автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка высокоэффективных микроконтроллерных модульных систем управления вентильно-индукторными двигателями и базового комплекта программного обеспечения

од

На правах рукописи

Семенчук Виталий Анатольевич

РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ МИКРОКОНТРОЛЛЕРНЫХ МОДУЛЬНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ И БАЗОВОГО КОМПЛЕКТА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Специальность 05.09.03 -«Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование».

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998 1.

Работа выполнена в Московском жергетическом нпс iи iyiс (Техническом Универси rere).

Научный руководитель -

кандидат технических наук, доцет Козаченко В.Ф.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Бут Дмитрий Александрович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Русаков Анатолий Михайлович

Ведущее предприятие - НПП ВНИИЭМ Защита состоится 11 декабря 1998 г. в 14 час.

в аудитории М-214 на заседании диссертационного совета К-053.16.06 Московского энергетическою инстшуга (Технического Университета).

Отзыв на авюреферат в 2-х жземплярах с заверенной подписью просим направлять по адресу: 111250. Москва. Е-250. Красноказарменная ул., 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ) С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ) Автореферат разослан « № » А^Л^сЯ 1998 г.

Ученый секретарь

диссеркщпошю! о совета К-053.16.06

капдида! конических наук, допет

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

В настоящее время одним из перспективных направлений развития электроприводов является привод на базе вентильно-индукторного двигателя (ВИД). Данный тип привода обладает рядом преимуществ в сравнении с традиционным приводом на базе асинхронных машин и коллекторных машин постоянного тока. Основные достоинства вентильно-индукторного привода (ВИП) состоят в надежности, дешевизне и простоте конструкции самого двигателя. Однако высоких потребительских свойств ВИП можно добиться только при правильном и достаточно сложном управлении. Тема диссертации непосредственно связана с организацией прямого цифрового управления ВИП, отработкой структуры микропроцессорной системы управления (СУ) и алгоритмов на экспериментальной установке вентильно-индукторного привода. Данная диссертационная работа выполнялась в рамках комплекса исследований, проводимых тремя научными группами кафедры АЭП МЭИ (Н.Ф. Ильинского, В.Ф. Козаченко и В.Н. Острирова), а также заводами «Динамо» и Ярославским электромашиностроительным по разработке новых электроприводов с ВИД в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского направления», подпрограмма «Технологии, машины и производство будущего».

Цель работы и предмет исследований Целью работы является разработка высокоэффективных микроконтроллерных систем прямого цифрового управления ВИД на основе всестороннего исследования перспективных способов управления и создание комплекта базового программного обеспечения ВИП.

Предметом исследований являются:

- вентильно-индукторные двигатели с однополярной коммутацией и различным числом фаз;

- изучение сравнительной эффективности управления ВИП по различным каналам (напряжение, угол коммутации), выбор оптимальной стратегии согласованного управления;

- выбор элементной баш и проектирование модуль поп системы встроенного микропроцессорной) управления п сосктс: кошролчср, пулы опора) 11111101 о управления, плата ввода/вывода дискретых сигналов, п.'кпа сопряжения с датчиками обра!пых связен;

- обоснование и нрограммно-аппарапшя реалишция быстродействующих каналов обратной связи по токам фа», положению и частоте вращения ротора:

- улучшение потребительских свойств привода за счет специальных методов управления.

Научная новизна

1. Разработана модульная микроконтроллерная система управления с необходимым набором интерфейсов для встраивания в ВИП различных типов.

2. В качестве оптимального, предложен импульсный датчик положения ротора (ДПР) и метод обработки его сигналов с использованием таймера в «квадратурном» режиме. Разработан оригинальный программно-аппаратный модуль оценки скорости на основе двух каналов захвата и сравнения процессора событий, обеспечивающий высокую точность во всем диапазоне скоростей.

3. Разработана и реализована программная СУ ВИД, работающая в реальном времени и содержащая регулятор тока (РТ), работающий по принципу двойного токового коридора, и адаптивный регулятор скорости (РС), обеспечивающий работу привода в широком диапазоне скоростей и нагрузок.

4. Предложен и экспериментально проверен программный способ улучшения вибро-акустических характеристик ВИП за счет искусственного затягивания заднего фронта юка при отключении фа ¡ы.

5. Предложен и реализован алгоритм бездатчикового управления вентильно-индукторным приводом, минимизирующий стоимость СУ.

Практическая ценность и реализации работ Результаты, полученные в ходе исследований привода, используются:

- в разрабо!ке перспективной серии вентильных (лекчроприводов на Ярославском электромашиностроительном заводе;

- при испытаниях спроектированного МЭИ и заводом «Динамо» вентильного двигателя;

[ipn проектировании и запуске в промышленное производство специализированных микропроцессорных контроллеров с процессором Intel 8XCI96MH для систем управления общепромышленными преобразователями частоты ( опытный завод ИБП РАН, г. Пущино, завод «Новатор», г. Истра) и систем управления приводами стержней атомных реакторов (НПП ВНИИЭМ, г. Москва). Изготовлено более 200 контроллеров.

На защиту выносятся:

1. Структура и состав универсальной модульной микроконтроллерной системы с необходимым набором интерфейсов для управления ВИП различного типа.

2. Метол автоматической коммутации вентильных двигателей по прерыванию от модуля сравнения процессора событий с использованием в качестве базового, таймера в «квадратурном» режиме, подключенного к импульсному датчику положения.

3. Метод точной идентификации скорости с использованием модуля захвата процессора событий, подключенного на выход модуля сравнения, управляющего автокоммутацией двигателя.

4. Структура и алгоритмы функционирования программно реализованной системы управления ВИД, содержащая регулятор тока (РТ), работающий по принципу двойного токового коридора, и адаптивный регулятор скорости (PC), обеспечивающий работу привода в широком диапазоне скоростей и нагрузок.

5. Программный способ улучшения внбро-акустических характеристик ВИП за счет искусственного формирования заднего фронта тока при отключении фазы.

ft. Алгоритм безда тикового управления вентильно-индукторным приводом.

ЛпроОииия pufion.i

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах: "Вепгильно-индукгорпый электропривод - проблемы развития и перспективы применения" (30-31 января 1996г., Москва). 2-й Международной конференции по электромеханике и электротехнологии (1-5 октября 1996г. , г. Симферополь), паучно-гехмическом семинаре «75 лез о1ечеси)енной школы электропривода» (24-26 марта 1997 г., г. С-Петербург).

Публикации

По результатам выполненных исследовании опубликовано пять научных трудов.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы in 47 наименований. I приложения и содержит 119 страниц машинописною текста и 63 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована цель работы, определены основные задачи для достижения цели, приведены выносимые на защиту положения, показана научная новизна полученных результатов и их практическая ценность.

В первой главе рассматривается классификация веншльно-индукторпых двигателей, описываются наиболее перспективные арукчуры построения инверторов и принципы управления ВИД. Круг исследований ограничивается самыми распространенными вентильно-индукторными двигателями с самовозбуждением и нереверсивным питанием фаз. Формируются требования к устройству управления для оптимальной структуры на силовых IGBT-ключах или силовых интегрально-гибридных модулях. Проводится сравнение вариантов построения системы управления ВИД на специализированных БИС с жесткой внутренней структурой, на универсальных микропроцессорах и микроконтроллерах, на специализированных микроконтроллерах прямого цифрового управления двигателями. Обосновывается выбор элементной базы для разработки сиск'мы управления - микроконтроллеров Intel 8ХС196МН, обладающих необходимым набором iici роенных nepi.фермипых ycipoiicin и высокой производительностью, ч/о позволяет создавать как датчиковые, так и бездатчиковые сиаемы управления ВИД.

Во второй маве па основе разделения функции нредла!астся структура модульной микрокон гроллерпоп СУ в составе: контроллер, пуль i оперативно! о управления, плата ввода/вывода дискретных сигналов, типа сопряжения с да1чиками положения неренекптпыч ппюв (Холла и импульсными ДПР).

Функционально ВИП состоит из 4-х частей: электродвигателя, силовой части из выпрямик'лм и коммуккора, системы управления п необходимых датчиков. Система управления обеспечивает прямое цифровое управление

всеми ключами инвертора в режиме широтно-импульснои модуляции на несущей частоте до 20 кГц. прием аналоговых сигналов датчиков токов фа), напряжения п юка в звене постоянного тока, прием сигналов с датчика положения.

(XI. Х2)

ьГ

Дв»*»"^,, ида Р

TTV-flKw

»(Я)

»■»tf.MOefc шмима

mtTTL^poM

(хз>

IfcejM* ипммя Аналоговые

трврьмний (Х7) аьиоды(ХТ1)

(Х7) (ХТ1.хв)

TTVfpjwCOI-e

Мадуп» awvWwHacjia

JL

Кнопочная станция.

Ж

медупь

[МММ (типе "суков КМТЯК1")

Рис. 1 Блок-схема платы центрального процессора.

Структура платы центрального процессора показана на рис.1. Микроконтроллер Intel 8ХС196МН имеет производительность 2 млн. 16-разрядных операций в секунду и ряд встроенных периферийных устройств, оптимизированных для задач управления ВИД: 6 канальный ШИМ-генератор с возможностями индивидуального управления выходами, фронтовой и центрированной ШИМ-модуляцией; двух канальный ШИМ-генератор для управления дополнительными цепями приема рекуперативной энергии или мектромагнигными тормозами; процессор событий (4 канала сравнения и 2 канала захвата) для реализации функций автокоммутации и определения скорости; два ынмера, с вошожносзыо работы в «квадратурном» режиме для

иденшфикации положения по импульсному датчику; 8 канальный АЦП; nopiu ввода/вывода для сопряжения с пультом оперативного управления и другими устройствами.

Набор интерфейсов млаты центрального процессора позволяет органнзонать: сопряжение с драйверами ЮВТ-ключей различных фирм (Mitsubishi, International Rectifier, Siemens, Semieron, Hitachi и других); с комамдоаппаратами, промкот роллерами через дискретные входы/выходы нескольких типов или по последовательным каналам связи (RS-232, RS-485); с аналоговыми задагчиками скорости или технологических переменных в любом промышленном стандарте.

Созданный на базе разработанного комплекса управляющих устройств универсальный испытательный стенд (рис.2) позволяет управлять любыми вентильными двигателями с числом фаз до 4. Стенд имеет средства ввода информации с импульсных и аналоговых датчиков и канал «слива» энергии торможения в дополнительный резистор. В качестве основного канала управления ВИД выбирается канал управления напряжением (током).

Предлагается следующий вариант распределения ресурсов микроконтроллера. Управление верхними ключами осуществляется с помощью чет ырех каналов встроенного трехфазного шестиканального ШИМ-генератора, нижними - через дискретные выходы, контроль токов осуществляет встроенный АЦП. информацию с датчика положения обрабатывает счетчик/таймер I, работающий в «квадратурном» режиме, счет системного времени осуществляет второй таймер. Распределение остальных ресурсов показано на рис. 3.

Был проведен сравнительный анализ схемотехнических затрат и точностных характеристик различных датчиков положения (2-х, 3-х и 6-ти фазных, на элементах Холла и импульсных). Датчики на элементах Холла не позволили получить приемлемой точности и требуемого разрешения по углу коммутации.

Рнс. 3. Распределение ресурсов контроллера.

1(1

В результат для данною ВИД был выбран импульсный датчик с 24 зубцами и двумя чувствительными элементами, сдвинутыми на 1/4 полюсного деления друг относительно друга, и дополнительным реиерным элементом для идентификации начального положения (рис.4).

Рис. 4. Датчик положения ротора.

Предложен и программно реализован специальный метод обрабо/ки сигналов датчика («квадратурный» метод), который позволяет получить разрешение 96 меток на одном мех. обороте (точность 22,5 эл.гр. - рис.5). В общем случае требуемая точность датчика может быть рассчитана по формуле:

д „ -гиллх)— 11!

" ' У.опр * 2 * М<)пр

где 2/» - число зубцов на рогоре машины 20пр - число зубцов датчика МОпр - число фаз датчика Для ВИД 8/6 с У.<>пр=24 и М<)пр=2 /\ Опр = 22,5 эл.гр.

"Вперед" "Назад"

Рис. 5. Си1 милы Д111' в квалригурном режиме.

Запас по разрешению датчика положения позволяет решить две задачи: управление углом коммутации в функции скорости и режима работы привода и авткоммугации фаз. Для реализации режима автокоммутации предложен оригинальный способ: один из каналов сравнения процессора событий использует в качестве базового таймер, работающий в «квадратурном» режиме и измеряющий положение ротора внутри полюсного деления машины. После очередной коммутации задание на сравнение увеличивается на величину шага. После отработки шага модуль сравнения генерирует прерывание, в процедуре обслуживания которого выполняется переключение фаз,и задание на сравнение вновь увеличивается на шаг.

Третья глава посвящена решению основных задач управления.

На базе экспериментального стенда были проанализированы подходы к реализации контура тока. Применение традиционной структуры подчиненного регулирования JV(я шжфопрпнола данною нша эафуднено из-за ряда причин - существенной нелинейности объекта управления, переходных процессов, сопровождающих каждую коммутацию двигателя, и существующих ограничений в области минимальных скважностей, обусловленных конечным быстродействием драйверов и ключей инвертора. Было принято решение реализовать контур тока программно в виде цифрового релейного регулятора. Для управляющего воздействия выбран наиболее быстрый канал - канал защиты инвертора. Благодаря тому, что этот капал воздействует одновременно на все ключи, а решение принимается по максимальному из токов фаз, удалось синтезировать универсальный РТ, позволяющий ограничивать ток в системах с ВИД данного типа с любым числом фаз и любым алгоритмом коммутации.

Для того, чтобы построить регулируемый привод, необходимо организовать качественное управление по скорости. Для определения скорости рекомендовано использовать тот же датчик, который осуществляет автокоммукщию. Частота вращения привода определяется как отношение величины шага машины ( константы) к времени его отработки. Время измеряется с высокой точностью свободным от приема сигналов ДПР таймером процессора (Timer 2).

Итак, частота вращения привода может бьмь определена по следующим формулам.

ш -в- [рад/с] (2)

• р хТз/ерхРл

„ , * ^пт-[об/мин] (3)

2р х Тв1ер хРп

где а,,,,,.,, - величина эл.шага двигателя

а „ ,(1/=2р/№ш, Иинв - число состояний инвертора Т.Мер - абсолютное время такта коммутации

Т$1ер=(\1к]л1к-Ц) х (Кде.1 х Теч.мии), )

где Кдсп - ко н|)-т деления бачоио! о таймера, Тсч.мин - мин. дискрета счета таймера

_ 6 О

таким образом: «„ - Рп х Мшв х Кдс1 х Тсч шИ х п[к/4/ы ц (5)

Получив достоверную информацию о частоте вращения ротора, можно замкнуть систему по скорости.

Для рашмч применении фебукиси механические харакюрпст икн различной жесткости, вплоть до аеташческих, полому был сипкчирован универсальный цифровой регулятор, сосюящий щ ноависимых пропорциональной и интегральной частей, которые можно было подключать по желанию пользователя. Отличительной особенностью ПИРС является ограничение интегральной составляющей по выходу для уменьшения запаздывания системы управления.

Поскольку естественные механические характеристики ВИД нелинейны, жесткость меняется в зависимости от нагрузки, а свойства самого объекта меняются в зависимости от скорости привода, можно настроить регулятор скорости на самое неблагоприятное сочетание параметров. Предлагается

альтернативное решение, которое состоит в введении автоматической коррекции ко >ф<|]||Ц11С1Пои peí улитра и функции скорости.

В результате был синтезирован РС, обеспечивающий работу привода в широком диапазоне скоростей и нагрузок. Механические характернаикм замкнутой по скорости системы показаны на рис.6. Следует заметить, что жесткость характеристик при работе пропорционального РС возросла от 0,05...0,5 Нмс в разомкнутой системе до 2,5 Нмс в замкнутой.

п, об/мин

U-50% и S0*

N.dh • 1)00

tMO 1000 •00

>1000 о* ...

N «II -МО«*

\

Л

200

2 4 < • « И И 1« 1« 2* 22 24 2в

_М, Нм_

Рнс. 6. Механические характеристики ВИП.

После выбора структуры с независимым управлением по нескольким каналам особое внимание было уделено рациональному взаимодействию управляющих воздействий. Так как регулятор тока не может самостоятельно формировать уровень приложенного напряжения, то на всех этапах работы привода необходима система, вырабатывающая задание скважности на ключи. После анализа условий работы контуров тока и скорости, был сделан вывод о необходимости введения дополнительного контура напряжения со своим собственным законом изменения напряжения в функции скорости - 11(а>).

Управление системой построено так, что регуляторы скорости, тока и и/м работают совместно с разделением задач: в функции скорости регулируется напряжение по каналу и/ы и одновременно происходит расчет второго задания

на напряжение по каналу регулятора скорости, минимальное из двух полученных значений подается как задание на ключи (рис.7); совершенно независимо от регуляторов напряжения и скорости, при превышении токовой усгавки работает релейный регулятор тока.

U

!

Выход П-РС

+

Выход И-РС

>431?

'Umax Umln

U Закон U/N

Аи Выход PC

I

Klmln Hill

Umax ; Umin

Ndlr1» j

u_

Модуль I ; ограничения; , выхода регулятора ! | скорости {

MINIMUM

| Задание скважности | ; для драйверов ключей

Рис. 7. Ваимодействие программных регуляторов.

Важным вопросом для вентильного привода является процедура пуска. Наиболее прост реалишиа1ь пуск из режима фиксации. При лом сначала на первую фазу (фазу А) подаегся напряжение со скважностью 5% и ближайший зубец ротора занимает согласованное положение. При этом зубец, ближайший к фазе В, будет находиться в положении, соответствующем нейтральной коммутации (н> сс!ь его цешр будет смещен относительно центра зубца фазы В на 90 эл.гр.). В этом положении предлагается сбрасывать счетчик таймера, работающего в «квадратурном» режиме, и включать фазу В. После двух инкрементов счетчика ротор повернется па 45 эл.гр. Далее, по сигналу от модуля сравнения, включается фаза С. Модуль сравнения получает новую уставку, равную целому шагу (4 инкремента), и двигатель продолжает вращение в режиме автокоммутации. Изменяя уставку в модуле сравнения, можно менять угол коммутации ВИД.

В четвертой главе рассматриваются перспективные возможности управления ВИП.

____j

Для широкого использования ВИП в таких областях, как бытовая техника, робототехника, транспорт и др., желательно добиться снижения уровня шума двигателя. Были экспериментально исследованы вибро-акустическские свойства данного привода. Проведенные исследования выявили, что вибрации возникают в момент отключения фазы, так как резкое спадание тока вызывает такое же спадание электромагнитного усилия осевого притяжения ротора к сгатору. Для устранения причин повышенного шума был предложен алгоритм программного формирования заднего фронта тока. Выключение фазы эквивалентно мгновенному изменению напряжения на ней от некоторого значения Upa«, до -Umrr.. Идея состоит в том, чтобы при отключении фазы в ней происходило программно-контролируемое спадание тока. Это достигается на первом этапе отключения за счет постепенного снижения скважности верхнего ключа от рабочей до нуля. Дальнейшее регулирование напряжения (or 0 до -Umu.) возможно за счет изменения способа управления нижним ключом стойки. При этом вместо дискретного управления на этом ключе формируется программный ШИМ с меняющейся по рассчитанному закону скважностью. Такой метод позволяет при каждом отключении постепенно снижать ток фазы от рабочего значения до 0. Как видно из осциллограмм тока, уровня шума и виброускорения (рис.8), предложенный метод позволил снизить шум на 10 дБ. Дальнейшее улучшение виброакустических свойств вентильно-индукторного привода возможно за счет более

Осциллограммы шума и вибрации (работают ! 4-е фазы) при программном формировании : заднего фронта тока

' " " ...................." I !

I ; >

I

.Л <

их

качес1веннон сборки самого двигателя.

Осциллограммы шума и вибрации (работают 4-е фазы)

Рис. 8. Снижение шума и вибраций.

Характерной особенностью ВИП до настоящею времени являася наличие датчика положения ротора. Эго обстоятельство существенно снижает надежность системы и сужает область применения приводов такого типа, поэтому другим направлением исследований по улучшению потребительских свойств привода была разработка бездатчикового варианта системы управления двигателем. Предлагаемый способ бездатчикового управления состоит в измерении потокосцепления, которое пропорционально интегралу скважности (приложенного к фазе напряжения) по времени, и сравнении полученного значения потокосцепления со значением на кривой намагничивания, заданной таблично. Уставка потокосцепления для требуемого угла коммутации должна соответствовать желаемому моменту переключения при данном юке (рис.9). Метод, при всей кажущейся простоте, требуем корректного подсчета потокосцепления, так как на значение скважности влияет работа РТ.

РЕГУЛЯТОР ТОКА

I

< ВРЕМЯ ПЕРЕКОММУТАЦИИ

АЦП

Рис. 9. Алгоритм бехтатчикового управления.

Реализованная методика бездатчикового управления показала свою работоспособность. Были получены хорошие результаты - осциллограммы пуска сдатчиком и без пего практически не отличаются (рис. 10).

Пуск с датчиком положения при разных углах коммутации

Пуск без датчика положения при разных настройках

и «ид античность наблюдатели объекту

угол коммутации Оааг)а* 22 6е

гттт

-г

угол коммутации 26

м

• ' ЛИЯ --

ГГГП

угол коммутации 30°

I1!! "

Рис. 10. Работа алгоритма бе!д»тчикоього управления.

Пятая глава посвящена организации программного обеспечения СУ ВИП. Созданное в рамках проекта программное обеспечение можно разделить на три части: первая - это программы, обеспечивающие связь между микроконтроллером и компьютером, вторая - это загрузочные программы, прошитые в ПЗУ на плате контроллера и третья - программное обеспечение управления приводом в реальном времени.

Основной задачей была разработка рабочих программ, а также комплекта программ для настройки и тестирования привода. Для проверки точности и настройки канала ДПР были написаны программы, позволяющие визуально контролировать изменение состояния «квадратурного» счетчика и положение ротора внутри полюсного деления на жидкокристаллическом дисплее пульта оперативного управления. Для проверки работы ШИМ-генератора и настройки силовой части преобразователя была подготовлена программа пошаговой коммутации ключей с управлением от пульта.

Для исследования свойств привода был разработан и отлажен комплект программного обеспечения для реализации различных режимов синхронного вращения и вращения в режиме автокоммутации, в том числе с минимизацией шума и бездатчиковой автокоммутацией.

Все программное обеспечение имеет модульную арукгуру. Это существенно упрощает его дальнейшую модернизацию и сопровождение.

Важным параметром оценки эффективное) и процессорной системы управления является ее загруженность по времени. Особенно необходима 1акая оценка для сисюм, рабокпощих в реальном времени. Любая микропроцессорная система сохраняет работоспособное! ь, пока цикл программы не заполнен прерываниями на 100" ;]. Наибольшую загрузку системы дает прерывание по обслуживанию АЦП и регулятора тока (рис.11). На его обработку уходит более половины цикла программы.

Рис. 11. Распределение временной загрузки процессорной системы.

На обслуживание прерываний в разработанной СУ уходит 88% времени, а на решение фоновых задач - около 12% (рис. 11). Из этого следует, что есть небольшой резерв для решения дополнительных задач управления, связанных с привязкой привода к технологическому процессу.

В заключении приведены основные выводы по работе:

1) предложена модульная унифицированная встраиваемая система управления, с функциями необходимыми для управления вентильными приводами с разным числом фаз;

2) предложено оптимальное распределение программных и аппаратных функций для решения задач прямого цифрового управления ВИП:

3) предложен оригинальный метод программно-аппаратного определения положения роюра и организации автокоммутации двигателя на основе использования процессора событий и таймера в «квадратурном режиме»;

Шй 1МТ другие 7,00* 0,0»*

Фоновая программа 11,«7*

СОМР2_1МТ 17.00*

4) разработана про1раммно-аппаратная методика определения скорости, позволяющая определять скорость в диапазоне от 20 до 100000 об/мин с погрешностью, вносимой процессорной системой, не более 1%. Методика основана на взаимодействии нескольких периферийных устройств - таймера в «квадратурном» режиме, интервального таймера и процессора событий;

5) разработан программный регулятор тока, работающий по принципу двойного токового коридора;

6) разработан адаптивный регулятор скорости, обеспечивающий работу привода в широком диапазоне скоростей и нагрузок;

7) разработан комплект базового программного обеспечения, построенный по модульной структуре, и пригодный для быстрой адаптации к конкретному применению.

В приложении I приведен комплект модулей рабочего и отладочного npoi раммного обеспечения.

Основные положении диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Козаченко В.Ф., Обухов H.A., Миколаенко В.П., Семенчук В. А. Универсальный микропроцессорный контроллер для управления вентильными приводами.// Научно-технический семинар "Вентильно-индукторный электропривод - проблемы развития и перспективы применения": Тез. докл. -М.. I996.-c.7-8.

2. Козаченко В.Ф., Бычков М.Г., Семенчук В.А., Гольштейн М.Ю., Испытательный комплекс для экспериментальных исследований вентильно-индукторного электропривода.// 2 Международная конференция по электромеханике и электротехнологии: Тез. докл. - Симферополь., 1996,- с.20-21.

3. Козаченко В.Ф., Семенчук В.А., Бычков М.Г. Гольштейн М.Ю., Кисельникова А.В..Испытательный комплекс для исследований вентильно-индукторного электропривода.// Научно-технический семинар "75 лет отечественной школы электропривода": Тез. докл. - С-Петербург., 1997. - с.4-5.

4. Бычков М.Г., Кисельникова A.B., Семенчук В.А. Экспериментальные исследования шума и вибраций в вентильно-индукторном электроприводе.// Электричество 1997. -№12. -с.41-46.

5. Bychkov M.G.. Kiselnikova A.V., Semenchuk V.A. Experimental Investigation of Noise and Vibration in a Switched Reluctance Drive.// Electrical Technology - 1997. -№4-c.il 1-120.

Псч. л. l^S

Тираж JQQ Заказ

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.

Введение

Глава первая. Обзор традиционных решений в области управления вентильным приводом.

1.1 Классификация вентильно-индукторных двигателей.

1.1.1 Вентильные машины с возбуждением от постоянных магнитов.

1.1.2 Вентильные машины с безобмоточным ротором.

1.1.3 Вентильно-индукторные двигатели с самовозбуждением

1.2 Наиболее распространенные варианты инверторов для вентильного привода.

1.3 Варианты построения системы управления вентильным приводом.

Глава вторая. Организация интерфейсов для эффективного управления ВИП.

2.1 Структура универсального микроконтроллера.

2.2 Регулировочные возможности ВИД.

2.3 Распределение программных и аппаратных ресурсов для решения задач прямого цифрового управления ВИП.

2.3.1 Организация управления ключами.

2.3.2 Распределение ШИМ-выходов контроллера.

2.3.3 Распределение других ресурсов контроллера.

2.4 Организация перекоммутации и рекомендации по выбору датчика положения ротора (ДПР).

2.5 Реализация возможных алгоритмов коммутации для ВИД 8/6.

2.6 Организация необходимых защит и взаимодействие с оператором.

2.6.1 Действия при аварийной ситуации.

2.6.2 Возможности оперативного управления.

Глава третья. Решение основных задач управления

3.1 Определение и ограничение токов в фазах двигателя.

3.1.1 Выбор структуры и способа реализации контура тока.

3.1.2 Оценка временных и точностных характеристик работы регулятора тока,

3.1.3 Резервы оптимизации регулятора тока.

3.2 Обоснование техники построения канала обратной связи по скорости для ВИД.

3.2.1 Методика определения скорости.

3.2.2 Выбор коэффициента деления базового таймера.

3.2.3 Точность измерения скорости.

3.2.4 Методика измерения низких скоростей.

3.2.5 Измерение скорости при нескольких периодах базового таймера между выборками

3.2.6 Программная компенсация погрешностей изготовления ДПР.

3.2.7 Практическая реализация регулятора скорости.

3.3 Взаимодействие программных регуляторов.

3.3.1 Варианты организации задатчика интенсивности.

3.3.2 Организация контура напряжения.

3.3.3 Выбор закона U/n,

3.4 Организация пуска в вентильном режиме.

Глава четвертая. Перспективные возможности управления ВИП.

4.1 Улучшение вибро-акустических характеристик ВИП.

4.2 Бездатчиковое управление ВИП.

4.2.1 Варианты организации бездатчикового управления ВИП.

4.2.2 Метод определения положения по кривой намагничивания.

Глава пятая. Организация программного обеспечения

СУ ВИП.

5.1 Структура программного обеспечения.

5.2 Оценка временных ресурсов процессорной системы.

С 80-х годов в иностранной научно-технической литературе появились материалы о новом перспективном типе электрического привода SRD - Swidched Reluctance Drive. В последние годы практически во всех промышленно развитых странах многими исследовательскими центрами и фирмами ведутся активные разработки этого типа электропривода для различных областей применений. В таком приводе используется очень простая по конструкции и технологии изготовления электрическая машина с неодинаковым числом явновыраженных полюсов на статоре и роторе. На полюсах статора расположены сосредоточенные обмотки. Статорные обмотки переключаются специальным коммутатором в функции положения ротора.

Некоторые электротехнические фирмы продвинулись в своих исследованиях до серийного выпуска таких приводов. В то же время многие специалисты отступили перед возникшими техническими проблемами.

Следует отметить, что работы по электроприводам с индукторными машинами (ИМ) были начаты более 30 лет назад в СССР (проф. Чиликин МП и др., МЭИ) и в Великобритании (проф. Лоуренсон, Лидский университет).

В МЭИ была создана общая теория таких электроприводов [6, 17], построены и испытаны первые образцы, но имеющийся большой задел в указанной области мог быть реализован только в работах по индукторным шаговым двигателям (ШД) малой мощности и дискретному приводу на их основе. Это связано с низкими надежностью и мощностью электронных компонентов тех лет. Поэтому тогда казалось невероятным, что ИД может быть универсальной машиной для разных областей техники и, что электропривод с этой машиной, выполненный на современной элементной базе, будет иметь лучшие технико-экономические характеристики, чем традиционные регулируемые электроприводы.

Отрицательное отношение к использованию индукторных машин для регулируемого электропривода большой мощности базировалось еще и на таких недостатках ШД, как низкий КПД, прерывистость и колебательность движения при низких скоростях, малые воздушные зазоры, плохое использование магнитопровода мощных индукторных генераторов при гребенчатых зонах полюсов и др. Значительную часть этих недостатков можно преодолеть.если есть возможность правильно управлять приводом. С появлением в 80-х годах более совершенной элементной базы зарубежные исследователи опять вернулись к ВИП [46,47]. В настоящее время компания Switched Reluctance Drives Ltd, организованная П.Лоуренсом в 1980 г., занимается проектированием, развитием и лицензированием двигателей и контроллеров. Профессору П. Лоуренсону - известному в Англии специалисту в области теории поля электрических машин и шагового ЭП - принадлежит заслуга в создании SRD большой мощности для трамвая и первой в мире промышленной серии таких электроприводов ( Рн = 4 - 35 кВт). По лицензии SRDL английская фирма Allenwest организовала выпуск общепромышленных ВИП (7,5 - 22 кВт), a Jeffrey Diamond - серию ВИП (35 - 200 кВт) для шахт и других отраслей с тяжелыми условиями работы [39]. В настоящее время фирма SRDL работает с мощностями до 450 кВт. По мнению фирмы к 2000 году от 40% до 60% промышленных изделий различных областей техники будут оснащаться SRD. В 1994 году продавалось около 20000 приводов. В настоящее время SRDL работает над развитием сервоприводов. В 1994 году американская компания Emerson Electric Co. - крупнейший в мире поставщик электрических моторов - приобрела фирму SRDL.

Итальянская фирма Sicme Motori в кооперации с SRDL выпускает серию приводов RELU-SPEED мощностью от 9 до 140 кВт при 3000 об/мин. Машины имеют 12 полюсов на статоре и 8 полюсов на роторе. Указывается на высокое значение момента при низких скоростях, низкий пусковой ток и неограниченное число последовательных пусков под нагрузкой. В стандартном исполнениии диапазон регулирования скорости - от 6000 до 50 об/мин, а с дополнительным резольвером можно получить заданную форму движения и постоянный момент при очень низких скоростях.

Германская фирма MACCON имеет некоторый опыт в распространении SRD от американской Magna Physics и итальянской

Sicme Motori. Magna Physics поставляет двигатели мощностью от 10

Вт до 1500 Вт.

Прежде, чем перейти к анализу аппаратной и программной частей систем управления рассматриваемого электропривода, обратим внимание на предпосылки наблюдаемого сейчас бурного развития этого типа привода, чтобы понять, почему конструкция, изобретенная еще в прошлом веке, становится конкурентоспособной только в настоящее время. К предпосылкам можно отнести:

- создание силовых полупроводниковых ключей с высокими характеристиками по быстродействию и потерям;

- развитие микроконтроллеров, цифровых сигнальных процессоров, в значительной мере снимающее ограничение по сложности реализуемых алгоритмов управления.

- опыт разработки вентильных и шаговых двигателей различной конфигурации;

- опыт разработки систем ПЧ-АД с ШИМ, позволяющих формировать требуемую форму тока;

В то же время в России на текущий момент нет серийных вентильных приводов, хотя отдельные попытки (в том числе и успешные) создания такого привода предпринимались как в МЭИ, так и в других научных и производственных организациях (ВНИИЭМ, ЭНИИМС и других). Подобные исследования в нашей стране ведутся разрозненно, главным образом для транспортных и ряда других специальных применений.

Новый электропривод, судя по зарубежным публикациям, обладает комплексом свойств, выгодно отличающих его от существующих аналогов [34, 39] и определяющих возможность его использования в качестве массового регулируемого электропривода нового поколения.

По-видимому, машину вентильно-индукторного типа можно считать именно тем типом перспективного электромеханического преобразователя энергии, который может удовлетворить весьма разнообразным, но во многом противоречивым требованиям современных регулируемых электроприводов. Однако достижение этих преимуществ возможно лишь в результате глубоких и всесторонних исследований комплекса - система управления -электронный коммутатор - машина и основанных на них приемах оптимального управления приводом.

Целью настоящей работы является разработка высокоэффективных микроконтроллерных систем управления и всестороннее исследование возможных способов управления ВИП.

Цель работы определила основные задачи исследования, решенные в пяти главах диссертации.

В первой главе рассматривается классификация вентильно-индукторных двигателей, описываются наиболее перспективные структуры построения инверторов и принципы управления ВИД. Круг исследований ограничивается самыми распространенными вентильно-индукторными двигателями с самовозбуждением и нереверсивным питанием фаз. Формируются требования к устройству управления для оптимальной структуры на силовых IGBT-ключах или силовых интегрально-гибридных модулях. Обосновывается выбор элементной базы для разработки системы управления - микроконтроллеров Intel 8ХС196МН, обладающих необходимым набором встроенных периферийных устройств и высокой производительностью, что позволяет создавать как датчиковые, так и бездатчиковые системы управления ВИД.

Во второй главе на основе разделения функций предлагается структура модульной микроконтроллерной СУ в составе: контроллер, пульт оперативного управления, плата ввода/вывода дискретных сигналов, плата сопряжения с датчиками положения перспективных типов (Холла и импульсными ДПР). Рассматриваются возможные каналы управления таким двигателем, предлагается оптимальное распределение аппаратных и программных ресурсов контроллера для решения задач прямого цифрового управления ВИП. Предлагается способ организации перекоммутации и рекомендации по выбору датчика положения ротора (ДПР). Кроме этого рассматривается структура необходимых защит и взаимодействие с оператором.

Третья глава посвящена решению основных задач управления, таких как:

- определение и ограничение токов в фазах двигателя

- определение и регулирование скорости ВИД

- взаимодействие программных регуляторов

- организация пуска в вентильном режиме.

В четвертой главе рассматриваются перспективные возможности управления ВИП. Предлагается программный способ улучшения вибро-акустических характеристик ВИП. Успешно реализуются алгоритмы бездатчикового управления ВИД.

Пятая глава посвящена организации программного обеспечения СУ ВИП. В ней показана структура разработанного программного обеспечения и выполнена оценка временных ресурсов процессорной системы.

Проведенный автором комплекс работ по разработке и исследованию микропроцессорной системы управления вентильного привода позволил с одной стороны получить достаточно полное представление о способах управления ВИП, а с другой стороны способствовал созданию серийной версии универсального контроллера, предназначенного для управления электроприводами различных типов.

Выводы по главе: Разработанное программное обеспечение благодаря своей модульной структуре может быть легко адаптировано для реализации конкретных проектов. Вычислительные ресурсы системы управления используются в полной мере.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе проведены теоретические и экспериментальные исследования вентильно-индукторного электропривода с точки зрения вопросов управления. Проведенные исследования позволили практически подтвердить эффективность использования ВИД в системах регулируемого электропривода средней мощности. Подтвердился тезис о возможности существенного улучшения потребительских и эксплуатационных параметров индукторного двигателя за счет применения мощной программной системы прямого цифрового управления.

К основным результатам работы можно отнести:

1) Предложена унифицированная система управления с функциями необходимыми для управления различными вентильными приводами (с разным числом фаз). Разработаны необходимые интерфейсы для ввода в СУ информации о токах в фазах двигателя, о положении ротора.

2) Предложено рациональное распределение программных и аппаратных функций для решения задач прямого цифрового управления ВИП. Благодаря мощной процессорной части и правильному распределению ресурсов практически все задачи управления силовым приводом удалось реализовать программно.

3) Предложено использование импульсного ДПР и оригинального программно-аппаратного метода определения положения ротора и организации перекоммутации с помощью процессора событий с минимальным отвлечением ресурсов центрального процессора.

4) Разработана программно-аппаратная методика определения скорости, позволяющая определять скорость в диапазоне от 20 до 100000 об/мин с погрешностью, вносимой процессорной системой, не более 1%. При определении скорости используется тот же импульсный датчик, что и для определения положения ротора.

5) Разработан быстродействующий программный регулятор тока, работающий по принципу двойного токового коридора. Релейный регулятор позволяет эффективно ограничивать ток привода как в двигательном, так и в генераторном режимах.

6) Разработан адаптивный ПИ-регулятор скорости, автоматически изменяющий коэффициенты пропорциональной и интегральной частей в функции текущей скорости. Регулятор обеспечивает работу привода в широком диапазоне скоростей и нагрузок.

7) Выполнена оценка использования ресурсов процессорной системы при решении комплекса задач управления.

8) Разработан комплект базового программного обеспечения, построенного по модульной структуре и пригодный для быстрой адаптации к конкретному применению.

9) Полученные результаты используются при разработке и испытаниях перспективных типов вентильного привода Ярославского электромашиностроительного завода.

1.Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. М., Высшая школа. 1990.

2. Бычков М.Г. Элементы теории вентильно-индукторного электропривода Электричество, 1997, № 8, с. 35-44.

3. Бычков М.Г., Кисельникова А.В., Семенчук .А. Экспериментальные исследования шума и вибраций в вентильно-индукторном электроприводе Электричество, 1997, № 12, с. 41-46.

4. Ивоботенко Б. А. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями. Под ред. М.Г.Чиликина. М., «Энергия», 1971.

5. Ивоботенко Б.А., Козаченко В.Ф. Проектирование шагового ЭП. М. МЭИ. 1985

6. Ильинский Н.Ф. Вентильно-индукторные машины в современном электроприводе // Тез. докл. научно-технического семинара "Вентильно-индукторный электропривод проблемы развития и перспективы применения". - М.: МЭИ, 1996, с. 3-4.

7. Ильинский Н.Ф. Вентильно-индукторный электропривод перед выходом на широкий рынок. Приводная техника. №3, с2-5. Ю.Ильинский Н.Ф. Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода. М.,Энергоатомиздат. 1992.

8. Ключев В.И. Теория электропривода. М., Энергоатомиздат. 1985.

9. Козаченко В.Ф. Микроконтроллеры М.: ЭКОМ, 1997.

10. Кондриков А.И., Босинзон М.А. комплектное электрооборудование металлорежущих станков с ЧПУ и промышленных роботов.М. НИИМаш. 1984.

11. Кононенко Е.В. Синхронные реактивные машины.М. Энергия. 1990.

12. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. М: Наука, 1980, 208 с.

13. Рожнов Н.М., Русаков A.M., Сугробов A.M., Тыречев П.А. Вентильные генераторы для автономных систем электроснабжения. Москва, МЭИ, 1996 г.

14. П.Садовский J1.A. Разработка и исследование систем ЭП с силовыми параметрическими шаговыми двигателями. МЭИ. Канд. диссертация. 1964.

15. A New Sensorless Low-cost Methods for Switched Reluctance Motor Drives Gabriel Gallegos-Lopez University of Glasgow SPEED Laboratory August 30, 1997

16. P.P. Acarnley, R.J. Hill, and C.W. Hooper. Detection of rotor position in stepping and switched reluctance motors by monitoring of current waveforms. IEEE Transaction IE, 32(3):215 222, 1985.

17. J.T. Bass, M. Ehsani, and T.J.E. Miller. Robust torque control of switched-reluctance motors without a shaft position sensor. IEEF Transaction IE, IE-H3(33):212 -- 216, 1986.

18. D. Cameron, J. Lang, S. Umans. The Origin and Reduction of Acoustic Noise in Doubly Salient Variable-Reluctance Motors. IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 28, No. 6, Nov./Dec. 1992

19. A. Cheok and N. Ertugrul. A model free fuzzy logic based rotor position sensorless switched reluctance motor drive. Proc. IEEE-IAS'96, pages 76 -- 83, 1996.

20. M. Ehsani, I. Husain, and A.B. Kulkarni. Elimination of discrete position sensor and current sensor in switched reluctance motor drives. IEEE Transaction IA, 28(1): 128-135, 1992.

21. М. Ehsani, I. Husain, S. Mahajan, and K.R. Ramani. New modulation encoding tech-niques for indirect rotor position sensing in switched reluctance motors. IREE Trans-action IA, 30(1):85 91, 1994.

22. C. Elmas and H. Zelaya-De la Parra. Position sensorless operation of a switched reluc-tance drive based on observer. Proc. EPE'98, pages 82 ~ 87, 1993.

23. Fratta A. and another. AC Spindle Drives: A Unified Approch to the Field Wlakening Behavior. Motor-Con. June 1988 Proc.

24. Hopper E. The Development of Switched Reluctance Motor Applications. PCIM Europe, 1994, № 5, p. 236-241.

25. Husain and M. Ehsani. Rotor position sensing in switched reluctance motor drives by measuring mutually induced voltages. IREE Transaction IA, 30(3):665 -- 672, 1994.

26. K. Iizuka, H. Uzuhashi, M. Капо, T. Endo, and K. Mohri. Microcomputer control for sensorless brushless motor. IEEE Transaction IA, 21(3):595 -- 601, 1985.

27. P.C. Kjmr, F. Blaabjerg, J.K. Pedersen, P. Nielsen, and L. Andersen. A new indirect rotor position detection method for switched reluctance drives. ICEM'94,, 2:555 560, 1994.

28. P. Laurent, M. Gabsi, and M. Multon. Sensorless rotor position analysis using resonant method for switched reluctance motor. Proc. IEEE-IAS'99, pages 687 -- 694, 1993.

29. P. Laurent, M. Gabsi. Sensorless rotor position analysis using approximent method for switched reluctance motor. ICEM'94, Paris., pages 487 -- 490, 1994.

30. P. Laurent, B. Multon, E. Hoang, and M. Gabsi. Sensorless rotor position measurement based on pwm eddy current variation for switched reluctance motor. Proc. EPE'95, 3:3.787 3.792, 1995.

31. Lawrenson P. A Brief Status Review of Switched Reluctance Drives. -EPE Journal, Vol. 2, No.3, Oct. 1992, p. 134-144.

32. A.H. Lumsdaine and J.H. Lang. State observers for variable-reluctance motors. IEEE Transaction IA, 37(2): 133 -- 142, 1990.

33. J.P. Lyons, S.R. MacMinn, and M.A. Preston. Flux/current methods for srm rotor position estimation. Proc. IEEE-IAS'91, pages 482 -- 487, 1991.

34. S.R. MacMinn, W.J. Rzesos, P.M. Szczesny, and T.M. Ja.hns. Application of sensor integration techniques to switched reluctance motor drives. Proc. IEEE-IAS'88, pages 584 588, 1988.

35. E. Mesc and D.A. Torrey. Sensorless position estimation for variable-reluctance machines using artificial neuronal networks. Proc. IEEE-IAS'97, October 1997.

36. T.J.E. Miller. Switched Reluctance Motors and their Control. Magna Physics Publication, Clarendon Press,Oxford, 1993. ISBN 0-19-859387-2.

37. P. Nielsen, L. Andersen, and P.C. Kjmr. Energy optimization and control strategies for switched reluctance motor. MS Thesis, 1993. Aalborg University Denmark.

38. S.K. Panda and G.A.J. Amaratunga. Waveform detection technique for indirect rotor-position sensing of switched-reluctance motor drives, i. analysis. IEE Proceedings B, 140(1):80 -- 88, January 1993.

39. D. Pulle, J. Lai, J. Milthorpe, N. Huynh. Quantification and Analysis of Acoustic Noise in Switched Reluctance Drives. EPE-93 Brigton, 13-16.9.1993, p. 65-70.

40. W.F. Ray and I.H. Al-Bahadly. A sensorless method for determining rotor position forswitched reluctance motors. Conf. Proc. of Power electronics and variable-speed drives, pages 13 17, October 1994.

41. W.F. Ray and I.H. Al-Bahadly. Sensorless methods for determining the rotor posit,ionof switched reluctance motors. Proc. of EPE'93, 6:7 ~ 13, 1993.

42. A. Scharf. Optimism for SR Drives. PCIM Europe, Jan./Febr. 1994, p. 16-17.

43. V.Trifa . and another. Tracking Control with SRM. PEMC-94. Poland.

44. L. Xu and J. Bu. Position transducerless control of a switched reluctance motor using minimum magnetizing input. Proc. IEEE-IAS'9/, October 1997.