Разработка и исследование алгоритмов идентификации и векторного управления в асинхронном электроприводе

Регулируемый электропривод на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (АД) в силу своих технико-экономических показателей является в настоящее время одним из самых перспективных для применения в условиях современного промышленного производства. Современные системы управления, построенные на цифровых микроконтроллерах, позволяют эффективно управлять как разомкнутыми асинхронными электроприводами (АЭП), предназначенными для общепромышленного применения, так и замкнутыми АЭП специального применения, характеризующимися высокими точностью и быстродействием. Появление высокопроизводительных микропроцессорных средств дало возможность эффективно реализовать сложные законы управления АД, которые ранее считались нерациональными.

В последние годы наблюдалось заметное изменение приоритетов, которым отдавали предпочтение разработчики АЭП при решении задач управления. На первый план были выдвинуты вопросы улучшения потребительских свойств электропривода. Решались задачи создания удобства для пользователя, автоматического приспособления к новым условиям применения АЭП, реализации углублённых контроля, диагностики и защиты. Прорабатывались вопросы реализации автоматической самонастройки и оптимизации параметров, унифицированного ввода-вывода данных и команд, группового управления, индикации. Другими словами, определяющее значение имело обеспечение сервисных функций и введение в АЭП элементов «интеллекта». Сама постановка этих вопросов ранее, при «старых» технических средствах, была практически бесперспективной.

Вместе с тем, традиционные задачи обеспечения требуемых диапазона регулирования, точности, быстродействия и прочих показателей эффективности управления при этом чаще отодвигались на второй план. Поэтому несмотря на повышение общего технико-экономического уровня АЭП, вызванного улучшением элементной базы, уровень решения собственно задач регулирования в последнее время изменился незначительно.

При построении систем АЭП с высоким качеством регулирования чаще всего продолжают использоваться принципы векторного управления координатами асинхронной машины в своих классических вариантах. Вместе с тем, классические варианты построения систем векторного управления в условиях существенной нелинейности АД как объекта управления, его информационной недостаточности, наличия большого количества внутренних и внешних возмущающих воздействий очень часто оказываются неспособными эффективно выполнять возложенные на них задачи в плане обеспечения требуемых высоких показателей качества регулирования координат.

Использование известных косвенных методов получения информации о трудно доступных для прямого измерения переменных АД с помощью идентификаторов состояния, а также известных способов компенсации присущих двигателю нелинейных связей и, в частности, перекрёстных связей между каналами регулирования момента и стабилизации потока приводит на практике к усложнению структуры классической системы векторного управления и к её повышенной чувствительности по отношению к действию возмущений, связанных, например, с изменением параметров двигателя в процессе работы. Указанная чувствительность приводит к нарушению расчётных режимов функционирования системы и, в конечном счёте, не даёт эффективно реализовать потенциальные регулировочные возможности АД.

В связи с этим работа, посвящённая вопросам разработки и исследования новых алгоритмов векторного управления и идентификации координат АЭП, является актуальной.

Цель диссертации — разработка и исследование алгоритмов идентификации и векторного управления, обеспечивающих высокое качество регулирования координат АЭП и ориентированных на микропроцессорную реализацию.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Разработка математического описания силового преобразователя и АД, пригодного для обоснования на его основе новых алгоритмов управления и идентификации АЭП, предназначенных для программно-аппаратной реализации с использованием микропроцессорных средств.

2. Разработка на основе полученной модели АД идентификатора состояния, в котором задача получения информации об объекте решается автономно от задачи управления его координатами .

3. Разработка замкнутой системы векторного управления АЭП с упрощенным идентификатором состояния и электромеханическим датчиком на валу, в которой задачи управления и идентификации решаются не автономно, а в неразрывной взаимосвязи друг с другом.

4. Разработка замкнутой системы векторного управления АЭП с датчиком скорости, в которой необходимость решения задачи идентификации недоступных для прямого измерения координат отсутствует.

5. Исследование динамических режимов и определение точностных показателей качества регулирования координат в условиях вариации параметров двигателя в системах АЭП, реализующих предложенные алгоритмы управления и идентификации.

Методы исследования, используемые в работе: методы векторного анализа, элементы тензорного анализа, метод преобразования координатного базиса, методы пространства состояний и фазовой плоскости, метод имитационного эксперимента.

Научная новизна работы определяется следующими основными положениями:

1. Разработана математическая модель системы «Автономный инвертор напряжения — Асинхронный двигатель — Механическая часть привода», отличающаяся применением цилиндрических координат .

2. Разработан идентификатор, восстанавливающий потокосце-пление ротора и частоту вращения АД по входной информации о токе и напряжении статора, все внутренние переменные которого являются непериодическими величинами.

3. Получены уравнения закона формирования вектора напряжения статора в функции координат и параметров АД, который позволяет непосредственно управлять его моментом за счёт ориентации вектора тока статора относительно ортогональной системы векторов тока и потокосцепления ротора.

4. Предложен способ минимизации структуры идентификатора АД, основанный на упрощении его уравнений состояния при управлении по разработанному закону.

5. Предложен алгоритм управления, обеспечивающий однозначное задание векторных переменных ротора через ортогональные составляющие легко контролируемого вектора тока статора и позволяющий реализовать принцип векторной ориентации без использования идентификатора.

6. Обосновано применение настраиваемых корректирующих связей по угловым невязкам в качестве средства подавления ошибок восстановления координат в идентификаторах и возврата движения систем управления в целом на траектории в пространстве состояний, отвечающие корректному протеканию процесса управления, с компенсацией действия различных возмущений, в том числе и параметрических.

7. Разработана и исследована базовая структура системы управления АЭП с векторной ориентацией относительно неконтролируемых переменных ротора.

Практическую значимость имеют следующие результаты работы:

1. Математическое описание электромагнитных процессов в АД, пригодное для разработки на его основе алгоритмов управления и идентификации координат АЭП, предназначенных для цифровой реализации.

2. Математические структуры идентификаторов состояния АД, адаптированные к цифровой реализации на базе микроконтроллеров .

3. Базовая структура системы векторного управления АЭП с ориентацией по векторным переменным ротора с упрощенным идентификатором.

4. Базовая структура системы АЭП с векторной ориентацией относительно неконтролируемых переменных ротора без идентификатора.

5. Результаты исследований системы АЭП с векторной ориентацией относительно неконтролируемых переменных ротора, позволяющие оценить величину максимальных ошибок регулирования координат при отклонении параметров АД от номиналов, выставленных в системе управления.

6. Имитационные модели элементов и систем векторного управления, позволяющие исследовать особенности и характеристики проектируемых электроприводов.

На защиту выносятся:

1. Разработанные математические модели элементов АЭП.

2. Разработанные структуры идентификаторов состояния и систем управления АД с векторной ориентацией.

3. Результаты исследований, полученные на основе построенных имитационных моделей.

Реализация результатов работы. Разработанное программное и алгоритмическое обеспечение, реализующее работу моделей элементов и систем АЭП, нашли применение в учебном и научно-исследовательском процессах на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок» Ивановского государственного энергетического университета, в учебной работе в филиале Ивановского государственного энергетического университета г. Радужный, а также используются в научно-исследовательской и проектной деятельности в Ивановском НИИ «Электропривод».

Апробация работы. Основные положения работы и её результаты докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «IX Бенардосовские чтения» (8−10 июня 1999 г., ИГЭУ, Иваново) — на 2-ой межвузовской отраслевой науч-но-технической конференции «Автоматизация и прогрессивные технологии» (27 сентября — 1 октября 1999 г., НПИ МИФИ, Ново-уральск) — на межвузовской научно-технической конференции «Поиск — 2000» (24−26 апреля 2000 г., ИГТА, Иваново) — на расширенном заседании кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» ИГЭУ (5 ноября 2002 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, получено 4 свидетельства о регистрации интеллектуального продукта. Новизна и оригинальность технических решений и результатов работы подтверждена выдачей патента Российской Федерации .

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и 10 приложений. Объём диссертации составляет 14 7 страниц основного текста. Она содержит 98 рисунков и 4 таблицы на 79 страницах, список литературы включает 107 наименований. Общий объём диссертации — 303 страницы.

4.6. ВЫВОДЫ.

1. Разработан алгоритм непосредственного управления моментом АД за счёт косвенного ориентирования задаваемого вектора тока статора относительно ортогональной системы векторов тока и потокосцепления ротора. Показано, что при отсутствии возмущений предложенный алгоритм обеспечивает соответствие угла поворота координатной системы, в которой задаются составляющие тока статора, углу поворота ортогональной системы векторных переменных ротора. В условиях отсутствия возмущений между модулями векторных переменных ротора и задаваемыми составляющими вектора тока статора устанавливаются безинерцион-ные связи. В этих условиях при реализации закона векторного управления появляется возможность не восстанавливать переменные ротора, а однозначно их задавать при формировании легко контролируемого вектора тока статора по предложенному алгоритму .

2. Для борьбы с негативными последствиями действия возмущений предложено корректировать текущее пространственное положение координатной системы, в которой формируется вектор тока статора, за счёт организации контура, замкнутого связью по угловой невязке с её положением, отвечающим корректному выполнению условия векторной ориентации. Для определения этого «корректного» положения при вычислении угловой невязки используется информация о векторе напряжения статора. Разработанный механизм коррекции управления даёт возможность настраивать точностные показатели качества регулирования координат в статике и динамике.

3. Разработана базовая структура системы АЭП, в которой реализуется принцип ориентации вектора тока статора, формируемого с помощью системы слежения за своим задаваемым мгновенным значением, относительно неконтролируемых векторных переменных ротора. Система отличается тем, что базовые переменные ротора в ней не измеряются и не восстанавливаются.

4. Синтезированы два варианта внутренней структуры блока коррекции управления, реализующего замыкание системы связью по угловой невязке. Первый вариант обеспечивает инвариантные характеристики системы по отношению к вариации параметров активного сопротивления ротора и индуктивности контура намагничивания. Второй вариант позволяет построить систему, обладающую пониженной чувствительностью по отношению к вариации параметров активных сопротивлений как ротора, так и статора. Исследование точностных показателей регулирования координат показало, что разработанный механизм коррекции позволяет по крайней мере на порядок снизить величину ошибок между предписанными и фактическими значениями неконтролируемых переменных роторной цепи в условиях вариации указанных параметров в широких пределах.

5. Результаты исследований статических и динамических режимов в разработанной системе позволили сделать вывод о правильности теоретических положений, использовавшихся при её обосновании. Разработанный алгоритм управления АЭП, обеспечивая высокие робастные свойства системы, способен поддерживать динамические и энергетические характеристики электропривода на уровнях, близких к оптимальным, даже в условиях значительных вариаций параметров объекта управления. Разработанный электропривод по своим характеристикам способен удовлетворить требованиям широкого класса промышленных установок.

228 ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В ходе выполнения работы были получены следующие основные результаты:

1. Разработана математическая модель процесса электромеханического преобразования энергии в АЭП в цилиндрических координатах. Модель предназначена для разработки на её основе новых алгоритмов управления и идентификации координат АЭП, пригодных для программно-аппаратной реализации на базе микропроцессорных средств.

2. На основе полученной модели разработана и исследована математическая структура идентификатора состояния АД, позволяющего восстанавливать вектор потокосцепления ротора и скорость вращения вала по входной информации о токе и напряжении статора. Структура оперирует полярными координатами векторных переменных АД. Все внутренние переменные идентификатора являются непериодическими сигналами. Идентификатор предназначен для использования в составе замкнутых цифровых бессенсорных систем векторного управления с ориентацией по полю ротора, построенных по классическим принципам.

3. Разработана и исследована базовая структура замкнутой системы АЭП с ориентацией по векторам тока и потокосцепления ротора с упрощенным идентификатором состояния и с датчиком скорости. Минимизация структуры идентификатора, восстанавливающего полярные координаты вектора тока ротора, достигнута за счёт использования для построения вычислительной модели не универсальных, а значительно более простых, частных уравнений, описывающих траектории движения объекта в пространстве состояний, отвечающие только конкретному реализуемому закону управления. В этом случае задачи управления и идентификации решаются не автономно друг от друга, как это имеет место в классических системах векторного управления, а в тесной взаимосвязи .

4. Разработана базовая структура замкнутой системы АЭП с датчиком скорости, в которой реализуется косвенная ориентация вектора тока статора относительно ортогональной системы неконтролируемых векторов тока и потокосцепления ротора. Базовые переменные ротора в ней не измеряются и не восстанавливаются. При этом использован принцип однозначного задания трудно контролируемых с помощью измерительных преобразователей переменных состояния путём формирования по определённому закону легко контролируемых переменных.

5. Предложен подход, обеспечивающий понижение чувствительности функционирования разработанных идентификаторов и замкнутых систем управления в целом по отношению к действию возмущающих факторов. Действие возмущений всегда приводит к возникновению отличных от нуля угловых расхождений между текущими пространственными положениями восстанавливаемых или задаваемых геометрических объектов (вращающихся векторов или систем координат) и «эталонными» пространственными положениями этих же геометрических объектов, которые должны были бы иметь место в случае отсутствия ошибок восстановления координат и (или) корректного протекания процесса управления. Разработан эффективный настраиваемый механизм разрешения указанных несоответствий, заключающийся во введении корректирующей связи по угловой невязке, который обеспечивает с течением времени уменьшение ошибок восстановления координат идентификаторами и (или) возврат движения системы на траектории в пространстве состояний, отвечающие корректной управляемости объекта по реализуемому закону.

6. Анализ полученных результатов исследований показал, что путём формирования вектора тока статора по предложенному алгоритму и контролирования напряжения статора при использовании предложенной коррекции можно действительно эффективно управлять моментом и скоростью АД в условиях полного отсутствия информации о базовых переменных ротора, а также в условиях отсутствия достоверной информации о параметрах двигателя.

Выявленные высокие робастные свойства системы векторного управления с ориентацией относительно неконтролируемых переменных ротора обеспечивают близость энергетических и динамических характеристик АЭП к оптимальным, несмотря на действие значительных параметрических возмущений. Разработанный алгоритм управления позволит построить электропривод, который по своим характеристикам сможет удовлетворить требованиям большинства промышленных механизмов.