Автоматизация экспериментальных исследований асинхронного электропривода с помощью современных микропроцессорных средств и технологий автоматизации

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ПОМОЩЬЮ СОВРЕМЕННЫХ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СРЕДСТВ И ТЕХНОЛОГИЙ АВТОМАТИЗАЦИИ

Тей Д.О., Шульгин Е.В., Алтынников И.В.

ANNOTATION

A problem of experimental induction motor research automation is presented. Requirements of the microprocessor system for load and induction motor are described. For data acquisition system characteristics and parameters of choice are presented. Requirements of experimental plant are systemized. The experimental plant structure of experimental induction motor research automation is offered.

Введение

Развитие математической теории машин переменного тока, полупроводниковых приборов и преобразователей на их основе, использование современных средств управления, включая микропроцессорные, позволяет создавать высококачественные и надежные системы управления асинхронными электроприводами (АЭП).

Сфера применения АЭП в приложениях, требующих ЭП с высокими динамическими характеристиками, где традиционно использовались двигатели постоянного тока (ДПТ) (подъемно-транспортные механизмы, привода роботов и манипуляторов, обрабатывающие станки и т.д.) постоянно расширяется. Неуклонное снижение доли ЭП с ДПТ связано с низкой надежностью механического коллектора и более высокой стоимостью коллекторных ДПТ по сравнению с двигателями переменного тока. Разработка высокоточных, быстродействующих и надежных систем АЭП является приоритетным направлением технической политики развитых стран [1,2,3].

АЭП как объект управления описывается сложными, существенно нелинейными математическими моделями, точное решение которых затруднено. Поэтому при исследовании и проектировании используют упрощенные и линеаризованные математические модели АЭП [4]. Данное обстоятельство приводит к необходимости проведения экспериментальных исследований на специализированном оборудовании с целью проверки адекватности результатов исследования упрощенных моделей динамике реальных систем [5]. Для этого экспериментальная установка и методика проведения эксперимента должны создавать режимы и условия работы АД, максимально приближенные к реальным. Это требует реализацию ряда задач автоматизации и управления экспериментальными исследованиями: управление режимами работы автоматизированного АД; управление нагрузкой АЭП; управление автоматизацией процесса сбора и обработки информации. Решение этих задач невозможно без использования современных микропроцессорных комплексов, технологий сбора аналоговой и цифровой информации.

1. Автоматизация систем управления двигателем постоянного тока и асинхронным двигателем

Современные алгоритмы и методы, используемые для управления асинхронным двигателем, позволяют создавать регулируемые АЭП с характеристиками, близкими характеристикам регулируемых электроприводов постоянного тока (ЭПТ) [1,2,3]. Реализация этих алгоритмов требует расчета параметров работы двигателя (решения систем дифференциальных уравнений, описывающих состояние привода, в реальном времени) и выработке соответствующих управляющих сигналов (расчет необходимой амплитуды и частоты питающего АД напряжения). Это приводит к значительным вычислительным затратам. Представленные на рынке специализированные однокристальные микроконтроллеры, предназначенные для управления двигателями, обладают вычислительной мощностью, недостаточной для реализации таких вычислений. С другой стороны, мощные вычислительные процессоры (RISC или DSP), оптимизированные для выполнения операций умножения с одновременным накоплением результатов позволяют эффективно реализовывать цифровые фильтры, регуляторы и наблюдатели. При этом они не обладают интегрированными периферийными устройствами, позволяющими осуществлять эффективное управление электродвигателями (многоканальными АЦП, ШИМ-генераторами и т.п.). Для построения систем управления на базе таких процессоров требуется устанавливать недостающие периферийные устройства (в виде отдельных компонентов или в виде сопроцессоров), что делает систему управления более сложной, громоздкой, дорогой и менее надежной.

В связи с перечисленными особенностями в последние годы широкое распространение в отрасли электропривода получили специализированные DSP микропроцессоры для цифровой обработки сигналов класса «Motor Control» предназначенные для реализации алгоритмов управления в системах электропривода. В них на одном кристалле реализовано высокопроизводительное процессорное ядро с объектно-ориентированной системой команд и многофункциональная периферия. Такие микропроцессоры выпускают компании Texas Instrument серии TMS320LC2400, TMS320LC280, Motorola серии 56F800, 56F800E, Analog Devices серии ADMC300 ADMC400 и др.

Микроконтроллеры внутри семейства различаются быстродействием процессорного ядра, типом и количеством интегрированной на кристалл памяти, а также набором интегрированных периферийных устройств, предназначенных для управления двигателями (модули АЦП, ШИМ-генераторов, дискретный ввод/вывод, мониторинг питания, интерфейсов с датчиками, силовыми ключами и системами управления верхнего уровня и т.п.).

Указанные микропроцессоры позволяют эффективно решать сложные задачи управления асинхронным двигателем, оставаясь в рамках однопроцессорной системы управления [6,7]. При этом основные затраты при разработке систем управления приводами приходятся не на создание аппаратной части контроллера, а на разработку алгоритмического и программного обеспечения.

Для реализации задач формирования и управления нагрузкой на валу АЭП предлагается использование электромеханической системы для создания момента нагрузки. Формирование управляемого электромагнитного момента в широком диапазоне изменения скоростей с высоким быстродействием наиболее просто реализуется при использовании двигателя постоянного тока (ДПТ) с независимым возбуждением. При этом ДПТ работает в одном из режимов торможения: рекуперативное торможение, динамическое торможение и противовключение. Использование режима рекуперативного торможения при экспериментальных исследованиях не оправдано ввиду большей сложности экспериментального оборудования и алгоритмов управления, а также меньшего диапазона регулирования.

Управление ДПТ с независимым возбуждением предполагает управление током якорной обмотки и потоком двигателя, через управление током обмотки возбуждения. При этом обмотка возбуждения имеет очень большую постоянную времени (на порядок больше постоянной времени якорной обмотки), что накладывает ограничение на скорость изменения потока, соответственно, и скорость изменения момента ДПТ. Поэтому целесообразно использовать обмотку возбуждения для задания диапазона регулирования момента на валу ДПТ, а якорную обмотку для изменения момента на валу ДПТ. Таким образом, для создания необходимой нагрузочной характеристики для АЭП необходимо рассчитать требуемое значение потока ДПТ, требуемый ток обмотки возбуждения и ток обмотки якоря для создания необходимой точки нагрузочной характеристики. Эта задача также как задача создания регулируемого момента АЭП, требует значительных вычислительных аппаратных затрат. Для ее решения также целесообразно применять специализированные DSP микропроцессоры для цифровой обработки сигналов класса «Motor Control».

2. Автоматизация сбора данных

Экспериментальная установка должна обеспечить автоматизированный сбор данных, характеризующих работу АД и его системы управления:

· напряжение питания АД;

· частота питающего напряжения;

· значение силы тока статорной обмотки АД;

· напряжение питания преобразователя АС-DC.

В это же время необходимо осуществлять сбор данных, характеризующих состояние нагрузки, для определения и уточнения параметров системы АЭП-нагрузка:

· значение силы тока якорной обмотки;

· значение силы тока обмотки возбуждения;

· скорость вращения вала ДПТ.

При этом необходимо обеспечить синхронность сбора данных с АЭП и нагрузки.

Существует несколько путей решения этой задачи. Первый заключается в создании устройства, которое будет обеспечивать синхронный сбор, хранение и передачу необходимой аналоговой и цифровой информации. Второй - использование специализированных плат сбора интегрируемых в персональный компьютер (ПК). Первый способ имеет ряд преимуществ и недостатков. Преимуществами являются возможность создания специализированного не универсального устройства для проведения исследования АЭП. Недостатками являются высокая трудоемкость, стоимость и необходимость метрологического освидетельствования созданного оборудования. Второй способ лишен недостатков первого, но обладает более высокой стоимостью.

3. Автоматизация системы управления экспериментом

автоматизация двигатель постоянный ток

Автоматизация экспериментальных исследований достигается за счет использования микропроцессорной системы управления нагрузкой (СУН) и микропроцессорной системы управления АЭП на нижнем уровне и персонального компьютера (ПК) на верхнем уровне. При этом ПК отводится роль автоматизированного рабочего места, с которого осуществляется общее управление экспериментом: задания условий проведения эксперимента и основных параметров воздействий на исследуемый объект, а также ПК управляет процессом сбора данных и реализует визуализацию требуемых параметров и дальнейшую обработку собранной информации. Использование структуры, к которой ПК отводится роль общего управления экспериментом, позволяет использовать его вычислительные мощности для непосредственной обработки и визуализации собираемых данных в ходе проведения эксперимента. В ПК автоматизированного рабочего места заложена база данных, содержащая различные сценарии эксперимента. Перед началом эксперимента производится начальная инициализация всех модулей установки, в том числе настройка измерительной аппаратуры и составляется алгоритм проведения эксперимента. В ходе эксперимента происходит автоматическое, согласно сценарию эксперимента, формирование нагрузочных характеристик ЭПТ и регулирование момента и скорости вращения валом АЭП.

Заключение

На рис. 1 представлена функциональная схема экспериментальной установки для исследования автоматизированного АД, реализованной в лаборатории кафедры ПТЭиВС ОрелГТУ. На представленной экспериментальной установке были произведены исследования АЭП с бездатчиковым векторным управлением на основе потенциальных и токовых моделей АД. Производилось исследование параметрической чувствительности наблюдателей потокосцепления на основе потенциальной модели. В данный момент ведутся работы по исследованию параметрической чувствительности наблюдателей скорости и потока.

Рисунок 1 Функциональная схема экспериментальной установки для исследования динамики автоматизированного АЭП

Литература

1. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Плотников Ю.В. Энерго- и ресурсосберегающие технологии на основе регулируемых асинхронных электроприводов // Электротехника. 2004. №9. С.33-39.

2. Колпаков А. Перспективы развития электропривода // Силовая электроника. 2004. №1. С.46-47.

3. Ильинский Н. Ф. Перспективы развития регулируемого электропривода // Электричество. 2003. №2. С.2-7.

4. Панкратов, Зима Математическое моделирование асинхронных электрических машин и машин двойного питания. // Электротехника. 2003. №9. С.19-24.

5. Адрианов М.В., Малышев Э.Е., Родионов Р.В. Экспериментальные исследования ЧР АД // Электротехника. 2005. №5. С.37-41

6. Изосимов Д.Б., Байда С.В., Алгоритм векторной ШИМ трехфазного инвертора напряжения // Электротехника. 2004. №4. С.14-19.

7. Гарганеев А.Г., Каракулов А.С, Ланграф С.В., Нечаев М.А., Опыт разработки преобразователя частоты для асинхронного электропривода общепромышленного применения // Электротехника. 2005. №9. С.23-26.

Размещено на Allbest.ru