Автоматизированный синтез цифровых алгоритмов импульсного управления исполнительным механизмом привода с трёхфазным вентильным двигателем

Повышение эффективности использования потребляемой энергии является одной из основных тенденций развития современных приводных систем и сложных электротехнических комплексов, что связано с такими потребностями, как увеличение продолжительности работы автономных устройств, сокращение рассеиваемой мощности и снижение массовых и габаритных показателей. Основное преобразование энергии в электрическом приводе происходит в его исполнительном механизме (им), где всё чаще применяются трёхфазные вентильные двигатели (вд) вследствие целого ряда технических и эксплуатационных преимуществ перед коллекторными двигателями постоянного тока и асинхронными двигателями.

Идея практического использования электрической энергии для приведения в движение агрегатов и механизмов восходит к концу xviii в. — началу xix в. Теоретические и практические исследования, проведённые в этот период такими учёными, как Г. X. Эрстед (Н.С. 'Orsted), А.-М. Ампер (А.-М. Ampere), M. Фарадей (M. Faraday), Э. Х. Ленц, Г. С. Ом (G.S. Ohm), А. Вольта (A. Volta), П. Барлоу (P. Barlow) и Д. Генри (J. Henry), послужили основой для создания первых электродвигателей постоянного тока, разработанных в 1834 г. Т. Дэвенпортом (Т. Davenport) в Америке [88] и Б. С. Якоби в России. Оба двигателя были оснащены коллектором, осуществляющим автоматическое переключение запитываемых фаз двигателя при его вращении.

В 1836 г. У. Стэрдженом (W. Sturgeon) было сделано первое описание принципов работы двигателя постоянного тока обращённой конструкции, которое благодаря работам Э. Керна (Е. Kern) [99] и Э. Александре-сона (Е. Alexanderson) [83, 84] по использованию тиратрона для коммутации фаз двигателя легло в основу первых вд, появившихся в 30-х гг. xx в. В СССР большой вклад на раннем этапе развития вд с применением ионных преобразователей внесли Б. H. Тихменев [77], Д. А. Завалишин и О. Г. Вег-нер [36, 37, 38], а также Е. JI. Эттингер [9].

Появление полупроводниковых вентилей (транзисторов в 1947 г. и тиристоров в 1956 г.) позволило усовершенствовать не только конструкцию коммутатора, но и развить теорию импульсного управления электрическими двигателями. Первые ВД с коммутаторами на основе полупроводниковых устройств были запатентованы Г. Д. Брайлсфордом (H. D. Brailsford) в 1−955 гв США [85], К. Матасаро (К. Matasaro) в 1957 г. в Японии [58] и Р. Цаубитцером (R. Zaubitzer) в i960 г. в Германии [119]. Развитию теории и конструкции вд с использованием полупроводниковых преобразователей в СССР, а затем и в России, в значительной степени способствовали работы И. А. Вевюрко [12, 13], А. А. Дубенского [35], А. И. Бертинова [6, 7], Ш. И. Лутидзе [57], В. А. Балагурова и В. К. Лозенко [3], И. Е. Овчинникова [62, 63, 64, 65, 66], Н. И. Лебедева [66], Ю. М. Беленького и А. Г. Микеро-ва [4, 5], а также Н. И. Куликова [56].

Появление в 8о-х и 90-х гг. xx в. микроконтроллеров и цифровых сигнальных процессоров, ориентированных на управление электрическими двигателями, элементов программируемой логики, позволяющих реа-лизовывать параллельные алгоритмы управления, а также соответствующих программных и аппаратных средств, ускоряющих разработку цифровых алгоритмов импульсного управления и обеспечивающих их программирование в выбранное устройство, послужило началом нового этапа развития вд. В настоящее время ряд зарубежных фирм занимается производством микросхем и программных сред, а также выпуском демонстрационных плат (evaluation boards) с примерами их использования, что позволяет значительно ускорить этапы разработки цифровых устройств управления. Фирма Microchip Technology Inc. (США) для разработки и реализации цифровых алгоритмов управления вд предлагает микроконтроллеры PIC18 °F, PIC24 °F (PIC24H), dsPIC30 °F и dsPIC33 °F и программную оболочку MPLAB. Компания Atmel Corporation (США) производит 8-разрядные AVR-микроконтроллеры серии Automative, программную среду AVR Studio, а также драйверы усиления для обеспечения связи с усилителем мощности. Фирмой Analog Devices Inc. (США) разрабатываются быстродействующие микроконтроллеры с высокой разрешающей способностью аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей серии Precision Analog Microcontrollers, драйверы усиления, датчики тока и программный комплекс VisualDSP++. Компания Texas Instruments (США) выпускает высокопроизводительные 32-разрядные цифровые сигнальные процессоры семейства С2000 (Piccolo, Dclfino и Conccrto) с плавающей точкой. Производством и совершенствованием программируемых логических интегральных схем, которые можно использовать для реализации быстродействующих и параллельных алгоритмов цифрового управления, занимаются американские фирмы Actel, Altera, Lattice Semiconductor Corporation и Xilinx.

Миниатюризация цифровых устройств и элементов силовой электроники привела к сокращению габаритов электротехнических комплексов, снижению рассеиваемой мощности, а также способствовала интеграции им, датчиков обратной связи (дос) и устройства управления в единый функциональный блок, называемый мехатронным модулем (мм). Среди ведущих мировых производителей вд и мм на их основе, следует отметить ABB (Швейцария), Aveox (США), Harmonic Drive (Германия), КЕВ (Германия), Махоп Motor (Швейцария), Nidec (США), Omron (Япония) и Siemens (Германия).

Параллельно с совершенствованием аппаратной составляющей электротехнических комплексов осуществлялось развитие подходов к их управлению. Вследствие высокого коэффициента полезного действия (кпд) современных силовых ключей, работающих в режиме переключения, наибольшее распространение среди методов управления электрическими двигателями получил импульсный метод, основанный на принципе широтно-импульсной модуляции (шим). Теории импульсного управления двигателями различного типа посвящено большое количество работ. В трудах К. Блауфус-са (К. Blaufuss) [86], B.C. Кулебакина [54, 55], В. Д. Нагорского [55, 60, 61],

В. Г. Константинова [43, 44], O.A. Коссова [45, 46, 47, 48], Ю. И. Конева [42], Т. А. Глазенко [29, 30], JI.A. Шпиглера [79], Л. Д. Панкратьева, Б. И. Петрова, В. А. Полковникова, Н. П. Паппе и Б. Н. Попова [68, 69, 81], Е. В. Машукова [59], М. Е. Гольца, A.B. Гудзенко и В.М. Остреро-ва [10], С. Г. Германа-Галкина [28] рассматриваются вопросы импульсного управления коллекторными двигателями постоянного тока. В работах Д. А. Дубенского [35], Е. И. Овчинникова [62, 63, 64, 65, 66, 67], Н. И. Лебедева [1, 66, 67], В. Т. Гращенкова [1], Б. Н. Попова [70, 71, 72] и A.B. Кри-вилёва [50, 51, 52] исследуются алгоритмы импульсного управления трёхфазными вд на основе скалярных способов шим. Различные подходы к управлению электрическими двигателями посредством синусоидальной и векторной шим приведены в работах О. В. Горячева и Е.А. Ерош-кина [31], В. Ф. Козаченко [41], A.A. Усольцева [78], А. Б. Виноградова [14], а также в трудах зарубежных авторов: А. Счёнунга (А. Schonung) и Г. Стеммлера (Н. Stemmler) [113], К. Г. Кинга (К. G. King) [100], М. Депен-брока (М. Depenbrock) [89], Д. А. Гранта (D.A. Grant) и Ж. А. Хоулс-ворда (J.A. Houlsworth) [97], Г. Ван Дер Броека (Н. Van Der Broeck) [118], О. Огасавары (О. Ogasawara) [109], Ж. Хольтца (J. Holtz) [95, 96], A.M. Хавы (A.M. Hava) [91, 92, 93], Д. Г. Холмса (D. G. Holmes) [94], Т. А. Липо (Т. A. Lipo) [92, 93, 94] и многих других.

В настоящее время сфера применения цифровых электроприводов с им на базе трёхфазных вд охватывает робототехнику, авиационную, космическую и автомобильную промышленность, офисное и медицинское оборудование, компьютерную и бытовую технику. Ведущими отечественными предприятиями, занимающимися разработкой и введением в эксплуатацию перспективных электромеханизмов на основе вд, являются московские организации ОАО «Аэроэлектромаш» [39, 40, 73], ОАО «МАШИНОАППАРАТ», НПК «Российские электрические машины», ОАО «АКБ «Якорь», а также КБ «Мехатроники» (г. Златоуст) и ЗАО «Чебоксарский электроаппаратный завод».

Постановка задачи. В диссертационной работе рассматривается вариант мм цифрового электропривода с им на базе трёхфазного вд, управляемого посредством импульсного метода на основе векторной шим (рис. 0.1). Вентильный двигатель включает в свой состав импульсный усилитель мощности (иум), выполненный по мостовой схеме, и трёхфазный синхронный двигатель с постоянными магнитами на роторе (сд). Фазы якорной обмотки СД могут быть соединены как по схеме «звезда» (У), так и по схеме «треугольник» (А). г

Энергетический канал Г ип щ г

Кп мм

ИУМ ил ^ ив ^ сд

I ф

I —I Iи1:., и6 1П 1% гг

К У Кп т т Ў смв -1-> ¦" Ж, 1 ЦУУ ^— АЦП (ДОС) Р

МП I у

Кг.

АЦП (ДОС)

Фс

Фс

Информационный канал

Рис. 0.1. Структурная схема цифрового электропривода

Требуемый закон движения выходного вала электропривода формируется управляющей машиной верхнего уровня в виде входного кода (Кв), который наряду с кодом обратной связи (Кс) по контролируемой координате используется специализированным микропроцессорным вычислителем (смв) для формирования кода управления (Ку). Также смв может формировать ряд дополнительных сигналов (Еу), предназначенных для выбора алгоритма импульсного управления и его параметров. Цифровое устройство управления (цуу) мм принимает код управления и код обратной связи (Кд), а также формирует совокупность логических сигналов (СД, и2, ?/3, [/4, [/5, [/б), поступающих на управляющие входы КЭ ИУМ (рис. 0.2). Код управления несёт информацию о требуемом направлении и скорости вращения ротора ВД, а код обратной связи соответствует текущему угловому положению ротора (ср), определяемому с помощью датчика положения ротора (ДПР). Также ЦУУ ММ может принимать сигналы о текущей скорости вращения ротора ВД (О), напряжениях (ид), токах (гд) и других координатах ВД, необходимых для реализации сложных алгоритмов импульсного управления. г

Г—" Ч

СБА

Соединение фаз по схеме Д

Рис. 0.2. Структура ММ на основе трёхфазного ВД

Импульсный усилитель мощности преобразует постоянное напряжение ИП в совокупность прикладываемых к фазам якорной обмотки ВД импульсных напряжений (пд, ив, ис), значения которых наряду с фазными противо-ЭДС и ЭДС самоиндукции определяют в каждый момент времени величины токов и контуры их протекания в системе «иум — сд». Протекание тока через фазы якорной обмотки вд приводит к возникновению электромагнитного поля, взаимодействие которого с полем индуктора обеспечивает формирование электродвижущего момента, стремящегося повернуть ротор ВД так, чтобы векторы магнитной индукции поля якоря и поля индуктора совпали. Вращение ротора вд посредством механической передачи (мп) преобразуется в угловое перемещение выходного вала ММ, фактическое положение которого определяется с помощью дос и приводится к цифровому виду аналого-цифровым преобразователем (ацп).

Отличительной чертой методов импульсного управления является наличие динамических потерь мощности в кэ иум [1, 8, 74] (потери на переключение [29, 30], switching losses [103, 112, 115]) и дополнительных потерь в двигателе [23, 25, 81], вызванных пульсациями фазных токов. Работы по созданию и исследованию энергетически эффективных алгоритмов импульсного управления электрическими двигателями на основе векторной шим ведутся на протяжении двух последних десятилетий. Большинство как зарубежных, так и отечественных работ в данной области направлено на анализ спектрального состава фазных токов и напряжений [105, 106, 107], сокращение коммутационных потерь мощности в кэ иум [93, 95, 96, 120] и расширение диапазона регулирования скорости [91, 104]. Однако, зависимости статических, динамических и энергетических характеристик им с трёхфазным вд от способа векторной шим, как правило, остаются за рамками проводимых исследований, что существенно затрудняет выбор приемлемого цифрового алгоритма для той или иной задачи управления.

Учитывая практически неограниченное количество возможных вариантов алгоритмов импульсного управления на основе векторной шим, развитие автоматизированных подходов к проектированию цуу и исследованию мм являются актуальными задачами, решение которых позволит не только улучшить показатели приводных систем, но и сократить временные затраты на их проектирование.

Целью работы является разработка метода синтеза цифровых алгоритмов импульсного управления исполнительным механизмом привода с трёхфазным вентильным двигателем на основе векторной широтно-импульсной модуляции, позволяющего автоматизировать получение математического описания цифрового устройства управления мехатронного модуля, а также статических, динамических и энергетических характеристик исполнительного механизма привода.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе необходимо было поставить и решить следующие задачи:

1. Сделать обзор существующих цифровых алгоритмов импульсного управления на основе векторной широтно-импульсной модуляции, выполнить их систематизацию и определить возможные направления для разработки новых алгоритмов, которые позволят улучшить статические, динамические и энергетические характеристики исполнительного механизма привода с трёхфазным вентильным двигателем.

2. Разработать автоматизированный подход к получению математического описания управляющих булевых функций для произвольного алгоритма импульсного управления на основе векторной широтно-импульсной модуляции и применить его для описания цифровых алгоритмов.

3. Разработать компьютерную модель мехатронного модуля с трёхфазным вентильным двигателем, позволяющую исследовать информационные и энергетические процессы при произвольном алгоритме импульсного управления на основе векторной широтно-импульсной модуляции.

4. Разработать программный комплекс на основе компьютерной модели мехатронного модуля, позволяющий автоматизировать этапы расчёта и построение статических, динамических и энергетических характеристик, а также эпюр цифровых сигналов, фазных токов и напряжений.

5. Провести исследование физических процессов, протекающих в ме-хатронном модулеопределить статические, динамические и энергетические характеристики исполнительного механизмавыявить влияние схемы соединения фаз вентильного двигателя и частоты широтно-импульсной модуляции на указанные характеристики, а также выработать рекомендации по применению соответствующих цифровых алгоритмов импульсного управления.

6. Выполнить экспериментальные исследования лабораторного макета мехатронного модуля для подтверждения соответствия разработанной модели мехатронного модуля реальному устройству.

Характер перечисленных задач определил структуру размещения материала в диссертационной работе, которая состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников и четырёх приложений.

6.4 Выводы по главе

1. На языке С++ с использованием инструментария С^ разработано программное обеспечение ССос1еСеп, которое предназначено для автоматизации формирования кода управления и его передачи на вход цифрового устройства управления мехатронного модуля для имитации управляющих воздействий. Разработанное приложение нашло применение в учебном процессе МАИ, что подтверждено актом о внедрении (приложение Г).

2. Проведены экспериментальные исследования работы лабораторного макета мехатронного модуля, в результате которых были получены эпюры фазных токов и напряжений при вариантах соединения фаз статорной обмотки вентильного двигателя в «звезду» и в «треугольник». Осуществлён сравнительный анализ экспериментальных данных с результатами моделирования, в результате которого было установлено их качественное и количественное совпадение с точностью до ю%. Совпадение экспериментальных данных и результатов моделирования свидетельствует о достоверности разработанной модели мехатронного модуля и, следовательно, полученных с её помощью результатов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработан автоматизированный метод синтеза цифровых алгоритмов импульсного управления исполнительным механизмом привода с трёхфазным вентильным двигателем на основе векторной широтно-импульсной модуляции. При разработке метода были получены следующие результаты:

1. Предложена классификация способов векторной широтно-импульсной модуляции, которая позволяет учесть количество рабочих стоек импульсного усилителя мощности, ключевые элементы которых используются для подключения фаз вентильного двигателя к источнику питания. В соответствии с разработанной классификацией способы векторной широтно-импульсной модуляции можно разделить на двухстоечные, трёхстоечные и комбинированные.

2. Разработан автоматизированный подход к синтезу управляющих булевых функций и осуществлена его программная реализация для способов двухстоечной, трёхстоечной и комбинированной векторной широтно-импульсной модуляции в виде модуля, написанного на языке МаШета^са и позволяющего автоматизировать соответствующий этап проектирования цифрового устройства управления мехатронного модуля.

3. Сформировано математическое описание цифрового устройства управления мехатронного модуля, реализующего способы двухстоечной, трёхстоечной и комбинированной векторной широтно-импульсной модуляции. Математическое описание основано на описании системы логических переменных и аналитических выражениях управляющих булевых функций, что позволяет создавать быстродействующие реализации соответствующих методов как на языках программирования, так и на языках описания цифровых устройств.

4. Разработана компьютерная модель мехатронного модуля на основе трёхфазного вентильного двигателя, отличающаяся от известных тем, что позволяет исследовать как информационные, так и физические процессы в мехатронном модуле при различных алгоритмах импульсного управления на основе векторной широтно-импульсной модуляции для случаев соединения фаз вентильного двигателя как по схеме «звезда», так и по схеме «треугольник». Модель мехатронного модуля разработана в среде БтиНпк с использованием компонентов библиотеки SimPowerSystems и учитывает контуры протекания токов в системе «ИУМ — СД» и форму распределения индукции в зазоре. При создании блока цифрового устройства управления модели мехатронного модуля использованы Б-функции, написанные на языке С, которые могут быть взяты за основу при программировании устройства.

5. С целью сокращения временных затрат, связанных с многократным выполнением моделирования установившегося режима работы мехатронного модуля при построении статических и энергетических характеристик исполнительного механизма привода, на языке МАТЬАВ разработан программный комплекс, который позволяет автоматизировать задание комбинаций значений частоты широтно-импульсного сигнала, статического момента нагрузки, индекса модуляции и напряжения источника питания, выполнить серию вычислительных экспериментов с задействованием параллельных вычислений, визуализировать и сохранить полученные результаты. Программный комплекс был использован при проектировании привода воздуходувки аппарата искусственной вентиляции лёгких нового поколения, разрабатываемом ООО «ФакторМедТехника».

6. Проведены исследования физических процессов, протекающих в мехатронном модуле, определены динамические, статические и энергетические характеристики мехатронного модуля. Выявлен прерывистый характер токов, вытекающих из импульсного усилителя мощности, в случае применения двухстоечной и комбинированной векторной широтно-импульсной модуляции, что является причиной нелинейностей статических характеристик исполнительного механизма привода. Увеличение частоты широтно-импульсного сигнала приводит к росту степени нелинейностей. В случае комбинированной векторной широтно-импульсной модуляции нелинейности незначительны (менее 5%), в то время, как при двухстоечной векторной широтно-импульсной модуляции имеет место существенное ухудшение характеристик. При использовании способа трёхстоечной векторной широтно-импульсной модуляции токи непрерывны, а статические характеристики — линейны с точностью до 5%.

7. Проведённые исследования позволяют рекомендовать к применению в мехатронном модуле цифрового электропривода способ трёхстоечной векторной широтно-импульсной модуляции, в связи с такими преимуществами, как относительная простота реализации (по сравнению с комбинированной векторной широтно-импульсной модуляцией), линейные статические и высокие динамические характеристики мехатронного модуля (по сравнению с двухстоечной векторной широтно-импульсной модуляцией). Способ комбинированной векторной широтно-импульсной модуляции наиболее сложен в реализации среди рассмотренных способов векторной широтно-импульсной модуляции, однако позволяет обеспечить меньшие коммутационные потери мощности в импульсном усилителе мощности и дополнительные потери в двигателе при статических и динамических характеристиках, незначительно уступающих характеристикам способа трёхстоечной векторной широтно-импульсной модуляции. При создании энергосберегающего режима работы автономного устройства целесообразно использовать комбинацию из двухстоечной, трёхстоечной и комбинированной векторной широтно-импульсной модуляции с переключением на способ, обладающий наибольшим коэффициентом полезного действия в рабочей области механических характеристик.

8. Предложена методика определения дополнительных потерь мощности в трёхфазном вентильном двигателе, основанная на компьютерном моделировании и отличающаяся от известных тем, что позволяет определить величину дополнительных потерь мощности при любых комбинациях заданного статического момента нагрузки и скорости вращения ротора вентильного двигателя при импульсном управлении на основе векторной широтно-импульсной модуляции. С использованием разработанной методики определены максимальные значения дополнительных потерь мощности в двигателе при различном соотношении Т/Тя, которые при Т/Тя ^ 0,5 в случае двухстоечной векторной широтно-импульсной модуляции составляют менее 5% от основных потерь, при комбинированной — менее 2%, а при трёхстоечной — не превосходят 0,5%.

9. Форма динамических, статических и энергетических характеристик исполнительного механизма привода при соединении фаз вентильного двигателя по схеме «звезда» и по схеме «треугольник» в случае применения рассмотренных алгоритмов векторной широтно-импульсной модуляции совпадает. Использование схемы «треугольник» приводит при прочих равных условиях к увеличению электродвижущего момента и скорости в /3 раз по сравнению с использованием схемы «звезда». Указанное обстоятельство позволяет развить втрое большую механическую мощность на выходном валу мехатронного модуля. Однако, при проектировании мехатронного модуля следует учитывать, что в случае использования схемы «треугольник» величина тока, протекающего через фазы вентильного двигателя, импульсный усилитель мощности и источник питания, увеличивается в три раза по сравнению с применением схемы «звезда», что влечёт за собой увеличение массовых и габаритных показателей мехатронного модуля.

10. Проведены экспериментальные исследования лабораторного макета мехатронного модуля с использованием написанного на языке С++ приложения, позволяющего автоматизировать процесс формирования и передачи на вход цифрового устройства управления последовательностей значений кода управления для имитации управляющих воздействий на мехатронный модуль. Результаты экспериментальных исследований мехатронного модуля подтвердили достоверность моделирования процесса электромеханического преобразования энергии и, соответственно, полученных при компьютерном моделировании результатов.