автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка системы векторного бездатчикового управления асинхронным двигателем

На правах рукописи

ШЕЛОМКОВА ЛЮБОВЬ ВЯЧЕСЛАВОВНА

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ВЕКТОРНОГО БЕЗДАТЧИКОВОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

Специальность 05 09 03 - электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ои-э ^ • -

Москва, 2008

003170267

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированного электропривода» Московского энергетического института (Технического Университета)

Научный руководитель доктор технических наук, доцент

Козаченко Владимир Филиппович Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Пречисский Владимир Антонович, кандидат технических наук Сарач Михаил Борисович. Ведущая организация ФГУП «Научно-производственное

предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт

электромеханики с заводом имени А.Г Иосифьяна» (НЛП ВНИИЭМ), г Москва

Защита диссертации состоится 27 июня 2008 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 «/¿" у>МаЯ 2008г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212 157 02 к т н , доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуачышсгь проблемы. В настоящее время существует тенденция массового перехода от использования приводов постоянного тока к частотно-управляемому приводу переменного тока Это связано с бурным развитием силовой электроники и микропроцессорной техники и резким снижением стоимости электронных компонент Данное направление весьма перспективно, благодаря отработанной технолопш изготовления машин переменного тока, их невысокой стоимости, меньшим массогабаритным показателям, по сравнению с двигателями постоянного тока (ДПТ), отсутствию щеточного узла, экономичности, возможности эксплуатации во взрывоопасных средах и пр

Для большинства (более 80%) промышленных применении частотно-регулируемого асинхронного электропривода (ЭП), в частности, для регулирования скорости насосов и вентиляторов в диапазоне до 10 1, впочне достаточным явтяется применение ктассической системы скалярного управления Для станочных и робототехнических применений (10% рынка), где требуемый диапазон регулирования скорости может достигать 10 ООО 1 и выше, применяются исключительно системы векторного датчикового управления, в основном с ориентацией по потокосцеплению ротора При этом, например, в сервоприводах станков, используются специальные конструкции асинхронных двигателей (АД) со встроенными датчиками положения высокого разрешения -инкрементальными, резольверами, абсолютными кодовыми и т п Относительно небольшой (менее 10%), но исключительно важный и постоянно расширяющийся сектор применения частотно-регулируемого привода, требует применения более сложных систем векторного бездатчикового управления (СВБУ) АД Прежде всего - это атомная энергетика, в частности, перегрузочные роботы, где необходим более высокий (до 50 1) диапазон регулирования скорости и по условиям

технологии исключается возможность установки датчика положения на вал ротора двигателя К подобным системам управления (СУ) предъявляются также повышенные требования по диапазону регулирования электромагнитного момента - до 10 1

Большинство ведущих мировых производителей преобразователей частоты (ПЧ) для управления АД Siemens, ABB, Schneider Electric, Hitachi, Danhtos и др поддерживают в своих изделиях все три современные структуры управления АД скалярного, векторного датчикового и векторного бездатчикового Причем, для последней структуры указывается диапазон регулирования скорости до 50 1 Опыт промышленной эксплуатации таких ЭП в России, а также специально проведенные на кафедре АЭП МЭИ исследования показывают, что в зоне низких скоростей в СВБУ часто возникают колебания скорости, устранить которые настройками привода не удается и реальный диапазон регулирования скорости заметно ниже Один из вариантов решения этой актуальной проблемы рассмотрен в рамках данной диссертации

Исследованиям систем датчикового векторного управления АД посвящено множество работ (Ключев В И, Сандтер А С , Поздеев А Д, Онищенко Г Б, Чуев П В , Резвин СБ и др) Эти исследования и за рубежом и в России уже доведены до промышленных серий ПЧ В области бездатчикового векторного управления АД положение значительно сложнее продолжаются активные теоретические исследования по выбору оптимальной структуры наблюдателей, нечувствительных к изменению параметров двигателей и нагрузки (Пенг Ф 3 , Фукао Т, Шаудер С, Парк С -В , Квон В -X, Лаббате М, Петрела Р , Турсини М , Райсон Б , Салваторе Л , Стаей С , Купертино Ф , Чирикоззи Э , Ким С -М , Хан В -Е , Ким С -Дж), обеспечению гарантированной устойчивости привода при низких скоростях Например, в России подобные исследования ведутся фирмами НПП ВНИИЭМ (г Москва), «Инвертор» (г Истра), «АСК» (г Екатеринбург), «Вектор» (г Иваново), «НПФ Вектор» (г Москва), а также 4

рядом университетов Эти исс 1едования пока находятся на стадии создания опытно-промыш пенных образцов ПЧ

Таким образом, создание СВБУ с диапазоном регулирования 50 1 для внедрения в серийные ПЧ является насущной и актуальной проблемой Цель диссертационной работы. Математическое, алгоритмическое обоснование и разработка системы векторного бездатчикового управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым (КЗ) ротором

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи

1 Проанализированы существующие структуры бездатчиковых СУ и синтезирован наблюдатель для построения СВБУ,

2 Предтожена комбинированная бездатчиковая СУ, с переключаемой структурой, обеспечивающая диапазон регулирования скорости до 50 1,

3 Выполнено исследование чувствительности комбинированной бездатчиковой СУ АД к изменению параметров АД,

4 Создан экспериментальный стенд, на котором исследованы статические и динамические характеристики предложенной СУ;

5 Разработанное модульное алгоритмическое и программное обеспечение поддержки СВБУ включено в библиотеку базовых алгоритмов для отечественных ПЧ «Универсал» и «Конвир» Методы исследования. Для решения постав 1енных в работе задач

использовались

- теория ЭП и цифрового управления,

- методы компьютерного моделирования (Simulmk MatLab),

- методы интерактивной отладки микропроцессорных СУ с использованием среды разработки Code Composer Studio

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов

подтверждена тщательными экспериментальными исследованиями на

модели и макете ЭП с синтезированной структурой СУ, использованием

5

предлагаемых методик при проектировании отечественных ПЧ «Универсал», а также специализированных ПЧ для атомной промышленности

Научная новизна работы заключается в следующем

1 На основе анализа существующих структур систем бездатчикового управления была разработана оригинальная структура наблюдателя наблюдатель на основе скользящего режима, который отличается наличием релейного элемента, реального дифференцирующего звена и синусно-косинусного наблюдателя Калмана для фильтрации составчяющих сигналов потокосцепления ротора

2 Для обеспечения общего диапазона регулирования скорости 50 1 предложена СУ АД с переключаемой структурой в зоне низких скоростей работает система скалярного частотно-токового управления, а начиная с частоты 4-5 Гц - СВБУ

3 Разработана оригинальная модель системы ПЧ-АД в среде Ма(ЬаЬ, позволяющая производить синтез регуляторов СВБУ и коэффициентов наблюдателя

4 Получены допустимые значения отклонений параметров схемы замещения АД с КЗ ротором, при которых созданная комбинированная СВБУ работоспособна

Основные практические результаты диссертации заключаются в использовании предложенной структуры бездатчиковой СУ и разработанного модульного программного обеспечения (ПО) при проектировании отечественных ПЧ «Универсал» и «Конвир», а также специализированных ПЧ для атомной промышленности

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на - XII ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" в 2006 г (г Москва),

- XIV ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" в 2008 г (г Москва),

- заседании кафедры «Автоматизированного электропривода» Московского энергетического института (Технического Университета)

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в четырех статьях

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников Работа изложена на 175 страницах машинописного текста, содержит 133 рисунка, 26 таблиц Библиография работы состоит из 48 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель работы, приведено краткое содержание выполненных исследований и отражены основные положения, которые выносятся на защиту

В первой главе изложено состояние вопроса, дано обоснование решаемой научной задачи Рассмотрены основные типы датчиковых систем векторного (с поддержанием потокосцепления статора, потокосцеппения намагничивания и потокосцепления ротора) и скалярного управления, которые известны и рассмотрены в работах Шрейнера Р Т, Поздеева А Д, Осипова О И, Бродовского В Н, Иванова Е С , Чуева П В и др Доказана возможность создания СВБУ АД на основе структуры датчикового векторного управления с ориентацией по потокосцеплению ротора с заменой датчика положения ротора и модели ротора соответствующими наблюдателями

Дан обзор существующих и перспективных систем бездатчикового управления Выявлено, что большинство систем построено на базе

цифровых наблюдателей, которые можно сгруппировать по трем основным типам наблюдатель на основе адаптивной модели, наблюдатель (фильтр) Калмана и наблюдатель на основе скользящего режима Вторая глава посвящена обоснованию структуры СВБУ АД Рассмотрен переход от физических величин к относительным Выбрана система базовых величин, максимально удобная для цифровой реализации на сигнальных процессорах типа Motor Control с поддержкой вычислений с фиксированной точкой с помощью библиотеки IQmath

Разработана математическая модель асинхронного ЭП с СВБУ и различными типами наблюдателей Проведено сравнение наблюдателей на основе адаптивной модели, фильтра Калмана и на основе скользящего режима по критериям максимальной простоты реализации наблюдателя, максимальной робастности и минимальных затрат ресурсов процессора В качестве базового для реализации СВБУ выбран наблюдатель, работающий в скользящем режиме

Произведен синтез оптимальной структуры наблюдателя данного типа Первоначальная структура наблюдателя содержала только релейный элемент, на выходе которого - ЭДС, которая представляет собой сигнал с высокой частотой релейного переключения Для сглаживания сигнала ЭДС во втором типе наблюдателя был предложен инерционный фильтр, но он содержит фазовую задержку Проанализирована возможность использования специальных цифровых фильтров n-го порядка с малым фазовым запаздыванием Показано, что при этом требования к вычислительным ресурсам процессора заметно возрастает Предложенная структура наблюдателя на рис 1 с дополнительной обратной связью с выхода инерционного фильтра позволяет одновременно решать две задачи значительно уменьшить фазовую задержку сигнала оценки ЭДС, выделить, кроме ЭДС, промежуточный сигнал потокосцеиления ротора, необходимый для реализации СВБУ АД Такая связь эквивалентна применению реального дифференцирующего звена Тр/(Тр+1) Показано, 8

что, выделив компоненты потокосцеплення ротора по осям а и р, можно для их фильтрации и получения угла потокосцеплення ротора и электрической скорости поля ша применить известный синусно-косинусный фильтр Калмана, не имеющий фазовых задержек за счет бесконечной полосы пропускания В работе предложена технология настройки коэффициентов фильтра Калмана, алгоритмическая и программная его реализация, обеспечивающая качественное выделение первой гармоники потокосцеплення ротора из зашумленного сигнала На основе оценок величин в^ и <у0 в работе синтезирован дополнительный наблюдатель скорости ротора в> и предчожена структура СВБУ АД Наблюдатель по рис 1 впервые был предложен Дроздовым А В для синхронных и индукторных машин, затем распространен для использования в вентнльно-индукторных приводах Проводились совместные исследования с участием автора по оптимизации данного наблюдателя для использования в асинхронных ЭП

Рис 1

Запишем уравнения тока АД по оси а в пространстве состояний, -

уравнения объекта наблюдения

Х = А ХтВ и + Е(1) ^

У = С X

где а = в=—с = 1, х = 1а, и = ь,

а I, ст Л,

(2)

Особенностью такой записи является наличие составляющей Е(1) В данном случае, при выбранных параметрах А и В получим, что

Из структурной схемы наблюдателя, рис 1, видно, что разность токов (измеренного и вычисленного по модели двигателя) подается на вход релейного элемента Особенностью релейного режима является то, что наблюдатель стремится свести ошибку в оценке тока к нулю Обозначим ошибку в оценке тока как

Уравнение наблюдателя с учетом оценки потокосцепления ротора имеет следующий вид Х = А Х + В и + 1р, + К

Переменные с символом ~ являются оценками соответствующих величин

Качество работы наблюдателя определяется коэффициентом усиления релейного элемента К, структурой и параметрами фильтра

Достоинством наблюдателя на основе скользящего режима является его простота Для настройки необходимо знание нескольких параметров АД, которые могут быть определены или идентифицированы специальными методами Кроме того, за счет нечувствительности наблюдателя к изменению большинства параметров АД система обладает хорошей устойчивостью

Для каждого вида наблюдателей на основе скользящего режима проводилась оценка устойчивости по методу Ляпунова

СВБУ не способна работать в зоне низких скоростей, так как в основе наблюдателя на основе скользящего режима заложено

(3)

е=У-Г,

(4)

(5)

восстановление ЭДС, которая при низких скоростях мала Было выявлено, что диапазон регулирования скорости в такой системе составляет 10 1, что не соответствует техническому заданию Поэтому было принято решение использовать на околонулевых скоростях скалярное частотно-токовое управление Известно, что жесткость механической характеристики (МХ) при таком типе управления на порядок выше, но перегрузочная способность мала, поэтому будем использовать этот режим только в нижнем диапазоне скоростей Расчетным путем было доказано, что в комбинированной СУ при использовании частотно-токового управления на малых скоростях возможно обеспечение общего требуемого диапазона регулирования скорости 50 1

Для корректных переходов с одного типа управления на другой разработан соответствующий алгоритм переключения (Рис 2)

• пуск системы производится при частотно-токовом управлении,

• при повышении частоты вращения переключение с частотно-токового управления на СВБУ производится при {2=7 Гц,

• при понижении частоты вращения переключение с СВБУ на частотно-токовое управление производится при Й=4 Гц

Рис 2

Итоговая структура комбинированной бездатчиковой (БД) СУ АД представлена на рис 3

И

Здесь ЗИ - задатчик интенсивности, РС - регулятор скорости, РТ -

регулятор тока, БКП - блок координатных преобразований

В третьей главе производится экспериментальное исследование

влияния неточностей при восстановлении параметров АД на

работоспособность разработанной СВБУ в среде БшшЬпк МаЛаЬ

Показано, что параметры наблюдателя потокосцепления ротора

зависят исключительно от параметров статорной цепи АД (Д,', I'), а

параметры наблюдателя скорости существенным образом зависят от

сопротивления ротора АД Д/

Экспериментальные исследования проводились с заданным

моментом инерции, равным двойному моменту инерции испытуемого

двигателя и моментом сопротивления, равным номинальному моменту АД

Для проведения эксперимента была проанализирована серия АД 4А

и были выбраны два двигателя (с самой малой номинальной мощностью

4АА56В2УЗ Рн=0,25 кВт и с наибольшей 4А31552УЗ Рн-160 кВт в

представленном ряду) Отклонения каждого из параметров задавались в

положительном и отрицательном направлении относительно номинального

значения Проводились пуски АД до тех пор, пока система оставалась

работоспособной В качестве критериев для определения

работоспособности системы были предложены следующие 12

• АД пускается на заданную скорость,

• АД реверсируется,

• На рабочем участке скорость находится в 15 % коридоре от заданного значения значения

При анализе чувствительности бездатчиковой СУ к изменению параметров схемы замещения АД с КЗ ротором было по пучено, что

1 Для двигателя малой мощности (0,25 кВт) допустимая ошибка идентификации индуктивности цепи статора составляет + 30% 200%, допустимая ошибка идентификации сопротивления статора +40% -20%,

2 Для двигателя большой мощности (160 кВт) допустимая ошибка при идентификации индуктивности цепи статора составляет + 35% 110%, допустимая ошибка идентификации сопротивления статора +450% -95%,

3 Бездатчиковая СУ более чувствительна к уменьшению параметров, чем к их увеличению,

4 Допустимая ошибка идентификации сопротивления цепи ротора составляет +/-60% от номинального значения

5 При идентификации всех параметров машины с точностью +/-20% гарантируется устойчивость сознанной БД СУ АД

В четвертой главе приведено алгоритмическое описание ПО разработанной СВБУ

Упрощенная схема организации ПО СВУ представлена на рис 4 Структурно программу можно разделить на основное тело программы и некоторое количество процедур обработки прерываний Основное тело программы состоит из инициализирующей части и фонового замкнутого цикла Программа инициализирующей части исполняется только один раз при запуске процессора В фоновом замкнутом цикле, обслуживаются все низкоприоритетные и долго исполняемые задачи, например, такие как

работа с энергонезависимой памятью по интерфейсу 8Р1, поддержка интерфейса с оператором

Г

Опре » шшцл11ч шин

1 ЮбаЫШН ГИр1ЛЧ1Н1и\. [|СфУКГ>р

)

с

пит (схноанос т ц ю про: рамчш N

ИРПШШИЗЛЦМЯ нроии^ри

31

ЛтыиА'шшпл мбш тиорт Прерываний

Д

Л

Нмиииа/ишцпя модулей

1 иннциллилщия 111 ИМ

2 итяшлишш 0 к>м обреки к, I скатала личика по юасч^я Я шгащшпплш* ЛЦГ1

4 итшжшшвдя ЬМО

5 НПИДИа/Ш ШЦИЯ СЛНуСИО-КОСИН^сКОГО

фильтра К,пап ил

С

и

Конфигурация и ргирсшелис

И

' фоиоиш мчмп т ыГг цикл

Обрабочь 1 н -пхомр-трн гиныч зз 1ач

IV

Прершлямс по периоду ШИМ

)

Прерьшзпе АЦП

Прерыяашнг постют) реггернон гочки датчика положения

кг^

Рис 4

Во время работы программы происходят прерывания по определенным событиям (например, прерывание по периоду ШИМ, прерывание по готовности преобразования АЦП, прерывание по сигналу реперной точки датчика положения (в случае датчиковой СВУ) и др) Алгоритм СВУ рассчитывается на каждом периоде ШИМ в прерывании по

началу периода. Общий объем ПО составляет 16 Кслов. Процедура обработки прерываний занимает 17% периода ШИМ.

Подробно рассмотрены алгоритмы работы модулей наблюдателя на основе скользящего режима, синусно-косинусного фильтра Калмана, системы частотно-токового управления и переключателя структур управления.

В пятой главе представлены экспериментальные результаты, подтверждающие технические параметры синтезированной БД СУ.

Для этого был разработан и изготовлен экспериментальный стенд, в состав которого вошли: АД серии IMOFA 90L4 с номинальной мощностью 1.5 кВт, ДПТ с независимым возбуждением серии 4П5112М2ГУХЛ4 с номинальной мощностью 2.2 кВт и ПЧ «Универсал-3.7 кВт» на базе микроконтроллера 17.1 (Рис. 5) с процессором TMS320F2810.

Серийный ПЧ был укомплектован более производительным контроллером (150 млн. оп.\с) для снятия ограничений по вычислительным ресурсам процессора при реализации СВБУ АД.

Рис. 5

Нагрузка обеспечивалась ДПТ в режиме динамического торможения. При управлении инвертором использовалась 6-ти секторная ШИМ базовых векторов с несущей частотой 2,5 кГц - 5 кГц.

Экспериментально получены статические механические характеристики (Рис. 6), 1 - СВБУ, 2 - работа в системе частотно-токового управления.

0,5М Рис. 6

Подтвержден общий диапазон регулирования скорости 50:1:

УХ ср. шах 1 52

(6)

п ,,.»„ 0.0192 1 Исследовались динамические характеристики созданного привода при пуске на заданную скорость во всем диапазоне скоростей, определялся диапазон регулирования пускового момента. На рис. 7 показан пуск на скорость а> = 0.02 в режиме частотно-токового управления, а на рис. 8 - на номинальную скорость т = 1. Виден момент переключения структур управления.

СО, о.е__ - ■ ■

Рис.7

со, о.е.

г, с

Рис. 8

Сравнивались переходные процессы в датчиковом варианте привода (результаты моделирования в среде Ма1:1_аЬ и реальный эксперимент), бездатчиковом варианте (результаты моделирования в среде ¡УЫЬаЬ и реальный эксперимент) и процессы, полученные в режиме датчикового и бездатчикового векторного управления при заданных пусковых моментах. На рис. 9, 10 представлены результаты такого сравнения при номинальном пусковом моменте (а - датчиковая СУ, б - бездтчиковая).

Результаты экспериментального исследования подтвердили возможность создания асинхронных ЭП с БД СУ работоспособной в диапазоне регулирования скорости 50:1 и момента 10:1.

Рис.9

Рис. 10

Получены динамические характеристики СВБУ АД при набросе нагрузки - рис. 11 (наброс номинальной нагрузки).

-I 1С" О.Э80: С.ЗбС^ □ .ГАП-0.020-а.эао-^ о зво-

С 250-0.-1 40-0.0200^ с.-, оо.

I О 0.833

'<3 23333, р\ЧЙ9>9Й»У

5.00 5.83 6.63

-Мл Р.5йгс) 5св!е •

Г, с

Рис. И

Робастность, то есть нечувствительность системы к изменению параметров схемы замещения АД с КЗ ротором на 25%, заложенных в СУ, подтверждена серией экспериментов.

В заключении обобщены основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

В работе получены следующие научные результаты: 1. Разработана бездатчиковая СУ АД с КЗ ротором, обеспечивающая диапазон регулирования 50:1 и отличающаяся:

а) оригинальной комбинированной структурой наблюдателя на основе скользящего режима, содержащего релейный элемент, реальное дифференцирующее звено и синусно-косннусный наблюдатель Калмана для фильтрации выходных составляющих сигнала потокосцепления ротора,

б) переключающейся структурой, построенной на основе системы частотно-токового управления на околонулевых скоростях и СВБУ на базе разработанного наблюдателя в остальном диапазоне,

2 Создана математическая модель ПЧ-АД, позволяющая синтезировать регуляторы СВБУ и коэффициенты набчюдателя на основе скользящего режима и фильтра Калмана,

3 Экспериментально доказано, что для двигателей мощностью выше 1,5 кВт в диапазоне отклонений +/- 25% индуктивности статора, активных сопротивлений цепи статора и ротора разработанная бездатчиковая СУ сохраняет устойчивость,

4 Создан экспериментальный стенд, на котором подтвержден расчетный диапазон регулирования скорости бездатчиковой СУ 50 1, и диапазон регулирования момента 10 1

5 Разработанный алгоритм управления и ПО включены в библиотеку базовых алгоритмов при проектировании серийных ПЧ «Универсал» и «Конвир».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Шелочкова Л.В., Алямкин Д.И. Система векторного бездатчикового управления асинхронным двигателем с переключаемой структурой // Электричество - 2008. - № 5. - С. 3035

2 Козаченко В Ф, Шеломкова Л В Цифровые наблюдатели для систем бездатчикового векторного управления // Труды XII Международной научн -техн конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика» Тез Докл В 3-х т, Издательство МЭИ, 2006, т 2, с 152-153

3 Алямкин Д И, Дроздов А В , Шеломкова Л В Цифровые наблюдатели для систем бездатчикового векторного управления асинхронными двигателями // Труды МЭИ Электропривод и системы управления -2006.-Вып 682 - с 27-33

4 Козаченко В Ф , Шеломкова Л В Система векторного бездатчикового управления асинхронным двигателем // Труды XIV Международной научн -техн конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика»- Тез Докл В 3-х т, Издательство МЭИ, 2008, т 2, с 133-134

Печ л _Тираж шо Заказ 9д

Введение.

1. Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1. Системы векторного управления. Цель и задачи.

1.2. Обзор наблюдателей.

1.3. Выводы по главе 1.

2. Обоснование структуры векторного бездатчикового управления асинхронным двигателем.

2.1. Математическое описание асинхронного двигателя в относительных единицах.

2.1.1. Обоснование применения относительного представления переменных и параметров.

2.1.2. Выбор системы базовых величин.

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

2.2. Выбор базовой структуры для бездатчиковой системы управления.

2.2.1. Система векторного управления.

2.2.2. Система прямого управления моментом.

2.2.3. Обоснование базовой структуры.

2.3.Обоснование структуры наблюдателя.

2.3.1. Наблюдатель на основе адаптивной модели. Результаты моделирования.

2.3.2. Фильтр Калмана. Результаты моделирования.

2.3.3. Наблюдатель на основе скользящего режима. Результаты моделирования.

2.4. Система векторного бездатчикового управления с переключающейся структурой.

2.4.1. Структура СВБУ АД с КЗ ротором.

2.4.2. Скалярная система управления. Математическое описание. Структурная схема. Механические характеристики.

2.4.3. Алгоритм переключения структур.

2.4.4. Диапазон регулирования структуры: система векторного бездатчикового управления - скалярная система управления.

2.5. Выводы по главе 2.

3.Оценка чувствительности СВБУ к. изменению параметров схемы замещения двигателя.

3.1. Общие положения теории проведения полнофакторного эксперимента.

3.2. Оценка зоны нечувствительности СВБУ к изменению параметров АД.

3.3. Выводы по главе 3.

4. Алгоритмическое описание программного обеспечения (ПО).

4.1. Общее представление разработанного программного обеспечения (ПО) СВБУ для АД с КЗ ротором.

4.2. Описание модуля наблюдателя на основе скользящего режима SMO.

4.3. Описание модуля синусно-косинусного фильтра Калмана.

4.4. Описание модуля частотно-токового управления.

4.5. Описание модуля переключения структур.

4.6. Выводы по главе 4.

5. Экспериментальные результаты.

5.1. Описание экспериментального стенда.

5.2. Пусковые характеристики СВБУ.

5.3. Статические характеристики СВБУ.

5.4. Динамические характеристики СВБУ.

5.5. Выводы по главе 5.

В настоящее время существует тенденция массового перехода от использования приводов постоянного тока к частотно-управляемому приводу переменного тока. Это связано бурным развитием силовой электроники и микропроцессорной техники, резким снижением стоимости электронных компонент. Данное направление весьма перспективно, благодаря отработанной технологии изготовления машин переменного тока, их невысокой стоимости, меньшим массогабаритным показателям, по сравнению с двигателями постоянного тока (ДПТ), отсутствию щеточного узла, экономичности, возможности эксплуатации во взрывоопасных средах и пр.

Для большинства (более 80%) промышленных применений частотно-регулируемого асинхронного электропривода, в частности, для регулирования скорости насосов и вентиляторов в диапазоне до 10:1, вполне достаточным является применение классической системы скалярного управления. Для станочных и робототехнических применений (10% рынка), где требуемый диапазон регулирования скорости может достигать 10 000:1" и выше, применяются исключительно системы векторного датчикового управления, в основном с ориентацией по потокосцеплению ротора. При этом, например, в сервоприводах станков, используются специальные конструкции асинхронных двигателей со встроенными датчиками положения высокого разрешения - инкрементальными, резольверами, абсолютными кодовыми и т.п. Относительно небольшой (менее 10%), но исключительно важный и постоянно расширяющийся сектор применения частотно-регулируемого привода, требует применения более сложных бездатчиковых систем векторного управления асинхронными двигателями. Прежде всего -это атомная энергетика, в частности, перегрузочные роботы, где необходим более высокий (до 50:1) диапазон регулирования скорости и по условиям технологии исключается возможность установки датчика положения на вал ротора двигателя. К подобным системам управления предъявляются также повышенные требования по диапазону регулирования электромагнитного момента - до 20:1.

Большинство ведущих мировых производителей преобразователей частоты для управления асинхронными двигателями Siemens, ABB, Schneider Electric, Hitachi, Danhfos и др. поддерживают в своих изделиях все три современные структуры управления АД: скалярного, векторного датчикового и векторного бездатчикового. Причем, для последней структуры указывается диапазон регулирования скорости до 50:1. Опыт промышленной эксплуатации таких электроприводов в России, а также специально проведенные на кафедре АЭП МЭИ исследования показывают, что в зоне низких скоростей в системах бездатчикового векторного управления часто возникают колебания скорости, устранить которые настройками привода не удается и реальный диапазон регулирования скорости заметно ниже. Один из вариантов решения этой актуальной проблемы рассмотрен в рамках настоящей диссертации.

Исследованиям систем датчикового векторного управления АД посвящено множество работ (Ключев В.И., Сандлер А.С., Поздеев А.Д., Онищенко Г.Б., Чу ев П.В., Резвин С.Б. и др.). Эти исследования и за рубежом и в России уже доведены до промышленных серий преобразователей частоты. В области бездатчикового векторного управления АД положение значительно сложнее: продолжаются активные теоретические исследования по выбору оптимальной структуры наблюдателей, нечувствительных к изменению параметров двигателей и нагрузки (Пенг Ф.З., Фукао Т., Шаудер С., Парк С.-В., Квон В.-Х., Лаббате М., Петрела Р., Турсини М., Райсон Б., Салваторе Л., Стаей С., Купертино Ф., Чирикоззи Э., Ким С.-М., Хан В.-Е., Ким С.-Дж.), обеспечению гарантированной устойчивости привода при низких скоростях. Например, в России подобные исследования ведутся фирмами НПП ВНИИЭМ (г. Москва), «Инвертор» (г.Истра), «АСК» (г. Екатеринбург), «Вектор» (г. Иваново), «НПФ Вектор» (г. Москва), рядом университетов. Эти исследования пока находятся на стадии создания опытно-промышленных образцов ПЧ:

Таким образом, создание систем векторного бездатчикового управления с диапазоном регулирования 50:1 для внедрения в серийные ПЧ является насущной и актуальной проблемой.

Целью диссертационной работы является- математическое, алгоритмическое обоснование и разработка системы векторного бездатчикового управления (СВБУ) асинхронным двигателем (АД) с короткозамкнутым (КЗ) ротором.

Для достижения намеченной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Проанализированы существующие структуры бездатчиковых систем управления (СУ) и синтезирован наблюдатель для построения СВБУ;

2. Предложена комбинированная бездатчиковая СУ, с переключаемой структурой, обеспечивающая диапазон регулирования скорости до 50:1;

3. Выполнено исследование чувствительности комбинированной бездатчиковой СУ АД к изменению, параметров асинхронного двигателя;

4. Создан экспериментальный стенд, на котором исследованы статические и динамические характеристики предложенной системы управления;

5. Разработанное модульное алгоритмическое и программное обеспечение поддержки СВБУ включено- в библиотеку- базовых алгоритмов для отечественных преобразователей частоты «Универсал» и «Конвир».

Исследования проводились в среде моделирования Simulink MatLab. Экспериментальные исследования основывались на частных экспериментах на лабораторном стенде, в состав которого входила система ПЧ-АД и двигатель постоянного тока с независимым возбуждением ДПТ НВ, связанный механически с АД, в качестве нагрузочной машины, и экспериментальной проверки адекватности модели СВБУ АД.

Достижение поставленной цели и решение задач диссертационной работы обеспечено на основе ряда теоретических и практических работ. Использованы, материалы работ, выполненных научной группой В.Ф. Козаченко на кафедре автоматизированного электропривода МЭИ, в том числе и с участием автора.

Объектом исследования является СВБУ АД, заложенная в ПЧ. Новизна полученных результатов работы при решении вышеуказанных научных задач заключается в том, что в ней:

1. На основе анализа существующих структур систем бездатчикового управления была разработана оригинальная структура наблюдателя: наблюдатель на основе скользящего режима, который отличается наличием релейного элемента, реального дифференцирующего звена и синусно-косинусного наблюдателя Калмана для фильтрации составляющих сигналов потокосцепления ротора.

2. Для обеспечения общего диапазона регулирования скорости 50:1 предложена система управления АД, с переключаемой структурой: в зоне низких скоростей работает система скалярного, частотно-токового управления, а начиная с частоты 4-5 Гц - система бездатчикового векторного управления.

3. Разработана оригинальная модель системы ПЧ-АД в среде MatLab, позволяющая производить синтез регуляторов СВБУ и коэффициентов наблюдателя.

4. Получены допустимые значения отклонений параметров схемы замещения АД с КЗ ротором, при которых созданная комбинированная СВБУ работоспособна.

Эти результаты и выносятся на защиту.

В первой главе изложено состояние вопроса решаемой научной задачи. Рассмотрены основные датчиковые системы управления АД. Проведен анализ существующих структур векторного бездатчикового управления АД и выделено три типа наблюдателей состояния, использующихся при их построении, выявлены их преимущества и недостатки. В результате были поставлены цель и задачи, сформулированные выше.

Вторая глава посвящена обоснованию структуры векторного бездатчикового управления асинхронным двигателем. Приведено и обосновано математическое описание АД в относительных единицах, произведен выбор базовой структуры для СВБУ, по результатам анализа и моделирования в среде MatLab, определен основной наблюдатель для построения СВБУ. Представлен алгоритм переключения структур со скалярной СУ на СВБУ с целью расширения диапазона регулирования.

Третья глава содержит теоретическую оценку чувствительности СВБУ к изменению параметров схемы замещения АД. Выявлены диапазоны отклонения параметров схемы замещения АД.

В четвертой главе представлено алгоритмическое описание разработанного программного обеспечения. Подробно рассмотрены основные модули ПО.

В пятой главе приводятся экспериментальные результаты, полученные в ходе исследовательских испытаний системы ПЧ-АД с СВБУ. Дается описание лабораторного стенда, нагрузочного устройства и контрольно-измерительного комплекса. По результатам представленных экспериментов сравниваются датчиковая и разработанная бездатчиковая система управления (СУ), дается оценка адекватности математической модели и подтверждается ожидаемый диапазон регулирования.

В заключении даются общие выводы и рекомендации по работе.

Основные результаты исследований реализованы в следующих направлениях: диссертационная работа выполнена на кафедре автоматизированного электропривода МЭИ. В основу диссертации положены результаты исследований, полученные автором лично и в соавторстве в ходе выполнения заказа по договору с ВГУП ВНИИЭМ с 2005 г. по 2007 г. в качестве исполнителя разделов этапов темы.

Разработанная СВБУ внедрена в ПЧ «Универсал», разработанный и выпускаемый в ООО «НПП Цикл+».

На технические отчеты по выполненной работе даны положительные заключения Заказчика.

Результаты диссертации опубликованы в четырех статьях и изложены в трех отчетах по НИР.

Основные положения работы обсуждались на:

- XII ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" в 2006 г. (г. Москва);

- XIV ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" в 2008 г. (г. Москва); заседании кафедры «Автоматизированного электропривода» Московского энергетического института (Технического Университета).

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников. Работа изложена на 175 страницах машинописного текста, содержит 133 рисунка, 26 таблиц. Библиография работы содержит 48 наименований.

5.5. Выводы по главе 5

В данной, заключительной главе представлены экспериментальные результаты, подтверждающие теоретическую основу предыдущих глав. Произведено описание экспериментального стенда.

Показано, что СВБУ в зоне высоких частот от 5 до 50 Гц обеспечивает качество регулирования сопоставимое с датчиковой векторной системой.

Робастность, то есть нечувствительность системы к изменению параметров схемы замещения АД с КЗ ротором, подтверждена серией экспериментов, в которых изменялись основные параметры двигателя -сопротивление статора, индуктивности статора, ротора, взаимоиндуктивности. При этом 25% отклонение параметра от расчетного не приводило к каким-либо значительным изменениям относительно оптимально настроенной системы.

Предложенный алгоритм работы в зоне низких частот (ниже 5Гц) способен обеспечивать диапазон регулирования 50:1. При этом при переходе в зону выше 5Гц включается бездатчиковая векторная система, обеспечивающая астатическое регулирование скорости с заданным ограничением момента.

Система испытана на устойчивость, как в статических, так и в динамических режимах, и показала хорошую работу.

Заключение

В диссертационной работе были получены следующие научные и практические результаты:

1. Разработана бездатчиковая СУ АД с КЗ ротором, обеспечивающая диапазон регулирования 50:1 и отличающаяся: а) оригинальной комбинированной структурой наблюдателя на основе скользящего режима, содержащего релейный элемент, реальное дифференцирующее звено и синусно-косинусный наблюдатель Калмана для фильтрации выходных составляющих сигнала потокосцепления ротора; б) переключающейся структурой, построенной на основе системы частотно-токового управления на околонулевых скоростях и СВБУ на базе разработанного наблюдателя в остальном диапазоне;

2. Создана математическая модель ПЧ-АД, позволяющая синтезировать регуляторы СВБУ и коэффициенты наблюдателя на основе скользящего режима и фильтра Калмана;

3. Экспериментально доказано, что для двигателей мощностью выше 1,5 кВт в диапазоне отклонений +/- 25% индуктивности статора, активных сопротивлений цепи статора и ротора разработанная бездатчиковая СУ сохраняет устойчивость;

4. Создан экспериментальный стенд, на котором подтвержден расчетный диапазон регулирования скорости бездатчиковой СУ 50:1, и диапазон регулирования момента 10:1.

5. Разработанный алгоритм управления и программное обеспечение включены в библиотеку базовых алгоритмов при проектировании серийных ПЧ «Универсал» и «Конвир».

1. Алямкин Д.И., Дроздов А.В., Шеломкова JI.B. Цифровые наблюдатели для систем бездатчикового векторного управления асинхронными двигателями // Труды МЭИ. Электропривод и системы управления 2006. -Вып.682. - с. 27-33.

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

3. Виноградов А., Сибирцев А., Колодин И. Адаптивно-векторная система управления бездатчикового асинхронного электропривода серии ЭПВ // Силовая электроника. 2006. -№3.-С. 50-55.

4. Дроздов А.В. Система бездатчикового векторного управления синхронными двигателями с постоянными магнитами: магистерская дисс. М., 2005. - 57 с.

5. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. — М.: Энергия, 1980. 928 с.

6. Ивоботенко Б.А., Ильинский Н.Ф., Копылов И.П. Планирование эксперимента в электромеханике. М.: Издательство «Энергия», 1975. — 185 с.

7. Ильинский Н.Ф. Модели электромеханических устройств и систем в задачах синтеза. «Электричество», 1973, № 3, С. 36-39.

8. Ильинский Н.Ф. Моделирование в технике: Учеб. пособие для вузов. -М.: Издательство МЭИ, 2004. 84 с.

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

10. Ковбаса С. Описание асинхронного электропривода EPA-IM-Drive. Технические характеристики. НИПФ «ЭПА», Киев, 2004. -12с.

11. Козярук А.Е. Системы прямого управления моментом в частотно-регулируемых электроприводах переменного тока. СПб. Издательство Санкт-Петербургской Электротехнической компании, 2005.

12. Копылов И.П. Электромеханические преобразователи энергии. М.: «Энергия», 1973, 400 с.

13. Ляпунов А.М. Собрание сочинений. Т.1. М.: Изд-во АН СССР, 1954г.- 447 с.

14. Масандилов Л.Б., Соколов М.М. Метод экспериментального определения параметров асинхронного двигателя // Электричество. —1968.1. С.26-29.

15. Международные конференции IEEE 1999, 2000, 2001.

16. Налимов В.В. Теория эксперимента. М.: «Наука», 1971, 208 с.

17. Осипов О.И. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод. — М. Издательство МЭИ, 2004.

18. Поздеев А.Д. Электромагнитные и электромеханические процессы в частотно-регулируемых асинхронных приводах Чебоксары: 1998.

19. Проблемы планирования эксперимента/ под ред. Г.К, Круга. М.: «Наука», 1969, 396 с.

20. Ташлицкий М. М. Разработка способов экспериментального определения параметров и механических характеристик асинхронных двигателей: — дис. на соискание учёной степени канд. тех. наук. М., 2005. -167 с.

21. Терехов В.М., Осипов О.И. Системы управления электроприводов, 2-е издание. М.: издательство «Академия», 2006г, 300 с.

22. Тюкин В.Н. Теория управления: Часть 2. Особые линейные и нелинейные системы: Конспект лекций. Вологда: ВоГТУ, 2000. - 128 с.

23. Уткин В.И. Скользящие режимы в задачах оптимизации и управления. -М.: 1981.

24. Финни Д. Введение в теорию планирования экспериментов. М.: «Наука», 1971, 212 с.

25. Чу ев П. В. Разработка систем векторного управления асинхронными приводами на базе специализированных сигнальных микроконтроллеров: дис. на соискание учёной степени канд. тех. наук. — М., 2002. 254 с.

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

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

28. Bejerke S. Digital Signal Processing Solutions for Motor Control Using the TMS320F240DSP-Controller // Paris, 1996.

29. Blasco-Gimenez R., Asher G.M., Sumner M., Bradley KJ. Dynamic performance limitations of MRAS based sensorless induction motor drives. Part 1. Stability analysis for the closed loop drive // IEE Proc. Electr. Power Appl. 1996. № 143 (2). P. 113-122.

30. Box G.E.P., Tidwell P.W. Transformation of the independent variables. -"Technometrics", 1962, v 4, № 4, P. 631 550.

31. Chao K.H., Liaw C.M. Speed sensorless control performance improvement of induction motor drive using uncertainty cancellation // IEE Proc. Electr. Power Appl. 2000. № 147 (4). P. 251-262.

32. Chiricozzi Enzo, Parasiliti Francesco, Petrella Roberto, Tursini Marco. Sensorless Permanent Magnet Synchronous Motor Drive Solutions for Compressor Application//Universita di L'Aquila, 1998.

33. Digital Control Systems (DCS) Group 12, Sliding-Mode Rotor Position Observer of PMSM // Texas Instruments, 2000.35. http://www.cs.unc.edu/~welch/kalman/ сайт, посвященный фильтру Калмана.

34. International power electronics and motion control conference, EPE-PEMC, 2004.

35. Kim Sang-Min, Han Woo-Yong, Kim Sung-Joong. Design of a new adaptive sliding mode observer for sensorless induction motor drive // Electric Power Systems Research. 2004. № 70. P. 16-22.

36. Labbate Massimiliano, Petrella Roberto, Tursini Marco. Fixed point implementation of Kalman filtering for AC drives: a case study using TMS320F24x DSP // University of L'Aquila, Italy.

37. Marwali M.N., Keyhani A. A comparative study of rotor flux based MRAS and back EMF based MRAS speed estimators for speed sensorless vector control of induction machines // Proceedings of the IEEE-IAS Annual Meeting. 1997, P. 160-166.

38. Maybeck Peter. Stochastic Models, Estimation, and Control // Volume 1.

39. Park C. -W., Kwon W. -H. Simple and robust speed sensorless vector control of induction motor using stator current based MRAC // Electric Power Systems Research. 2004. № 71. - P. 257-266.

40. Peng F.Z., Fukao T. Robust speed identification for speed-sensorless vector control of induction motors // IEEE Trans. Ind. Appl. 1994. № 30 (5). - P. 12341240.

41. Peter Vas. Sensorless Vector and Direct Torque Control // Oxford University Press. 1998.

42. Pujol Antoni Arias. Improvements in direct torque control of induction motors Tesi doctoral presentada per a Fobtencio del titol de doctor. Terrassa,

43. Raison В., Arza J., Rostaing G., Rognon J.P. Comparison of two extended observers for the resistance estimation of an induction machine // Laboratoire d'Electrotechnique de Grenoble, IEEE, 2001.

44. Salvatore L., Stasi S., Cupertino F. Improved Rotor Speed Estimation Using Two Kalman Filter-Based Algorithms // Chicago, Illinois USA, IEEE Industry Applications Society 36th Annual Meeting 2001.

45. Schauder C. Adaptive speed identification for vector control of induction motor without rotational transducers // IEEE Trans. Ind. Appl. 1992. № 28 (5). -P. 1054—1061.

46. Sensorless Control with Kalman Filter on TMS320 Fixed-Point DSP // Texas Instruments Europe, July 1997.