автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка системы управления многофазного вентильно-индукторного привода с промежуточным регулируемым звеном постоянного тока

На правах рукописи

АНУЧИН АЛЕКСЕИ СЕРГЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОФАЗНОГО ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ПРИВОДА С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ РЕГУЛИРУЕМЫМ ЗВЕНОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Специальность 05.09.03 — электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2004

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированный электропривод» Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент Козаченко Владимир Филиппович доктор технических наук, профессор Тарасов Владимир Николаевич; кандидат технических наук, доцент Красовский Александр Борисович ФГУП Всероссийский Электротехнический Институт им. В.ИЛенина

Защита диссертации состоится 04 июня 2004 года в 14 час. 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 13, корп. М.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим отправлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан « »

200 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02 к.т.н., доцент

Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящий момент все большую популярность приобретает относительно новый тип электропривода — вен-тильно-индукторный привод (ВИП). Этот электропривод имеет большое количество, как сторонников, так и противников.

Вентильно-индукторные двигатели (ВИД) разделяют на три типа: с самовозбуждением, с независимым возбуждением и магнитоэлектрические. В данной работе будет рассмотрен только ВИД с самовозбуждением.

В качестве основных преимуществ ВИП упоминают: высокую надежность двигателя, высокую удельную мощность, высокий КПД. В качестве недостатков: высокие шумы, отсутствие адаптированной мелкосерийной силовой элементной базы.

Высокая надежность ВИП относится скорее к двигателю, имеющему простую конструкцию (отсутствие обмоток на роторе, щеточных узлов). Наличие обязательного электрического преобразователя уменьшает надежность привода в целом. То есть ВИД не может работать с неисправным электрическим преобразователем. Однако следует заметить, что при выходе из строя единичного силового элемента, ВИП может функционировать с пониженной относительно номинальной мощностью, работая на исправных фазах. Это относится только к многофазным двигателям с числом фаз 5 и более.

Говорить о преимуществе высокой удельной мощности бессмысленно, не рассматривая удельную мощность силового преобразователя. Из-за отсутствия готовых решений в области силовой полупроводниковой техники (исключение могут составлять привода, разработанные крупными фирмами, например, для стиральных, машин), электронный коммутатор выполняется на стандартной элементной базе. Это приводит к двойному резервированию элементов, так как стандартным силовым элементом является одна стойка — два последовательных транзистора с обратными диодами и выведенной средней точкой, а питание фазы двигателя необходимо производить от несимметричного моста. Также следует учесть, что двигатель, работающий в режиме одиночной коммутации, требует повышенных вольтамперных показателей ключей. Фактически вся мощность за интервал коммутации передается на вал через одну фазу, поэтому тради-

1Р0С. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

ционные двигатели, требующие синусоидального питания, лучше используют возможности электронных коммутаторов.

Высокий КПД ВИП обычно рассматривается в номинальном режиме при отсутствии токоограничения в фазах. На пониженных скоростях ток в фазе ограничивается с помощью релейного или широтно-импульсного регулирования, что вызывает дополнительные потери на гистерезис и вихревые токи.

Присущий ВИП высокий шум возникает из-за повышенных пульсаций момента, достигающих 100% в зависимости от способа управления. Понизить шум можно, добившись постоянного момента. Так как момент является функцией тока и положения, то обеспечить постоянство момента можно за счет управления токами фаз, тем более что и силовой коммутатор, и микропроцессорная система управления, способная выполнять эти задачи, присутствуют в системе.

В настоящее время появился необходимый спектр силовой электроники ориентированной для использования в ВИП, однако пока еще в области интеллектуальных самозащищенных ключей царит вакуум.

Таким образом, можно заключить, что ВИП является динамично-развивающимся типом электропривода. Его нельзя рассматривать как панацею. Поэтому необходимо проводить комплексный анализ всего привода или даже всей энергоустановки в целом для принятия решения об использовании того или иного типа привода.

В работе, представляемой автором, рассмотрен один из вариантов реализации ВИП с большим числом фаз. Реализация большого числа фаз позволяет снизить пульсации момента и получить хорошие виброшумовые и вибро-акустические характеристики.

В работе рассмотрены электропривода диапазона мощностей от 1,1 до 32,5 кВт, имеющие 5 или 6 фаз и КПД до 90% при отсутствии токоогра-ничения в фазах. Питание приводов осуществляется от нестабилизирован-ной сети постоянного тока, напряжение которой может изменяться в широких пределах.

Система управления ВИД должна решать дополнительно задачи защиты и диагностики привода, вырабатывать и принимать сигналы управления внешней автоматики.

Актуальность задачи состоит в том, что подобный тип источника питания используется в мобильных объектах (транспорт, надводный и под-

водный флот), где импортозамещение невозможно, и необходимо иметь отечественный привод, способный работать с высоким КПД, низким уровнем шумов и вибраций.

Все выше отмеченное определяет актуальность работы. Цель диссертационной работы - создание унифицированной системы управления для серии пяти- и шестифазных ВИП с промежуточным регулируемым звеном постоянного тока для ряда мощностей от 1,1 до 32,5 кВт.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:

1. Обоснование и разработка структуры системы управления вентильно-индукторным приводом с промежуточным регулируемым звеном постоянного тока.

2. Разработка математического, алгоритмического и программного обеспечения узлов системы управления:

регулятора DCDC-преобразователя напряжения; S измерителя скорости Я положения.

3. Разработка методов повышения надежности привода за счет:

IS средств автоматизированного тестирования контроллеров системы управления; S автоматизации процесса настройки привода; S средств диагностики состояния привода в процессе эксплуатации; S специальных мер борьбы с электромагнитными помехами. Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовалась как теоретическая литература, так и техническая информация, взятая, в основном, из зарубежных источников: каталоги, технические данные устройств, руководства по их применению, Интернет-ресурсы, а также ряд оригинальных переводных работ, применяемых для учебных целей. Моделирование проводилось в среде Simulink пакета Matlab и на языке высокого уровня C++ Builder для имитационных моделей. Отработка программных алгоритмов проводилась на макетных и опытно-промышленных образцах вентильно-индукторных приводов с использованием соответствующих фирменных аппаратно-программных средств отладки.

Обоснованность н достоверность научных положений и выводов.

Справедливость теоретических выводов и практических рекомендаций подтверждена хорошим совпадением теоретических и экспериментальных данных.

Научная новизна работы заключается в следующем: ^ на основе анализа существующих структур систем управления ВИП предложена оригинальная структура с адаптивным регулятором скорости привода и отсечкой по моменту, реализуемая для приводов с регулируемым преобразователем в звене постоянного тока; проанализирована структура преобразователя постоянного тока и синтезированы непрерывные передаточные функции преобразователя, для которых синтезирован робастный адаптивный двухконтурный регулятор напряжения;

^ для дискретных датчиков положения любой фазности предложены алгоритмы определения скорости и экстраполяции положения для коммутации фаз двигателя с высокой угловой точностью, что позволяет при" ■ ближать форму тока в фазе к расчетному закону для систем векторного управления;

^ на основе анализа способов борьбы с коммутационными помехами силовой части преобразователя предложены алгоритмы работы с аналого-цифровым преобразователем, позволяющие исключить влияние помех на измерения в приводах с регулируемым звеном постоянного тока; ^ разработана методика проверки работоспособности системы управления и преобразователей для ВИП при заводском тестировании и при вводе в эксплуатацию, а так же система самодиагностики привода в процессе работы.

Основные практические результаты диссертации состоят в разработке программного обеспечения, состоящего из систем управления пяти- и шестифазных ВИП, системы настройки и тестирования преобразователя в составе двигателя и алгоритмов управления целым рядом технологического оборудования. Кроме того, произведена разработка стенда тестирования и проверки работоспособности контроллеров системы управления ВИП. Произведена пусконаладка и ввод в эксплуатацию серии приводов мощностью от 1,1 до 32,5 кВт (всего 40 приводов), позволяющая сде-

лать вывод об эффективности системы диагностики (акт о внедрении прилагается).

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на заседании кафедры «Автоматизированный электропривод» Московского энергетического института (технического университета).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 6 печатных работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения; количество страниц 195, иллюстраций 97, число наименований использованной литературы 25 на 3 страницах, приложений 7 на46стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и необходимость создания системы управления для объектов с бортовой нестабилизированной питающей сетью постоянного тока. Сформулированы цель и задачи исследований, дана общая характеристика работы.

В первой главе проведен анализ существующего вентильно-индукторного двигателя (рис.1) и способа управления им, силового преобразователя (рис.2) и способа управления преобразователем постоянного напряжения (DCDC-преобразователем) и обоснован выбор в качестве управляющего микроконтроллера TMS320LF2407A фирмы Texas Instruments.

Построены механические характеристики ВИП при регулировании напряжением и показано, что они близки к характеристикам двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением (рис.3). Выявлены требования к коммутатору фаз двигателя.

Предложена непротиворечивая система базовых величин, где базовой мощностью считается номинальная выходная мощность на валу двигателя, базовая скорость равна номинальной скорости двигателя, базовое напряжение - напряжению инвертора необходимому для поддержания номинальной скорости при номинальной нагрузке на валу. За базовый ток взято отношение номинальной мощности к номинальному напряжению.

Рис.3

Проанализированы существующие структуры систем управления, приведены сравнения достоинств и недостатков при работе с дискретным датчиком положения. Основная проблема связана с тем, что скорость определяется только с определенного значения, так как она измеряется по времени между заданными фронтами сигналов датчика. Соответственно, в начальный момент времени система оказывается разомкнутой. Второе ограничение на классические структуры связано с ограничением ускорения двигателя. Регулятор скорости не должен выдавать большее задание, чем может реализовать привод без токоограничения в фазах, так как в противном случае произойдет изменение формы токов от расчетных, что повлечет за собой ухудшение вибро-шумовых и вибро-акустических характеристик. Поэтому автором была предложена структура, в которой ПИ-регулятор скорости ограничен по выходу, а его выход подается на релейное звено с зоной нечувствительности, интегрируется и суммируется с выходом регулятора скорости (в структурной схеме блок обозначен как РИВРС - релейный интегратор выхода регулятора скорости). Полученная структура адаптивного регулятора скорости была дополнена блоком вычисления момента двигателя, который в случае превышения момента заданной уставки, размыкает структуру и уменьшает задание скорости (рис.4). Расчет момента ведется по значению входной мощности преобра-

зователя, за вычетом потерь (которые считаются постоянными) разделенной на текущую скорость привода.

Структурная схема системы управления с адаптивным регулятором скорости показана на рис.5 (ПИРС - ПИ-регулятор скорости, РН — регулятор напряжения, ДН - датчик напряжения, ИУК - интерполятор углов коммутаций, БК - блок коммутаций, ДПР - датчик положения ротора, ИСиП - измеритель скорости и положения).

(-) з

п S

delta п

ПИРС

1=5

РИВРС

ДН

и_вх

gammal

Udcjn

РН

даттаЗ^

DC/DC

и вых

п иэм

fi иэм

ИУК БК

inv state

1Мс 01Л

ДН

—Г~

Inverter

токи фаз

ВИД

fi иэм

п изм

ИСиП

сигналы датчика

ДПР

Рис.5.

Пуск на двухмассовую систему был промоделирован в среде MatLab и показал наилучшее качество переходных процессов (рис 6). На практике предложенный адаптивный регулятор показал следующие достоинства: ^ «легкий» пуск на многомассовую нагрузку (компрессор холодильной машины 32,5 кВт);

^ работоспособность на холостом ходу и при полной нагрузке без перестройки коэффициентов регулятора; V' отсутствие больших динамических нагрузок;

■/ отсутствует необходимость реализации времятоковой защиты (привод уменьшает обороты и не допускает перегрузки);

^ высокая робастность (для приводов всей серии потребовалась только перенастройка постоянной времени РИВРС для определения времени пуска).

В качестве недостатков можно указать: ^ различное время пуска на холостом ходу и под нагрузкой (решается установкой задатчика интенсивности);

S быстродействие далеко от предельного (для разрабатываемой серии не актуально).

Для предложенной структуры был проведен анализ требуемых аппаратных и программных ресурсов: приведено распределение периферийных устройств микроконтроллера и обозначены связи микроконтроллера с преобразователем, датчиком положения ротора, интерфейсами пользователя; произведено распределение программных задач по прерывания микроконтроллера, обоснованы приоритеты прерываний.

Во второй главе проведена разработка алгоритмов блоков системы управления.

Рассмотрен вопрос управления DCDC-преобразователем напряжения путем имитационного моделирования в программе, написанной на языке высокого уровня C++ Builder, так как аналогичная модель в среде Simulink пакета MatLab оказалась менее удобна с точки зрения скорости производимых вычислений и представления конечных результатов. Модель была написана по уравнениям идеального преобразователя напряжения (таблица 1). Для удобства было введено понятие скважности управления, которая может изменяться от 0 до 2 (от 0 до 1 - в понижающем режиме; от 1 до 2 в повышающем).

Таблица 1

Понижение Повышение •

Понижающий ключ включен Повышающий ключ включен

\diL_Um-UM dt L du™ _ h -hood dt С л ■ dt L _ - iload dt С

Понижающий ключ выключен Повышающий ключ выключен

¿h__ЧлSL dt L dUOU, _ h ~hood [ dt С 1 di,_U,n-Uoul dt L dU0U, _ 4 ~ hood dt С

Промоделированы одноконтурные регуляторы напряжения (в том числе работающие в настоящий момент в составе системы управления) и показано, что добиться качественных переходных процессов в таких системах невозможно, так как при импульсных изменениях параметров системы (например входного напряжения преобразователя или нагрузки) возникает неконтролируемый процесс изменения тока дросселя преобразова-

теля и неконтролируемо изменяется выходное напряжение. По результатам исследования был сделан вывод о необходимости создания двухконтурной системы управления, включающей в себя контур тока дросселя и контур напряжения.

Были синтезированы непрерывные передаточные функции преобразователя методом суммирования приращений величин за интервалы включения и отключения ключей. Для контуров были синтезированы регуляторы тока и напряжения, как для понижающего (1, 3) так и для повышающего режима (2,4). Получены П-регуляторы для всех контуров:

Показано, что для контуров тока необходимо введение блоков компенсации ЭДС преобразователя. Приведены структуры контуров с блоками компенсации ЭДС для режима понижения напряжения (рис.7 верх) и повышения (рис.7 низ) и результаты моделирования.

У

-^о—> РТ

о

и„

1

Тсотр +1

ел.

г

Ьр

1

•5

Показано, что неточное измерение значений напряжений входа и выхода преобразователя может привести к недо- или перекомпенсации

ЭДС, поэтому было предложено ввести регулятор коррекции блоков компенсации (рис.8), который является самонастраивающейся системой анализирующей рассогласование на входе регулятора тока.

Так как преобразователь резко меняет коэффициент усиления по току при переходе в режим прерывистого тока дросселя, то были выведены уравнения предельных скважностей, при которых происходит смена режима прерывистого и непрерывного тока, для понижения напряжения:

и повышения:

Предложен алгоритм управления в режиме прерывистого тока по предельным скважностям и правила идентификации перехода между режимами.

Результаты экспериментальных исследований показали высокую степень адекватности модели и работоспособность законов управления, как в режиме непрерывного тока (рис.9.а,б), так и в режиме прерывистого (рис.9.в). Система регулирования оказалась нечувствительна к изменению входного напряжения преобразователя (рис.9.г). На рис.9.а показан пуск регулятора при неправильной настройке коэффициентов датчиков напряжений. Во время работы регулятор коррекции блока компенсации ЭДС произвел настройку на параметры объекта и при повторном пуске (рис.9.б) переходный процесс регулирования оказался идентичным теоретическому.

В электроприводах всего диапазона мощностей было принято решение использовать индуктивные датчики положения ротора двигателя. Датчик состоит из профилированного пассивного ротора, устанавливаемого на ротор двигателя, статора с тремя или пятью индуктивными элементами и платы обработки сигналов ДПР, которая, в свою очередь, состоит из высо-

кочастотного модулятора, демодулятора и каналов сравнения с регулируемым уровнем переключения и гистерезисом (рис. 10)

Рис.10.

Реализован измеритель скорости, конфигурируемый для любого типа датчиков таблично, вычисляющий скорость по временному интервалу между заданными фронтами сигряттпп ттятчига;

= (7)

где Тп — время между фронтами сигнала датчика положения при условии вращения привода на номинальной скорости (Rated Speed).

Показано, что измерение скорости можно производить только по одному из фронтов одного сигнала, так как погрешности датчика связанные с разбросом фронтов сигналов разных фаз не позволяют производить измерение другим способом.

Экстраполяция положения производится по измеренной скорости и времени, прошедшему с момента прихода последнего фронта сигнала:

Реализованы алгоритмы ограничения угла на границе 360 эл. градусов для случаев измеренной скорости больше и меньше реальной, с целью обеспечения достоверной коммутации фаз двигателя. При неопределенной скорости разработанный измеритель положения выдает угловое положение по дискретному сигналу ДПР, проверяет правильность чередования фронтов и фиксирует аварии по нелегальному состоянию сигналов ДПР на случай обрывов сигнальных проводов ДПР.

Разработанный измеритель скорости показал высокую точность измерения - 0,1% от номинала, а измеритель положения позволил производить коммутацию фазы с точностью до 1 эл. градуса.

Далее рассмотрен вопрос преобразования электрических величин снимаемых с АЦП в относительные единицы для системы управления. Разработан алгоритм расчета среднеквадратичного тока фазы двигателя, реализованный для определения перекосов фаз, организации времятоковых защит. Алгоритм оптимизирован на максимальное быстродействие в прерывании, а ресурсоемкие вычисления вынесены в фоновую программу.

Рассмотрен вопрос подключения периферийных устройств (пульт управления и технологическое оборудование, подключенное через платы релейного ввода/вывода) по последовательному синхронному интерфейсу. Интерфейс не имеет возможностей по коррекции ошибок, поэтому был реализован интегральный фильтр с широкой зоной гистерезиса для фильтрации вводимых данных. Передаваемые во вне данные не проходят коррекцию, однако они передаются через контакты реле, поэтому, при частоте обновления выдаваемых данных выше частоты срабатывания реле, можно считать информацию, отображаемую на контактах реле, достоверной. На практике система фильтрации показала свою работоспособность даже в

условиях сильных помех и повышенной длины соединительных проводов, когда по причине сбоев приема/передачи состояние индикации на пульте оперативного управления не просматривалось.

Рассмотрен вопрос синтеза структуры ПИ-регулятора скорости привода с оптимизацией по форматам переменных с целью оптимизации скорости расчета и адаптации под систему команд используемого микроконтроллера. Структурная схема регулятора показана на рис.11.

Рис.П.

В третьей главе рассмотрен вопрос борьбы с коммутационными помехами, воздействующими на аналоговые измерения. Возникающие помехи от преобразователя, связанные с конструктивными особенностями силовой части, вносили до 50% погрешности в измерительные каналы, если момент оцифровки данных АЦП совпадал с моментом коммутации. Были проанализированы возможные источники помехи и установлено, что основная составляющая формируется DCDC-преобразователем. Рис.12.а показывает напряжение на понижающем ключе DCDC-преобразователя в моменты включения и отключения, а на рис. 12.б изображена осциллограмма тока дросселя DCDC-преобразователя с наложенными помехами коммутирующихся ключей. Наибольшее влияние оказывает момент включения понижающего ключа DCDC, существенно меньшее влияние оказывает момент отключения и моменты коммутации фаз инверторной части силового блока.

Предложены и реализованы алгоритмы отстройки интервала преобразования АЦП от момента коммутации ключей преобразователя (рис. 13).

Проверено, что время преобразования каналов АЦП укладывается в отводимый интервал между коммутационными помехами.

В четвертой главе рассмотрены вопросы повышения надежности привода и системы управления. Рассмотрен вопрос тестирования контроллера системы управления в составе разработанного стенда (подробно разработка стенда ведется в приложении 5), так как в условиях малых партий и поверхностного монтажа более 300 планарных элементов контроллера выход годных изделий не превышает 70%. Разработанный стенд позволил обнаружить все производственные неисправности, и на данный момент не выявлено ни одной неисправности, которую стенд не обнаружил.

Рассмотрен вопрос тестирования преобразователя и двигателя. Разработаны и реализованы алгоритмы определения исправности ключей DCDC-преобразователя, фазных ключей инвертора, датчиков входного и выходного напряжения, датчиков тока фаз двигателя, датчика положения ротора и его фазировки.

Предложенные алгоритмы представляют собой последовательный набор тестов, по результатам выполнения отдельных шагов которых, вы-

носится решение об исправности или отказе оборудования. Примеры алгоритмов проверки работоспособности понижающего ключа DCDC-преобразователя и фазы двигателя представлены на рис. 14.

Рис.14.

Разработанная методика тестирования позволила выявить все производственные неисправности преобразователей и успешно применялась при проведении пусконаладочных работ.

Рассмотрен вопрос построения программных защит преобразователя и двигателя. Реализованы максимальнотоковые и времятоковые защиты, защиты по максимальной скорости, напряжению на входе и выходе, защиты по обрыву и перекосу нагрузки, защиты с аппаратных источников и по перенапряжению на входе преобразователя. Анализируется состояние датчика положения ротора с целью защиты от полного или частичного обрыва этой связи. Разработаны защиты для внешнего технологического оборудования.

Всего реализовано более 50 защит преобразователя и двигателя, о качестве реализации которых можно судить по тому факту, что на настоящий момент не спровоцировано ни одного выхода из строя двигателя или преобразователя по вине неправильной работы защиты.

В заключении обобщены основные результаты работы.

В приложении приведены: ^ алгоритм реализации имитационной модели DCDC-преобразователя методом Эйлера для языка высокого уровня;

^ осциллограммы работы БСБС-преобразователя с одноконтурным регулятором, используемым в настоящее время в составе оборудования и осциллограммы работы аналогичного преобразователя с двухконтурной системой регулирования, на примерах осциллограмм показаны различия структур на качественном уровне;

^ реализация алгоритмов измерения скорости и положения для микроконтроллеров ТМ8320х24хх с фрагментами программ, приведен пример расчета конструктивных коэффициентов для используемого датчика;

^ реализация ПИ-регулятора для микроконтроллеров ТМ8320х24хх с фрагментами программ;

^ синтез схемотехнического решения стенда тестирования и проверки работоспособности контроллеров МК11.3;

^ результаты экспериментальных исследований привода на примере осциллограмм фазных токов для различных скоростей вращения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В работе получены следующие основные результаты:

1. Произведен анализ существующих структур систем управления ВИП с регулируемым промежуточным звеном постоянного тока, проанализированы их достоинства и недостатки и предложена оригинальная структура системы управления с адаптивным регулятором скорости привода и отсечкой по моменту.

2. Для DCDC-преобразователя напряжения разработаны алгоритмы управления с предельным быстродействием и соответствующее ПО. Система управления является адаптивной и функционирует как в режиме непрерывного, так и прерывистого тока дросселя.

3. Реализован измеритель скорости и положения, позволяющий производить экстраполяцию угла положения ротора двигателя с высокой точностью и производить коммутацию фаз инвертора в соответствии с оптимальным управлением, близким к векторному.

4. Разработан программно-аппаратный комплекс обеспечения высокой надежности привода, включающий в себя средства автоматизированного тестирования системы управления, силовой части и датчиков, настройки привода при вводе в эксплуатацию, защиты от электромагнитных помех и аварийных ситуаций.

Результаты работы переносимы на любой класс приводов, питание которых осуществляется от бортовой нестабилизированной сети постоянного тока.

Результаты работы используются в учебном процессе в курсе «Микропроцессорные системы в электроприводе», а также при переподготовке специалистов промышленности.

»-769$

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Анучин А. С Реализация на микроконтроллере TMS320x24xx ПИ-регулятора повышенной точности для электропривода/Труды МЭИ. Электропривод и системы управления - 2002. - Вып.678. - С.42-48

2. Анучин А.С, Арискина Л.В. Синтез двухконтурной системы управления DCDC-преобразователя напряжения в режиме непрерывного тока для приводов с регулируемым промежуточным звеном постоянного то-ка//Труды МЭИ. Электропривод и системы управления - 2002. -Вып.679.-С.52-65

3. Анучин А.С, Козаченко В.Ф. Архитектура и программирование DSP-микроконтроллеров TMS320X24XX для управления двигателями в среде CODE COMPOSER. Лабораторный практикум. - М.: Изд-во МЭИ, 2003. -96 с.

4. Козаченко В.Ф., Дианов А.Н., Анучин А.С, Кайо Ю. Стенд для автоматизированного тестирования контроллеров МК И.Х//Труды МЭИ. Электропривод и системы управления - 2002.- Вып.678. - С.33-41

5. Козаченко В.Ф., Обухов Н.А., Анучин А.С, Жарков А.А. Модульная микроконтроллерная система управления для отечественной серии преобразователей частоты «Универсал»// Труды V Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение» МКЭЭЭ-2003.4.1. Крым, -2003. с. 725-726.

6. Темирев А., Козаченко В., Обухов Н., Анучин А., Трофимов С, Никифоров Б., Банков В. Контроллеры МК11.3 для высокопроизводительных систем прямого цифрового управления двигателями//СН1Р NEWS. - 2002. - №4(67). - С.24-30

Печ. л.

Тираж

Заказ

U

¡л

'С

Введение.

Глава 1. Обоснование и разработка стуктуры системы управления вентильно-индукторным приводом с промежуточным звеном постоянного тока.

1.1. Вентильно-индукторный двигатель как объект управления.

1.2. Структура посторения силового преобразователя и информационных цепей.

1.3. Требования к микропроцессорной системе управления.

1.4. Обоснование базовой структуры системы управления.

1.4.1. Механические характеристики ВИЛ.

1.4.2. Требования к коммутатору фаз.

1.4.3. Выбор системы базовых величин.

1.4.4. Выбор структуры регулятора скорости.

1.5. Построение программного обеспечения системы управления.

1.5.1. Подключение устройств к микроконтроллеру.

1.5.2. Задачи системы управления.

1.5.3. Распределение программных ресурсов микроконтроллера.

Выводы по главе.

Глава 2. Разработка алгоритмов основных узлов системы управления.

2.1. Синтез и моделирование регулятора напряжения промежуточного звена постоянного тока.

2.1.1. Математическая модель идеального преобразователя напряжения.

2.1.2. Моделирование одноконтурных регуляторов напряжения.

2.1.3. Синтез и моделирование двухконтурной системы управления для режима непрерывного тока.

2.1.4. Оценка чувствительности системы к измерению электрических величин.

2.1.5. Работа преобразователя и управление им в режиме прерывистого тока дросселя.

2.2. Измерение скорости и положения.

2.2.1. Основные требования к измерителю скорости и положения.

2.2.2. Реализация измерителя скорости.

2.2.3. Реализация измерителя положения.

2.3. Измерение электрических параметров привода.

2.4. Построение интерфейсных модулей программного обеспечения.

2.5. Разработка ПИ-регулятора повышенной точности.

2.5.1. Схемы классического ПИ-регулятора в цифровой системе.

2.5.2. Программная реализация ПИ-регулятора на TMS320x24xx.

Выводы по главе.

Глава 3. Методы борьбы с коммутационными помехами по аналоговым цепям системы управления.

Выводы по главе.

Глава 4. Разработка методик тестирования, настройки и защиты системы управления и привода.

4.1. Разработка стенда тестирования микроконтроллеров системы управления.

4.2. Методика тестирования преобразователя и привода.

4.3. Построение системы программных защит преобразователя.

Выводы по главе.

В настоящий момент все большую популярность приобретает относительно новый тип электропривода — вентильно-индукторный привод (ВИП). Этот электропривод имеет большое количество, как сторонников, так и противников.

Вентильно-индукторные двигатели (ВИД) разделяют на три типа с самовозбуждением, с независимым возбуждением и магнитоэлектрические. В данной работе будет рассмотрен только ВИД с самовозбуждением.

В качестве основных преимуществ ВИП упоминают: высокую надежность двигателя, высокую удельную мощность, высокий КПД. В качестве недостатков: высокие шумы, отсутствие адаптированной мелкосерийной силовой элементной базы.

Высокая надежность ВИП относится скорее к двигателю, имеющему простую конструкцию (отсутствие обмоток на роторе, щеточных узлов). Наличие обязательного электрического преобразователя уменьшает надежность привода в целом. То есть ВИД не может работать с неисправным электрическим преобразователем. Однако следует заметить, что при выходе из строя единичного силового элемента, ВИП может функционировать с пониженной относительно номинальной мощностью, работая на исправных фазах. Это относится только к многофазным двигателям с числом фаз 5 и более.

Говорить о преимуществе высокой удельной мощности бессмысленно, не рассматривая удельную мощность силового преобразователя. Из-за отсутствия готовых решений в области силовой полупроводниковой техники (исключение могут составлять привода, разработанные крупными фирмами, например, для стиральных машин), электронный коммутатор выполняется на стандартной элементной базе. Это приводит к двойному резервированию элементов, так как стандартным силовым элементом является одна стойка — два последовательных транзистора с обратными диодами и выведенной средней точкой, а питание фазы двигателя необходимо производить от несимметричного моста. Также следует учесть, что двигатель, работающий в режиме одиночной коммутации, требует повышенных вольтамперных показателей ключей. Фактически вся мощность за интервал коммутации передается на вал через одну фазу, поэтому традиционные двигатели, требующие синусоидальное питание лучше используют возможности электронных коммутаторов [13].

Высокий КПД ВИЛ обычно рассматривается в номинальном режиме при отсутствии токоограничения в фазах. На пониженных скоростях ток в фазе ограничивается с помощью релейного или широтно-импульсного регулирования, что вызывает дополнительные потери на гистерезис и вихревые токи.

Присущий ВИП высокий шум возникает из-за повышенных пульсаций момента, достигающих 100% в зависимости от способа управления. Понизить шум можно, добившись постоянного момента [4, 12, 14, 24, 25]. Так как момент является функцией тока и положения, то обеспечить постоянство момента можно за счет управления токами фаз, тем более что и силовой коммутатор, и микропроцессорная система управления, способная выполнять эти задачи, присутствуют в системе.

В настоящее время появился необходимый спектр силовой электроники ориентированной для использования в ВИП, однако пока еще в области интеллектуальных самозащищенных ключей царит вакуум.

Автор сознательно не упоминает в качестве недостатков необходимость в датчике положения ротора, так как в настоящее время существуют наблюдатели положения, реализуемые на микропроцессорном уровне [4].

Таким образом, можно заключить, что ВИП является динамично-развивающимся типом электропривода. Его нельзя рассматривать как панацею. Поэтому необходимо проводить комплексный анализ всего привода или даже всей энергоустановки в целом для принятия решения об использовании того или иного типа привода.

В работе, представляемой автором, рассмотрен один из вариантов реализации ВИЛ с большим числом фаз. Реализация большого числа фаз позволяет снизить пульсации момента и получить хорошие вибро-шумовые и вибро-акустические характеристики.

В работе рассмотрены электропривода диапазона мощностей от 1,1 до 32,5 кВт, имеющие 5 или 6 фаз и КПД до 96% при отсутствии токоограничения в фазах. Питание приводов осуществляется от бортовой нестабилизированной сети постоянного тока, напряжение которой может изменяться в широких пределах.

Помимо управления ВИД система управления должна решать задачи защиты и диагностики привода, вырабатывать и принимать сигналы управления внешней автоматики.

Актуальность задачи состоит в том, что подобный тип источника питания используется в мобильных объектах (транспорт, надводный и подводный флот), где импортозамещение невозможно, и необходимо иметь отечественный привод, способный работать с высоким КПД, низким уровнем шумов и вибраций.

Цель данной работы:

Создание унифицированной системы управления для серии пяти- и шестифаз-ных ВИП с промежуточным регулируемым звеном постоянного тока для ряда мощностей 1.1,3, 5.5,17.5, 21, 25, 32.5 кВт.

Для достижения цели в диссертации поставлены следующие основные задачи:

1. Обоснование и разработка структуры системы управления вентильно-индукторным приводом с промежуточным регулируемым звеном постоянного тока.

2. Разработка математического обеспечения, алгоритмов и программного обеспечения узлов системы управления: регулятора ОСОС-преобразователя напряжения; измерителя скорости и положения.

3. Разработка методов повышения надежности привода за счет: средств автоматизированного тестирования контроллеров системы управления; автоматизации процесса настройки привода; средств диагностики состояния привода в процессе эксплуатации; специальных мер борьбы с электромагнитными помехами.

Для решения поставленных задач в первой главе произведен анализ характеристик ВИП при регулировании напряжения питания. Рассмотрены вопросы построения силового преобразователя и обоснован выбор контроллера системы управления. Выбрана система базовых величин для реализации структуры системы управления в относительных единицах. Проанализированы существующие структуры и предложена оригинальная структура регулятора скорости системы управления. Произведено распределение программных и аппаратных ресурсов микроконтроллера системы управления.

Во второй главе разработана математическая имитационная модель ОСОС-преобразователя напряжения. Произведено моделирование одноконтурных регуляторов напряжения. Произведен синтез двухконтурной системы управления ОСИС-преобразователем методом последовательной и параллельной коррекции и вводится адаптивный регулятор коррекции измерений, осуществляющий подстройку системы управления под параметры объекта. Выполнена разработка измерителя скорости и экстраполятора положения вала двигателя. Предложен способ перевода измерений, получаемых с АЦП, в относительные единицы системы управления. Разработаны алгоритмы фильтрации данных с устройств внешней автоматики и оперативного управления, подключенных через последовательный периферийный интерфейс. Разработана структура ПИ-регулятора скорости, оптимизированная для микроконтроллера системы управления.

В третьей главе рассмотрен вопрос влияния на измерительные каналы системы управления коммутационных помех силовых ключей преобразователя.

Предложен алгоритм отстройки момента запуска АЦП от момента возникновения помехи.

В четвертой главе предложены методики тестирования системы управления, преобразователя в составе двигателя и организация программных защит привода.

В заключении обобщены основные результаты работы. В приложениях приведены:

S алгоритм программной реализации имитационной модели DCDC-преобразователя;

•S осциллограммы работы DCDC-преобразователя в одноконтурной и двухкон-турной системах регулирования;

S программная реализация алгоритмов измерителя скорости и положения;

•S реализация ПИ-регулятора;

S синтез схемотехнического решения стенда тестирования контроллеров системы управления;

S экспериментальные кривые фазных токов для различных скоростей вращения.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Анучин A.C. Реализация на микроконтроллере TMS320x24xx ПИ-регулятора повышенной точности для электропривода//Труды МЭИ. Электропривод и системы управления - 2002. — Вып.678. — С.42-48

2. Анучин A.C., Арискина JI.B. Синтез двухконтурной системы управления DCDC-преобразователя напряжения в режиме непрерывного тока для приводов с регулируемым промежуточным звеном постоянного тока/Пруды МЭИ. Электропривод и системы управления — 2002. — Вып.679. - С.52-65

3. Козаченко В.Ф., Дианов А.Н., Анучин A.C., Кайо Ю. Стенд для автоматизированного тестирования контроллеров МК 11 ,Х//Труды МЭИ. Электропривод и системы управления - 2002. - Вып.678. — С.33-41

4. Темирев А., Козаченко В., Обухов Н., Анучин А., Трофимов С., Никифоров Б., Байков В. Контроллеры МК11.3 для высокопроизводительных систем прямого цифрового управления двигателями//СН1Р NEWS. - 2002. - №4(67). - С.24-30

Состав диссертации: введение, четыре главы, заключение, список литературы, приложения, количество страниц 194, рисунков 97, число наименований используемой литературы 25 на 3 стр., приложения 6 на 45 стр.

Результаты работы переносимы на любой класс приводов, питание которых осуществляется от бортовой нестабилизированной сети постоянного тока.

В рамках преподавательской деятельности автора результаты работы уже используются в учебном процессе в курсе «Микропроцессорные системы в электроприводе».

Заключение

В работе получены следующие основные результаты:

1. Произведен анализ существующих структур систем управления ВИП с регулируемым промежуточным звеном постоянного тока, проанализированы их достоинства и недостатки и предложена оригинальная структура системы управления с адаптивным регулятором скорости привода и отсечкой по моменту.

2. Для ОСОС-преобразователя напряжения разработаны алгоритмы управления с предельным быстродействием и соответствующее ПО. Система управления является адаптивной и функционирует как в режиме непрерывного, так и прерывистого тока дросселя. Полученные решения распространены на привода с другими типами двигателей (в том числе асинхронные и вентильные).

3. Реализован измеритель скорости и положения, позволяющий производить экстраполяцию угла положения ротора двигателя с высокой точностью и производить коммутацию фаз инвертора в соответствии с оптимальным управлением, близким к векторному.

4. Разработан программно-аппаратный комплекс обеспечения высокой надежности привода, включающий в себя средства автоматизированного тестирования системы управления, силовой части и датчиков, настройки привода при вводе в эксплуатацию, защиты от электромагнитных помех и аварийных ситуаций.

1. Анучин A.C. Реализация на микроконтроллере TMS320x24xx ПИ-регулятора повышенной точности для электропривода//Труды МЭИ. Электропривод и системы управления — 2002. — Вып.678. — С.42-48

2. Анучин A.C., Козаченко В.Ф. Архитектура и программирование DSP-микроконтроллеров TMS320x24xx для управления двигателями в среде Code Composer. M.: Издательство МЭИ, 2003. — 96 с.

3. Бычков М.Г. Основы теории, управление и проектирование вентильно-индукторного электропривода: Дис. на соискание ученой степени д-ра техн. наук. — М.: 1999. 354 с.

4. Ключев В. И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1998. — 704 с.

5. Козаченко В.Ф., Дианов А.Н., Анучин A.C., Кайо Ю. Стенд для автоматизированного тестирования контроллеров МК 11.Х//Труды МЭИ. Электропривод и системы управления — 2002. — Вып.678. — С.33^41

6. Темирев А., Козаченко В., Обухов Н., Анучин А., Трофимов С., Никифоров Б., Байков В. Контроллеры МК11.3 для высокопроизводительных систем прямого цифрового управления двигателями//СШР NEWS. — 2002. — №4(67). — С.24-30

7. Трофимов С.А. Разработка систем управления шаговыми и вентильно-индукторными двигателями на базе специализированных микроконтроллеров и нового поколения силовых модулей: Дис. на соискание ученой степени к-та техн. наук. М.: 2002. - 156 с.

8. Analog Devices, AD420 serial input 16-bit 0mA-20mA DAC, rev. F, 1999.

9. Analog Devices, AD7247 dual 12-bit DACPorts, rev. 0.

10. Analog Devices, Single Current Sensor Control Technique, Motor Control Seminar, 1998

11. Boukhobza Taha, Gabsi Mohamed, Grioni Bruno, Random Variation of Control Angles, Reduction of SRM Vibrations, IEEE Conference Record of Electric Machines and Drives Conference IEMDC 2001, pp. 640-643

12. Husain, I., Radun, A., and Nairus, J., "Fault Analysis and Excitation Requirements for Switched Reluctance Generators", IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 17, n. 1, pp. 67-72, March 2002

13. Panda Debiprasad & Ramanarayanan V.,"A composite control strategy for sensorless and low-noise operation of switched reluctance motor drive", Proc. IEEE — IAS annual meeting at Rome-00CH37129-, IAS'2000, pp. 1751-1758.

14. Texas Instruments, Field Orientated Control of 3-Phase AC-Motors, Literature number: bpra073.pdf, February 1998

15. Texas Instruments, Implementation of a Speed Field Orientated Control of Three Phase AC Induction Motor using TMS320F240, bpra076, March 1998

16. Texas Instruments, Logic Selection Guide, February 2000, Literature number: sdyu001m.pdf

17. Texas Instruments, sn74hcl66, 8-bit Parallel-Load Shift Register with 3-State Output, 2003

18. Texas Instruments, sn74hc595 (Rev. G), 8-bit Serial-in Shift Register, 2004

19. Texas Instruments, sn741vcl38a, 3-Line To 8-Line decoder/Demultiplexer, Rev. S, 2003

20. Texas Instruments, sn741vc374a, Octal Edge-Triggered D-Type Flip-Flops With 3-State Outputs, rev. N, 2003

21. Texas Instruments, Three Phase Current Measurements Using a Single Line Resistor on the TMS320F240, Literature number: bpra077.pdf, May 1998

22. Texas Instruments, TMS320Lx240xA data sheet, Literature number: sprsl45g.pdf

23. Toliyat Hamid A., Shi Ruhe, Xu Huangsheng, A DSP-based Vector Control of Five-Phase Synchronous Reluctance Motor, IEEE Industry Applications Conference, 35th annual meeting, 2000, vol.3, pp. 1759-1765

24. Venkatesha L., Ramanarayanan V., A Comparative Study of Pre-computed Current Methods for Torque Ripple Minimisation in Switch Reluctance Motor, IEEE Industry Applications Conference, 35th annual meeting, 2000, vol.1, pp.119-125