Бесконтактный (или бесколлекторный) электродвигатель постоянного тока (БДПТ) представляет собой систему электромеханического преобразования энергии, состоящую из электрической синхронной машины (СМ) и силового электронного преобразователя (инвертора), связанных через датчик положения ротора (ДПР) так, что частота переменного напряжения инвертора равна или кратна частоте вращения ротора машины. По сигналам ДПР осуществляется коммутация ключей инвертора, аналогичная работе коллектора в машинах постоянного тока.
На протяжении последних 50 лет внимание многих исследователей и инженеров как в России, так за рубежом привлекает проблема создания электроприводов (ЭП) с разными типами СМ и электронных преобразователей, работающих в режиме самокоммутации от ДПР, которые в отечественной технической литературе получили название вентильных. По этой причине СМ, специально спроектированные для таких ЭП, стали называть вентильными двигателями (ВД). В англоязычной литературе они называются DC Brushless motors — т. е. БДПТ.
Стремление заменить коллекторную машину постоянного тока бесщеточной, да к тому же еще и бесконтактной, вполне оправдано, так как в ряде случаев традиционный двигатель постоянного тока не может удовлетворять многим требованиям. Наличие коллектора и щеточного аппарата снижает надежность работы машины постоянного тока, затрудняет условия коммутации, ограничивает предельные значения токов в переходных режимах. В некоторых случаях, например в высокоскоростных приводах, где нежелательно использование мультипликаторов, в условиях агрессивной окружающей среды, коллекторные машины неприменимы. А электронный коммутатор (инвертор) обеспечивает ряд дополнительных преимуществ по сравнению с традиционным коллекторным узлом: он не нуждается в профилактических осмотрах, не загрязняет окружающей среды, параметры этой среды не влияют на условия коммутации, он обеспечивает дополнительную практическую возможность воздействия на среднее значение ЭДС в звене постоянного тока ВД путем изменения угла отпирания силовых ключей, снимает ограничения на предельную мощность ВД по условиям коммутации, имеет более высокий уровень коммутационной устойчивости, чем механический коллектор.
Поэтому создание таких приводов, в которых используется БДПТ, всегда привлекало большое внимание со стороны специалистов, а первые варианты электропривода с инверторами на основе не полностью управляемых (ионных) приборов впервые были созданы в 1933 г.
Второй период развития вентильных приводов начался в послевоенные годы и был связан с появлением первых, весьма ненадежных, полупроводниковых приборов. Однако вентильные двигатели с силовыми преобразователями на транзисторах развивались в основном в диапазоне малых мощностей о.
10 — 10 Вт). Подобные электроприводы нашли применение в авиационной и космической технике, где цена не играла решающей роли. Они отличались предельно простыми схемами преобразователей, сравнительно низким КПД вентильного ЭП. С этими недостатками приходилось мириться ради основного преимущества — бесконтактности. Однако в последние десятилетия, когда электронная промышленность стала развиваться гигантскими темпами, и когда электронные компоненты вышли на качественно новый уровень, когда появились новые материалы для изготовления магнитов машин, и т. д., стало возможным создание вентильных приводов, которые могли конкурировать с обычными ЭП постоянного тока с коллекторными двигателями. А в последнее время в России и развитых зарубежных странах вентильные ЭП с СМ на базе РЗМ практически полностью вытеснили традиционные ЭП постоянного тока. Большой вклад в развитие теории и внедрение вентильных ЭП внесли следующие ученые: Овчинников И. Е (Институт проблем управления РАН), Маслов С. И., Балагуров В. А. (кафедра ЭКАО, МЭИ), Алиевский Б. А. (кафедра ЭМ, МАИ), Кузнецов В. А. (кафедра ЭМ, МЭИ), Ивоботенко Б. А. (кафедра АЭП, МЭИ).
Бурный рост электроники, создание мощных цифровых процессоров с огромным быстродействием, совершенствование периферийных устройств, создание специальных контроллеров, ориентированных на управление приводами конкретных типов и т. п. привело к очередному рывку в области создания вентильных приводов. Стало возможным уделять больше внимания созданию программного обеспечения и перенести ряд задач, выполняемых ранее при помощи дополнительных устройств, на программное обеспечение.
Поэтому можно говорить, что в последние десятилетие происходит новых этап развития вентильных приводов, характеризуемый упрощением аппаратной структуры привода за счет усложнения программной. Все более широкое распространение получают исследования, направленные на создание эффективных алгоритмов управления ВД. При этом задействуется методики из других областей: создание всевозможных наблюдателей, фильтров и т. д. Такой подход позволяет на современном этапе развития создавать новый класс приводов, в которых отсутствует один из наиболее важных компонентов — датчик положения ротора. В таких ЭП оказалось возможным при помощи математического аппарата создать наблюдатель, который по косвенным параметрам сможет оценить наиболее важный параметр привода — положение ротора, и осуществлять коммутации. В последнее время даже были созданы специальные микросхемы для бездатчикового управления вентильными микродвигателями, применяемыми в аудиои видеотехнике.
Наиболее типичными представителями вентильных двигателей является СМ с трехфазной (реже двухфазной) обмоткой, распределенной на гладком статоре и явнополюсным (2р = 1 -s- 8) ротором с обычными или редкоземельными (РЗМ) магнитами, укрепленными на его внешней поверхности.
Такие машины обладают большим удельным моментом при его малых пульсациях, высоким КПД. Они могут иметь больший зазор при меньших габаритах по сравнению с машинами аналогичной мощности других типов. Они отличаются сравнительно простым математическим описанием, что упрощает создание математических моделей и системы управления.
Однако, несмотря на высокие технические характеристики, синхронные машины с ротором такой конструкции, обладают рядом существенных недостатков. К ним относятся: высокая цена магнитов, сложная технология изготовления двигателя (проблемы с крепежом магнитов), ограничения по частоте вращения, чувствительность к тепловым и динамическим перегрузкам, невозможность ремонта в производственных условиях и утилизации и др.
Но, несмотря на отмеченные недостатки, ВД с РЗМ на внешней поверхности ротора стали основными электродвигателями современных ЭП станков и роботов. В настоящее время такие двигатели выпускаются серийно в ряде стран. Однако ограничение по скорости, связанное с конструкцией двигателя, а именно с ненадежным креплением магнитов на внешней поверхности ротора, накладывало ограничение на использование таких машин в ряде ЭП, где требуется обеспечить относительно высокие скорости. Поэтому в течение последнего десятилетия интенсивные исследования ведущих электротехнических фирм были направлены на устранение отмеченных выше недостатков.
В конце 90-х годов прошлого века появилась альтернативная конструкция ротора СМ, в которой магниты, располагавшиеся ранее на внешней стороне ротора, были размещены внутри него. У таких двигателей РЗМ расположены в полностью закрытых прямоугольных пазах шихтованного ротора.
Двигатель подобного типа может развивать высокие скорости, без опасности разрушения магнитов, он более технологичен при сборке и прост в обслуживании, что существенно расширяет его область применения. Такие машины в англоязычной литературе получили название IPMSM — синхронный двигатель со встроенными (инкорпорированными) магнитами.
Разным аспектам разработки и исследования вентильных ЭМ с этими двигателями посвящены многие статьи и доклады на международных конференциях последних лет. В этих материалах главное внимание уделено конструированию IPMSM, вариантам компоновки ротора, специфике электромагнитных расчетов, соотношениям активной и реактивной составляющих момента и т. д. Однако в них практически отсутствует информация о разработке вентильного ЭП с машинами такого типа. А в нашей стране такие двигатели только начинают появляться, поэтому практически нет работ, посвященных созданию электроприводов на их основе.
Актуальность задачи. Из перечисленного выше следует, что разработка и исследование нового класса электроприводов с IPMSM представляет весьма актуальную задачу. Создание математического описания таких ЭП является необходимой базой для синтеза алгоритмов работы МП САУ.
Не менее важной задачей является создание вентильного ЭП на базе IPMSM с косвенным определением положения ротора. Это существенно расширяет область применения таких ЭП и позволяет использовать их для решения широкого круга трудных задач в разных областях техники: нефтегазовая промышленность, железнодорожный и автомобильный транспорт, авиация, станкостроение и робототехника. Исключение датчика положения повышает надежность системы, требует меньших затрат по установке, наладке и профилактике ЭП в целом.
Цель работы: Создание и исследование бездатчиковой микропроцессорной САУ вентильным ЭП на базе IPMSM и электронного преобразователя с промежуточным звеном постоянного тока.
Для достижения цели в диссертации поставлены следующие основные задачи:
1. Анализ существующих алгоритмов бездатчикового управления электроприводами с синхронными машинами. Выбор оптимального алгоритма для последующей реализации на сигнальном микроконтроллере. Обоснование и разработка структуры микропроцессорной САУ ЭП с регулируемым промежуточным звеном постоянного тока.
2. Разработка математической модели СМ со встроенными магнитами в естественной системе координат для вентильного режима работы и в системе координат dq, связанных с ротором, для векторного режима работы. Разработка математического представления электромеханической системы инвертор — вентильный двигатель. Создание математического описания DC/DC преобразователя.
3. Построение имитационных и аналитических моделей электропривода в пакете Matlab / Simulink.
4. Создание алгоритмов бездатчикового управления ВД и DC/DC преобразователем, проверка их на созданной математической модели. Цифровое моделирование разрабатываемой системы бездатчикового управления.
5. Разработка аппаратных средств для реализации системы бездатчикового управления приводом и создание необходимого программного обеспечения, позволяющего проводить исследование привода на экспериментальной установке.
6. Техническая реализация и экспериментальные исследования разработанной системы бездатчикового управлениясоздание библиотеки программных модулей, которая позволит в дальнейшем упростить разработку как датчиковых, так и бездатчиковых систем управления вентильными двигателями.
Для решения поставленных задач используется следующий аппарат.
1. Теория обобщенной машины, координатные преобразования Горева.
Парка.
2. Численные методы решения дифференциальных уравнений.
3. Имитационные и аналитические методы цифрового моделирования в среде Simulink пакета Matlab и на языке высокого уровня С++.
4. Программные алгоритмы на макетном образце вентильного привода с использованием фирменных аппаратно-программных средств и собственного программного обеспечения, созданного специально для этих целей.
Научная новизна.
1. На основе анализа существующих структур СУ ВП предложена оригинальная структура бездатчикового управления, реализуемая для приводов с регулируемым преобразователем в звене постоянного тока.
— 112. Созданы математические модели СМ со встроенными магнитами, электромеханической системы инвертор — ВД и модель DC/DC преобразователя, которые адекватно отражают процессы в реальных объектах.
3. Предложены оригинальные алгоритмы бездатчикового управления ВД. Рассмотрены наиболее типичные ошибки бездатчиковой коммутации и способы их устранения.
4. Разработана система управления ВД на базе контроллера МК 11.3 с микроконтроллером TMS320F2407A, реализующая предложенные алгоритмы управления.
5. Все алгоритмы апробированы на экспериментальном стенде со статической нагрузкой.
6. Разработан опытный макет вентильного ЭП в виде моноблока — меха-тронного механизма, на котором проведены испытания с реальной нагрузкой — компрессором холодильного агрегата.
Практическая ценность и реализация работы.
Результаты работы, полученные в ходе разработки и исследований привода, используются:
1. При испытаниях ЭП на базе СМ со встроенными магнитами, спроектированного кафедрами АЭП и ЭКАО МЭИ.
2. При разработке перспективного встраиваемого электропривода поршневого компрессора, рассчитанного на питание от нестабшшзированных бортовых сетей постоянного тока, для предприятия «ЭЛМА-Ко».
3. В НИР кафедры АЭП по созданию систем бездатчикового управления вентильными электроприводами.
На защиту выносятся:
1. Математическое описание нового типа СМ — IPMSM в естественных (фазных) и вращающихся dq координатах.
2. Математические модели СМ с магнитами на роторе, электромеханической системы инвертор — ВД и модель DC/DC преобразователя, которые адекватно отражают процессы, проходящие в реальных объектах.
— 123. Алгоритмы бездатчикового управления для СМ со встроенными магнитами и их программная реализация.
4. Методы управления DC/DC преобразователем, обеспечивающие плавность регулирования выходного напряжения как при понижении, так и при повышении входного напряжения.
5. Результаты экспериментальных испытаний ЭП как на лабораторном стенде со статической нагрузкой, так и в составе мехатронного модуля ВДпоршневой компрессор при типовых режимах работы и реальных нагрузках.
Апробация работы.
Основные результаты работы обсуждались на заседании кафедры «Автоматизированный электропривод» Московского энергетического института (технического университета). Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях:
1. Шестая международная научно-техническая конференция для студентов и аспирантов, Москва, МЭИ, 1−2 марта, 2000.
2. Девятая международная научно-техническая конференция для студентов и аспирантов, Москва, МЭИ, 4−5 марта, 2003.
3. Десятая международная научно-техническая конференция для студентов и аспирантов, Москва, МЭИ, 2−4 марта, 2004.
4. 11th International Conference ЕРЕ-РЕМС'2004, 2 — 4 September 2004, Riga, Latvia.
5. IV Международная (XV Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу, 14−17 сентября 2004 г., Магнитогорск.
Для решения поставленных задач в первой главе предложена структура силовой части привода, даны рекомендации по управлению отдельными блоками, рассмотрена конструкция ВД. Рассмотрены подходы к построению бездатчиковых систем управления, выбран наиболее оптимальный алгоритм. Предложены структуры программного обеспечения для последующей реализации. Рассмотрены основные задачи системы управления, указан состав программного обеспечения, для каждого из алгоритмов приведено описание и рекомендации по их использованию.
Во второй главе получено математическое описание синхронного двигателя с встроенными магнитами на роторе. Уравнения моделей приведены в естественных и вращающихся dq координатах и представлены в форме, удобной для моделирования. Также рассмотрены координатные преобразования и выбрана система относительных единиц. Разработан способ, позволяющий использовать датчики линейных напряжений для определения фазных, что позволяет использовать трехпроводную питающую линию. Предложены способы определения начального положения ротора двигателя. Рассмотрены способы пуска двигателя в бездатчиковой системе управления. Разработан алгоритм бездатчикового управления вентильным ЭП в основном режиме работы и алгоритм определения скорости двигателя, приведены блок-схемы алгоритмов.
В третьей главе приведено математическое описание DC/DC преобразователей, выполненных по схеме полного и неполного моста. Получены математические модели и алгоритмы для реализации в математических пакетах. Рассмотрены несколько способов управления ключами DC/DC преобразователя, рассмотрены характеристики преобразователей для каждого из режимов. Разработаны рекомендации для выбора параметров реактивных элементов. Для базового алгоритма управления ключами синтезированы цифровые регуляторы тока и напряжения, обеспечивающие предельное быстродействие. Полученные результаты проверены на разработанной ранее математической модели в пакете Matlab.
Четвертая глава посвящена анализу рынка микроконтроллеров и выбору семейств микроконтроллеров, предоставляющих возможности по наиболее полному и оптимальному решению задач бездатчикового управления. На основании структуры вентильного бездатчикового привода сформулированы требования к микроконтроллеру с возможностями реализации систем бездатчикового управления. Описана серия полнофункциональных контроллеров «МК» для систем управления электроприводами, в создании которой принял участие автор. Из этой серии выделены контроллеры, удовлетворяющие сформулированным требованиям для реализации систем бездатчикового управления вентильными приводами — контроллеры МК11.3 и МК10.3 на базе процессоров нового поколения TMS320LF2407A и TMS320LF2406A, соответственно. Проведено разделения ресурсов выбранного контроллера для задачи построения системы управления экспериментальной установкой.
В пятой главе предложен и реализован на практике способ, обеспечивающий получение достоверных данных с АЦП каждый период ШИМ. Приведены экспериментальные данные и результаты исследования двух способов определения начального положения ротора. Реализован на практике и исследован предложенный способ пуска привода в бездатчиковой системе. Исследован алгоритм бездатчикового управления двигателем. По результатам экспериментов проведена оптимизация предлагаемых алгоритмов. Рассмотрены типичные ошибки, которые возникают при неправильной коммутации, предложены способы их устранения.
В заключении обобщены основные результаты работы. В приложениях приведены:
Описание программы SCI Monitor.
Описание принципов работы квадратурных датчиков положения, приведены алгоритмы определения положения и коррекции результатов.
Осциллограммы фазных напряжений при различных скоростях двигателя.
Технические характеристики контроллеров для САУ ЭП.
Описание стенда для тестирования контроллеров МК 11.3.
Список принятых сокращений.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Дианов А. Н. Определение начального положения ротора для приводов с синхронными машинами // Труды МЭИ, выпуск 679, стр.66−73.
— 152. Дианов А. Н. Способы определения начального положения ротора для электроприводов с синхронными двигателями // Десятая международная научно-техническая конференция аспирантов и студентов, 2004, МЭИ, т.2, с. 102−103.
3. Дианов А. Н. Микроконтроллеры для встраиваемых систем управления электроприводом. Семейство «Motor Control» фирмы Analog Devices // «Электронные компоненты» № 8,2002, с. 101−106.
4. Дианов А. Н. Микроконтроллеры для встраиваемых систем управления электроприводом. Часть 2. Семейства «DashDSP» и «Mixed Signal DSP» фирмы Analog Devices // «Электронные компоненты» № 1, 2003, с. 69 — 74.
5. Козаченко В. Ф., Дианов А. Н., Анучин А. С., Кайо Ю. Стенд для автоматизированного тестирования контроллеров МК 11. x // Труды МЭИ, выпуск 678, стр.33−41.
6. Дианов А. Н. Методика тестирования контроллеров для управления двигателями и создание стенда для автоматизированного тестирования // Девятая международная научно-техническая конференция аспирантов и студентов, 2003, МЭИ, т.2, с. 91 — 92.
7. A.N. Dianov, A.S. Anuchin, V.F. Kozachenko. Initial Rotor Position Detection Of PM Motors // EPE-PEMC 2004 conference, Riga. Paper 75 138.
8. Alecksey Anuchin, Anton Dianov, Vladimir Kozachenko., Adaptive Efficient Control for Switch-Reluctance Drives with DCDC-regulator for Inverter Supply // EPE-PEMC 2004 conference, Riga. Paper 71 119.
9. Дианов A.H., Козаченко В. Ф., Остриров B.H., Русаков A.M. Бездатчи-ковая система управления вентильным двигателем // Труды IV международной (XV всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу, Магнитогорск, сентябрь 2004 г. -Магнитогорск, 2004. -С. 194 — 199.
Состав диссертации: введение, пять глав, заключение, список литературы, приложения, количество страниц 200, рисунков 111, число наименований используемой литературы 86 на 8 стр., приложения 6 на 29 стр.
Результаты работы могут быть использованы при разработке любого класса приводов, питание которых осуществляется от бортовой сети постоянного тока. Предложенные алгоритмы и созданные программные модули могут быть использованы при разработке датчиковых и бездатчиковых вентильных приводов. Предложенные математические модели могут быть использованы как при разработке новых алгоритмов, так и в учебном процессе.
— 164.
Заключение
.
В работе получены следующие основные результаты:
1. Проанализированы существующие алгоритмы бездатчиковых систем управления вентильными двигателями, рассмотрены их достоинства и недостатки. В качестве оптимального для реализации на специальных микроконтроллерах с функциями прямого управления двигателями выбран алгоритм, позволяющий оценивать положение ротора по прохождению через ноль противо-ЭДС в отключенной фазе. Разработана и обоснована структура микропроцессорной системы управления ЭП с промежуточным звеном постоянного тока.
2. Разработана математическая модель СМ с инкорпорированными магнитами на роторе в естественной системе координат ив dq осях. Созданы математические модели DC/DC преобразователя, ВД и системы инверторвентильный двигатель. Предложенные модели элементов электропривода и всего ЭП в целом были реализованы в математическом пакете MATLAB. Адекватность моделей подтверждается результатами экспериментов.
3. Разработаны и реализованы алгоритмы определения начального положения ротора, пуска вентильного двигателя в бездатчиковой системе и алгоритм коммутации фаз. Создан модуль измерения скорости в бездатчиковой СУ с усреднением скорости на одном механическом обороте. Предложены алгоритмы работы с квадратурным датчиком положения. Разработан алгоритм управления DC/DC преобразователем. Синтезированы регуляторы для предлагаемой двухконтурной системы управления.
4. Реализована система бездатчикового управления вентильным двигателем. Разработан программно-аппаратный комплекс для исследования привода, в том числе создана программа SCI Monitor, позволяющая осциллографировать внутренние переменные программы, редактировать их, просматривать произвольные области памяти.
— 1635. Разработаны библиотеки программных модулей, которые можно использовать при создании датчиковых и бездатчиковых систем управления вентильными двигателями. Выполнены исследования как отдельных модулей, входящих в состав привода, так и системы в целом. Испытания проведены как на лабораторном стенде со статической нагрузкой, так и в составе мехатронного модуля ВД — поршневой компрессор при типовых режимах работы и реальных нагрузках. Результаты испытаний подтверждают работоспособность созданных алгоритмов даже при сложной нагрузке с переменным моментом сопротивления.
