автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка систем векторного управления асинхронными приводами на базе специализированных сигнальных микроконтроллеров

Введение.

Глава 1. Обоснование структуры системы векторного управления асинхронным двигателем и методики её синтеза.

1.1. Математическое описание в относительных единицах.

1.1.1. Обоснование применения относительного представления переменных и параметров.

1.1.2. Выбор системы базовых величин.

1.1.3. Переход от математического описания в физических единицах к математическому описанию в о.е.

1.2 Фазные преобразования переменных.

1.3. Схемы замещения АД.

1.3.1. Схема замещения для динамического режима.

1.3.2. Схема замещения для статического режима.

1.3.3. Г-образная схема замещения.

1.4. Статические механические характеристики АД при различных способах частотного управления.

1.4.1. Принципы частотного управления АД.

1.4.2. Общее выражение электромагнитного момента.

1.4.3. Регулирование скорости с постоянством и3 /1 (вывод уравнений по Гобр. схеме замещения).

1.4.4. Регулирование скорости с постоянством и3 /I ( вывод уравнений по

Т-обр. схеме замещения).

1.4.5. Регулирование скорости с постоянством потокосцепления статора гр

1.4.6. Регулирование скорости с постоянством потокосцепления намагничивания

1.4.7. Регулирование скорости с постоянством потокосцепления ротора "фг

1.4.8. Сравнительный анализ различных принципов частотного управления АД.

1.5. Выбор системы координат для реализации математической модели АД

1.5.1. Общие положения.

1.5.2. Модель АД в координатах (a,ß).

1.5.3. Модель АД в координатах (d,q).

1.5.4. Модель АД в координатах (х,у).

1.5.5. Сравнительный анализ математических моделей АД в различных системах координат.

1.6. Теоретическая структура СВУ АД.

1.7. Синтез регуляторов.

1.8. Вывод уравнений ПМХ при управлении с постоянством грг.

1.9. Моделирование системы векторного управления в среде MATLAB.

1.9.1. Модель теоретической структуры СВУ АД.

1.9.2. Исследование модели.

1.10. Базовая структура СВУ АД.

1.11. Результаты и выводы.

Глава 2. Синтез аппаратных средств для реализации систем векторного управления АД на базе DSP - микроконтроллера.

2.1. Основные требования к архитектуре контроллера для систем векторного управления АД.

2.2. Обзор существующих микроконтроллеров для управления двигателями. Выбор центрального микропроцессора.

2.3. Разработка контроллеров для систем векторного управления асинхронными приводами.

2.3.1. Контроллер МК9.1.

2.3.2. Контроллер МК11.3.

2.4. Результаты и выводы.

Глава 3. Разработка алгоритмов усовершенствованной векторной ШИМ для систем векторного управления.

3.1. Основные принципы векторной ШИМ.

3.1.1. Базовые вектора.

3.1.2. Выходное напряжение инвертора с векторной ШИМ.

3.1.3. Нормирование напряжений и расчёт скважностей базовых векторов.

3.2. Коррекция выходного напряжения инвертора по напряжению звена постоянного тока.

3.3. Блок векторной ШИМ процессора TMS3240F241.

3.3.1. Устройство блока векторной ШИМ.

3.3.2. Алгоритм работы блока формирования вектора.

3.3.3. Приведение рассчитанных скважностей к периоду ШИМ.

3.4. Векторная ШИМ с шестью секторами.

3.5. Определение сектора и скважностей базовых векторов.

3.6. Ограничение вектора заданного напряжения.

3.6.1. Коллинеарное ограничение вектора на уровне максимальной амплитуды синусоидального напряжения.

3.6.2. Коллинеарное ограничение вектора на предельном выходном уровне ПЧ.

3.6.3. Достоинства и недостатки коллинеарного ограничения.

3.6.4. Ограничение вектора на уровне максимальной амплитуды синусоидального напряжения с сохранением величины составляющей их.

3.6.5. Ограничение вектора на предельном выходном уровне ПЧ с сохранением величины составляющей их.

3.6.6. Достоинства и недостатки ограничения с сохранением величины составляющей их.

3.7. Снижение влияния мёртвого времени на выходное напряжение инвертора

3.7.1. Аналитическая оценка влияния мёртвого времени.

3.7.2. Экспериментальная оценка влияния мёртвого времени.

3.7.3. Зоны фазовой нечувствительности.

3.7.4. Способы снижения влияния мёртвого времени.

3.7.3. Векторная ШИМ на базе синусоидальной центрированной ШИМ.

3.7.6. Векторная ШИМ с 12 секторами.

3.7.7. Векторная ШИМ с 12 секторами на базе синусоидальной центрированной ШИМ.

3.7.8. Сравнение различных алгоритмов векторной ШИМ по критерию влияния мёртвого времени на выходное напряжение инвертора.

3.8. Результаты и выводы.

Глава 4. Разработка модульного программного обеспечения СВУ АД.

4.1. Использование модульного принципа организации ПО СВУ АД.

4.2.Модуль векторной ШИМ.

4.3. Модуль определения электрического угла положения ротора.

4.4. Модуль определения электрической скорости.

4.5. Модуль ПИ-регулятора.

4.6. Рекомендации по выбору ИДП.

4.7. Результаты и выводы.

Глава 5. Экспериментальные исследования опытно-промышленных образцов ПЧ с СВУ. Применения.

5.1. Оптимизация базовой структуры системы векторного управления АД.

5.2. Экспериментальные исследования СВУ.

5.2.1. Краткое описание экспериментального стенда.

5.2.2. Результаты экспериментов.

5.3. Разработка системы параметрического поддержания натяжения кабеля

5.3.1. Постановка задачи.

5.3.2. Разработка математического описания системы параметрического поддержания натяжения кабеля.

5.4. Результаты и выводы.

Общеизвестно, что наиболее простыми, надёжными и дешёвыми электродвигателями являются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (АД)*. Однако при всех своих достоинствах АД имеют весомый недостаток - сложность управления. Поэтому, несмотря на их широкое распространение, применялись они преимущественно в нерегулируемых электроприводах (ЭП), либо в ЭП с невысокими требованиями к качеству регулирования. Несмотря на то, что математическая модель АД как объекта управления известна довольно давно (ставшая классической система "Транс-вектор'^ 1] была запатентована ещё в 1969 г.), её практическое воплощение было затруднено ввиду существенной сложности и большого объёма математических вычислений в реальном времени. Следует отметить, что если задача регулирования скорости асинхронного ЭП решалась сравнительно простыми методами с приемлемой точностью, то регулирование момента АД простыми методами практически невозможно. Конечно, такие системы существуют, но они реализуются на аналоговой технике [28], либо на базе цифровых микросхем малой и средней степени интеграции, что позволяет реализовать лишь предельно упрощённые алгоритмы управления моментом, которые позволяют добиться лишь низкого качества регулирования, обуславливает конструктивную громоздкость и ограниченную функциональность таких систем. С развитием микропроцессорной техники с функциями прямого цифрового управления силовыми ключами, а также силовой электроники задача построения точных систем управления скоростью и моментом АД стала реализуемой.

На сегодняшний день в мире выпускается большое количество преобразователей частоты (ПЧ), предназначенных для управления АД. Причём управление осуществляется по различным алгоритмам, включая как самые простые (скалярное управление), так и наиболее сложные и точные (векторное управление, векторное бездатчиковое управление). Однако по понятным причинам эти ПЧ не находят массового применения в отечественной промышленности - они достаточно дороги, их обслуживание Список принятых в диссертации обозначений приведён в приложении 5 также дорого, а обслуживание собственными силами затруднено, либо невозможно, при этом они представляют собой законченные устройства неизменной конфигурации, и, несмотря на наличие микропроцессорной системы управления, программное изменение конфигурации невозможно, алгоритмы управления закрыты от потребителя. Поэтому до сих пор в отечественной промышленности работает большое количество регулируемых ЭП на базе двигателей постоянного тока (ДПТ), которые имеют серьёзные недостатки и жёсткие ограничения по условиям применения. Во всём мире привода на базе ДПТ постепенно вытесняются и заменяются на другие типы приводов, причём многие из них заменяются асинхронным приводом, который на сегодняшнем уровне развития преобразовательной и управляющей микропроцессорной техники ничуть не уступает по качеству регулирования приводу постоянного тока, а зачастую и превосходит его.

Таким образом, на сегодняшний день задача разработки и внедрения качественных систем управления скоростью и моментом асинхронного привода, каковыми являются системы векторного управления, является весьма важной. Отечественная преобразовательная техника уже сделала большой шаг вперёд и в настоящее время уже существуют автономные ПЧ, которые производятся серийно и пригодны для создания систем векторного управления. Среди таких ПЧ можно выделить серию ПЧ "Универсал", разработанных на кафедре АЭП МЭИ [14,15]. Однако серийных ПЧ отечественного производства со встроенными системами векторного управления АД на сегодняшний день не существует. Для реализации систем векторного управления АД требуется разработка аппаратных средств в виде высокопроизводительных контроллеров с микропроцессорным ядром, а также программного обеспечения (ПО), реализующего требуемые алгоритмы управления и модель АД в реальном времени.

Известно большое количество вариантов построения математической модели АД и структур систем векторного управления АД. На сегодняшний день существует большое количество работ, посвящённых данной теме, среди которых можно выделить труды В.И.Ключева [1], Р.Т.Шрейнера [4], А.Д.Поздеева [12], В.А.Мищенко. Математический аппарат для системы векторного управления достаточно проработан, однако он не систематизирован, требует оптимизации и адаптации для реализации на базе специализированных микропроцессоров.

Всё изложенное выше определяет актуальность работы со следующей целью.

Цель работы: Разработка и техническая реализация программно-аппаратных средств для систем векторного управления асинхронным двигателем на базе промышленного ПЧ.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1) Анализ перспективных структур систем векторного управления. Выбор структуры, оптимальной по критерию реализуемости на базе сигнальных микроконтроллеров для управления двигателями.

2) Разработка методики синтеза систем векторного управления асинхронными двигателями.

3) Разработка модели системы векторного управления в среде МАТЬАВ. Проверка методики синтеза.

4) Разработка аппаратных средств систем цифрового векторного управления асинхронным двигателем на базе ПЧ "Универсал".

5) Разработка специальных алгоритмов и программного обеспечения для реализации ШИМ базовых векторов.

6) Разработка алгоритмов и модульной структуры программного обеспечения для систем векторного управления АД.

7) Техническая реализация и экспериментальные исследования разработанной системы управления асинхронным приводом на базе ПЧ "Универсал" мощностью 2,2 кВт и 15 кВт.

Основные результаты работы и сделанные выводы заключаются в следующем.

1. Проанализированы существующие структуры систем векторного управления. В качестве оптимальной для реализации на специализированных микроконтроллерах с функциями прямого цифрового управления двигателями выбрана структура в координатах (х,у) с ориентацией оси "х" по вектору потокосцепления ротора.

2. Аналитическая математическая модель АД и системы управления представлена в o.e. и оптимизирована для реализации на DSP-процессорах.

3. Разработана методика синтеза системы векторного управления, которая позволяет оценить динамические возможности привода как по моменту, так и по скорости при двухзонном регулировании. Рассмотрен математический аппарат определения параметров системы управления АД по справочным данным.

4. Разработана имитационная модель системы векторного управления в среде MATLAB.

5. Разработаны и изготовлены специализированные контроллеры, предоставляющие возможности аппаратной реализации системы векторного управления АД.

6. Предложены варианты технической реализации системы ВУ АД, учитывающие особенности поведения реальных систем, реальную точность системы измерения тока и точность задания параметров. Предложены пути упрощения базовой структуры, позволяющие сохранить достаточную точность регулирования момента и скорости и динамику привода. Разработанная система двухзонного регулирования скорости с контуром тока намагничивания ротора обеспечивает следующие показатели:

- диапазон регулирования момента вниз от номинального DM1 = 4,8

- диапазон регулирования момента вверх от номинального DM2 =4,4

- точность поддержания момента 5М = ±5%

- полоса пропускания по моменту (при постоянном потоке) = 400 Гц

- диапазон регулирования скорости вниз от номинальной (при использовании датчика разрешением 5000 меток/эл.об.) Ош1 = 800

- диапазон регулирования скорости вверх от номинальной

0„)2 = 1,5 5Ш = ± ОД % АОш - 65 Гц

- точность поддержания скорости

- полоса пропускания по скорости

7. Разработана библиотека стандартных программных модулей для систем векторного управления, которая предлагается в качестве основы для реализации различных структур систем векторного управления АД.

8. Предложены и реализованы специальные алгоритмы формирования напряжения посредством векторной ШИМ, позволяющие снизить искажения выходного напряжения инвертора до уровня, приемлемого для использования в быстродействующих замкнутых системах управления.

9. Разработанные программно-аппаратные средства приняты за основу при серийном производстве преобразователей частоты "Универсал" для асинхронных электроприводов с векторным управлением.

Заключение

1. Ключев В.И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1998. - 704 с.

2. Эпштейн И.И. Автоматизированный электропривод переменного тока. М.: Энергоиздат, 1982. - 192 с.

3. Иванов-Смоленский A.B. Электрические машины. М.: Энергия, 1980. - 928 с.

4. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург: УРО РАН, 2000. - 654 с.

5. Линейные электрические цепи (Часть II). В.Н. Казаков, В.В. Каратаев, А.К. Ка-рельцев / Под ред Г.Н. Бельцевича. М.: Изд-во МЭИ, 1992. - 140 с.

6. Козаченко В.Ф. Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам П CHIP NEWS. 1999. - №1. -С. 2 -9.

7. М.Я. Выгодский. Справочник по высшей математике. М.: Изд-во "Наука", 1973. - 872 с.

8. TMS320C24x DSP Controllers. Reference Set. Volume 2: Peripheral Library and Specific Devices. Texas Instruments, 1997. - 390 c. (sprulölb).

9. Implementation of a Speed Field Orientated Control of 3-phase AC Induction Motor using TMS320F240 DSP. Application Report. Texas Instruments, 1998. - 86 c. (spra588)

10. Грибачёв C.A., Козаченко В.Ф. Новые микроконтроллеры фирмы Texas Instruments TMS320x24x для высокопроизводительных систем встроенного управления электроприводами II CHIP NEWS. 1998. - №11 -12. - С.2 - 6

11. Высокопроизводительные встраиваемые системы управления двигателями на базе сигнального микроконтроллера TMS320F241 / Козаченко В.Ф., Обухов H.A., Чу-ев П.В. и др. // CHIP NEWS. 2000. - №5. - С. 29 - 33.

12. Поздеев А.Д. Электромагнитные и электромеханические процессы в частотно-регулируемых асинхронных электроприводах. Чебоксары, Изд-во Чувашского унта, 1998.- 172 с.

13. AC Induction Motor Control Using Constant V/Hz Principle and Space Vextor PWM Technique with TMS320C240. Texas Instruments, - 1998. 132 c. (spra284a).

14. Остриров B.H. и др. Преобразователи для асинхронных частотно-регулируемых приводов широкого применения // Приводная техника. 1997. - № 2. -С.15 -17.

15. Козаченко В.Ф. и др. Комплект аппаратно-программных средств для встраиваемых систем прямого цифрового управления электроприводами на базе микроконтроллера Intel 8хс196МН // CHIP NEWS. 1999. - №1. - С. 24 - 32.

16. TMS320C24x DSP Controllers. Reference Set. Volume 1: CPU, System, and Instruction Set. Texas Instruments, 1997 - 453 c. (sprul60b).

17. Козаченко В.Ф., Соловьёв A.H. Новые DSP-микроконтроллеры фирмы "Analog Devices" ADMC300/330 для высокопроизводительных систем векторного управления электроприводами переменного тока // CHIP NEWS. 1998 - №5. - с. 16-21.

18. Темирев А.П., Козаченко В.Ф., Обухов H.A., Анучин A.C., Трофимов С.А. Контроллеры МК11.3 для высокопроизводительных систем прямого цифрового управления двигателями // CHIP NEWS. 2002. - №4. - С. 24 - 30.

19. Соловьёв A.A., Веселов М.В. Семейство DSP микроконтроллеров фирмы Analog Devices для встроенных систем управления двигателями // CHIP NEWS. -1999.-№1,-С. 17-23.

20. Ильинский Н.Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода. М.: Энерго-атомиздат, 1992. - 544 с.

21. Гусяцкий Ю.М., Жуков С.В. Алгоритмы и структуры микропроцессорных систем управления асинхронным электроприводом // Электричество. 1990. - №12. - С. 25 - 33.

22. Mitsubishi 3rd Generation IGBT and Intelligent Power Modules. Application Manual. 1996. 86 c.

23. Obtaining Absolute Encoder Position on a TMS320C240. Application Brief. -Texas Instruments 1997 - 15 c. (spra279)

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

25. Поздеев Д.А., Хрещатая С.А. Частотное управление асинхронным электроприводом с поддержанием постоянства потокосцепления ротора // Электротехника. -2000. -№10. С.38 - 41.

26. Асинхронные двигатели серии 4А. Справочник / А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболенская М. Энергоиздат, 1982. - 504 с.

27. Чернов Е.А. Станочные электроприводы переменного тока. М.: Вираж-Центр, 1997.-232 с.