Разработка и исследование алгоритмов управления системой «Импульсный усилитель мощности — асинхронный двухфазный двигатель»

Одной из важных систем, используемых на самолете, корабле, автоматизированном производстве, является электропривод, в особенности следящий электропривод. Для высокоточных быстродействующих систем электроприводов в следящих приводах переменного тока, в качестве исполнительных двигателей (ИД), наряду с асинхронными трехфазными двигателями (АТД), используются асинхронные двухфазные двигатели (АДД). Эти двигатели получили большое распространение в следящих системах, в вычислительных устройствах, в системах автоматического регулирования. Их частота обычно находится в пределах от 50 до 1000 Гц, мощность от долей ватта до сотен ватт. Достоинствами АДД являются простота конструкции, а, следовательно, простота изготовления, а также, быстродействие, большой пусковой момент, широкий диапазон регулирования, малая мощность управления и отсутствие самохода по сравнению с АТД. Из-за отсутствия щеточно-коллекторного узла срок службы АДД зависит только от долговечности подшипников, и он значительно больше, чем у двигателя постоянного тока. Кроме этого, отсутствие искрения обеспечивает большую помехозащищенность. Основным недостатком АДД является малый коэффициент полезного действия 0/=20⁴⁰%). Следовательно, при одной и тоже мощности, размер АДД больше, чем размер двигателя постоянного тока в 2+4 раза. Таким образом, обычно создают АДД малой и средней мощности.

Конструктивно АДД состоит из статора и ротора [28, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72]. Статор АДД выполняется, как правило, в виде пакета изолированных листов электротехнической стали. В пазы статора уложены две обмотки, магнитные оси которых сдвинуты в пространстве на 90°. Одна из обмоток называется обмоткой возбуждения, а другая — обмоткой управления.

Ротор АДД, как правило, выполняется в виде полого немагнитного стакана из сплавов алюминия (двигатели ДИД, ДГ и др.) или в виде беличьего колеса (двигатели ДКМ, ДКИ и др.), или полого ферромагнитного или массивного ферромагнитного ротора.

Принцип действия АДД, как известно, основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля с токами, которые являются результатом наведения ЭДС в роторной обмотке от вращающегося магнитного поля. Для реверсирования АДД достаточно изменить направление вращения магнитного поля, что достигается изменением на 180° фазы напряжения на одной из обмоток АДД.

Вопросам проектирования и исследования АДД посвящены работы многих российских и других авторов.

К группе авторов, в работах которых рассмотрены вопросы проектирования и расчета основных параметров АДД относятся следующие.

• В работе [65] В. В. Хрущев обосновал выбор основных соотношений при проектировании управляемых двигателей переменного тока (f=400ru), в особенности АДД с короткозамкнутым ротором, определил оптимальную геометрию, число полюсов и выбор геометрии ротора АДД с беличьей клеткой. Е. М. Лопухиным [66] рассмотрены теоретические основы проектирования исполнительных асинхронных конденсаторных двигателей с полым ротором. Метод автора основан на выборе в самом начале расчета оптимальных параметров, обеспечивающих требуемые выходные характеристики. Становится возможным решение задачи проектирования двигателей с заданными характеристиками. Особенностям расчета и анализу характеристик АДД промышленной частоты посвящена работа Е. Д. Несговорова. Ставится вопрос о разработке серий малогабаритных АДД при частоте 50 Гц, удовлетворяющих основным требованиям систем автоматики и следящего привода. В. В. Хрущев и В. М. Гандшу подробно рассмотрели графоаналитический критерий отсутствия самохода АДД при снятии сигнала с обмотки управления.

• Н. П. Ермолин, Е. Д. Несговоров, Е. М. Полухина [66] изучили основные принципы проектирования серии исполнительных конденсаторных асинхронных двигателей малой мощности с беличьей клеткой, особенности электрического расчета АДД с короткозамкнутым ротором и опытное определение параметров АДД.

• В. Ю. Шишмарев [54], В. В. Маскаленко [73], П. С. Сергеев [64] посвятили работы структурам, свойствам и требованиям для различных типов АДД и проведению сравнительного анализа между собой их преимуществ и недостатков. В. И Попов [34], A. JI. Кислицын [10] исследовали электромагнитные параметры обмоток АДД и особенности математической модели двигателя.

• В работе [23] Ковалев Б. Ф. рассмотрел особенности распределения пульсирующих МДС и магнитных полей фаз в воздушном зазоре АДД с временной несимметрией. Взаимозависимые пульсирующие МДС и магнитные поля фаз представлены в виде совокупности независимых пульсирующих МДС и магнитных полей. Приведены результаты экспериментальных исследований.

Вопросам изучения способов управления АДД в качестве исполнительного двигателя переменного тока в следящих приводах посвящены работы следующих авторов.

• В. А. Полковников [72] представил две группы методов управления АДД. Методы первой группы основаны на управлении скоростью путем изменения степени эллиптичности магнитного поля машины. Амплитудный, фазовый и амплитудно-фазовый способ управления относятся к первой группе. Согласно методам второй группы управление скоростью ротора двигателя реализуется при сохранении кругового вращающегося поля машины. Ко второй группе относятся амплитудно-частотный, частотно-токовый и релейный методы управления.

• Б. И. Петров, Н. П. Паппе [78], В. П. Паппе, Н. Н. Папе, А. Н. Сперанский [56], Е. И. Баранчук, Е. JI. Коварская [53] изучили теорию и характеристики АДД, принцип действия основных усилительно-преобразовательных элементов привода с АДД. Показали релейные, импульсные приводы АДД с транзисторными и тиристорными усилителями мощности, основанные на принципе аналогового управления.

• Б. И. Петров [28] изучил влияния различных факторов на характеристики АДД как исполнительного элемента следящего привода.

• М. М. Кацман [19] представил методику лабораторных исследований классических способов управления АДД: амплитудного, фазового и амплитудно-фазового. Получил экспериментальное подтверждение теоретических положений о свойствах АДД при указанных способах управления.

• К. Н. Борисов [29] изучил регулирование и реверсирование АДД с помощью дросселей (магнитных усилителей), с применением полупроводниковых устройств (электронного усилителя и триодов).

• А. И. Бертинов [65], Ю. С. Чечет [69], Е. В. Арменский, Г. Б. Фалк [71], В. В. Хрущев [70], Н. И. Волков и В. П. Миловзоров [74] посвятили работы изучению основ теории и классическим способам управления АДД, сравнению преимуществ и недостатков способов управления с помощью различных характеристик и показателей.

• К. Н. Борисов и В. А. Нагорский [78] посвятили работу вопросам регулирования скорости АДД с помощью электронного и полупроводникового усилителя. Схемы управления АДД основаны на базе аналоговых элементов.

Вместе с развитием компьютерных технологий появляются программные продукты многих фирм по различным областям, в том числе специальное программное обеспечение (ПО) для изучения и моделирования электрических машин: DesignLab, DS88, MATLAB SIMULINK, MathCAD и т. д. В работах следующих авторов представлены результаты изучения электрических машин и способов управления ими с помощью компьютерных программ.

• Работы Постникова В. А., Сыроежкина Е. В. [37, 38, 39] посвящены построению имитационных моделей АДД в программных продуктах DesignLab, MATLAB SIMULINK и MathCAD, и их использованию при моделировании АДД и электромеханических устройств. Приведены разработанные виртуальные схемы управления для этих моделей. Предложена методика компиляции виртуальных схем управления имитационных моделей АДД в соответствии с заданными режимами работы.

• С. Г. Герман-Галкин [18, 46, 68], Г. А. Карданов [68] изучили и создали модели (где АДД является частным случаем) машин на основе математических выражений, моделей силовых преобразователей, автономных инверторов, регуляторов постоянного напряжения в пакете «MATLAB 6.0 -SIMULINK». Эти модели использованы при моделировании электрических машин и электромеханических устройств. Приведены разработанные виртуальные схемы управления для этих моделей.

В настоящее время имеет место быстрое развитие двух тенденций электронной техники. Во-первых, наблюдается стремительное улучшение характеристик, как микропроцессорных устройств, так и силовых полупроводниковых приборов. Во-вторых, постоянное совершенствование технических систем, повышение требований к стабильности, надежности и точности характеристик, снижению энергопотребления, массы и размеров. Обе тенденции являются предпосылками перехода от аналоговых систем приводов к цифровым. В 80х-90х годах появились работы, посвященные цифровому управлению АДД, в том числе микропроцессорной реализации широтно-импульсного метода управления АДД. К этой группе принадлежат следующие работы:

• Работы [7, 9] О. В. Горячева посвящены проблеме выбора алгоритмов коммутации КЭ, силовых ключей, цепей управления и векторного управления при широтно-импульсном управлении асинхронными двигателями.

• В работе [56] В. А. Сердюк рассмотрел вопросы проектирования преобразователей код — широтно-импульсная модуляция (ПКШИМ) для управления АДД.

• С. Г. Герман-Галкин посвятил работу [61] цифровым приводам с транзисторными преобразователями. В работе можно выделить два принципиально различных способа управления АДД: амплитудно-фазовое и частотное управления. Для различных способов управления автор представил функциональную схему, временную диаграмму напряжений на двигателе и алгоритм работы (соответствующие выражения напряжений).

• В работе [63] Б. Н. Попов разработал алгоритм амплитудного способа управления АДД с помощью микропроцессоров и получил аналитические зависимости управляющих логических функций для случая несимметричной коммутации КЭ, реверсом по обмотке управления и центрированной ШИМ.

• Владимир Вычужанин [57] исследовал схемы прямого цифрового управления АДД, состоящие из управляющей и силовой частей. Основным назначением управляющей части является преобразование заданного в цифровом коде сигнала регулирования в сигнал управления силовой частью. Для управления силовой частью исполнительного АДД предлагается устройство на основе ПЛИС.

По результатам исследований [56, 61, 63] и на практике показано, что в системах электроприводов для повышения точности, надежности и экономичности применяют полупроводниковые импульсные усилители мощности (ИУМ) и микропроцессорные устройства управления, в особенности микроконтроллеры. С появлением на рынке недорогих микропроцессорных устройств, ориентированных на управление различными типами двигателей [25,26], и программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) [35, 47, 81] стало возможным реализовать новые цифровые алгоритмы управления системой ИУМ-АДД, снижающие дополнительные потери мощности и увеличивающие ресурс работы систем электроприводов.

Однако, в работах [56], [61], [63], [18, 46, 68], посвященных цифровому управлению АДД, не рассмотрены вопросы фазового и амплитудно-фазового управления АДД, не получены коммутационные функции для этих методов, не проведен сравнительный анализ цифровой реализации амплитудного, фазового и амплитудно-фазового методов управления, не разработаны математические модели управляющих логических автоматов.

Таким образом, целью диссертационной работы является разработка и исследование цифровой реализации импульсных методов управления АДД.

Исследование и разработка алгоритмов управления системой «импульсный усилитель мощности — асинхронный двухфазный двигатель» являются актуальными задачами.

Постановка задачи. Достижения в области полупроводниковых технологий позволяют интегрировать двигатель (АДД), импульсный усилитель мощности (ИУМ) и управляющую часть в единое целое, получившее название мехатронный модуль. Мехатронный модуль является сложным электротехническим комплексом и, одновременно, подсистемой цифрового следящего привода (ЦСП), приведенного на рис. 1. кода цум кв.

От датчиков Сигнал П о смв.

7Y kv о.

Управляющие булевы функции cw ула иум.

Vy.Vn.

АДД.

Фс.

Сигнал кода обратной связи.

Фазные напряжения МЕХАТРОННЫЙ МОДУЛЬ.

Кс I а" .

S, а а> с ацп «.

•Сигналы с дополнительных датчиков.

Рис. 1. Цифровой следящий привод с АДД.

Где: ЦУМ — цифровая управляющая машинаАЦП — аналого-цифровой преобразовательИУМ — импульсный усилитель мощностиСМВ — специализированный микропроцессорный вычислительУЛА — управляющий логический автоматКв., Кс, Ку — коды, соответствующие входной, выходной координатам и код управленияФс — угол поворота выходного вала двигателяЦцвнапряжения, подаваемые на двигательCWуправляющее слово.

ЦУМ формирует сигнал входного кода, характеризующий закон движения (направление и скорость вращения) выходного вала двигателя и передает его как задающий сигнал на СМВ в виде двоичного кода Кв. СМВ принимает этот код Кв одновременно с другими сигналами, например сигналами от датчиков, сигналом кода обратной связи привода, формируемым с помощью АЦП. Из полученных сигналов СМВ формирует код ошибки между входным и выходным сигналами Kq = Кв-Кс, а затем код управления Ку. Другими словами, СМВ реализует определенные законы управления, например пропорционально-интегрально-дифференциальный (PID), законы адаптации, пересчет координат и т. д.

УЛА принимает код управления Ку, и на основе его формирует закон управления системой «ИУМ-АДД», т. е. временную циклическую последовательность управляющих слов (CW) в виде CW=. Каждый UI (Ii-ий ключевой элемент) является управляющей логической функцией и управляет одним ключевым элементом ИУМ. Таким образом, ИУМ формирует сигналы напряжений Uy, Ub, прикладываемых к обмоткам исполнительного двигателя. При импульсном управлении среднее напряжение, прикладываемое к обмотке двигателя, определяется временными интервалами, в течение которых двигатель находится либо в двигательном, либо в тормозном режиме.

Исполнительный двигатель преобразует электрические сигналы Uy, Ub в механическое перемещение, являющее углом поворота двигателя.

АЦП преобразует угол поворота выходного вала в соответствующий сигнал Кс кода обратной связи.

Мехатронный модуль на базе АДД для современных систем цифровых следящих электроприводов (рис.1) приведен на рис. 2.

Рис. 2. Мехатронный модуль на основе АДД.

При импульсном управлении одной из важных проблем является энергосбережение в мехатронном модуле. Наряду с потерями энергии в исполнительном двигателе, существенными являются потери в силовых транзисторах ключевых элементах ИУМ.

Таким образом, актуальными алгоритмами управления системой «ИУМ-АДД» являются не только такие, которые обеспечивают требуемые заданные показатели качества системы, но и снижение потерь энергии в транзисторах КЭ ИУМ. Это необходимо учитывать при оценке преимуществ и недостатков различных алгоритмов управления системой «ИУМ-АДД» .

Как следует из вышесказанного, целью диссертационной работы являются разработка и исследование алгоритмов управления системой «ИУМ-АДД» .

Для достижения указанной цели в диссертационной работе следует решить следующие основные задачи.

— Рассмотреть и оценить существующие методы управления асинхронными двухфазными двигателями.

— Разработать и создать математическую модель мехатронного модуля на основе АДД.

— Разработать цифровые алгоритмы коммутации ключевых элементов ИУМ при микропроцессорном управлении АДД.

— Выполнить моделирование мехатронного модуля на основе АДД для того, чтобы проверить разработанные цифровые алгоритмы.

— Разработать структуру микроконтроллера управления АДД на основе ПЛИС.

— Проверить и испытать алгоритмы с помощью экспериментального стенда, для того чтобы подтвердить алгоритмы на практике.

Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка используемых источников и трех приложений. Объем работы составляет 188 печатных страниц, включая 119 рисунков, 27 таблиц, список источников и приложения. Библиография содержит 84 наименования.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. На основе сравнительного анализа классических методов управления АДД (амплитудный, фазовый и амплитудно-фазовый) показано (табл.1.1.), что рядом преимуществ обладает амплитудно-фазовый способ управления с конденсатором в цепи возбуждения. К группе современных способов управления АДД относятся частотно-регулируемый, амплитудно-частотный, частотно-токовый и управление АДД с помощью микропроцессоров. Указанные методы широко применяют в системах автоматики и вычислительных устройствах.

2. На основе анализа свойств АДД, как объекта управления ИУМ, и способов регулирования среднего значения напряжений в точках подключения обмоток управления и возбуждения разработана система логических переменных, позволяющая с единых позиций рассмотреть различные методы управления АДД. В работе получены аналитические выражения для следующих величин:

— логических переменных, описывающих функционирование мехатрон-ного модуля на основе АДД;

— логических функций, реализованных на основе логических переменных и управляющих процессами коммутации КЭ;

— напряжений на основе управляющих логических функций, прикладываемых к обмоткам управления и возбуждения АДД.

Это, в совокупности с известными дифференциальными и алгебраическими уравнениями, позволяет разработать полную математическую модель мехатронного модуля для математического моделирования.

3. На основе анализа различных способов управления АДД показано, что для амплитудного и амплитудно-фазового методов может использоваться совместное, раздельное и комбинированное управление КЭ. Для фазового способа — только совместное и комбинированное управление.

4. На основе дифференциальных и алгебраических уравнений, описывающих АДД, логических переменных, управляющих логических функций (раздел 2) и результатов синтеза законов управления (раздел 3) разработаны модели в пакете расширения SIMULINK4 системы MATLAB6.5 для непрерывного и дискретного управления АДД, что позволяет исследовать характеристики мехатронных модулей при различных классических способах управления АДД. Полученные результаты моделирования по непрерывному и дискретному управлению показали корректность математических моделей АДД, подтвердили правильность теоретических положений, в части логико-алгебраических выражений и логических функций, для реализации методов управления АДД. Это является основой для проведения эксперимента и испытания на практике.

5. Разработана иерархическая блочная структура микроконтроллера управления АДД для реализации на базе ПЛИС. Формирование логических переменных и управляющих логических функций системы ИУМ-АДД проведено с помощью средств автоматизированного проектирования САПР MAX+PLUS II BASELINE фирмы ALTERA и языка описания аппаратуры AHDL. Логические переменные и управляющие логические функции алгоритмов управления проверены путем моделирования перед загрузкой в ПЛИС с помощью программы моделирования САПР MAX+PLUS II.

BASELINE. Это повышает эффективность проектирования и ускоряет выпуск продукции, сокращает время проектирования и затраты на испытания.

6. Разработанный экспериментальный стенд включает мехатронный модуль на основе АДД, персональный компьютер со специальным программным обеспечением, лабораторные источники питания, измерительное и регистрирующее оборудование и может использоваться не только для научных исследований, но и для учебного процесса в целях исследования статических и динамических характеристик при различных методах управления АДД.

7. Для получения экспериментальных механических характеристик использовались статический (методы, основанные на измерении М при и динамический (методы, основанные на измерении Мдпри М (. «0) метод. Для статического метода механическая характеристика определялась по косвенному способу измерения момента двигателя на основе энергетической диаграммы. При получении регулировочных и динамических характеристик использовалось специализированное оборудование — осциллограф цифровой с обработкой сигнала в реальном масштабе времени типа TDS 210 фирмы «Tektronix» и бесконтактный цифровой фототахометр типа АТТ6000.

8. Результаты экспериментального исследования мехатронного модуля подтвердили корректность теоретических положений и показали близкую сходимость с результатами математического моделирования. Разработанные алгоритмы управления АДД показали свою эффективность и могут быть рекомендованы для применения.

— 151.

— 148-ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В диссертации решен ряд научных и технических задач по разработке алгоритмов коммутации ключевыми элементами (КЭ) полупроводниковых мостовых импульсных усилителей мощности ИУМ при управлении асинхронными двухфазными двигателями (АДД).

Решение указанных задач позволяет сократить сроки проектирования и затраты на испытания, повысить точность и надежность систем электроприводов.