автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование цифровой системы управления вентильным двигателем с коррекцией статических характеристик

На правах рукопи

Козлов Владимир Владимирович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С КОРРЕКЦИЕЙ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Специальность 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 НОЯ 2012

Москва - 2012 год

005054749

Диссертация выполнена на кафедре 702 «Системы приводов авиационно-космической техники» Московского Авиационного Института (Национального Исследовательского Университета)

Научный руководитель: Попов Борис Николаевич

доктор технических наук, заместитель директора по научной работе ФГУП «МОКБ «МАРС», профессор кафедры 702 «Системы приводов авиационно-космической техники» МАИ

Официальные оппоненты: Горячев Олег Владимирович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Системы автоматического управления» Тульского государственного университета

Трубачёв Александр Тимофеевич кандидат технических наук, главный специалист «Аэроэлектромаш»

Ведущая организация: ЗАО «АэроЭлектроПривод»

Защита диссертации состоится «2Т»ноЭ&|?9 2012г. в IЪ°° часов на заседании диссертационного совета Д 212.125.07 в Московском Авиационном Институте (Национальном Исследовательском Университете) по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское ш., д.4, главный административный корпус, зал заседаний учёного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Авиационного Института (Национального Исследовательского Университета).

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим выслать по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское ш., д.4, МАИ, Ученый совет МАИ.

Автореферат разослан « 2.£» ofcT9&]¡7? 2012 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 212.125.07

Кандидат технических наук, доцент /£■ Кондратьев А.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Вентильный двигатель (ВД), благодаря своим высоким эксплуатационным характеристикам, является перспективной электрической машиной в широком диапазоне мощностей. ВД прост и надёжен по конструкции, не имеет потерь на возбуждение. Эти качества выделяют его из ряда всех остальных машин и обеспечивают ему применение в системах автоматики, приводах прецизионных следящих систем авиационной и другой техники.

Метод коррекции статических характеристик (КСХ), рассматриваемый в работе, является одним из видов векторного управления синхронными двигателями. Достоинством данного метода является возможность управления синхронным двигателем без измерения фазных токов и отсутствие преобразователей координат.

Цифровая коррекция статических характеристик ВД с управлением на базе микроконтроллеров либо ПЛИС и синусоидальной формой токов статора позволяет повысить КПД привода в целом и обеспечить линейность механических и регулировочных характеристик. Линейность статических характеристик преследует две цели: возможность построения разомкнутого по скорости электропривода и улучшение динамических характеристик электропривода, замкнутого по скорости.

Анализ вопросов возникающих в ходе разработки и эксплуатации электроприводов, а так же изучение опубликованной литературы, позволяют сделать вывод о том, что разработка и экспериментальная проверка математической модели ВД с цифровым управлением на основе методов КСХ и введёнными корректирующими связями является актуальным научно-технической задачей.

Цель и задачи работы

Целью работы является исследование методов КСХ, получение закона коррекции для управления по фазному напряжению, упрощение структуры системы управления ВД с КСХ за счёт исключения преобразователя координат, повышение КПД и улучшение статических характеристик системы с ВД и КСХ в условиях нестабильности питания, технологического разброса параметров двигателя и воздействия окружающей среды.

Задачи исследования:

1. Получение математического описания контура управления в базисе «угол коррекции-фазное напряжение»(иш=сопз1).

2. Исследование корректирующей характеристики в зависимости от параметров двигателя.

3. Разработка математической модели системы ВД с цифровым устройством управления.

4. Разработка методики цифровой коррекции статических характеристик ВД, в которой учитывается наличие корректирующей связи по напряжению питания.

5. Сравнительный анализ классического векторного управления и управления с коррекцией статических характеристик при Um=const и при Uq=const.

6. Экспериментальная проверка разработанных методик и алгоритмов.

Методы исследования

Исследование ВД с КСХ и разработка системы управления выполнены с использованием теории функций комплексной переменной, теоретических основ электротехники и теории автоматического управления.

Численные методы применяются в виде пакетов программ Maple, MatLab, Simulink. Обработка экспериментальных данных производится с применением программы Matlab и MS Exel.

Оценка адекватности разработанных математических моделей и физической модели выполнена при проведении натурных исследований экспериментального образца ВД.

При выполнении экспериментальных исследований использовались вычислительные возможности платы 5аВоаг(1, а так же оборудование лабораторного стенда.

Научная новнзна работы состоит в следующем:

• Получено математическое описание контура управления с коррекцией статических характеристик при ит=соп51.

• На базе анализа влияния параметров двигателя, изменяющихся под воздействием окружающей среды, вследствие технологического разброса, а так же при нестабильности питания, были получены зависимости корректирующей характеристики и ошибки в коррекции отданных параметров.

• Предложена структура системы управления, отличающаяся от известных наличием корректирующей связи по напряжению питания и системой коррекции работающей по полной функции в базисе «угол коррекции-фазное напряжение» без использования преобразователей координат. Наличие корректирующей связи позволило повысить КПД ВД в номинальных режимах на 10% (в условиях нестабильного питания), работа без преобразователей координат позволила сократить объём вычислений.

• Разработана компьютерная модель системы ВД на базе полученного математического описания контура управления.

• Доказана адекватность способа коррекции путём:

1) Исследования минимизации тока с1 на математической модели.

2) Измерения взаимного положения тока фазы и фазы противо-ЭДС как на математической модели, так и экспериментально.

3) Сравнения с классическим методом векторного управления, использующего регуляторы тока ё и ц, как на математической модели, так и экспериментально.

Практическая значимость полученных автором результатов для теории и практики определяется следующим:

• Реализована компьютерная модель системы ВД на базе полученного математического описания контура управления.

• Проанализировано влияние параметров двигателя, изменяющихся под воздействием окружающей среды, на форму корректирующей характеристики и ошибку в коррекции.

• Проведено сравнение в одинаковых условиях векторного управления и управления с различными методами КСХ. Даны рекомендации по выбору и применению того или иного способа.

Результаты, выносимые на защиту

• Законы КСХ ВД, обеспечивающие повышение КПД, линеаризацию статических характеристик и повышение электромагнитного момента.

• Математические модели системы ВД с коррекцией статических характеристик.

• Структура системы управления ВД с КСХ при ит=сопз1, имеющая корректирующую связь по напряжению питания

Достоверность результатов

Достоверность научных выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждаются корректным использованием математического аппарата теории автоматического управления и электрических машин, математическим моделированием на базе апробированных математических моделей, экспериментальными исследованиями макета, достаточной апробацией и публикациями полученных результатов.

Внедрение результатов

Результаты работы нашли применение в цифровых приводах ЭП-50/120, ЭП-120/350, СЛГ-270, разработанных ЗАО «АэроЭлектроПривод», и внедрены в учебный процесс на кафедре «Системы приводов авиационно-космической техники».

Апробация работы и публикации

Результаты работы были доложены и обсуждены на международных научно-технических семинарах «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», 2008-2010 гг., Алушта.

Основные материалы диссертации опубликованы в четырёх печатных работах, одна из которых - в издании, входящем в перечень рецензируемых научных журналов и изданий высшей аттестационной комиссии РФ.

Струстура и объём работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 63 наименований. Основная часть работы изложена на 132 страницах машинописного текста, иллюстрированного 91 рисунком и 12 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели, задачи и методы исследования, научная новизна, практическая значимость, достоверность и апробация результатов диссертации. Дана характеристика публикаций, структуры и объема работы.

В первой главе рассматривается методы векторного управления и управления с коррекцией статических характеристик.

Производится постановка задач работы в области управления с КСХ. Разрабатывается математическая модель системы управления ВД, использующую в основе стационарную систему координат.

Исходными, являются следующие уравнения, полученные при обычных допущениях:

(75 = ит^\п(со -1 + А<ри)-со- С,ьт(а> ■ I') = Мт ■ 5т(со • I + А<р');

А<ри = -агаап(^-);

и^Я-^+р-^-а-Ч/, % =

где ит - амплитудное значение фазного напряжения; № и Шт -суммарное мгновенное и амплитудное напряжение фазы соответственно; со -электрическая частота вращения, Се - коэффициент противо-ЭДС фазы, Ь и Я -индуктивность и сопротивление фазы соответственно, А<р' - фазовый сдвиг между вектором напряжения № и током фазы, обусловленный электромагнитной постоянной времени А<ри-угоп коррекции, = вектор

а

потокосцепления от постоянных магнитов, р = — -

ш

Решая систему из данных уравнений относительно Ш и А<ри, были получены законы КСХ при ия=сопз1 (известный)(1) и ит=сопз1 (предлагаемый)(2) соответственно:

и.

Д <р„ = агс1£( --1==)

М-«/

Вводится понятие корректирующей характеристики Асри = /(£/ш,ю)(см. рис.1).

Рис.1. Корректирующие характеристики.

Проводится анализ влияния на корректирующую характеристику параметров двигателя, изменяющихся под воздействием окружающей среды.

На базе полученных выражений и проведённого анализа, в конце главы, предлагается структурная схема системы управления ВД с коррекцией статических характеристик (рис. 2), содержащую корректирующую связь по напряжению питания и блок системы коррекции, работающий в базисе «угол коррекции-фазное напряжение».

Рис.2. Структура вентильного двигателя с произвольным количеством фаз и статической коррекцией

Данная структурная схема позволяет отказаться от использования преобразователей координат, использовать блок системы коррекции (СК) по полной функции (коррекция по скорости и фазному напряжению), а так же обеспечить работу блока СК с модулями входных величин, что позволяет снизить требуемый объём памяти для МК или ПЛИС.

Во второй главе кратко представлены полные математические модели для контуров управления и самого вентильного двигателя, которые будут использованы при математическом моделировании в среде Ма1;ЬаЬ/81тиНпк и при синтезе систем управления для экспериментальных исследований.

В третьей главе приведены разработанные с использованием пакета моделирования МаИ^аЬ/БтаиНпк и расширения 81тРо\уег8уз1ет5 компьютерные модели системы ВД для векторного управления и управления с КСХ.

Для объективных и наглядных исследований модели для обоих типов управления созданы по одной концепции (см. рис.3 и рис.4). Результаты моделирования предоставляются так же в одном формате для обоих способов управления. На рис.5 приводятся характеристики систем с КСХ.

Рис.3. Компьютерная модель системы ВД с векторным управлением.

Рис.4. Компьютерная модель системы ВД на основе управления с коррекцией статических характеристик.

—Цт=сопЯ

-ЦсрсопЯ

-Ш=0

Момекг(Нт]

а) б)

Рис.5. Статические характеристики(механическая(а) и энергетическая(б)) скорректированных при ит=соп51 и ия=сопз1, и нескорректированного ВД в условиях ограниченного напряжения питания.

В результате математического моделирования показано, что в условиях статичности основных параметров двигателя статические характеристики полностью совпадают при векторном управлении и управлении с коррекцией статических характеристик при ич=соп$1. КСХ при ит=сопз1 имеет незначительную нелинейность (~3%), однако более адекватно работает в условиях ограниченного напряжения сети. Проведено исследование минимизации тока ё и показано, что при подключении блока коррекции к нескорректированной системе ток с1 сводится к нулю и ток фазы устанавливается в противофазе противо-ЭДС (см. рис.6.). Тем самым подтверждается правильность разработанной математической модели в рамках сделанных допущений.

Рис. 6. Переходной процесс токов по осям О и С> (до 0.03 сек. - разгон до холостого хода, 0.03 сек. - скачкообразное изменение нагрузки, 0.06 сек. -включение системы коррекции)

Рис. 7. Переходной процесс токов по осям О и С? при синусоидальных колебаниях напряжения питания ±10% (до 1 сек. - без коррекции, 0.03 сек. - включение коррекции (ОС по напряжению питанию выкл.), 0.06 сек. - включение ОС по

напряжению питанию)

Дополнительно проведено исследование работы корректирующей связи по напряжению в условиях нестабильного напряжения питания и показана её эффективность (рис.7.). Наличие корректирующей связи позволило сохранить линейность и параллельность статических характеристик и повысить КПД ВД в номинальных режимах до 7% в условиях нестабильности питания ±10%, и до 15% при аварийном питании на 30% ниже нормы.

При математическом моделировании исследовано влияние изменения параметров двигателя под воздействием окружающей среды и при технологическом разбросе параметров. Обобщить результаты данного исследования можно следующим образом:

- Изменение сопротивления обмотки при перегреве на 60°С приводит к ошибке угла коррекции до ±15%, что в свою очередь ведёт к потере возможного КПД до 2-4%.

- Технологический разброс в 5% значения индуктивности приводит к ошибке угла коррекции до ±8%, что в свою очередь ведёт к потере КПД до 1-2%.

- Технологический разброс в 5% значения коэффициента противо-ЭДС приводит к ошибке угла коррекции до ±10% в номинальных режимах, что в свою очередь ведёт к потере КПД до 1-2%.

Таким образом, в большинстве случаев применения статической коррекции для приводов малой мощности данный метод позволяет повысить КПД на 10-20% без использования коррекции по сопротивлению обмотки и на 15-20% с её использованием. Технологический разброс таких параметров как индуктивность и коэффициент противо-ЭДС учитывать не имеет смысла (обычно их разброс не превышает даже 3% при серийном производстве), т.к. потери КПД не будут превышать 1-2%.

В четвёртая глава посвящена экспериментальному исследованию системы управления с коррекцией статических характеристик и её сравнению с системой векторного управления.

В начале главы приводится описание экспериментального стенда (см. рис.8 и рис.9), методики синтеза системы коррекции и методик эксперимента.

Рис.8. Экспериментальный стенд. Рис.9. Плата управления вентильным

двигателем

При проведении эксперимента для различных режимов двигателя показана (рис.10) адекватность разработанной системы коррекции путём измерения взаимного положения тока фазы и противо-ЭДС фазы (определяется по ДПР).

Рис.10. Взаимное расположение тока фазы и фазы противо-ЭДС. На рис. 11 показаны статические характеристики, полученные в ходе эксперимента в одних и тех же условиях испытания, но при различных методах управления.

-Модель с коррекцией

---Модель Без коррекции

—*—Экспериментально с коррещией —Экспериментально без коррекцией

Механическая характеристика

0.01 0.015 0 02 0.025 0.03 0 03Б Момент двигателя [Им]

| то

I

£■ 3000

Рис. 11. Механические характеристики при различных типах управления (наложены на результаты математического моделирования)

В заключении приводятся основные результаты и выводы диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана математическая модель контура управления вентильного электродвигателя, отличающаяся от известных наличием корректирующей связи по напряжению питания, отсутствием преобразователей координат, работой без использования фиктивных параметров.

2.Получены новые законы коррекции статических характеристик вентильного двигателя для коррекции при ит=сопз1, обеспечивающие минимизацию токов, повышение КПД и линеаризацию СХ.

3.Предложена структура управления ВД для систем на базе ПЛИС и МК, использующая корректирующую связь по напряжению питания и функционирующую без использования преобразователей координат.

4. Проведён анализ влияния изменений параметров двигателя под воздействием окружающей среды на форму и ошибку корректирующей характеристики. Введение корректирующей связи позволило повысить КПД ВД в номинальных режимах на 15% (в условиях нестабильного питания) и сохранить линейность статических характеристик, а работа без преобразователей координат позволила сократить объём вычислений, а так же снизить объём требуемой памяти на блок СК в два раза при реверсивном использовании двигателя, благодаря работе с модулями величин скорости и напряжения.

5. Получены экспериментальные статические характеристики вентильного двигателя при отсутствии коррекции и при введении коррекции, подтвердившие эффективность разработанных законов цифровой коррекции для повышения КПД и линеаризации статических характеристик.

6. Доказана адекватность предлагаемого способа коррекции путём:

1) Исследования минимизации тока с1 на математической модели.

2) Измерения взаимного положения тока фазы и фазы противо-ЭДС как на математической модели, так и экспериментально.

3) Сравнения с классическим методом векторного управления, использующего регуляторы тока с1 и ц, как на математической модели, так и экспериментально.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

L Ермошин К.С., Козлов В.В., Попов Б.Н. Хуснулина И. Р., Методическое пособие по разработке электронных устройств на основе ПЛИС фирмы Altera в среде Quartus II с использованием платы DE2 // XVII Международный научно-технический семинар, Алушта, 2008.

2. Ермошин К.С., Козлов В.В., Мафтер В.И., Попов Б.Н., Шалыгин А.Н. Метод повышения мощности вентильного двигателя // XVIII Международный научно-технический семинар, Алушта, 2009.

3. Козлов В., Мещерская Е.М., Попов Б.Н. Вычисление скорости и обнаружение отказов в системах с вентильными двигателями // XVIV Международный научно-технический семинар, Алушта, 2010.

4. Козлов В., Попов Б.Н. Цифровая коррекция статических характеристик вентильного двигателя // Электронный журнал «Труды МАИ», №49, 2011.

Подписано в печать: 15.10.2012 Тираж 100 экз. Заказ №908 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский пр-т д.74 (495)790-74-77 \vw\v.reglet.ru

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. МЕТОД ЦИФРОВОЙ КОРРЕКЦИИ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ.

1.1. Векторное управление.

1.1.1. Общие положения.

1.1.2. Прямое и обратное преобразования Кларка.

1.1.3. Прямое и обратное преобразования Парка.

1.1.4. Управление электрической машиной в с1-д системе координат.

1.2. Цифровая коррекция статических характеристик вентильного двигателя.

1.2.1. Постановка задачи.

1.2.2. Сущность метода коррекции статических характеристик вентильного двигателя.

1.2.3. Анализ зависимости угла коррекции от основных параметров вентильного двигателя.

1.2.4. Метод коррекции статических характеристик вентильного двигателя при ит=соп51.

1.3. Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ.

2.1. Математическая модель вентильного двигателя.

2.2. Математическая модель контура управления нескорректированного ВД.

2.3. Математическая модель контура управления скорректированного ВД при иц=соп$1.

2.4. Математическая модель контура управления вентильного двигателя с системой векторного управления.

2.5. Математическая модель контура управления скорректированного ВД при ит=соп5г и корректирующей связью по напряжению.

2.6. Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В СИСТЕМЕ МАТЬАВ/БШиЬШК

3.1. Параметры моделирования.

3.2. Векторное управление.

3.2.1. Описание и состав математической модели.

3.2.2. Результаты моделирования.

3.3. Коррекция статических характеристик при иц=соп$1.

3.3.1. Описание и состав математической модели.

3.3.2. Результаты моделирования и их анализ.

3.4. Коррекция статических характеристик при ит^сог^.

3.4.1. Описание и состав математической модели.

3.4.2. Результаты моделирования и их анализ.

3.5. Сравнительный анализ КСХ при 1к)=соп$1 и при ит=соп$1.

3.6. Анализ влияния параметров двигателя на работу системы коррекции при 11т=соп51.

3.7. Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

4.1. Экспериментальный стенд.

4.1.1. Структура эксперимента. Состав стенда.

4.1.2. Плата управления 5с'|Воагс1.

4.1.3. Структуры ПО ПЛИС, используемые при эксперименте.

4.1.4. Особенности вычисления частоты вращения и угла положения ротора.

4.1.5. Определение фазы противо-ЭДС.

4.1.6. Синтез системы коррекции.

4.1.7. Узел двигателя.

4.2. Методика снятия механических и энергетических характеристик.

4.2.1. Теоретическая суть методики.

4.2.2. Методика измерения.

4.3. Экспериментальные результаты исследования нескорректированного вентильного двигателя.

4.4. Экспериментальные результаты исследования скорректированного вентильного двигателя.

4.5. Экспериментальные результаты исследования вентильного двигателя с векторным управлением

4.6. Выводы по главе 4.

В последнее время наблюдается высокий темп роста доли применения бесконтактных электроприводов переменного тока во всём разнообразии автоматизированных комплексов авиационной, космической, автомобильной и других отраслей промышленности. Особое место среди приводов переменного тока занимают электроприводы на основе вентильного двигателя (ЭПВД) с постоянными магнитами. Данный тип приводов, благодаря своей простоте, хорошим массогабаритным показателям, технологичности, высоким эксплуатационным показателям, получил быстрое развитие и на данный момент практически вытеснил в новых разработках высокотехнологичных отраслей электроприводы с двигателями постоянного тока (ДПТ).

Сама по себе синхронная машина с постоянными магнитами и идея её использования в качестве альтернативы ДПТ появились достаточно давно (в 30-х годах XX века), однако бурное развитие ЭПВД стало возможно только с появлением высокоэффективной силовой полупроводниковой электроники и достаточно мощных вычислительных средств (микроконтроллеров, ПЛИС).

ЭПВД может быть построен на базе различных методов управления вентильным двигателем ВД: с дискретным управлением [11,31,38,44-47], непрерывным [48,51], частотно-токовым [10], векторным [15,17,58,60,62], с бездатчиковым [21,62]. Большинство работ, посвящённых ЭПВД средней и малой мощности, рассматривают дискретный метод управления. Однако данный метод не обеспечивает условия равномерности момента для высокоточного регулирования, а также имеет несинусоидальную форму токов, что ведёт к плохой электромагнитной совместимости и дополнительным потерям.

На сегодняшний день из общей массы можно выделить метод векторного управления [58], как показавший высокую эффективность. Исследованию данного метода посвящены труды таких учёных как: Блашке Ф., Соколовского Г. Г., , Овчинникова И.Е., Виноградова А.Б. и др. Данный метод относится к непрерывным (с синусоидальной формой фазного тока) и основан на минимизации тока по оси ё. Несмотря на эффективность, с самого зарождения данный метод требовал высоких вычислительных способностей от системы управления и поэтому ассоциировался, как правило, с приводами высоких мощностей, где размер системы управления не являлся критичным параметром.

По мере развития науки и техники, появления высокотехнологичной элементной базы стало возможным применение векторного управления в системах приводов малых мощностей (от десятков ватт). Однако, несмотря на все достоинства, можно выделить ряд недостатков:

- необходимость измерения токов в фазах;

- высокие требования к производительности МК;

- всё ещё большие габариты для встраиваемых систем управления приводов малой мощности;

- высокая стоимость системы векторного управления в сравнении с системами, использующими скалярное управление.

Данные обстоятельства не позволяют применить системы с векторным управлением в простых приводах малой мощности для массового серийного производства, где блок управляющей электроники встраивается непосредственно в сам механизм. Особенно сильно ощущается проблема высокой цены системы управления (СУ), а также больших массогабаритных показателей при использовании отечественной элементной базы с приёмкой «5».

Хорошей альтернативой векторному управлению может послужить управление с коррекцией статических характеристик (КСХ), глубоко исследованный такими учёными как Микеров А.Г., Джанхотов В.В., Мустафа

М.Н., Самохвалов Д.В. [19,20,34,35,38,48,52,61]. Описываемый в указанных работах метод КСХ является подтипом векторного управления, в котором измерение фазных токов, входные координатные преобразования (прямое Кларка и Парка), регулирование тока по оси с! заменено косвенным вычислением корректирующего напряжения по оси с1, основанным на измеренной скорости и управляющему входу иц. Процесс этого вычисления, как правило, сводится к табличной коррекции [20], однако «косвенность» этих вычислений предполагает зависимость от параметров двигателя.

К недостаткам метода можно отнести следующее:

- зависимость от параметров двигателя;

- наличие преобразователя координат (с^->аЬс);

- управление по входу не позволяет достичь предельной механической характеристики при условии работы УМ без насыщения;

- для УМ, не замкнутых обратной связью по выходному напряжению (все современные импульсные усилители), заданное напряжение иц не будет соответствовать действительности при нестабильном напряжении питания УМ, что приведёт к некорректной работе системы коррекции (СК).

В вышеуказанных работах подробно изложена суть метода при управлении напряжением ия, а также предложены модификации метода при учёте задержки в МК и усилительно-преобразовательном устройстве (УПУ, УМ) [20,48]. Однако, при этом нигде не проводится анализа о влияние нестабильности напряжения питания УМ и параметров двигателя на работу системы коррекции (СК). Так же в указанной литературе не предлагается модель (метод) для случая работы УМ в насыщении.

Анализ опубликованных работ, а также теоретические и экспериментальные исследования по тематике диссертации, выполненные автором в 2008 - 2012 годах на предприятии ЗАО «АэроЭлектроПривод», позволяют считать актуальной следующую цель диссертационной работы: исследование методов КСХ, получение закона коррекции для управления по фазному напряжению, упрощение структуры системы управления ВД с КСХ за счёт исключения преобразователя координат, повышение КПД и улучшение статических характеристик системы с ВД и КСХ в условиях нестабильности питания, технологического разброса параметров двигателя и воздействия окружающей среды.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе были решены следующие теоретические и экспериментальные задачи:

1. Получено математическое описание контура управления с коррекцией статических характеристик при ит=сопз1.

2. На базе анализа влияния параметров двигателя, изменяющихся под воздействием окружающей среды, были получены зависимости корректирующей характеристики и ошибки в коррекции от данных параметров.

3. Предложена структура системы управления, отличающаяся от известных наличием корректирующей связи по напряжению питания и системой коррекции при иш=сопз1 без использования преобразователей координат.

4. Реализована компьютерная модель системы ВД на базе полученного математического описания контура управления.

5. Выполнена экспериментальная проверка результатов математического моделирования.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• Получено математическое описание контура управления с коррекцией статических характеристик при ит=соп5^

• На базе анализа влияния параметров двигателя, изменяющихся под воздействием окружающей среды, были получены зависимости корректирующей характеристики и ошибки в коррекции от данных параметров.

• Предложена структура системы управления, отличающаяся от известных наличием корректирующей связи по напряжению питания и системой коррекции, реализованной как функция двух переменных -напряжения и скорости, без использования преобразователей координат. Наличие корректирующей связи позволило повысить КПД ВД в номинальных режимах на 15% (в условиях нестабильного питания), работа без преобразователей координат позволила заметно сократить объём вычислений.

• Разработана компьютерная модель системы ВД на базе полученного математического описания контура управления.

• Доказана адекватность способа коррекции путём:

1) Исследования минимизации тока <1 на математической модели.

2) Измерения взаимного положения тока фазы и фазы противо-ЭДС как на математической модели, так и экспериментально.

3) Сравнения с классическим методом векторного управления, использующего регуляторы тока с! и я, как на математической модели, так и экспериментально.

Практическая значимость полученных автором результатов для теории и практики определяется следующим:

• Реализована компьютерная модель системы ВД на базе полученного математического описания контура управления.

• Проанализировано влияние параметров двигателя, изменяющихся под воздействием окружающей среды, на форму корректирующей характеристики и ошибку в коррекции.

• Проведено сравнение в одинаковых условиях векторного управления и управления с различными методами КСХ. Даны рекомендации по выбору и применению того или иного способа.

Методы исследования

Исследование ВД с КСХ и разработка системы управления выполнены с использованием теории функций комплексной переменной, теоретических основ электротехники и теории автоматического управления.

Численные методы применяются на базе пакетов программ Maple, MatLab, Simulink. Обработка экспериментальных данных производится с применением программы Matlab и MS Exel.

Оценка адекватности разработанных математических моделей и физической модели выполнена при проведении натурных исследований экспериментального образца ВД.

При выполнении экспериментальных исследований использовались вычислительные возможности платы SciBoard, а так же оборудование лабораторного стенда. Достоверность результатов

Достоверность научных выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждаются корректным использованием математического аппарата теории автоматического управления и электрических машин, математическим моделированием на базе апробированных математических моделей, экспериментальными исследованиями макета, достаточной апробацией и публикациями полученных результатов. Апробация работы и публикации

Результаты работы были доложены и обсуждены на международных научно-технических семинарах «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», 2008-2010 гг., Алушта.

Основные материалы диссертации опубликованы в четырёх печатных работах, одна из которых - в издании, входящем в перечень рецензируемых научных журналов и изданий высшей аттестационной комиссии РФ. Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 63 наименования. Основная часть работы

4.6. Выводы по главе 4

• Реализована система векторного управления вентильным двигателем.

• Реализована система управления вентильным двигателем с КСХ при ит=соп81;.

• Экспериментально проведено сравнение энергетических и механических характеристик при векторном управлении и при коррекции статических характеристик.

• Показана адекватность созданных математических моделей.

• Полученные теоретические аналитические выражения позволяют синтезировать управление, сходное по эффективности с векторным.

• Синтезированное управление позволяет использовать двигатель малой мощности с КПД до 83% и более.

• Показана возможность создания системы управления ВД без измерения токов в фазах, использования точных энкодеров и преобразования координат, позволяющую обеспечить минимизацию тока по оси с1.

• Для управления использовалась только вычисленная скорость по датчикам Холла, что подтверждает актуальность применения метода в маломощных двигателях.

Заключение

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

1. Получены новые законы коррекции статических характеристик вентильного двигателя при иш=сопз1, обеспечивающие минимизацию токов, повышение КПД и линеаризацию СХ.

2. Предложена структура управления ВД с КСХ без преобразователей координат для систем на базе ПЛИС и МК, использующая корректирующую связь по напряжению питания. Введение корректирующей связи позволило повысить КПД ВД в номинальных режимах на 15% (в условиях нестабильного питания) и сохранить линейность статических характеристик.

3.Разработана математическая модель контура управления вентильного электродвигателя, отличающаяся от известных наличием корректирующей связи по напряжению питания, отсутствием преобразователей координат, работой без перехода во вращающуюся систему координат.

4. На базе анализа влияния параметров двигателя, изменяющихся под воздействием окружающей среды, вследствие технологического разброса, а также при нестабильности питания, были получены зависимости корректирующей характеристики и ошибки в коррекции от данных параметров.

5. Получены экспериментальные статические характеристики вентильного двигателя при отсутствии коррекции и при введении коррекции , подтвердившие эффективность разработанных законов цифровой коррекции для повышения КПД и линеаризации статических характеристик.

6. Доказана адекватность предлагаемого способа коррекции путём:

1) Исследования минимизации тока с1 на математической модели.

2) Измерения взаимного положения тока фазы и фазы противо-ЭДС как на математической модели, так и экспериментально.

3) Сравнения с классическим методом векторного управления, использующего регуляторы тока ё и ц, как на математической модели, так и экспериментально.

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

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

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

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

5. Башарин А.Г., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводом.—Д.: Энергоиздат, 1982.

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

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

8. Борцов Ю.А. Математические модели автоматических систем. — Л.: Л ЭТИ, 1981.

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

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

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

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

13. Вейнгер A.M. Регулируемый синхронный электропривод. М.— Энергоатомиздат, 1985.

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

15. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока / ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина».- Иваново, 2008. 298 с.

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

17. Горячев О.В. Цифровые электрические следящие приводы переменного тока с асинхронными трёхфазными двигателями для систем наведения и стабилизации. Тула. Изд-во ТулГУ. 2010. 211с., ил.

18. Датчики положения ротора и синхронные тахогенераторы для бесконтактного моментного привода. Батоврин С.А., Епифанова Л.М., Микеров А.Г., Яковлев A.B., Электротехника— 1991. № 8.

19. Джанхотов В.В. Исследование и разработка электроприводов на базе вентильных двигателей с управлением от сигнального процессора для шагающего робота. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Санкт-Петербург, 2004.

20. Джанхотов В.В. Исследование и разработка электроприводов на базе вентильных двигателей с управлением от сигнального процессора для шагающего робота. Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Санкт-Петербург, 2004.

21. Дианов А. Н. Разработка и исследование системы бездатчикового управления вентильным двигателем, Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.— 05.09.03 — Москва, 2004.

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

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

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

25. Иванов-Смоленский A.B. Электрические машины: учебник для вузов. М.: Энергия, 1980.

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

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

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

29. Копылов И.П., Фрумин B.J1 Электромеханическое преобразование энергии в вентильных двигателях.— М.: Энергоатомиздат, 1986.

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

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

32. Электромеханические системы: Учеб. пособие. — Л. Изд-во ленингр. Ун-та. 1989.Манзон Б.М, Maple V. Power Edition.—М.: 1998.

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

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

35. Мустафа М. Н. Исследование вентильных двигателей со статической коррекцией характеристик для электроприводов малой мощности.

36. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Санкт-Петербург, 2001.

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

38. Микеров А.Г., Самохвалов Д.В. Цифровая коррекция статических характеристик исполнительных вентильных двигателей текст. // Журнал «Гироскопия и Навигация» №1 (44), 2004, сс. 126-132.

39. Овчинников И.Е. Вентильные электрические двигатели и привод на их основе (малая и средняя мощность): курс лекций текст. СПб.: КОРОНА-Век, 2007, 336с.

40. Овчинников И.Е. Теория вентильных электрических двигателей.— JL: наука, 1985.

41. Овчинников И.Е., Лебедев Н.И. Бесконтактные двигатели постоянного тока. — Л.: Наука, 1979.

42. Осин И.Л., Шакарян Ю.Г. Электрические машины: Синхронные машины: Учебное пособие для вузов по спец. Электромеханика / под ред. И. П. Копылова. —М.: Высшая школа, 1990.

43. Полковников В.А., Б.И. Петров, Б.Н. Попов и др. Электропривод летательных аппаратов: Учебник для авиационных вузов, Под общ. ред. В.А. Полковникова. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. -352с: ил.

44. Полковников В.А. Предельные динамические возможности следящих приводов летательных аппаратов: Учебное пособие для вузов- М. : МАИ, 1995 . 318 с. - ISBN 5-7035-0588-7 : 6500.00

45. Попов Б.Н. Анализ и синтез законов управления системой «Импульсный усилитель мощности — электродвигатель» Известия РАН. Теория и системы управления. 1996. -№3. С.94-102.

46. Попов Б.Н. Микропроцессорное управление синхронными трехфазными двигателями. Электротехника. — 1993. —№1. -С.32-37.

47. Попов Б.Н. Методы проектирования микропроцессорных устройств управления мехатронными модулями систем приводов: диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук.:05.02.02 /Попов Борис Николаевич -М., 2001

48. Самохвалов Д.В. Коррекция статических характеристик электропривода с вентильным двигателем малой мощности и микропроцессорным управлением. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Санкт-Петербург, 2010.

49. Свечарник Д.В. Электрические машины непосредственного привода безредукторный электропривод. М.:—Энергоатомиздат, 1988.

50. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. — М.: Высшая школа, 1998.

51. Соколовский Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. Учебник. Москва.: 2006.

52. Соколовский Г. Г., Постников Ю.В. Особенности использования бесконтактных моментных приводов в системах управления скоростью. Электротехника.— 1990. № 4.

53. Столов Л.И., Афанасьев А.Ю. Моментные двигатели постоянного тока.— М. : Энергоатомиздат, 1989.

54. Терехов В.М. Системы управления электроприводов: учебник для студентов вузов / В.М.Терехов, О.И.Осипов; под ред. В.М.Терехова 2-е изд., стер. — М.: Издательский центр «Академия», 2006. 304с.

55. Хрущев В.В. Электрические машины систем автоматики: учебник для вузов. Второе издание, переработанное и дополненное. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние,1985.

56. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С. Теория автоматизированного электропривода: Учебное пособие для вузов.— М.: Энергия, 1979.

57. Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств: Учебник для вузов. —- М.: Высшая школа, 1988. 8ХС196МС. User manual: Intel Corporation, 1992.

58. Blaschke, F. The principle of field orientation as applied the new TRANSVEKTOR closed loop control system for rotating field machines // Siemens Rev., 1972, Vol. 34, May. p. 217-220FreeScale.

59. PMSM and BLDC Sensorless Motor Control using the 56F8013 Device. DesignReferenceManual. DocumentNumber. DRM077; 11/2005.

60. FreeScale. PMSM Vector Control with Single-Shunt Current-Sensing Using MC56F8013/23. DesignReferenceManual. DocumentNumber: DRM102 Rev. 0; 04/2008.

61. DSP CONTROLLED DRIVES WITH EMBEDDED PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTORS FOR BIPED WALKING ROBOT. Alexander G. Mikerov, Alexander V. Yakovlev, Valentine V. Djanhotoff.

62. Position and Speed Control of Brushless DC Motors Using Sensorless Techniques and Application Trends José Carlos Gamazo-Real *, Ernesto Vázquez-Sánchez and Jaime Gómez-Gil http://www.mdpi.eom/l 424-8220/10/7/6901 /pdf

63. Modeling and High-Performance control of electric machines. / J.Chiasson. // IEEE Press Series on Power Eng. 2005. J.Wiley&Sons Inc., Hoboken, New Jersey

64. Перечень введённых обозначений.

65. АЦП аналого-цифровой преобразователь

66. БДПТ бесколлекторный двигатель постоянного тока1. ВД вентильный

67. ДПР датчик положения ротора1. ИП источник питания

68. КСХ коррекция статических характеристик1. МК микроконтроллер1. НС наблюдатель состояния

69. ПВМ пространственно-векторный модулятор

70. ПЛИС — программируемая логическая интегральная схема

71. СДПМ — синхронный двигатель с постоянными магнитами1. СК система коррекции1. СУ система управления1. УМ усилитель мощности

72. ЦАП цифро-аналоговый преобразователь

73. ШИМ широтно-импульсный модулятор

74. ШИС широтно-импульсный сигнал

75. ЭПВД электропривод с вентильным двигателем1. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ134 УТВЕРЖДАЮт-Щенеральньп^ директор1. Мафтер В.И. Ш^ШИН 2012 г.1. У л1. АКТ

76. Научно-технической комиссии о внедрении результатов диссертационной работы «Разработка и исследование цифровой системы управления вентильным двигателем с коррекцией статических характеристик» Козлова Владимира Владимировича

77. Научно-техническая комиссия в составе:

78. Генеральный директор, к.т.н. Мафтер В.И.

79. Главный конструктор, Ляпунов А .Я.

80. Ведущий инженер, Михеев Д. А.

81. Главный конструк^^^^^^^ш А.Я.

82. Ведущий инженер, Михеев Д.А.с ' /1. УТВЕРЖДАЮ

83. Степаненко В.И., председателя комиссии, к.т.н., доцента, руководителя Учебно-методического отдела;

84. Тихонова К.М., к.т.н., доцента, декана факультета № 7;

85. Огольцова И.И., к.т.н., заведующего кафедрой 702;

86. Математическое описание методов управления с коррекцией статических характеристик.

87. Структура системы управления вентильным двигателем с коррекцией статических характеристик.