Table Of Content1
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………….5
ГЛАВА 1. Математическая модель электропривода
с вентильным двигателем ………………………………………..17
1.1 Постановка задачи и основные допущения………………………….…….17
1.2 Уравнения электропривода с вентильным двигателем. ………………….24
1.3 Модель синхронного электромеханического преобразователя во вра-
щающейся системе координат……………………………….......................29
1.4 Модель усилительно-преобразовательного устройства…………………..31
1.4.1. Модель с двумя апериодическими звеньями……………………….31
1.4.2. Модель со звеном чистого запаздывания и апериодическим
звеном…………………………………………………………………34
1.5 Статические характеристики электропривода ……………………….......38
1.5.1 Учет инерционности усилителя мощности………………..….........39
1.5.2 Учет инерционности микроконтроллера и усилителя мощности..48
1.5.2.1 Характеристики электропривода при описании микро-
контроллера апериодическим звеном …………………………48
1.5.2.2 Характеристики электропривода при описании микро-
контроллера звеном чистого запаздывания…………………58
1.6. Выводы……………………………………………………………………….66
ГЛАВА 2 Коррекция статических характеристик электропривода
с вентильным двигателем………………………………………...68
2.1. Постановка задачи…………………………………………………………...68
2.2. Минимизация фазных токов……………………………………………….72
2.2.1 Коррекция при описании усилительно-преобразовательного
устройства одной постоянной времени…………………………......72
2.2.2 Коррекция при учете инерционности микроконтроллера..............74
2.2.2.1 Коррекция при описании микроконтроллера
2
апериодическим звеном первого порядка................................74
2.2.2.2 Коррекция при описании микроконтроллера
звеном чистого запаздывания..….………….............................82
2.3 Линеаризация регулировочных и механических характеристик электро-
привода...............................................................................................................88
2.4 Определение эффективности коррекции статических характеристик….....91
2.4. Выводы…………………………………………………………………….....94
ГЛАВА 3. Проектирование усилительно-преобразовательного устройства
с микроконтроллером………………………………………………96
3.1. Постановка задачи…………………………………………………………..96
3.2. Оценка времени вычислений, производимых микроконтроллером…....103
3.3 Влияние квантования в микроконтроллере на пульсации фазных
напряжений и токов………………………………………………………….104
3.3.1 Влияние дискретизации на пульсации напряжения на выходе
усилителя мощности……………………………………………….....106
3.3.2 Учет квантования АЦП и ШИМ-генератора………………….........111
3.4 Учет влияния ШИМ-усилителя на пульсации фазных напряжений
и токов……………………………………………………………….….…..115
3.5 Определение пульсаций фазных напряжений и токов…..………...….....120
3.6. Методика проектирования усилительно-преобразовательного
устройства с микроконтроллером………………………………….……...132
3.7. Выводы……………………………………………………………………...139
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование электропривода с
вентильным двигателем и микроконтроллером……………...141
4.1. Постановка задачи………………………………………………………….141
4.2. Экспериментальная установка…………………………………….………145
4.3. Экспериментальное определение зависимости момента холостого
3
хода от скорости…………………………………………………………...147
4.4. Определение постоянной времени усилительно-преобразовательного
устройства…………………………………………………………………..151
4.4.1 Определение постоянной времени микроконтроллера…………...152
4.4.2 Определение постоянной времени линейного усилителя
мощности…………………………………………………...………..153
4.5. Экспериментальное определение статических характеристик……….....158
4.5.1. Зависимость частоты вращения от напряжения управления……..158
4.5.2. Зависимости потребляемого тока и амплитуды фазного тока
от напряжения управления…………………………………….……160
4.5.3. Первая гармоника и постоянная составляющая фазного тока…...163
4.5.4. Влияние коррекции на статические характеристики..……………165
4.5.5. Влияние коррекции на фазу тока статора……………………….....169
4.6. Влияние быстродействия микроконтроллера на регулировочные
характеристики…………………………………… ……………………....171
4.7. Выводы……………………………………………………………………...177
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….179
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………...182
5
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время наблюдается быстрое развитие регулируемых элек-
троприводов переменного тока малой мощности, использующих синхронные
двигатели с постоянными магнитами. Регулируемые электроприводы с син-
хронными машинами могут иметь различные структуры: с дискретным управ-
лением [21,25,74,97], с непрерывным управлением (синусоидальной формой
фазных токов) [6,68,114,121], с векторным управлением [7,156,165,166,
167,175,176,184,185,188,190], с адаптивным управлением [132,161], c фаззи-
регуляторами [162], с гибридным управлением [171,173] с бездатчиковым из-
мерением механических параметров [179]. В литературе [197,204,205,207] по-
казано, что для обеспечения перемещения с высокими точностными характери-
стиками и быстродействия системы одной из самых перспективных является
структура электропривода с векторным управлением синхронным двигателем.
В русских публикациях электропривод с синхронной машиной называется
электроприводом с вентильным двигателем (ЭПВД) [22,125,132,141,202], или
вентильным электроприводом [3,29,30].
Большинство публикаций, посвященных ЭПВД малой мощности, рас-
сматривают дискретный способ управления (коммутации) синхронной машины
[25,52,60,97,98,139]. Но дискретное управление ВД неприемлимо для высоко-
точных глубокорегулируемых приводов, поскольку не обеспечивает выполне-
ние условий равномерности электромагнитного момента [97,207]. Для дости-
жения равномерности момента ВД применяется непрерывный способ управле-
ния ВД [83].
В одном из первых достаточно полных описаний ЭПВД с непрерывным
способом управления МДС якоря, содержащемся в работе [18] рассматривают-
ся явнополюсные и неявнополюсные машины различного типа с частотно-
токовым управлением, при котором усилитель мощности (УМ) охвачен глубо-
кой отрицательной обратной связью по току и работает в режиме источника то-
6
ка. В дальнейшем в большинстве опубликованных работ по ЭПВД с непрерыв-
ным управлением рассматривается управление синхронной машиной от источ-
ника напряжения [16,25,94,103,124,139], поскольку для машин малой мощности
применение источника тока не имеет серьезных преимуществ, в связи с малым
значением электромагнитной постоянной времени, линейностью и симметрич-
ностью характеристик и отсутствием во многих случаях токоограничения.
Однако большинство опубликованных математических моделей ЭПВД с
непрерывным управлением не учитывают ряд факторов. В частности, усили-
тельно-преобразовательное устройство (УПУ) принимается линейным и безы-
нерционным, не содержащим цепей статической коррекции характеристик ВД.
Между тем, реальные УПУ характеризуются заметным запаздыванием, а также
наличием высших гармоник выходных напряжений, вызванных как нелинейно-
стью характеристик УМ, например, за счет насыщения, так и пульсацией на-
пряжений на выходах преобразователя координат (ПК) из-за фазочувствитель-
ного выпрямления (в аналоговых ПК) или квантования сигналов (в цифровых
ПК) [89].
Высшие гармоники фазного напряжения вызывают дополнительные по-
тери в обмотке якоря, которые должны быть учтены при проектировании теп-
лоотвода [9].
Применительно к ЭПВД особо грубым допущением является пренебре-
жение динамикой УПУ. Экспериментальные исследования ЭПВД на базе ма-
шин серии ДБМ показывают, что для них влияние постоянной времени УПУ
гораздо больше, чем электромагнитной постоянной времени [88]. Во многих
случаях именно эта постоянная времени определяет вид статических и динами-
ческих характеристик, ток потребления, схему статической коррекции и другие
параметры ЭПВД. При микропроцессорном управлении ЭПВД учет запаздыва-
ния управляющего устройства в виде периода дискретности носит принципи-
альный характер.
Передаточная функция ЭПВД с инерционными усилителями тока на ос-
нове опытных данных была приведена еще в работе [18]. Однако аналитическое
7
влияние инерционности УПУ при математическом описании ЭПВД с непре-
рывным управлением впервые было учтено лишь в публикациях Микерова А.Г.
[10,83,89]. В дальнейшем аналогичный подход применен в работах
[121,122,137]. Однако, результаты, полученные в указанных работах примени-
мы к структурам ЭПВД с аналоговым ПК. Исследование влияния инерционно-
сти УПУ для ЭПВД с непрерывным управлением и цифровым ПК в рассмот-
ренных работах отсутствует.
Наиболее широкое распространение в работах отечественных авторов
[10,16,25,48,53,71,83,89,97,104,115], посвященных ЭПВД с непрерывным
управлением, получила схема вентильного двигателя (ВД) с аналоговым уст-
ройством управления (УУ), изобретенная Д.В.Свечарником [155]. Преобразова-
тель координат такого ЭПВД включает в свой состав ДПР, работающий в ре-
жиме СКВТ. На рис.В.1. показан двухфазный ВД, имеющий структуру, пред-
ложенную Свечарником, здесь М – модулятор, ГОН – генератор опорного на-
пряжения, ВТ – синусно-косинусный вращающийся трансформатор, ФЧВ –
фазочувствительный выпрямитель, Ф –фильтр нижних частот, «–1» – блок ин-
версии фазы (инвертирующий повторитель), УМ –линейный усилитель мощно-
сти, СЭМП – синхронный электромеханический преобразователь. Блоки М,
ГОН, ВТ, ФЧВ и Ф, которые осуществляют преобразование входного напряже-
ния в фазные напряжения u , u , образуют усилительно-преобразовательное
A B
устройство (УПУ). ВТ используется в качестве преобразователя координат
(ПК) и датчика положения ротора (ДПР). Данная структура ВД является клас-
сической структурой аналогового ВД с непрерывным управлением.
Для повышения надежности и точности ЭПВД, повторяемости парамет-
ров, реализации непрерывного управления ВД в составе ЭПВД малой мощно-
сти применяются цифровые микроконтроллеры (МК) [46,63,64,90,100,106].
Микроконтроллер в составе ЭПВД позволяет реализовать корректирующие
8
ПК
М u
ВТ s
uq uв ФЧВ Ф –1 УМ u N
A
S
u
c u
B
ФЧВ Ф УМ
ГОН
УПУ СЭМП
Рис.В.1. ЭПВД с непрерывным управлением, изобретенный Д.В.Свечарником
звенья (регуляторы и фильтры) и обеспечивает позиционную обратную связь,
необходимую для работы СЭМП в режиме ВД [100,116,176,185,191].
При цифровом управлении ВД блок ПК реализуется в виде программы, на-
ходящейся в памяти МК.
Микроконтроллер перерабатывает информацию, поступающую от датчиков–
источников информации, и в результате этой переработки формирует информа-
цию о фазных напряжениях [48,100,176]. Внедрение в состав ЭПВД МК озна-
чает включение в аналоговую (непрерывную) систему цифровой подсистемы,
представляющей собой нечто среднее между аналоговыми и дискретными сис-
темами: квантование по времени и по уровню, присущее цифровым устройст-
вам, является признаком дискретной системы, но при этом все сигналы внутри
цифровых систем являются непрерывными ступенчатыми, что характеризует их
как аналоговые. Непрерывность во времени цифровых сигналов обеспечивают
запоминающие устройства, к которым относятся память и все операционные
устройства (регистры).
9
При цифровом управлении ВД электропривод становится цифро-аналоговой
системой, поскольку СЭМП является аналоговым элементом. При замене ана-
логового управления электропривода на цифровое математическое описание
системы управления усложняется, поскольку требуется дополнительно учиты-
вать влияние дискретизации по времени и по уровню в цифровой части. В рабо-
те [108] рассмотрено влияние дискретизации в МК обобщенного ЭП, структура
которого сводится к одномерной модели, на динамику цифрового ЭП. Влияние
же дискретизации в ЦУУ на точность статических характеристик ЭП в работе
[108] не рассмотрено.
Исследованию и созданию ЭПВД с МК посвящены труды Домрачева
В.Г., Смирнова Ю.С. [51], Гориловского А.А. [100], Герман-Галкина С.Г. [144].
В работах [51,100] предложены конкретные технические реализации ЭПВД с
цифровым управлением, но теоретическое обоснование и оптимизация реше-
ний не производятся. В работе [144] акцент сделан на исследование силовой
части ЭПВД, а анализ влияния дискретизации в МК на характеристики ВД от-
сутствует.
В работе [83,122] рассмотрены алгоритмы коррекции инерционности ПК
и СЭМП. Но не предложены способы их численной реализации и алгоритмиза-
ции задачи коррекции для применения предложенных формул в цифровых сис-
темах управления.
В работах [8,9] предложена методика проектирования электропривода с
ВД серии ДБМ с непрерывным управлением. В работе [9], на этапе проектиро-
вания УПУ, рассматривается вариант использования в качестве преобразовате-
ля координат фазочувствительного выпрямителя (ФЧВ) с запоминающим эле-
ментом (ФЧВ-З). Постоянная времени такого ФЧВ равна , где - частота
в в
возбуждения ВТ. Таким образом, ФЧВ-З ведет себя также как МК, частота
дискретизации которого равна . Однако, в соответствии с рекомендациями
в
методики [9], ФЧВ-З применяется в качестве ПК при низких частотах враще-
ния, а при высоких частотах применяется ФЧВ с фильтром нижних частот
10
(ФНЧ). Таким образом, использование методики [9] напрямую для ПК, реали-
зованного в цифровом виде невозможно. Кроме того, в работе [9], при расчете
потерь в обмотке статора учитывается только первая гармоника пульсаций вы-
ходного напряжения ФЧВ-З, и считается, что при постоянстве сдвига фаз ,
ФЧВ-З не вносит пульсаций. Еще одним недостатком работ [8,9] является от-
сутствие методики проектирования УПУ для случая коррекции статических ха-
рактеристик ВД, и в частности, для случая компенсации инерционности УПУ.
Таким образом, методика [9] применима только для ЭП с аналоговой системой
управления и требует дополнения и развития для случая цифрового управле-
ния. Для применения методики [9] к цифровым ЭПВД требуется изменение
этапа проектирования УПУ.
В трудах отечественных ученых, специализирующихся на исследовании
ЭПВД, Аракеляна А.К. [3], Лебедева Н.И.[77], Микерова А.Г.[84], Овчинникова
И.Е. [96], Соколовского Г.Г.[121,122], Столова Л.И., Афанасьева А.Ю. [124]
рассмотрение вопросов, связанных с исследованием ЭПВД с МК отсутствует.
В настоящее время известно большое количество работ, посвященных
системам управления исполнительными электроприводами с ВД
[16,17,31,32,48,80] и синтезу цифровых регуляторов тока, скорости и положе-
ния [41,60,69,81,116].
Отличительной особенностью ЭП с машинами переменного тока является
влияние постоянных времени ЭП на статические и динамические характери-
стики [178]. Инерционность ПК, УМ и СЭМП обуславливает нелинейность ста-
тических характеристик ЭПВД [74,83,97]. Существуют три основных решения,
позволяющих добиться компенсации влияния постоянных времени ЭПВД:
1. Организация структуры ЭПВД по принципу систем подчиненного регули-
рования [60], при этом синтез регуляторов тока и скорости производится с уче-
том постоянных времени ЭПВД [48]. Введение отрицательной обратной связи
по току и регулятора тока снижает влияние на характеристики ЭПВД электро-
магнитной постоянной времени СЭМП и постоянной времени УМ [60]. Введе-
ние обратной связи по скорости и регулятора скорости снижает влияние посто-
