Бездатчиковое управление электроприводом

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Методы с разнесенным измерением

Метод тестовых импульсов - в одну или несколько неработающих фаз подаются импульсы с известным напряжением. При этом контролируется либо амплитуда импульсов при их постоянной длительности [109], либо время нарастания тока до заданного постоянного значения. Соответственно, конечной переменной является индуктивность фазы или обратная ей величина. достоинствами метода являются минимальные требования к микроконтроллеру, термостабильность, а также отсутствие каких-либо дополнительных устройств в преобразователе, К недостаткам метода относятся сложность его применения для работы на высоких скоростях, невысокая помехоустойчивость, чувствительность к насыщению ярма (см. п. 2.2).

Начальная ориентация в бездатчиковых электроприводах

Разработка процедуры начальной ориентации ИД является ответственным этапом проектирования любой системы, реализующей принципы бездатчикового управления. Физически задача состоит в определении фазы или группы фаз, которые должны быть возбуждены для трогания двигателя в заданном направлении. По алгоритму решения этой задачи системы могут' быть подразделены на две категории.

К первой из них относятся ВИП с пошаговой ориентацией машины. В таких системах запуск привода начинается с поочередных включений фаз в определенной последовательности. При этом предполагается, что но завершении указанной процедуры ротор двигателя окажется в некотором известном положении. Очевидными недостатками подобного метода являются затягивание процесса запуска электропривода и довольно произвольные движения ротора во время ориентации. Как следствие, область применения таких систем ограничивается некритичными к описанным явлениям механизмами, типа насосов, компрессоров и шлифовальных станков. Достоинством рассматриваемого метода является простота реализации. Следует также отмстить, что существует ряд типов ИД (одно- и двухфазной конфигурации) которые могут быть запущены в заданном направлении только при вполне определенных положениях ротора. Как следствие, в ВИП на базе таких ИД использование пошаговой ориентации становится безальтернативным. Один из подобных случаев будет проанализирован ниже.

Во вторую категорию входит методы, основанные на измерении электрических параметров фаз двигателя с помощью различного рода тест-сигналов. Применение такого подхода позволяет значительно снизить время запуска и устранить колебания ротора в процессе ориентации. Поскольку большинство бездатчиковых систем уже содержат схемные узлы, предназначенные для выполнения подобных измерений, рассматриваемый способ получил наибольшее распространение. Недостатком метода является проблематичность его применении в реверсивных ВИП с числом фаз менее трех. Алгоритм запуска трехфазного ИД с типовой геометрической конфигурацией (ширина зубцов равна ширине пауз между ними, роторные зубцы шире статорных). Запуск привода начинается с измерения индуктивности каждой фазы машины, для чего могут быть применены различные методы. Затем результаты измерений сравниваются с пороговыми значениями L*min>Lmin и L*max < Lmax, после чего производится выбор включаемых фаз в соответствии с Табл. 2.1.

Таблица 2.1

При практическом написании программ целесообразно оформлять результаты сравнения в виде двоичной комбинации, которая в последствии сравнивается с "эталонами'' для соответствующего направления. Оптимальная ширина зон совместной работы двух фаз - порядка 60 эл.град. Рассмотренный алгоритм характеризуется хорошей устойчивостью и некритичен к линейности системы измерения. Отметим, что вышеприведенная процедура предполагает отсутствие движения ротора двигателя, из чего следует необходимость начального тестирования системы на предмет наличия вращения.

Остановимся теперь подробнее на процессе начальной ориентации в полуреверсивном ВИП на базе машины с конфигурацией 2*(4/4) (рис. 2.16).

Конструктивно такая машина двустаторный ИД с двумя пакетами ротора, повернутыми друг относительно друга на 90°.

Для обеспечения возможности запуска двигателя в заданном направлении пакеты статора сдвинуты на угол Ди что вносит необходимую асимметрию в магнитную цепь ИД.

Поскольку по энергетическим соображениям указанное рассогласование стремятся свести к минимуму, непосредственное использование измерении фазной индуктивности для начальной ориентации оказывается проблематичным.

Для предотвращения возможных ошибок, связанных с направлением вращения, пуск рассматриваемого двигателя должен производиться из вполне определенных положений ротора (заштрихованные зоны на рис.).

Рис. 1 Полуреверсивная двухтактная 2*(4/4) и ее пусковая диаграмма

Задача процедуры начальной ориентации, соответственно, состоит в гарантированном приведении ротора в одно из указанных положений. Пусть ротор ИД изначально находится в точке, отстоящей от согласованного положения фазы А на некоторый угол цo.При подаче тока в фазу имеет место движение, ротора в соответствии с уравнением:

(2.5.1)

где М - электромагнитный момент двигателя, Мс - статический момент сопротивления,JУ - суммарный момент инерции машины и механизма, щ- угловая скорость. Соответственно ,для углового положения ротора ц(t) можно записать:

(2.5.2)

Здесь

угловое ускорение привода. Нетрудно видеть, что зависимость (2.5.2) представляет собой затухающие колебания, частота которых определяется величинами JУ и .М, а скорость затухания - величиной Мc- Поскольку в большинстве высокоскоростных приводов (именно в них преимущественно используются такие ИД) момент Мс невелик, время затухания колебаний, ввиду недостаточного демпфирования и системе, оказывается более чем существенным и без принятия специальных мер может составлять десятки секунд.

Рассмотрим процедуру ускоренной начальной ориентации. При этом будем считать, что запуск осуществляется в положительном направлении, а нуль системы координат находится в т. О*. В начальный момент времени ротор находится в положении Процесс начинается с активации фазы А, при этом в фазе поддерживается минимальный ток, обеспечивающий либо наличие движения (условие dLА/dt? 0), либо движение на заданной малой скорости щmin (условие dLA/dt=kпpщmin, кпр - коэффициент приведения). Под действием возникающего крутящего момента происходит поворот ротора в согласованное положение, наступление которого контролируется путем измерения фазной индуктивности Lф Поскольку точная фиксация момента согласования "по уровню", как правило, затруднена, в реальных системах предпочтительнее контролировать переход Lф через максимум. При этом погрешность измерения индуктивности определяет пороговое значение Lф и соответствующее ему рассогласование для худшего случая начальной ориентации. По прохождении индуктивностью фазы через максимум система управления обеспечивает линейное нарастание тока до значения, равного примерно половине от максимально возможного тока преобразователя.

2. Выбор алгоритма бездатчикового управления

Существует множество, способов оценки положения ротора синхронной машины без помощи датчика положения ротора. Среди них можно выделить два подхода: использование противо-ЭДС, наводимой магнитами ротора в обмотках статора, которая однозначно определяет положение ротора, и использование магнитной несимметричности ротора (разность магнитных сопротивлений и ).

Первый способ более прост, чем второй, но качество определения положения ротора зависит от величины противо-ЭДС, поэтому он плохо работает в области низких и средних скоростей, где эта величина мала и определяется датчиками с большой погрешностью. Кроме того, противо-ЭДС нельзя измерить непосредственно, поэтому на результаты измерений будут влиять дополнительные факторы, в частности трансформаторные ЭДС.

Второй способ подразумевает использование дополнительного тестового сигнала, который накладывается на основной. Затем САУ проводит анализ отклика на тестовый сигнал и по заданной математической модели определяет положения ротора.

При этом второй способ является более сложным, требует более серьезных затрат процессорного времени, чем первый, реализации точных математических моделей и качественных измерительных каналов. По сравнению с ним, первый- способ, основанный на измерении противо-ЭДС, показывает менее точные результаты и работает в меньшем диапазоне скоростей, но является более простым в реализации, не требует сложных алгоритмов и больших вычислительных мощностей процессора.

Исходя из требований, предъявляемых к приводу, в данной работе будет взят за основу способ, основанный на оценке положения ротора по сигналу противо-ЭДС.

В рамках данного подхода существует несколько типов алгоритмов определения положения ротора. Среди них можно выделить два: расчетный подход, при котором, противо-ЭДС рассчитывается по значениям электрических величин электропривода и заложенным в САУ уравнениям и компенсационный подход, при котором в систему заложены уравнения наблюдателей.

При этом второй подход является более сложным по сравнению с первым, требует более сложного математического аппарата и более мощного микроконтроллера. А т.к. к САУ предъявляются невысокие требования по точности управления, имеет смысл использовать первый подход.

При таком подходе существует два основных способа оценки положения ротора синхронного двигателя без помощи датчика положения. Первый из них предполагает решение одной из систем уравнений, описывающих состояние двигателя, и нахождение вектора ЭДС, фаза которого связана с положением ротора. А затем используя выражение

которое описывает связь между векторами ЭДС и потокосцепления ротора, находим вектор потокосцепления ротора и непосредственно положение ротора. Если принять, что ротор вращается с угловой скоростью то ЭДС фазы, например, фазы А изменяется по закону

тогда противо-ЭДС этой фазы:

Такой способ сложен для программной реализации, особенно на фоне работы ШИМ-регуляторов фазных токов, потому уравнения часто упрощают, путем отбрасывания незначительных составляющих, или принимают сильные допущения, которые позволяют получить более простое решение, роме того, этот способ очень чувствителен к типу используемой математической модели и параметрам двигателя и нагрузки.

Второй способ эффективен только при использовании реверсивной парной коммутации фаз. При такой коммутации двигателя все время подключены только дне фазы, что обеспечивает комбинацию из шести векторов при двухфазной реверсивной коммутации, на каждом такте коммутации всегда есть отключаемая фаза, в которой ток спадает. Если измерять ЭДС каждой фазы на интервале нулевого тока, то можно получить достаточно точную информацию о положении ротора в момент прохождения ЭДС через ноль. Таким образом, положение ротора может быть определено в середине каждого текущего такта коммутации, т.е. 6 раз на электрический оборот, что достаточно для организации режима автокоммутации двигателя. Ограничение, связанное с парной коммутацией незначительно снижает КПД двигателя и электромагнитный момент, поэтому рассматриваемый метод управления можно рекомендовать для систем малой и средней мощности (до нескольких кВт) при невысоких требованиях к качеству и диапазону регулирования скорости (до 10:1).

В связи с тем, что предлагаемый метод основан на оценке противо-ЭДС, его нормальное функционирование возможно только начиная с определенной скорости. Однако он не может дать информацию о начальном положении ротора, ни осуществить разгон привода до определенной скорости. Для этих целей необходимо использовать другие алгоритмы. Поэтому задача бездатчикового управления разбивается на три подзадачи:

Определение начального положения ротора двигателя

Разгон двигателя до момента устойчивой идентификации положения ротора по кривой выделенной ЭДС.

Перевод двигателя в режим автокоммутации по идентифицированному положению ротора и работа в режиме бездатчикового управления.

3. Структуры алгоритмов бездатчикового управления

Как было сказано выше, алгоритм бездатчикового управления ВД разбивается на три подзадачи: определение начального положения ротора двигателя, разгон двигателя до момента устойчивой работы алгоритма бездатчикового управления и работа в режиме бездатчнкового управления. Алгоритм пуска привода должен принципиально отличаться от основного алгоритма бездатчикового управления, т.к. на момент пуска противо-ЭДС нельзя определить с необходимой точностью, поэтому привод в этом режиме будет иметь разомкнутую структуру. А в основе алгоритма определения начального положения ротора должны лежать совершенно другие принципы.

Одна из главных задач, возникающих при создании данного ЭП, - определение начального положения ротора. Перед пуском привода необходимо знать положение ротора с точностью до сектора (60 эл. град.), чтобы начать движение в нужную сторону. Ранее для этих целей широко использовался способ, при котором в начале пуска подастся напряжение на одну из фаз, выдерживается пауза, необходимая для окончания переходных процессов, а затем начинается движение с уже определенного положения ротора. Однако при использовании этого способа возможно перемещение ротора как в одну, так и в другую сторону, что является нежелательным для данного привода, поэтому, в данной работе будут разработаны и исследованы альтернативные алгоритмы определения начального положения ротора синхронной машины.

Все способы определения начального положения подразумевают задание некоторого тестового сигнала (тока или напряжения) и анализ отклика на него. Далее по некоторой методике находится непосредственно положение ротора. Поэтому структура привода для определения начального положения ротора будет иметь вид, показанный на рис. 2.

Еще одна из подзадач, которая возникает при создании алгоритма бездатчикового управления приводом, пуск и разгон двигателя до определенной скорости, на которой будет устойчиво и с заданной точностью определяться положение ротора.

Рис. 2 Структурная схема привода для определения начального положения ротора двигателя

Существует несколько вариантов решения данной задачи, но все они подразумевают пуск привода в разомкнутой системе путем формирования определенной последовательности импульсов (аналогично пуску шагового двигателя). Различия заключаются лишь в том, как эта последовательность сформирована. Это может быть последовательность импульсов линейно нарастающей частоты или заранее заложенная в память более сложная кривая разгона.

САУ ЭП имеет переменную структуру, которая показана на рис. 1.3.2. При пуске привода система управления представляет собой разомкнутую структуру, в которой блок пуска привода коммутирует фазы по заданному закону,

Рис. 3 Структурная схема ЭП при пуске и в режиме бездатчикового управления

Зависимость f=f(t) представляет собой последовательность импульсов, которая имеет переменную частоту, что позволяет осуществить более плавный разгон. Обычно такая зависимость подбирается в результате экспериментов таким образом, чтобы движение привода было похоже на то, которое было бы при пуске двигателя по датчику.

После того, как привод выведен на заданную скорость, включается блок определения положения, и система замыкается по положению и скорости.

4. Определение начального положения ротора двигателя ?щ

электропривод ротор бездатчиковый управление

Одной из главных задач в современных системах управления СМ является корректный пуск системы. Для этого необходимо знать точное положение ротора. Эта задача достаточно просто решается, если в системе присутствует абсолютный датчик положения, выдающий непосредственную информацию о положении ротора, но при работе с инкрементальным (квадратурным) датчиком положения, или работе с алгоритмами бездатчикового управления привода эта проблема требует решения. Самое простое решение - подать напряжение на одну из фаз и дождаться пока ротор сориентируется по полю. Однако это может быть неприемлемо для некоторых механизмов, т.к. ротор может совершить неконтролируемое движение назад.

5. Подходы к определению начального положения ротора

Если ротор машины стоит на месте, то он не создает противоЭДС, которая позволяет определить его положение, поэтому все методы определения начального положения ротора используют специальный тестовый сигнал, который подается на статор машины, и специальный алгоритм анализа отклика на него.

Существующие способы можно разделить на методы с непосредственным вычислением начального угла по результатам эксперимента и методы с постепенным приближением, т.е. с вычислением и дальнейшей минимизацией функции ошибки или их комбинацию (например, когда первый способ используется для грубой оценки, а второй для более точного определения). По типу тестового сигнала алгоритмы определения начального положения ротора делятся на методы, использующие токовый тестовый сигнал методы

Размещено на Allbest.ru