автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка математических моделей, методов и алгоритмов цифрового управления режимами двигателей металлообрабатывающих станков

На правах рукописи

Чжо Ту

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ, МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ ЦИФРОВОГО УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМАМИ ДВИГАТЕЛЕЙ МЕТАЛЛООБРАБАТЫВАЮЩИХ СТАНКОВ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в приборостроении)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации ца соискание ученой стёпепи кандидата технических наук

1 6 ОКТ 2014

Москва 2014

005553431

005553431

Работа выполнена на кафедре «Системь} автоматического управления и контроля в микроэлектронике» Национального иследовательского университета «МИЭТ»

Научные рукрводители: Анатолий Васильевич Щагип

Зав. кафедрой САУ и К, доктор технических наук, профессор.

Официальные оппоненты: Кобзарь Александр Иванович

доктор технических наук, профессор, советник генерального директора ЗАО «НТЦ ЭЛИНС»

Красовский Андрей Александрович кандидат технических наук, руководитель проектов ООО " Интеллектуальные системы управления бизнесом "

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский институт точного машиностроения»

Защита диссертации состоится «2?» 2014г. в К :СО часов на

заседании диссертационного совета Д 212.134.04 при Национальном исследовательском университете «МИЭТ» по адресу: 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5, НИУ МИЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭ"|\

Автореферат разослан « » сел^рО- 2014г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212/Й4.04 :

д.т.н, профессор_А.И.Погалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Одной из наиболее прогрессивно развивающихся отраслей промышленности является станкостроение. Основными тенденциями развития станкостроения в области высокотехнологичного и высокоточного производства являются: повышение гибкости и универсальности металлообрабатывающего оборудования, концентрация в одном виде оборудования все большего числа разнородных технологических операций и ¡существенное увеличение скоростей быстрых перемещений и рабочих подач, а также повышение скорости резания; совмещение в рамках одного станка силовой и финишной обработок, а также повышение энергоэффективности станков.

Таким образом, задачи развития современного металлообрабатывающего оборудования предъявляют повышенные требования как ко всей системе управления электрооборудованием станка в целом, так и к электроприводу как его основной составляющей.

Результатом повышения требований к электроприводам станков являются: высокая максимальная скорость; значительная перегрузочная способность; широкий диапазон регулирования скорости при сохранении рабочих моментов; высокая точность и равномерность движения на всех скоростях вплоть до самых мрых; минимальное время отработки задающего воздействия при апериодическом характере переходных процессрв разгона и торможения; линейность, стабильность и повторяемость характеристик; высокое быстродействие при изменении нагрузки или при реверсе под нагрузкой на малой скорости; минимальные габаритные размеры электродвигателя при большом вращающем моменте или мощности; высокая надежность и ремонтопригодность а также обеспечение высокого коэффициента полезного действия (КПД) и корре|сции коэффициента мощности (ККМ).

Современное состояние системы электропривода металлообрабатывающих станков характеризуется переходом на применение бесконтактных двигателей с использованием цифрового управления. Такому направлению развития способствовало множество факторов, среди которых следует отметить совершенствование элементной базы силовой электроники и микропроцессорной техники.

В качестве приводного двигателя наибольшее распространение находит асинхронный двигатель (АД) с короТкозамкнутым ротором. Современный асинхронный электропривод реализуется на базе силовой полупроводниковой техники с применением микропроцессорного управления. Его возможности позволяют организовав, регулирование выходных координат привода в широком диапазоне, с высокой точностью и быстродействием. Однако даже в составе частотно-регулируемого электропривода не всегда обеспечиваются режимы работы с максимальными энергетическими (юказателями.

Технологические режимы многих производственных механизмов на разных этапах работы требуют движения рабочего органа с различной скоростью, что

обеспечивается либо механическим путем, либо путем электрического регулирования скорости электропривода. При этом требования к диапазону и точности регулирования скорости могут изменяться в широких пределах.

Существующие методы проектирования не всегда позволяют до аппаратной реализации достоверно определить параметры проектируемой системы и оценить достижимые возможности.

Для решения сложных и часто противоречивых задач, возникающих при проектировании систем управления современным^ металлообрабатывающими станками, требуется разработка все более совершенных методов моделирования режимов работы двигателей в составе управляющих приводов станков, разработка алгоритмов, обеспечивающих управление и оптимизацию работы двигателя в составе системы, разработка современных систем, реализующих высокоэффективные алгоритмы управления и потребления электроэнергии.

Одним из решений является создание математических моделей, разработка алгоритмов и структур цифровых системы управления приводами с использованием современных микроконтроллеров со специальными функциями управления, наиболее полно приспособленными к управлению подсистемами, приводами и механизмами. Использование программируемого контроллера в каждом контуре управления даёт ряд очень важных преимуществ. Применение контрольно-управляющих средств на основе микропроцессорных устройств с цифровой передачей данных и сигналов позволяет оптимизировать режимы управления процессом обработки деталей. Использование микропроцессоров обусловлено необходимостью произведения большого объема сложных вычислений в режиме реального времени для реализации современных алгоритмов управления.

Таким образом, разработка комплекса научно-технических проблем по созданию цифровых автоматических систем управления, разработка математических моделей, новых методов управления режимами работы двигателей металлообрабатывающих станков и реализация цифровых систем управления на основе скалярного и векторного методов с использованием пространственно-временной модуляции, обеспечивает повышение точности, производительности, эффективности и качества работы станков и оборудования.

Все вышесказанное позволяет сделать вывод об актуальности создания теоретических основ и прикладных методов анализа и повышения эффективности автоматических систем цифрового управления двигателями металлообрабатывающих станков.

Целью диссетацноиной работы является разработка математических моделей, методов и алгоритмов цифрового управления режимами двигателей, обеспечивающих повышение эффективности и надежности раббты металлообрабатывающих станков.

Поставленная цель достигается благодаря решению следующих основных задач:

1. анализу систем управления двигателями и требований к микроконтроллерам;

2. созданию математических моделей систем управления асинхронным двигателем с использованием скалярного и векторных методов;

3. анализу методов и особенностей регулирования скорости вращения асинхронного двигателя и управления моментом;

4. анализу характеристик и особенностей двигателей переменного, постоянного тока и серводвигателей;

5. синтезу цифровых регуляторов на базе микропроцессорной системы yqpaвлeния;

6. созданий} математических моделей системы управления активным выпрямителем с ККМ в цифровом виде и автономным инвертором напряжения (АИН) с пространственно-векторной модуляцией (ПВМ);

МетЬды исследования. Поставленные задачи решались путем теоретических и экспериментальных исследований. Для решения поставленных задач в диссертации использованы: методы математичеркого анализа, методы цифровой обработки сигналов, тйориЛ автоматического регулирования, математическое моделирование, методы скалярного и векторного управления, подчиненное регулирйвание. В работе исследованы: используемые в настоящее время методы, разработанные в пакете МаНаЬ математические модели, алгоритмы и структуры цифровых автоматических систем управления двигателями металлообрабатывающих станков. '

Научная новизна диссертаций заключается в предложенных математических моделях, алгори+мах и методах цифрового управления режимами двигателей металлообрабатывающих станков. В работе:

> предложен метод ш|фроврго управления асинхронным двигателем при различных режимах работы;

> предложена модель частотного управления АД, которая обеспечивает постоянство момента в заданном диапазоне скоростей, применяемая в металлообрабатывающем станке;

> предложена структурная схема системы управления объектом с обратнс!й связью по скорости и току в цифровом виде;

> предложена модель системы управления ККМ с двумя повышающими конверторами, которая позволяет поддерживать постоянный уровень выходного напряжения при различных нагрузках, уменьшать величину индуктивности и величину пульсаций тока;

> разработаны алгоритмы нахождения сектора для сверх модуляции (и > 0.8 6 6 ) на основе ЙВМ;

> разработаны структурные схемы многопроцессорной системы управления приводами;

> разработаны структурные и функциональные схемы системы управления оборудованием резьбонарезного станка;

> разработана модель, позволяющая поддерживать фактор мощности, управлять чм( достигая желаемого значения, и исследовать энергетические и технические характеристики.

Практическую значимость работы имеют:

> математические модели сйстем управления режимами работы двигателей при различных нагрузках в составе металлообрабатывающих станков;

> результаты моделирования и алгоритмы управления режимами АД металлообрабатывающих станков;

> алгоритмы нахождения углов векторов и секторов в АИН;

> структурные и функциональные схемы системы управления с использованием скалярного и векторного методов управлением двигателем резьбонарезного станка;

> математическая модель системы управления управляемым выпрямителем с ККМ;

> аппаратно-программная модель преобразователя с двумя повышающими конверторами;

> распределенная двухпроцессорная система управления резьбонарезного станка.

На защиту выноснтсп:

> результаты моделирования и алгоритмы цифрового управления режимами работы двигателей металлообрабатывающих станков.

> структурные функциональные схемы двухпроцессорной системы управления оборудованием резьбонарезного станка. В результате применения цифровой системы управления приводами двигателей резьбонарезного станка становится возможным применение более простых и дешевых редукторов.

> модель системы управления ККМ с двумя повышающими конверторами, позволяющая повысить выходное выпрямленное напряжение, поддерживать фактор мощности, достигая желаемого значения и исследовать энергетические и технические характеристики;

> алгоритмы нахождения сектора для сверхмодуляции (и > 0.8 6 6 ) на основе ПВМ.

Апробацпя_работы. Основные результаты диссертации докладывались и

обсуждались на ряде научно-технических конференций, в частности:

1. Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и Информатика», Зеленоград, Москва, 2009 г., 2010 г., 2011 г., 2012 г.

2. Конференция «Научная сессия МИФИ-2011, Сборник научных трудов, Том 1, Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез», (МИФИ, Москва, 2011 г.).

i

Публикации по работе. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 14 печатных работах, в том числе три работы в журналах, входящих в список, рекомендованный ВАК. Без соавторов опубликовано 8 работ.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 57 наименований и приложений. Общий объем диссертации 150 страниц (130 страниц основного текста), содержит 78 рисунков и 8 таблиц. В приложениях приведены документы о внедрении результатов диссертационной'работы, результаты аппаратно-программного моделирования, а также фрагменты листингов разработанного программного обеспечения в программе MATLAB.

Краткое содержание диссертации

Во введении обосновывается актуальность темы диссетационной работы и приводится ее краткая характеристика. Формулируются цель работы, задачи исследования и представляются основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам, сравнению особенностей асинхронных, синхронных и серводвигателей, применяемых в металлообрабатывающих станках и обзору современных систем асинхронного электропривода с частотным управлением на базе АД с короткозамкнутым ротором, классификация способов частотного управления, показана актуальность исследований в области создания асинхронных электроприводов. Предложенная классификация отражает отличия в принципиальных методах управления, таких как: скалярное управление, векторное управление. Для существующих методов управления показано единство подходов к совершенствованию систем и улучшению их характеристик. Произведен сравнительный анализ систем скалярного и векторного управления, рассмотрены их достоинства и недостатки

При векторном регулировании, в отличие от скалярного, управление скоростью вращения двигателя осуществляется с помощью регулирования амплитуды и'фазы моментообразующих векторов двигателя. Такое управление является наиболее точным в динамике и статике, а также более экономичным.

Вторая глава посвящена анализу цифровых регуляторов двигателей постоянного тока на базе микропроцессорной системы и синтезу цифровых систем регулирования электроприврдов с широтно-импульсными

преобразователями (ШИП). В главе предложена задача оптимизации системы регулирования, которая сЬстоит в определении параметров регуляторов в зависимости от цараметоров объекта регулирования и интервалов дискретности в сиртеме.

Приведена функциональная схема системы электропривода с цифровым регулированием при трехкратных интервалах дискретности на (рис.1). Система построена по принципу подчиненного регулирования с регулятором тока РТ и регулятором . скорости электропривода РС, функционирующими, соответственно, с интервалами дискретности Т, и Тш . Связь между частями системы с разными интервалами дискретности осуществляется через экстраполяторы нулевого по|эядкк фиксирующие элементы ФЭ1 и ФЭ2.

ФЭ2 ФЭ1

'• РС

Т. = *Т,

Г, • РТ Тг-ъЧ' Г, 'шип+эд;

/ Й)

Рис.). Функциональная схема системы электроприврда с цифровым регулированием при трехкратных интервалах дискретности.

I

Т, в

т , -ргТ, Щ) 1/Д, ; ¡(р) П-Г'*

» " + 1 ' ' Т,р

/г,

Рис.2. Структурная схема объекта контура регулирования тока. Для мгновенного значения тока передаточная функция объекта регулирования имеет следующий вид:

¡(г ,)

" г \ иа (г,)

ТА„с1,

4.

1-й?, ' 1 - с/;^' '

(О

где Ъи{], - функции г-преобразования соответственно для интервалов дискретности Т„ и Т.; ки- коэффициент передачи ШИП по напряжению; % -суммарное активное сопротивление силовой цепи ШИП; Те - электромагнитная постоянная времени силовой цепи ШИП; 4 = ехр (-Т„/ Те) - параметр, характеризующий электромагнитную постоянную времени относительно интервала дискретности ШИП Ти; 5 = 1 - у - параметры, характеризующие запаздывание по управлению; г = Т, / Т„. - кратность интервалов дискретности. На рис.3 изображена структурная схема объекта в контуре регулирования скорости.

Для мгновенных значений скорости передаточная функция, в общем виде записывается как :

г.г \-с!:;

'■(О

(2)

Моделирование систем регулирования электропривода с учетом реальных свойств ШИП показали, что при биполярном ШИП с синхронизацией интервалов дискретности регулирования с началом положительного импульса напряжения ШИП при оптимизации систем регулирования следует выбирать параметр запаздывания величиной у = 0,7. На рис. 3 приведены результаты моделирования системы электропривода с биполярным ШИП (интервал дискретности Ти= 1 Мс) при обратных связях по средним значениям тока и скорости для различных соотношений интервалов дискретности. Как видно, динамические свойства регулирования скорости близки. Во втором случае (рис! 4, б) небольшое снижение быстродействия обуславливается изменением процесса формирования мгновенного значения тока при дискретности регулирования тока большей, чем дискретность ШИП.

Рис.3. Процессры регулирования скорости электропривода с ШИП при скачке задания: а) г= I, э = 9; б) г = 3, э = 3.

Таким образом, полученные результаты моделирования подтверждают правильность разработанных принципов оптимизации цифровых систем регулирования с несколькими интервалами дискретности.

Третья глава посвящена математическому моделированию систем управления скоростью вращения вала АД с использованием скалярного метода.

АД, в частности, используются в станках для нарезания резьбы на водогазопроводных трубах диаметром от 1/2" до 2" дюймов (21- 60 мм), из углеродистой (черной) и оцинкованной стали любой марки и метрических резьбах любого диаметра от М20 до М60, с шагом резьбы от 1 до 2 мм, на круглом прокате, болтах и трубах диаметром от 20 до 60 мм, из углеродистых оцинкованных и коррозийно-стойких (нержавеющих) сталей любой марки, где нарезку требуется проводить с разными скоростями. Для изменения скорости необходимо иметь частотный привод, который позволяет изменять диапазон скорости 1:3. При этом должен быть сохранен желаемый вращающий момент. Вращающий момент можно сохранить путем применения редуктора и рассмотреть вариант сохранения момента в определенных пределах при использовании различных способов управления.

В главе рассмотрена система управления скоростью вращения вала асинхронного электродвигателя резьбонарезного станка. На рис 4 показана структурная схема с частотным управлением АД для резьбонарезного станка.

, зи|-—V..— 4 пи

; Рагк ; , шим .......Гад

Рис.4. Структурная схема с частотным управлением АД для резьбонарезного

станка.

ПИ ограничивает увеличение напряжения Шины постоянного тока во время торможения или когда момент нагрузки имеет тенденцию ускорения двигателя.

Рис.5. График изменения скорости ротора и форма вращающего момента.

Как показано на рис.5 заданная скорость не достигает мгновенно 1800 оборотов в минуту, сначала происходит разгон. Двигатель достигает стационарного состояния при Т== 1,5 с. При Т = 2 с ускорение прикладывается к вращающему моменту на валу двигателя. Так как скорость вращения ротора выше синхронной скорости, двигатель работает в режиме генератора. Энергия торможения передается в звене постоянного тока и напряжение на шине имеет тенденцию к увеличению. Однако перенапряжение активирует тормозной прерыватель, который вызывает уменьшение напряжения. Тормозное сопротивление не является достаточно большим и чтобы избежать увеличения напряжения, Сопротивление на шине выбирается в допустимых пределах. При Т = Зс крутящий момент на валу составляет от -15 Им до +15 Нм. В этой точке регулятор постоянного тока переключается с торможения двигательного режима. При Т более 4 с, вращающий момент полностью устанавливается.

В работе предложена модель системы управления ККМ с двумя повышающими конверторами, которая позволяет поддерживать постоянный уровень выходного напряжения при различных нагрузках, уменьшить величину индуктивности и величину пульсаций тока. Разработанная модель управления, позволяет повысить выходное напряжение в 2 раза выпрямленного напряжения, поддерживать фактор мощности, управлять им, достигая желаемого значения, и исследовать энергетические и технические характеристики. Разработаны алгоритмы нахождения сектора для сверхмодуляции (у>о.8бб) на ПВМ; разработана структурная схема частотного управления АД с помощью скалярного метода; проведена модель частотного управления АД, которая обеспечивает постоянство момента в заданном диапазоне скоростей, используемых в резьбонарезном станке.

Четвертая глава посвящена разработке структурных и функциональных схем систем управлекия приводами, а также проведено моделирование системы управления приводов асинхронного двигателеля с короткозамкнутым ротором с помощью программы МАТЬАВ.

Система управления приводами на базе АД с использованием векторного метода для резьбонарезного станка включает в себя управляющую часть, информационную часть, силовую часть и исполнительную часть. На рис.6, приведена структурная схема системы управления оборудованием резьбонарезного станка.

ЕЕ В

! (1 I р I (] I ' ( (ГТТ~~гЧл

1 , [и_\, \ щ_____Д \ ^/ О Д-1-'

\ \ ,-, _ \ \ / /

V___---

„;_______~4_______Дпт чии)

Я". Л". • ! обпрстп

V Ч ./

Л/-1 1 ' Р

унряшшпия : ,-- 1 ип 1

/&е // | чпд 1

ЦобО// А

/ ту / -—

/ СТОП

ч:

дпт ; ось х

1_а1—Н у В

мбу

-V-

"380в

ИП2 нй-

I н*-

^ 1 | %

Шин;) ЕМсгСАТ

Каналы связи Рис.6. Структурная схема системы управления оборудованием резьбонарезного станка,

где, МБУ-микропроцессорный блок управления, ЖК -жидкокристаллический индикатор, кнопка стоп, кнопки управления, ЧПД -частотный привод двигателя, ПДПТ - привод двигателя постоянного тока, ДПТ - двигатель постоянного тока, БП - блок пйтания, УВ - управляемый выпрямитель, ИП - измерительный преобразователь, А - автомат переменного

тока, Н - насос, Ф - фильтр, СОЖ - смазочно-охлаждающая жидкость, АД -асинхроный двигатель, Р - редуктор, датчики положения, скорости, угла, тока и температуры.

На рис.7, показана функциональная схема основных узлов электропривода. Функциональная схема электропривода на базе микроконтроллера состоит из силового модуля (трехфазный мостовой управляемый выпрямитель на ЮВТ, индуктивно-емкостный фильтр звена прстоянного капряжейия (фильтр), автономный инвертор напряжения (АМН) с ЮВТ тразисторами, два драйвера силовых ключей, формирование сигналов защит и гальванической развязки силовых и управляющих цепей, блока питания (БП)), датчиковой системы (датчик напряжения, тока, температуры и угловых перемещений), системы управления, которая включает в себя микропроцессоры (МП1,МП2), интерфейсный модуль и пульт управления.

Рис.7. Функциональная схема электропривода на базе двух микроконтроллеров.

Микропроцессор (МП!) обрабатывает сигналы датчиковой системы, выполняет основные функции частотных приводов переменного (реализация алгоритмов управления выпрямителем, инвертором, и +.д.) и управляет силовым

модулем. Второй (МП2) обеспечивает работу пульта управления, связь с системой верхнего уровня и взаимодействует с контроллером управления двигателем, реализует «медленные» защиты.

Рис.8. Распределенная двухмикропроцессорная система управления металлообрабатывающим станком.

В главе показана необходимость построения современного привода по схеме активного выпрямителя - автономного инвертора, которая обеспечиват наилучшие энергетические характеристики и электромагнитную совместимость. На рис.9. рассматривается структурная схема двухэтапной стратегии управления асинхронным электроприводом. На первом этапе формируются мгновеные значения эталонных модулирующих функций коммутаторов управляемого выпрямителя (УВ) на ЮВТ транзисторах, фильтра (Ф) и автономного инвертора напряжения (АИН). На этом этапе решаются следующие задачи:

> распределение функциий управления выходным напряжением двухзвенового непосредственного преобразователя частоты ДНПЧ между выпрямителем и инвертором;

> согласование функций управления выходным напряжением и входной реактивной мощностью.

На втором этапе формируются сигналы управления силовыми ключами непосредственного преобразователя частоты. При этом последовательно решаются следующие задачи:

> формирование коммутационных функций УВ и АИН методом адаптированной ШИМ;

> компенсация факторов, искажающих коммутационные функции реальных ПЧ;

> формирование функций состояния ключей, обеспечивающих заданные значения коммутационных функций.

УВ преобразует трехфазное напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока. Фильтр используется для сглаживания пульсаций выпрямленного капряжения и образования звена постоянного тока. С выхода фильтра постоянное напряжение поступает на вход инвертотра. В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения и„ в трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение и„ изменяемой амплитудь! и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока.

él

Vtlc .....

V«| . ............i : ............. Ti

- ' V;!,,: dq i. 'V . Модулятор ; h.....i

■ i ПВМ ■ r,

• ' ' ,. i- ■ :Г':Дрт»ср

.Vi. aß .... :

i„. ü4 -

......1.....-;

Регулятор ¡ l d. ■ : скорости ;

Регулятор j",/

< Регулятор

ПК ! Clark

.2...: Модулятор: г. v3 пвм -x

Шранвср '¡

i-'f

ПК Park

Датчик скорости

Рис.9. Упрощенная структурная схема двухэтапной стратегии управления асинхронным электроприводом.

Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по закону ПВМ.

Преобразователь Park и Clark (ABC —» dq) выполняет преобразование фазных токов статора из естественной трехфазной системы координат (А,В,С) в ортогональную синхронную систему координат (d, q). Обратный преобразователь Park и Clark трансформирует вектор задания напряжения статора из синхронной системы координат в естественную (dq —> ABC).

ПИ-регулятор скорости используется для формирования задающего реактивного тока id*, который служит для команды вращающего момента. Другой iq* для формирования потока ротора. Регулятор тока формирует в

системе с!с/ вектор напряжения статора, характеризующийся двумя

составляющими: У(/ и V . Далее с помощью координатных преобразований

вектор напряжения статора переводится в неподвижную систему координат, связанную сс) статором, где затем и реализуется.

Векторный модулятор преобразует его в импульсы управления ключами ЮВТ-инвертора, используя метод пространственно-векторного формирования напряжения, и реализует алгоритм компенсации ошибок, связанных с неидеальностью ключей инвертора. Блок вычисления угла поворота определяет выходную частоту инвертора и блок вычисления потокосцепления ротора формирует поток ротора путем вычислением ¡а.

Уравнение электромагнитного момента АД при управлении по главному потокосцеплению можно представить в виде:

з

М = — 2 2 р БШ <р0, (3)

где М - вращающий момент двигателя, (рй - угол между вектором тока

статора и главным потокосцеплением. Будем рассматривать ненасыщенный АД. Главное потокосцепление двигателя может быть выражено через ток

намагничивания:

V», = 1Ш (4)

т

где Ьт - взаимная индуктивность обмотки статора и ротора. Составляющая -» ->

тока статора Iт синфазная главному потокосцеплению Ц/т , определяется

как векторная сумма тока статора I <. и тока ротора

I,

С учетом выражения (3) уравнение для электромагнитного момента двигателя можно рассматривать в виде:

м = -гп 2 '

-> ->

1т <р0. (5)

Из выражения (4) следует, что электромагнитный момент двигателя пропорционален синусу угла <р0 между векторами тока статора и тока

намагничивания. На рис. 10,11 показаны схемы алгоритмов вычисления вектора тока намагничивания и корректировки вектора тока намагничивания.

Начало

Считывание мгнов.знач. 1тп, А V

А<р = 0

Д ч> > о

1т(п+1)=1тп

1ш(п+1)=1тп- (р \

1т(п+1)=1тп+ <р

Корректировка)т

Рис.10. Схема алгоритма вектора тока намагничивания

Начало

Считывание мгнов.знач.

4« if

■.........1.....

: !

\

А<р = О

4(1 > О

:\0)(П И) ' l\(0 ;ДЛ)(л + 1) = йй)-{

¡Дй)(л + |) = Дй) + 0>

Корректировка Д йХ

Рис.11. Схема алгоритма корректировки вектора тока намгничивания.

Увеличение диапазона работы привода с номинальным вращающим моментом можно получить с помощью частотного привода, который позволяет настраивать характеристики U/f. Для режима двигателя диапазона частоты от 30 Гц до 180 Гц и напряжения ± 15 % норминального 380 В при числе полюсов 2 реализуется в программном языке MATLAB.

Как видно из графиков, частотный диапазон работы привода с номинальным моментом на валу АД с короткозамкнутым ротором можно получить с помощью цифрового частотного привода. Графики приведены для режимов двигателя в диапазоне частот от 30 Гц до 180 Гц и изменениях напряжения ± 15 % от номинального 380 В при числе полюсов - 2. Модель реализована в программном пакете MATLAB.

Из графиков видно, что при увеличении частоты от 30 Гц до 180 Гц скорость изменяется более чем в 5 раз, а максимальный вращающий момент не меняется во всем диапазоне частот. Тем не менее, при повышении частоты начальный пусковой момент значительно уменьшается (рис.12,13,14,15). При увеличении напряжения на 15% пусковой момент увеличивается и момент сохраняется постоянным (рис.16).

М>яя

SPEED [rpmj

Рис.12. График момент-скоростной характеристики при 30 Гц.

SPEEDW

Рис.13. График момент-скоростной характеристики при 60 Гц.

о ш т 2700 за» «ос м ш т ш т т мпю SPEED [rpm]

Рис.15. График момент-скоростной характеристики при 180 Гц.

О 550 1200 №30 2400 3003 3600 1'00 «00 5490 5000 о! /200 7800 Ш 5000 SPEED [rpm)

Рис.14. График момент-скоростной характеристики при 120 Гц.

Мчяк

SPEEDМ

Рис. 16. График момент-скоростной характеристики при 60 Гц и 640 В.

Управление двигателем с помощью векторного метода позволяет обеспечива+ь высокий момент даже на низкой скорости и высокую точность поддержания скорости, тем самым обеспечивая требования динамических приложений.

При применении цифровых Методов управления приводам^ двигателей металлообрабатывающих станков снижаются требования к коробкам передач и редукторам, а в некоторых случаях становится возможным применение более простых и дешевых редукторов с одним коэффициентом передачи.

Основные результаты работы

В соответствии с целями и задачами представленной диссертационной работы были получены следующие результаты:

> предложен метод частотного управления АД, обеспечивающий постоянство вращающего момента в заданном диапазоне скоростей, обеспечивающий повышение коэффициента мощности и повышающий эффективность универсального полуавтоматического резьбонарезного станка;

> предложена модель системы управления IOCM с двумя повышающими конверторами, которая позволяет поддерживать постоянный уровень выходного напряжения при различных

нагрузках, уменьшать величину индуктивности и величину пульсаций тока;

> предложена структурная схема системы управления с обратной связью по скорости и току в цифровом виде;

> предложена модель двигателя постоянного тока, которая позволяет обеспечивать оптимизацию цифровых регуляторов по кретериям оптимизации;

> предложен метод цифрового управления АД при различных режимах работы;

> разработана структурная схема системы управления оборудованием резьбонарезного станка;

> разработана функциональная схема электропривода на базе двух микроконтроллеров;

> разработаны алгоритмы управления многопроцессорной системы управлений приводом АД;

> проведено математическое моделирование режимов работы АД с Использованием векторного методов;

> разработаны алгоритмы нахождения сектора для сверхмодуляции (£/ > 0.866 ) на основе ШМ;

> разработана структурная схема частотного управления АД с помощью скалярного метода;

Опубликованные работы по теме диссертации

1. Чжо Ту. Цифровая система управления асинхронным двигателем. 17-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез)гсы докладов. -М.:МИЭТ, 2010. - С.229. Тезисы.

2. Чжо Ту. Моделирование узлов цифровой системы управления асинхронным двигателем в пакете Ма11аЬ. Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы. Международная научная школа для молодежи. - М.:МИЭТ. 2010.

- С.115. Тезисы.

3. Чжо Ту. Привод управления асинхронным двигателем. 18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. -М.:МИЭТ, 2011. - С ,210.Тезисы.

4. Чжо Ту. Метод Анализа Цифровых Приводов Управления. 4-я Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция:

- М.:МИЭТ, 2011. - С .114.Тезисы.

5. Чжо Ту. Система управления для управляемого выпрямителя на тиристорах. XV Международная Телекоммуникационная

Конференция Молодых Ученых и Студентов: В 3-х частях. Ч. 3. М.: НИЯУ МИФИ, 2012 - С ,127.Тезисы.

6. Чжо Ту. Система управления инвертором на основе ПВМ ШИМ. 19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. - М.:МИЭТ, 2012 г., - С. 203 .Тезисы.

7. Чжо Ту. Двигатель постоянного тока в цифровом контуре . Сборник нучных'трудов по материалам, Международной заочной научно-практической конференции 31 мая 2012 г.: в 5 частйх. Чась 1, Йин. Образования и науки Рос. Федерации. Тамбов. Изд-во ТРОО « Бизнес-Наука-Обп1ество». - С.145-149. Статья.

8. Чжо Ту. Микропроцессорное устройство управления модулем двигатёлей постоянного тока. «Естественные и техническиенауки», №4,2012 г., С.279 - 281. Статья ВАК.

9. Чжо Ту. Математическое моделирование двигателя постоянного тока с независимым возбуждением. Проблемы pá3pa60TKH прикладных информационных технология и подготовки ИТ -кйдров: сборник научных трудов, - М.:МИЭТ, 2012, - С.100 -105. Статья.

10. ЧжоТу. Управляемый двухполупериодный выпрямитель напряжения. XVI Международная телекоммуникационная конференця молодых ученых и студентов. Тезисы докладов. В 3-частях. Ч. 3. М,: НИЯУ МИФИ, 2013. - С120-123. Тезисы.

11. Чжо Ту. Система управления двигателем с использованием поле-ориентированного метода. 20-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. «Микроэлектроника и информатика» - 2013,- М.:МИЭТ, 2012,-С.225.Тезисы.

12. Щагин А. В, Чжо Ту, Йе Тун Тэйн. Коррекция коэффициента мощности на IGBT транзисторах в системе управления трехфазным выпрямителем. Научно-технический журнал «Известия Высших Учебных Заведений ЭЛЕТРОНИКА» - 2013, М.:МИЭТ, №3(101), -С.82-86. Статья ВАК.

13. Щагин А. В, Чжо Ту. Система управления скоростью вращения вала асинхронного двигателя с использованием скалярного метода Научно-технический журнал «Известия Высших Учебных Заведений ЭЛЕТРОНИКА» - 2014, №2, М.:МИЭТ, - С.81-85. Статья ВАК.

14. Чжо Ту. Адаптивная система управления моментом асинхронного двигателя. Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике - 2013. 6-я Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция, -М.:МИЭТ, 2013- С.105 Тезисы.

Подписано в печать:

Формат 60x84 1/16. Уч.-изд.л.

Тираж 80 экз. Заказ № ££

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.

124498, г. Москва, г. Зеленоград, проезд 4806, д. 5, МИЭТ