.

сг>

Рис.б.Модель блока импульсного усилителя мощности 12

Блок ATD представлен на рис.7, и описывается уравнениями (1-5):

UJbj | М1Шt

JjO«--

Рис.7.Блок ATD

11роведено моделирование для всех законов управления АТД для двух случаев, соответс!вующих непрерывному и импульсному управлению. Проведено сравнение между методами управления АГД по определенным показателям.

Результаты моделирования (П - f(Mn), Мн-момеш нагрузки) при различных непрерывных методах управления и векторном управлении приведены на рис.8.

а>

I

tl

^ Я

¡L

- -tra

—- —___

i Üb :

, . . "| . I и д................ 1. ,. , .......И ...... ..........ж 1 I I 1

г I. н * и 1 и I и и 1 1 п з к < I и К ш «и 2_у м [1ШЙ1ЙЖ

а) б) в) г) Рис.8. Механические характеристики при амплитудном (а); частотном (б); амплитудно-частотном (в); векторном управлении (г); Результаты моделирования, полученные при 5и/6-коммутации с злем------------------------' ' ' 4 ----------------------"

а) б)

Рис.9. 5л/6 - коммутация (Ку = 89): а) скорость ротора и реверсирование; б) Фазные напряжения на обмотках статора.

Результаты моделирования (П = ДМн)) при цифровой реализации амплитудно-частотного метода управления приведены на рис.10.

г

"в М 04 06 08 I 12 К п 1В 0 «2 и« 86 В8 I Ч И 1 в 1В 2 » К 1« № М 1 12 II II 8

а) 6) в)

Рис.10. Механические хараюеристики при цифровой реализации амплитудно-часюгного метода управления. а)2тс/3- коммутация ключей (/«); б) п- коммутация ключей (/«). в) 5л/6-коммутация ключей (1$ ¡¡о, 121).

В пятом разделе рассмотрены шны микрокошроллеров, используемые в настоящее время для управления двигателями. Па основе анализа требований к широтно-импульсному управлению системой "ИУМ-АТД" разрабогана обобщенная струк1ура микроконтроллера АТД (рис.11), ориеншровапная на использование программируемых микроконтроллеров.

На рис.11 приняты обозначения:

БВМЗ - Блок выделения модуля и знака из кода управления.

ПКШИС - Преобразователь код - широгно-импульсный сигнал.

ЬФЛП - Блок формирования логических переменных.

БФУЛФ - Блок формирования управляющих логических функций.

ЬФМВ - Блок формирования мертвою времени.

ФПЛП - формирователь первичных логических переменных, например, САД (счетчик асинхронно! о двигателя).

Рис. 11 .Обобщенная структура микроконтроллера управления АТД.

Алгоритм программы управления АТД с 2л/3 коммутацией и элементом отключения (142) на основе Р1Сгтсго представлен на рис.12.

На рис.12: Т1 = (Ку/Кушах)-Т; ТО = Т - Т1; ш = (К.утах/Ку)-(1/Г„)-(1/ т02); Т-период ШИМ; Т1-время сигнал = 1; ТО-время сигнал С? = 0. Кутах-максимальный сигнал кода управления АТД (если использованы 8 бит - тогда Кушах = 127). ^-частота напряжения управления двигателя АТД. т-число импульсов напряжения управления на одном периоде фазного

напряжения АТД. - частота напряжения управления двигателем АТД в нормальном режиме.

Для 2л/3-коммутации и л-коммутации управления АТД: N = т/6; Для 57г/6-коммутации управления А'ГД: N = т/12.

Алгоритм программ!,I для всех -законов управления АТД, которые подобны алгоритму для 27г/3-коммутации, представлен на рис.12.

I НачаП

Г й-Лй^л I—

| си = (шиш) I,. РлИЦ-ГИ.

I Ск*- РойР | ¡Вычистили* Т1.ТО1

Д1

—1-™

СТ -{ЦДЛЩ

РпНП - ГУ/

И ТММЫрщ» 11

I К ,°Гу1 I

ы реьу! -= "г1 1

Первая часть

Да

Нет

Вторая часть ' Шестая часть"*

к * . —у- — — *

Нет

I Коней I

Рис.12. Алгоритм программы управления АТД с 2л/3 коммутация

Шестой раздел посвящен эксперимешалыюму исследованию алгоритмов управления АТД. Приведены эксперичсшалыго полученные регулировочные, механические и динамические характеристики. Схема стенда для экспериментального исследования характерисшк АТД показана на рис.13.

Г * ©

ИЛ 2

СОМ2 С'МК ига

НК+1К>

"М

п

о

Рис. 13. Схема экспериментально! о стенда 15

Где: ПК-персональный компьютер; ПО-программное обеспечение; ИП1-ИПЗ- источники питания; М-электрический моментомер; ТГ-тахогенератор; ЭО- электронный осциллограф; БЦФ-бесконтактный цифровой фототахометр; П- принтер; А-цифровой амперметр; У-цифровой вольтметр; АТД- асинхронный фёхфазный двигатель; ОС-обмотки статора;

Внешний вид экспериментального стенда показан на рис. 14.

Рис.14. Внешний вид экспериментального стенда Программа реализации генератора кода управления (рис.15) используется для формирования различных значений кода управления на входе СМК.

Показаны элементы разработанного лабораторного макета мехатронною модуля СМК и ИУМ на рис.16 и приведены результаты экспериментальных исследований (рис. 17)._

Геие|>ятор ко I.» м||к*в кхкй

' ' ом

дгтрсйэ-и Г УТ1Ч

( шллашт.

у^г^с, и АТД

Код > щмклешш

/ /

! У I Ч I. I í )

Вход кодя ?прякл«яи 0 0100100

Ъ,<ж 1Н « и м»м л

РУЖЧМ- !____ВЫХОД I

Рис.15. Интерфейс программного обеспечения

Рис.16. Внешние виды СМК и ИУМ 16

На рис.17 изображены <U6 U5 U4 U3 U2 Ul> - управляющее слово при 2я/3- коммутации и (t/7, 12ft tv) и скважностью 0.25. На рис.18 - при скважности 0.5.

-1WOI ЖО«

\ штт - ■ юГй^ ; ИЙШ ira—I "__лпиш_| ч ùjt I да-~—■—шаи1Н1ши11—- j MàliLM

~i . —иге j ]

1 ■ |

'.":Ш"ТА '-.(Л: " ' Нг.. ' см ¿¡т " *

а) б) в)

Рис.17. Логические переменные <"( Л /1/2 113 /Ц4 115 /И6> при коле yпpaвJIeния Ку = 32; а) Прямое вращение (80=0); б) Обратное вращение (8С=1); в) Переходные процессы при управлении

И Pw »MCjt» -*vt/tcr. frR . -jW ..

\»я» ХСОМ.

с-Я' i6JW""гнУ Vite и?1

"Tift----ftf/W "

а) б) в)

Рис.18. Hoi ические переменные <U1 /U2 U3 /U4 U5 /U6> при коде управления Ку =64; а) Прямое вращение (SG^O); б) Обратное вращение (SG =1): в) Переходные процессы при управлении

Экспериметальные исследования мехафонного модуля на основе АТД полвердили георе/ические положения и резулыаты математического моделирования.

По каждому из разделов в конце приведены основные выводы, наиболее важные из которых составили заключение.

В заключение приводятся основные результаты и выводы по диссертационной работе.

В приложении показаны система команд микропроцессоров PICmicro и все программы управления АТД на основе Р1С микроконтроллеров на языке assembler

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

На основании проведенных (еорегических исследований можно сделав следующие выводы:

1. На основании сравнительною анализа управления АТД (амплитудный, часгошый и показано, что рядом преимуществ обладает амплитудно-частотный метод управления (табл.1.). К группе современных методов управления АТД

и экспериментальных

классических методов амплитудно-частотный)

относится векторное управление. Указанные методы широко применяют в системах автоматики и вычислительных устройствах.

2. На основе анализа свойств АТД как объекта управления, ИУМ и метода амплитудно-частотного управления разработана система логических переменных, позволяющая с единых позиций рассмотреть различные методы управления АТД.

Полученные в pa6oie аналитические выражения для:

логических переменных, описывающих функционирование мехатронного модуля на основе АIД,

логических функций, реали юванных на основе логических переменных и управляющих процессами коммутации Ю;

- формул напряжения на основе управляющих логических функций, прикладываемых к обмоткам статора АТД,

в совокупности с известными дифференциальными и алгебраическими уравнениями, позволяки разработать полную матсмашческую модель мехатронною модуля для моделирования на ЭВМ.

3. На основе анализа различных методов управления показано, что для л-коммугации используется совместное управление Ю; для 2л/3-коммутации используется раздельное управление Ю; для 5л/6-коммугации используется комбинированное управление КЭ. При векторном управлении АТД (в случае огсутствия в алюритме «мертвою времени») используется совместное управление КЭ.

4. На основе дифференциальных и алгебраических уравнений, описывающих АТД, логических переменных и управляющих логических функций (раздел 2) и результатов синтеза законов управления (раздел 3), разработаны модели в пакете расширения S'IMU1INK4 сис1емы MATLAB6 5 для непрерывного и дискретного управления АТД, что позволяет исследовав характеристики мехафонных модулей при различных методах управления АТД. Полученные результаты моделирования по непрерывному и дискретному управлением показали корректное 1ь математических моделей АТД, подтвердили правильность теоретических положений, в части логико-алгебраических выражений и управляющих логических функций для различных методов управления АТД. Это является основой для проведения эксперимента и испытаний на практике.

5. Разработана обобщенная структура управляющего логическою автомата АТД для реализации па базе программируемых микроконтроллеров. Для реализации на микроконтроллерах семейства PICmicro разработаны алгоритмы управления АТД (л-коммутация, 2л/3-коммутация и 5л/6-коммутация), которые являются основой для программирования микроконфоллеров PIC16CXXX (сис!ема команд PICmicro).

6. Разработанный экспериментальный стенд включает мехатронный модуль на основе АТД, персональный компьютер со специальным программным обеспечением, лабораторные источники питания, измерительное и регистрирующее оборудование. Стенд может использоваться не только для научных исследований, но и для учебного

процесса в целях изучения статических и динамических характеристик при различных методах управления АТД.

7. Результаты экспериментального исследования мехатронного модуля подтвердили корректность теоретических положений и показали близкую сходимость результатами магматического моделирования. Разработанные алгоритмы управления АТД показали свою эффективность и могут быть рекомендованы для применения.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Попов Б.Н., Нгуэн Куанг Чунг "Амплитудно-частотный меюд управления асинхронными трехфазными двша!елями с 2я/3-коммутацией". Сборник тезисов докладов. Всероссийской конференции "Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов". Москва. МАИ 2005.

2. Фам Туан Тхань, Нгуен Куан Чунг Экспериментальное исследование алгоритма амплитудного управления асинхронным двухфазным двигателем. Сборник тезисов докладов. Всероссийской конференции "Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов". Москва. МАИ 2005.

3. Попов Б.Н., Нгуэн Куанг Чунг "Амплитудно-частотный метод управления асинхронными трехфазными двигателями с 5тг/6 коммутацией". Сборник тезисов докладов XIV международного научно-технического семинара "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации" Алушта 2005 г.

4. Попов Б.Н., Нгуэн Куанг Чунг Устройства управления электродвигателями на основе программируемых микроконтроллеров. -«Авиакосмическое приборостроение», № 6, 2006.

2_oo£ft

»1*710

*

Список использованных сокращений.

Введение.

1.Обзор и сравнительный анализ методов управления.

1.1. Обзор методов управления АТД.

1.2. Основные методы управления АТД.

1.3. Выводы по разделу 1.

2.Математическая модель мехатроного модуля на основе асинхронного трёхфазного двигателя.

2.1. Блок-схема мехатронного модуля на основе асинхронного трёхфазного двигателя.

2.2. Математическая модель трёхфазного асинхронного двигателя как объекта управления.

2.3. Математическая модель импульсного усилителя мощности.

2.3.1. 2л/3 - коммутация силовых ключей с элементом отключения

2.3.2 2и/3 - коммутация силовых ключей с элементами отключения (t5, tn, ho).

2.3.3 % - коммутация силовых ключей с элементом отключения {t4i).A

2.3.4. 5тг/6 - коммутация силовых ключей с элементом отключения (t42)

2.3.5. 5л/6 - коммутация силовых ключей с элементами отключения (t5, tn, ho, hi).

2.4.Математическая модель специализированного микроконтроллера.47 2.5 Выводы по разделу 2.

3. Алгоритмы коммутации ключевых элементов при микропроцессорном управлении асинхронными трёхфазными двигателями.

ЗЛ.Амплитудио-частотиое управление асинхрониыми трёхфазными двигателями

3.1.1. (2я/3) - коммутация силовых ключей.

3.1.1.1. (27i/3)- коммутация силовых ключей с элементом отключения М.

3.1.1.2. (2тт/3)- коммутация силовых ключей с элементами отключения (ts, t17, t20).

3.1.2. я- коммутация силовых ключей.

3.1.3. (57г/6)-коммутация силовых ключей.

3.1.3.1. (5тт/6)- коммутация силовых ключей с элементом отключения М.

3.1.3.2. (5тт/6)- коммутация силовых ключей с элементами отключения h, tn, t2o, hi).

3.2.Векторный метод управление асинхронными трёхфазными двигателями.

3.2.1. Математические модели блоков прямого и обратного преобразования Кларка.

3.2.2. Математические модели блоков прямого и обратного преобразования Парка.

3.2.3 Математическая модель блока расчёта вектора потокосцепления.

3.2.4. Математическая модель блока регулятора тока.

3.2.5. Математическая модель блока регулятора момента.

3.2.6. Математическая модель блока регулятора скорости.

3.2.7. Математическая модель пространственно - векторной модуляции

3.2.7.1. Расчёт времени открытия и закрытия КЭ.

3.2.7.2. Алгоритм обобщенного расчёта пространственно-векторной модуляции.

3.3 Выводы по разделу 3.

4.Результаты математического моделирования мехатронных модулей в системе Matlab-Simulink.

4.1. Обзор программ моделирования работы мехатронных модулей на компьютере

4.2. Компьютерное моделирование усилителя мощности (ИУМ).

4.3.Компьютерное моделирование специализированного микроконтроллера (СМК) в программе Matlab-Simulink.

4.3.1. 2л/3- коммутация силовых ключей.

4.3.1.1. (2-тг/З)- коммутация силовых ключей с элементом отключения М.

4.3.1.2. (2-7г/3)- коммутация силовых ключей с элементами отключения (/5, tI7, t20).

4.3.2. я- коммутация силовых ключей.

4.3.3. 5п/6- коммутация силовых ключей.

4.3.3.1. (5-л/б)- коммутация силовых ключей с элементом отключения М.

4.3.3.2. (5-я/6)- коммутация силовых ключей с элементом отключения (t5, ti?, t20).

4.4.Моделировапие непрерывного управления асинхронным трёхфазным двигателем.

4.4.1. Результаты моделирования, полученные при амплитудном управлении.

4.4.2. Результаты моделирования, полученные при частотном управлении.

4.4.3. Результаты моделирования, полученные при амплитудно-частотном управлении.

4.4.4.Сравнение результатов моделирования при различных методах управления.

4.5 Дискретное управление асинхронными трёхфазными двигателями 100 4.5.1. 2л/3-коммутация силовых ключей (t42) для управление АТД с несимметричной коммутацией КЭ.

4.5.2.71-коммутация силовых ключей управление АТД с несимметричной коммутацией КЭ

4.5.3. 5л/6- коммутация силовых ключей (t42) управление АТД с несимметричной коммутацией КЭ

4.5.4. Сравнение результатов моделирования при импульсном управлении.

4.6. Моделирование системы векторного управления асинхронными трёхфазными двигателями.

4.6.1. Моделирование блоков прямого и обратного преобразования Кларка.

4.6.2. Моделирование блоков прямого и обратного преобразования Парка.

4.6.3. Математическая модель блока расчёта вектора потокосцепления

4.6.4. Математическая модель блока расчёта кода управления УМ.

4.6.5. Моделирование системы векторного управления асинхронными трёхфазными двигателями.

4.7.Выводы по разделу 4.

5.У правления АТД на основе программируемых микроконтроллеров

PICmicro.

5.1. Устройства управления двигателями па основе больших микропроцессорных интегральных схем.

5.2.Обобщенная структура микроконтроллера управления АТД.

5.3 Микроконтроллеры АТД - PICmicro.

5.3.1 Обобщенная структура микроконтроллера управления АТД

PICmicro.

5.3.2. Система команд микроконтроллеров PICmicro.

5.4 Алгоритмы и программы управления двигателем АТД на основе команд PICmicro

5.4.1. Инструментальные средства разработки программ для написания систем команд микроконтроллеров PICmicro.

5.4.2. Алгоритмы и программы управления АТД с 2я/3 коммутацией и элементом отключения (t42).

5.4.3. Алгоритмы и программы управления АТД с 2л/3 коммутацией и элементами отключения (Д *i7) t2о).

5.4.4. Алгоритмы и программы управления АТД с л коммутацией и элементом отключения (t42).

5.4.5. Алгоритмы и программы управления АТД с 5тг/6 коммутацией и элементами отключения (t42) на основе PICmicro.

5.4.6. Алгоритмы и программы управления АТД с 5л/6 коммутация и элементом отключения (/5, t]7, t20, t2i,) на основе PICmicro.

5.5.Выводы по разделу 5.

6. Экспериментальное исследование алгоритмов управления

6.1 Постановка задачи.

6.2 Программа генератора кода управления. б.З.Описание экспериментального стенда.

6.4. Экспериментальное исследование динамических характеристик двигателя.

6.4.1.Экспериментальное исследование регулировочной характеристики АТД.

6.4.2 Результаты эксперимента исследования при 2л/3 (t]7, t20, tii) коммутация.

6.4.3 Результаты эксперимента исследования при 2л/3 (t42) коммутации

6.4.4 Результаты эксперимента исследования при л коммутации.

6.4.5 Результаты эксперимента исследования при 5л/6 (t42) коммутации

6.4.6 Результаты эксперимента исследования при 5л/6 (t5, tn, t2o, t2i) коммутация.

6.5.Сравнение и подтверждение экспериментальных результатов с алгоритмами и теорией.

6.6 Выводы по разделу 6.

Система трехфазного переменного тока, позволившая создать устройства для получения вращающегося магнитного потока, вызвала появление наиболее распространенного в данное время электродвигателя, называемого асинхронным. Это название обусловлено тем, что вращающаяся часть машины - ротор - всегда вращается со скоростью, пе равной скорости магнитного потока, т.е не синхронно с ним. Изготовляемый на мощности от долей ватта до тысяч киловатт при напряжениях 127, 220, 380, 500, 600, 3000, 6000, 10 000 В, такой электродвигатель прост по конструкции, надежен в эксплуатации и дешев по сравнению с другими электродвигателями. Он применяется во всех видах работ, где не требуется поддержания постоянной скорости вращения, а также в быту, в однофазном исполнении при малой мощности.

Конструктивно АТД состоит из статора и ротора [1,2,3,4, 5,6, 20].

Статор АТД, как правило, выполняется, в виде пакета изолированных листов электротехнической стали. В пазы статора уложены три обмотки, магнитные оси которых сдвинуты в пространстве на 120°.

Различают АТД с роторами двух видов: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Ротор, как и сердечник статора, набирают из листов электротехнической стали толщиной 0,5мм. После штамповки листы собирают в пакет, плотно сжимают, насаживают на вал двигателя и закрепляют. Активная сталь ротора является частью магнитной цепи двигателя. В пазах ротора помещается или короткозамкнутая, или фазная обмотка. Обмотка может быть фазной, построенной по тому же принципу, что и обмотка статора и соединяется в звезду, а выводы подключаются к трем контактным кольцам, насаженным на вал ротора и изолированных от вала и друг от друга. Если в пазы ротора уложены голые медные или алюминиевые стержни, концы которых замкнуты накоротко кольцами, то такая обмотка называется коротко-замкнутой.

Принцип действия АТД [2, 3, 4, 5, 6, 10], как известно, основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля с потоками, которые являются результатом наведения ЭДС в роторной обмотке от вращающегося магнитного поля. Для реверсирования АТД достаточно поменять местами две любые фазы, подводящие ток от сети к обмоткам статора. В этом случае меняется порядок следование фаз ABC на АСВ или ВАС и поток вращается в обратную сторону.

Вопросам проектирования и исследования АТД посвящены работы многих российских и других авторов, среди которых можно отметить следующие:

• Н. П. Ермолин, Е. Д. Несговорова, Е. М. Полухипа [56] изучили основные принципы проектирования серии исполнительных асинхронных двигателей с беличьей клеткой, особенности электрического расчета АТД с ко-роткозамкнутым ротором и опытному определению параметров АТД.

• В. Ю. Шишмарев [9], П. С. Сергеев [5], посвятили работы структурам, свойствам и требованиям для различных типов АТД и проведению сравнительного анализа их преимуществ и недостатков. И. П. Копылов [1], В. И Попов [57] исследовали электромагнитные параметры обмоток АТД и особенности математической модели двигателя.

• М. М. Кацман [3], В. J1. Анхимюк и О. П. Ильин [15], Зелеиов А.Б., Карочкин А.В., Самчелеев Ю.П., Школьников В.И. [17], А. С. Сандлер [19] рассмотрели две группы методов управления АТД. Методы первой группы основаны на управлении изменением параметров цепей обмоток двигателя. Такими параметрами могут быть активные или и индуктивные сопротивления в цепях статора и ротора, а также число пар полюсов машины. Согласно методам второй группы управление скоростью ротора двигателя реализуется при изменении параметров источника питания двигателя, которыми являются напряжение и частота. Амплитудный, частотный и амплитудно-частотный методы управления относятся ко второй группе.

• И.П.Копылов [1], В.Л.Лихачев [2], М.М.Кацман [3], С.Г.Герман-Галкин, Г.А.Кардонов [4], П.С.Сергеев, Н.В.Виноградов, Ф.А.Горяинов [5], С. Г. Герман-Галкин, В.Д. Лебедев, Б.А. Марков, Н.И. Чичерин [12], изучили теорию и характеристики АТД, принцип действия основных усилительно-преобразовательных элементов привода с АТД. Рассмотрели релейные, импульсные приводы с АТД, транзисторными и тиристорными усилителями мощности, использующими принцип аналогового управления.

• С. Г. Герман-Галкин, Г.А.Кардонов [4], С. Г. Герман-Галкин [40] представили методику исследования АТД в лаборатории. Получили экспериментальное подтверждение теоретическим сведениям о свойствах АТД при различных методах управления.

• Сандлер А.С. [19], Сандлер А.С., Сарбатов Р.С [21], Е.Ерошкин, О.Горячев [23], изучили регулирование и реверсирование АТД с помощью полупроводниковых ИУМ.

• В.Л.Анхимюк, О.П.Ильин [15], Ю Зеленов А.Б., Карочкин А.В., Сам-челеев Ю.П., Школьников В.И. [17], А. С. Сандлер [19] изучили основные методы управления АТД, провели сравнение преимуществ и недостатков методов управления с помощью различных характеристик и показателей.

С развитием компьютерной технологии появляются программные продукты многих фирм по различным областям, в том числе специальные программы для изучения и моделирования электрических машин. К таким программным продуктам относятся пакеты, как DesignLab, DS88, MATLAB SIMULINK, MathCAD и.т.д. К работам авторов, которые изучают электрические машины и методы управления ними с помощью специальных программ на компьютере, относятся следующие:

• Работы Постникова В. А., Сыроежкина Е. В. [43, 44, 45] посвященые построению имитационных моделей АТД в программных продуктах DesignLab, MATLAB SIMULINK и MathCAD, которые широко используются при моделировании электромеханических устройств. Приведены разработанные виртуальные схемы управления для этих моделей. Предложена методика компиляции виртуальных схем управления имитационных моделей АТД в соответствии с заданными режимами работы.

• С. Г. Герман-Галкин [4, 40], Г. А. Карданов [4] создали в пакете "MATLAB 6.0- SIMULINK" модели электрических машин (АТД является частным случаем) на основе математических выражений, модели силовых преобразователей, автономных инверторов, регуляторов постоянного напряжения. Эти модели использованы при моделировании электрических машин и электромеханических устройств. Приведены разработанные виртуальные схемы управления для этих моделей.

В электроприводной технике постоянно наблюдается развитие двух тенденций. Во-первых, это - чрезвычайно быстрое улучшение характеристик микропроцессорных устройств и силовых полупроводниковых приборов. Во-вторых, постоянное совершенствование технических систем, повышение требования стабильности, надежности и точности характеристик, снижение энергопотребления, массы и размеров. Обе тенденции являются предпосылками к переходу от аналоговых систем приводов к цифровым. В 80х-90х годах появились работы, посвященные цифровому управлению АТД, в том числе микропроцессорной реализации импульсного метода управления АТД. К этой группе принадлежат следующие работы:

• В работе [29] Куликов С.В., Чистяков Б.В рассмотрели вопросы проектирования преобразователей код широтно-импульсная модуляция (ПКШИМ) для управления АТД.

• С. Р. Герман-Галкин посвятил работу [40] цифровым приводам с транзисторными преобразователями. В работе можно выделить два принципиально различных метода управления АТД: скалярное и векторное управление. Для различных методов управления автор представил функциональную схему, временную диаграмму напряжений на двигателе и алгоритм работы (соответствующие выражения напряжений).

• В работе [14] Б. Н. Попов предложил математическое описание цифровой реализации широтпо-импульского управления для приводов постаян-ного и переменного токов. Для совместного управления ключевыми элементами в [60] приведены аналитические выражения для амплитудного управлеи ния трехфазными двигателями с несимметричной коммутацией КЭ и фронтальной ШИМ.

По результатам исследований [54, 59, 61] и на практике показано, что в системах электроприводов для повышения точности, надежности и экономичности применяют полупроводниковые импульсные усилители мощности (ИУМ) и микропроцессорные устройства управления, в особенности микроконтроллеры. С появлением на рынке недорогих микропроцессорных устройств, ориентированных на управление различными типами двигателей [30, 31], и программируемых Р1С-контроллеров [59], стало возможным реализовать новые цифровые алгоритмы управления системой ИУМ-АТД, снижающие дополнительные потери мощности и увеличивающие ресурс работы систем электроприводов.

Однако, в работах [4], [14], [39], [40], посвященных цифровому управлению АТД, не рассмотрены вопросы амплитудно-частотного управления АТД, не получены коммутационные функции для этих методов, не проведен сравнительный анализ цифровой реализации с 2я/3 коммутацией или с тг коммутацией, с 5л/6 коммутацией, не разработаны математические модели управляющих логических автоматов.

Таким образом, целью диссертационной работы является разработка и исследование цифровой реализации импульсных методов управления АТД.

Исследование и разработка алгоритмов управления системой "импульсный усилитель мощности - асинхронный трехфазный двигатель" являются актуальными задачами.

Постановка задачи.

Достижения в области полупроводниковых технологий позволяют интегрировать АТД, импульспый усилитель мощности и управляющую часть в едиенное целое, получившее название мехатропный модуль. Мехатронный модуль является сложным электротехническим комплексом, и одновременно - подсистемой цифрового следящего привода (ЦСП), приведенного на рис.В1.

От датчиков

Сигнал входного кода Кв п 1

ЦУМ СМВ ку ' г . » 1 1

-———

Упрашяющие логические функции £/ Ug

CW

ИУМ

Сигнал кода обратной связи

Фазные напряжения мехатронный модуль Q

Фг к.

-Сигналы с дополнительных датчиков

Puc.Bl. Цифровой следящий привод с АТД.

На рис.В1 приняты обозначения: ЦУМ - цифровая управляющая машина; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ИУМ - импульсный усилитель мощности; СМВ - специализированный микропроцессорный вычислитель; УЛА - управляющий логический автомат; Кв., Кс, Ку - коды, соответствующие входной, выходной координатам, и код управления; Фс- угол поворота выходного вала двигателя; Q - скорость ротора АТД; Un - напряжение, подаваемое на двигатель; CW- управляющее слово; МП - механическая передача.

ЦУМ формирует сигнал входного кода Кв, характеризующий закон движения (направление и скорость вращения) выходного вала двигателя и передает его как задающий сигнал на СМВ в виде двоичного кода Кв. СМВ принимает этот код одновременно с другими сигналами, например, сигналами от датчиков, сигналом кода обратной связи привода Кс, формируемым с помощью АЦП. Из полученных сигналов СМВ формирует код ошибки между входным и выходным сигналами Ке = Кв-Кс, получая код управления Ку. Другими совами, СМВ реализуется определенные законы управления, например, пропорционально-интегрально-дифференциальный (PID), законы адаптации, пересчет координат и.т.д.

УЛА принимает код управления Ку, и на его основе формирует закон управления системой "ИУМ-АТД", т. е. временную циклическую последовательность управляющих слов (CW) в виде CW=<UN-.U2-U1>. Каждый UI (I- i-ый ключевой элемент) является управляющей логической функцией и управляет одним ключевым элементом ИУМ. Таким образом, ИУМ формирует сигналы нанряжений, прикладываемых к обмоткам исполнительного двигателя. При импульсном управлении среднее напряжение, прикладываемое к обмотке двигателя определяется временными интервалами, в течении которых двигатель находится либо в двигательном, либо тормозном режимах.

Исполнительный двигатель преобразует электрические сигналы UA, UB, Uc (или CW) в механическое перемещение, являющее углом поворота двигателя.

ЛЦП преобразует угол поворота выходного звена в соответствующий сигнал Кс кода обратной связи.

В более детальном виде схема мехатронного модуля на базе АТД приведена на рис.В2.

Kv

Рис.В2 Мехатронный модуль на основе АТД При импульсном управлении одной из важных проблем является потери энергии в мехагронном модуле, в особенности, в ПУМ. Одним из методов уменьшения энергозатрат является синтез энергосберегающих законов коммутации КЗ. Таким образом, разработка алгоритмов управления системой "ИУМ-АТД", которые обеспечивают не только требуемые заданные показатели качества системы, но и снижение потерь энергии в транзисторах КЭ ИУМ является актуальной. При этом важным является сравнительный анализ различных алгоритмов управления системой "ИУМ-АТД".

Из вышесказанного, целью диссертационной работы являются разработка и исследование алгоритмов управления системой "ИУМ-АТД" для создания полной математической модели мехатролнного модуля и для реализации алгоритмов на основе программируемых микроконтроллеров.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие основные задачи:

- Проанализированы и обоснован выбор методов подлежащих исследованию и существующие методы управления асинхронными трехфазными двигателями.

-Разработана математическая модель мехатронпого модуля на основе

АТД.

- Разработаны цифровые алгоритмы коммутации ключевых элементов ИУМ при управлении АТД от программируемых микроконтроллеров.

- Для проверки корректности разработанных цифровых алгоритмов выполнего моделирование мехатронного модуля на основе АТД.

- Разработаны программы управления АТД (логического автомата) для Р1С-контроллера.

- Подтверждена корректность разработанных алгоритмов с помощью эксперимента стенда.

Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка используемых источников и приложения. Объем работы составляет 167 печатных страниц, включая 125 рисунки, 33 таблицы, списка источников и приложения. Библиография содержит 67 наименований.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. На основании сравнительного анализа классических методов управления АТД (амплитудный, частотный и амплитудно-частотный) показано, что рядом преимуществ обладает амплитудно-частотный метод управления (табл.1 Л.). К группе современных методов управления АТД относятся векторное управление. Указанные методы широко применяют в системах автоматики и вычислительных устройствах.

2. На основе анализа свойств АТД как объекта управления, ИУМ и метода амплитудно-частотного управления разработана система логических переменных, позволяющая с единых позиций рассмотреть различные методы управления АТД.

Полученные в работе аналитические выражения для:

- логических переменных, описывающих функционирование мехатронного модуля на основе АТД,

- логических функций, реализованных на основе логических переменных и управляющих процессами коммутации КЭ;

- формул напряжения на основе управляющих логических функций, прикладываемых к обмоткам статора АТД;

В совокупности с известными дифференциальными и алгебраическими уравнениями, позволяют разработать полную математическую модель мехатронного модуля для моделирования на ЭВМ.

3. На основе анализа различных методов управления показано, что для л - коммутации используется совместное управление КЭ; для 2л/3 - коммутации используется раздельное управление КЭ; для 5л/6 - коммутации используется комбинированное управление КЭ. При векторном управлении АТД (в случае отсутствия в алгоритме «мертвого времени») используется совместное управление КЭ.

4. На основе дифференциальных и алгебраических уравнений, описывающих АТД, логических переменных и управляющих логических функций (раздел 2) и результатов синтеза законов управления (раздел 3), разработаны модели в пакете расширения SIMULINK4 системы MATLAB6.5 для непрерывного и дискретного управления АТД, что позволяет исследовать характеристики мехатронных модулей при различных методах управления АТД. Полученные результаты моделирования по непрерывному и дискретному управлением показали корректность математических моделей АТД, подтвердили правильность теоретических положений, в части логико-алгебраических выражений и управляющих логических функций для различных методов управления АТД. Это является основой для проведения эксперимента и испытаний на практике.

5. Разработана обобщенная структура управляющего логического автомата АТД для реализации на базе программируемых микроконтроллеров. Для реализации на микроконтроллерах семейства PICmicro разработаны алгоритмы управления АТД (л - коммутация, 2я/3 - коммутация и 5я/6 - коммутация), которые являются основой для программирования микроконтроллеров PIC 16СХ (система команд PICmicro).

6. Разработанный экспериментальный стенд включает мехатронный модуль на основе АТД, персональный компьютер со специальным программным обеспечением, лабораторные источники питания, измерительное и регистрирующее оборудование. Стенд может использоваться не только для научных исследований, но и для учебного процесса в целях изучения статических и динамических характеристик при различных методах управления АТД.

7. Результаты экспериментального исследования мехатронного модуля подтвердили корректность теоретических положений и показали близкую сходимость результатами математического моделирования. Разработанные алгоритмы управления АТД показали свою эффективность и могут быть рекомендованы для применения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решен ряд научных и технических задач по разработке алгоритмов коммутации ключевых элементов полупроводниковых мостовых импульсных усилителей мощности при управлении асинхронными трехфазными двигателями.

Решение указанных задач позволяет сократить сроки проектирования, и затраты на испытания, повысить точность и надежность систем электроприводов.

1.Математическое моделирование электрических машин / И.П.Копылов, перераб. и доп. М: Высш. шк., 2001,- 327 е.: ил.

2. Электродвигатели асинхронные / В.Л.Лихачев, -М.: Солон-пресс, 2003.-303с.

3. Электрические машины / М.М.Кацман, -М.: "Высшая школа", 2002. -468с.

4. Электрические машины Лабораторные работы на ПК / С.Г.Герман-Галкин, Г.А.Кардонов - СПб.: КОРОНА принт, 2003. - 255с, ил.

5. Проектирование электрических машин / П.С.Сергеев, Н.В.Виноградов, Ф.А.Горяинов М.: "Энергия", 1969. - 632с.

6. Специальные электрические машины, книга 1,2/ Под ред.Б.Л.Алиевского- М.: Энергоатомиздат. 1993.-319,-368с.

7. Теория автоматизированного электропривода: Учеб. Пособие для вузов / Чиликин М. Г., Ключев В. И., Сандлер А. С. М.: Энергия, 1979,- 616 е., ил.

8. Теория и проектирование следящих систем переменного тока / Ба-ранчук Е.И., Коварская Е.Л. М.: Изд-во "Энергия", 1966. - 384 е.: ил.

9. Типовые элементы систем автоматического управления: Учебник для сред. проф. образования / Владимир Юрьевич Шишмарев.-М.: Издательский центр "Академия", 2004. 304 е.: ил.

10. Основы электропривода / Андреев В.П., Сабинин Ю.А. М.-Л.: Гос-энергоиздать, 1963. - 772с.: ил.

11. Электропривод систем управления летательных аппаратов. Под ред. д-ра техн. Наука Б. И. Петрова. М.: Машиностроение, 1973. - 360 е., ил.

12. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями / С. Г. Герман-Галкин, В.Д. Лебедев, Б.А. Марков, Н.И. Чичерин,- Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986.-248 е., ил.

13. Управление исполнительными элементами следящих электроприводов летательных аппаратов / Б. И. Петров, В. В. Бальбух, Н. П. Папе и др.: Под ред. Б. И. Петрова. М.: Машиностроение, 1981. - 222 е., ил.

14. Электропривод летательных аппаратов: Учебник для авиационных вузов / В.А.Полковников, Б.Н.Петров, Б.Н.Попов, А.В.Сергеев, А.Н.Сперанский. Под общей ред. В.А. Полковникова. -2-е изд., перераб. И доп., -М.: Машиностроение, 1990-240с.

15. Автоматическое управление электроприводами / В.Л.Анхимюк, О.П.Ильин Минск.: Издательство "Высшая школа", 1965,- 460с.: ил.

16. Автоматизированное проектирование асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором: Учебное пособие / Зечихин Б.С., Журавлев С.В. М.: Издательство МАИ, 2003, - 84с.: ил.

17. Автоматизированный электропривод и следящие системы / Зеленов

18. A.Б., Карочкин А.В., Самчелеев Ю.П., Школьников В.И. Под ред.

19. B.Т.Долбня. М.: Издательство Харьковского ордена трудового красного знамени государственного университета им. А.М.Горького, 1965, - 363с.: ил.

20. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями / Сандлер А.С и Сарбатов Р.С. -М.: Изд-во "Энергия", 1974 328с.

21. Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей / Сандлер А.С. -М.: "Энергия", 1966 319с.

22. Частотно регулируемые асинхронные электроприводы / Сабинин Ю.А., Грузов В.Л. - Л.: Энергоатомиздать. Ленингр. отд-ние, 1985. - 128 е.: ил.

23. Электроприводы с полупроводниковым управлением. Преобразователи частоты для управления асинхронными двигателями, под ред. Чиликина М.Г / Сандлер А.С., Сарбатов Р.С. М. - Л.: Изд-во "Энергия", 1966. -144 е.: ил.

24. Электропривод и системы управления / Академия наук СССР. -М. -Л.: Изд-во "Наука", 1966.- 236 е.: ил.

25. Амплитудно частотное управление асинхронными трехфазными двигателями / Е.Ерошкин, О.Горячев, Электроника №2/99, 38с.

26. Векторное управление асинхронными трехфазными двигателями / Е.Ерошкин, О.Горячев, Электроника №4/99, 30с.

27. Вольдек "Электрические машины" Учебник для электротехнических специальности, -М.: Энергия, 1966.

28. Быстродействующие электроприводы постоянного тока с широтно-импульсными преобразователями / Гольц М.Е., Гудзенко А.Б., Остреров В.М. и др., -М.: Изд-во Энергоатом издать, 1986. 184с.

29. Динамика каскадных асинхронных электроприводов / Сандлер А.С и Тарасенко Jl.M. -М: Изд-во Энергия, 1977.-200с.: ил.

30. Динамика цифровых следящих приводов / Николаев Ю.А., Петухов

31. B.П., Феклисов Г.И., Чемоданов Б.К. -М.: Изд-во Энергия, 1970.-496с.: ил.

32. Дискретные преобразователи сигналов на транзисторах / Куликов

33. C.В., Чистяков Б.В. М.: Изд-во Энергия, 1972.- 288с.: ил.

34. Импульсные цифровые устройства: Учеб. для студентов электрора-диоприборостоительных сред. спец. учеб. заведений / Баммер Ю.А., Пашук И.Н. 7-е изд., перераб. и доп. -М.: Высш.шк., 2003.-351с.: ил.

35. Микросхемы для управления электродвигателями. Выпуск 2. М.: Додека, 2000.-288с.: ил.

36. Микросхемы для управления электродвигателями: Энциклопедия ремонта. Выпуск 12.-М.: Додека, 1999.-288с.: ил.

37. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования / Новиков Ю.В.-М.: Мир, 2001.-379с.: ил.

38. Основы цифровой электроники. Пер. с англ./ Токхейм Р. -М.: Мир, 1988.-392с.:ил.

39. Проектирование микроэлектронных цифровых устройство / Плятин О.А., Овсищер П.И. и др. -М.: "Сов. радио", 1977.-272 е.: ил.

40. Проектирование силовых преобразователей бесконтактных двигателей постоянного тока: Учебное пособие / Конев Ю.И., Розно Ю.Н., Владимиров Я.Г. -М.: МАИ, 1987. 54 е.: ил.

41. Цифровые системы управления электроприводами / Батоврин А.А. и др. JL: "Энергия", 1977. - 256 с.:ил.

42. Цифровая схемотехника./ Угрюмов Е. П. СПб.: БХВ - Петербург,2001.-528 е.: ил.

43. Герман-Галкин С.Г. и др. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями JL: Энергоатомиздат, 1986. -343 с.

44. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие./ Герман-Галкин С.Г. СПб.: КОРОНА принт, 2001., ил.

45. Математическое моделирование Mathcad 2000 Matlab 5: Учебный курс./ С.В.Глушаков, И.А.Жакин, Т.С.Хачиров. - М.: "ACT", 2001. - 523, ил.

46. Delphi 6. Учебный курс / Валерий Фаронов. Под ред. А.Жданов. -СПб.: Питер, 2002.-512 с: ил.

47. Delphi 6 / Владимир Гофман, Анатолий Хомоненко. СПб.: Питер,2002.- 1133 с: ил.

48. Основы программирования в Delphi 7 / Культин Н.Б. СПб.: БХВ-Петербург, 2003. - 608 с: ил.

49. Assembler: Учеб. Пособие для вузов / В.И.Юров. СПБ .: Питер,2003.-624 е.: ил.

50. Simulink 4. Специальный справочник / Владимир Дьяконов. Под ред. И. Корнеев. СПб: Питер, 2002,- 528 е.: ил.

51. Simulink. Специальный справочник / Владимир Дьяконов. Под ред. И. Корнеев. СПб: Питер, 2002,- 528 е.: ил.

52. Лабораторный практикум по цифровым устройствам следящих привод ЛА: Учеб. пособие. "/ Попов Б.Н., Холопова А.А., Шалыгин А.Н. -М.: Изд-во МАИ , 1995. -48 е.: ил.

53. Лабораторные работы по электрическим машинам и электрическому приводу: Учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования / Кацман М. М. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательский центр "Академия", 2004. - 256 е.: ил.

54. Моделирование и основы автоматизированного проектирования привод: Учеб. пособие для студентов высших технических учеб. заведений / Стебелцов В. Г., Сергеев А. В., Новиков В. Д., Камладзе О. Г. М.: Машно-строение, 1989. - 224 е.: ил.

55. Электрические машины и электропривод малой мощности./ Академия наук СССР.: издательство "Наука" Москва-Ленинград, 1966. - 239 с.

56. Оценка электромагнитных свойств трех- и двухфазных обмоток электрических машин переменного тока / Попов. В. И. "Электроника", №10,2001.

57. В.И.Толмачев Силовые системы управления парашютируемыми объектами: Учебное пособие/-М.Изд-во МАИ, 1995.-168с.:ил.59. http://vv\vw.microchip.com

58. Справочник по среднему семейству микроконтроллеров PICmicro. -M.: "Микро-чип", 2002. littp://vvww.miсrochip.ru

59. Попов Б.Н. Однокристальный микроконтроллер электродвигате-лей.//Электротехника.-1994, № 7, с.30-34.

60. Попов Б.Н. Устройство управления двигателями. Свидетельство №1773 на полезную модель от 16.02.1996.

61. Попов Б.Н., Нгуэн Куанг Чунг Устройства управления электродвигателями на основе программируемых микроконтроллеров. «Авиакосмическое приборостроение», № 2, 2006.

62. В.А. Постников, В.В. Семисалов. Исследование устойчивости шагового электропривода на базе системы "Трехфазный транзисторный инвертор напряжения шаговый двигатель".- «Авиакосмическое приборостроение», № 6, 2005.159