Введение к работе
Актуальность темы исследования и степень ее разработанности. Применение синхронных двигателей с постоянными магнитами в последнее время получает все большее распространение. Двигатели с постоянными магнитами являются синхронными, что указывает на отсутствие скольжения между вращающимися полями ротора и статора, что отличает их от трехфазных асинхронных двигателей. Постоянные магниты обеспечивают необходимую намагниченность ротора без соответствующих потерь, что повышает эффективность этого типа двигателя по сравнению с асинхронным. Поскольку для производства магнитов необходимы дорогостоящие материалы, до недавнего времени цена таких двигателей была очень высокой, к тому же спрос значительно превышал предложение. Тем не менее, в течение последних двух лет наблюдается значительное снижение цен. В некоторой мере это связано с открытием новых источников необходимого сырья.
По сравнению с асинхронным двигателем аналогичного класса эффективности, размер двигателя с постоянными магнитами может быть в два раза меньше стандартного. Двигатели данного типа могут работать с помощью одного только преобразователя частоты, при условии, что он оснащен соответствующей системой управления.
Существенным недостатком двигателей с постоянными магнитами является необходимость использования или контроллера. Контроллер должен также принимать сигнал позиционной обратной связи для того, чтобы оптимально ориентировать магнитное поле посредством переключения ключей инвертора. Вот почему такие системы часто оснащены энкодером. Поэтому во всем мире проводятся интенсивные работы по созданию синхронных двигателей с возбуждением от постоянных магнитов без датчика положения ротора, в которых определение углового положения ротора осуществляется системой управления. Системы бездатчикового синхронного электропривода строятся на основе цифровых сигнальных процессоров.
На данный момент наибольшее распространение получили системы
векторного управления СДПМ. Векторное управление широко применятся в
процессах, где необходимо точное поддержание скорости или момента и
обеспечивает отсутствие пульсаций момента в отличие от систем DTC
(прямое управление моментом). Применение векторной системы управления
для СДПМ лежит в русле современных представлений о надежном и
качественном электроприводе. В свою очередь, современные
микропроцессорные средства позволяют реализовать алгоритмы векторного
управления предельно быстро, эффективно, относительно недорого, и поэтому не влияют на конечную стоимость изделия.
Сегодня системы управления предоставляют настолько широкий набор функций, что их можно назвать интеллектуальными системами управления электроприводом. Под интеллектом подразумевается набор качеств, способствующих автономному выполнению технологической задачи с минимальным вниманием со стороны обслуживающего персонала. Это алгоритмы самодиагностики и выявления неисправностей, выполнение локальной задачи автоматизации с передачей информации в систему верхнего уровня, возможность работы в нескольких режимах управления, при неисправности переключаться на другие возможные режимы, надежность алгоритмов управления двигателем с возможностью перехода на другие алгоритмы при неисправности основного.
Задачи такого рода успешно решаются с помощью дискретных управляющих автоматов. Однако существует особый род задач, связанный непосредственно с управлением двигателем и надежностью такого управления – это резервирование датчика положения вала. Во-первых, установка датчика положения приводит к увеличению стоимости изделия. Стоит также отметить, что если для маломощных двигателей задача сопряжения датчика положения решается просто, то для мощных двигателей существует ряд серьезных ограничений. Сопряжение вала двигателя и датчика положения не всегда возможно, а если возможно, то требует серьезной настройки. Кроме этого, датчик в процессе работы подвергается различного рода факторам – нагрев, электромагнитные помехи, вибрация.
Линия передачи данных подвержена влиянию электромагнитных помех. Узел микроконтроллера, принимающий и обрабатывающий сигнал, также имеет конечную надежность. Все это ставит под вопрос надежность работы датчиковой системы управления двигателем, и рождает такое направление, как управление без датчика положения – бездатчиковое управление. В настоящее время в мире ведутся разработки и исследования различных вариантов построения бездатчиковых систем. Это касается практически всех типов двигателей переменного тока – асинхронного, синхронного, вентильно-индукторного.
Большой вклад в развитие алгоритмов управления и реализацию их на практике внесли ученые С.В. Дракунов, Д.В. Ефимов, Ж. Ла-Салль, А.Е. Козярук, С.А. Краснова, В.А. Уткин, Р.Т. Шрейнер, Depenbrock M, Edwards C., Janiszewski D., Morimoto S., Ortega R., Kubota H., Zhang Y.
В ходе работы предполагается разработать алгоритм идентификации положения для создания бездатчиковой векторной системы управления. На основе опыта крупнейших мировых фирм и исследовательских институтов
было изучено и проанализировано несколько подходов и вариантов построения таких систем.
Для того чтобы выяснить, насколько данные подходы оправданы и выявить наиболее эффективный метод управления, необходимо разработать несколько математических моделей и провести моделирование в среде Matlab Simulink. В ходе работы также требуется изучить дополнительную математическую базу для исследования устойчивости системы управления и определения влияния изменений параметров двигателя на качество регулирования. Полученные алгоритмы должны быть реализованы с использованием микропроцессорной техники, для чего требуется провести теоретическое и экспериментальное исследование разработанной системы.
Особенностью данной работы также является использование наблюдателей состояния на основе скользящего режима. Они обладают рядом привлекательных свойств с точки зрения построения систем автоматического управления. Одна из особенностей, связанная с независимостью их от характеристик управляемого объекта, дает возможность наделить их желаемыми свойствами.
Объектом исследования является бездатчиковый электропривод на основе синхронного двигателя с постоянными магнитами.
Предметом исследования являются методы и алгоритмы управления в бездатчиковом электроприводе.
Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является разработка системы бездатчикового векторного управления синхронным двигателем с постоянными магнитами с использованием наблюдателя состояния, работающего на скользящих режимах и, тем самым, обеспечивающего устойчивость к дрейфу параметров объекта управления.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать наблюдатель состояния СДПМ, работающий на скользящих режимах, для повышения устойчивости системы управления к изменению параметров двигателя, таких как активное сопротивление статора, индуктивность обмоток статора.
-
Разработать математическую модель наблюдателя. Произвести настройку наблюдателя с использованием полученной модели.
-
Разработать математическую модель системы управления с использованием наблюдателя, работающего на скользящих режимах. Провести исследование работы разработанной системы управления – определить эффективный диапазон работы, проверить качество регулирования.
4. Разработать модель системы векторного бездатчикового управления СДПМ с использованием наблюдателя, работающего на скользящих режимах, с применением блоков поддержки процессоров Texas Instruments С2000 для получения рабочего кода микроконтроллера. Произвести проверку результатов моделирования посредством экспериментальных исследований.
Научная новизна
-
Разработан наблюдатель углового положения ротора синхронного двигателя с постоянными магнитами, работающий на скользящих режимах. Применение указанного наблюдателя в составе системы векторного управления СДПМ позволяет обеспечить ошибку не более 4 при вычислении угла положения ротора двигателя, погрешность определения скорости двигателя при этом составляет 5%. Диапазон регулирования по скорости составляет 0,03 - 1.
-
Разработана математическая модель системы бездатчикового векторного управления синхронным двигателем с постоянными магнитами с использованием наблюдателя, работающего на скользящих режимах. Модель позволяет определить качество регулирования системы векторного управления с использованием наблюдателя, работающего на скользящих режимах. По результатам моделирования при изменении активного сопротивления и индуктивности статора, ошибка вычисления угла положения ротора не превышает 10 Результаты моделирования показывают устойчивость системы управления при переходных процессах: разгоне с 0,5 до 1 номинальной скорости, наброс момента нагрузки с 0,5 до 1 номинальной величины. При этом в наблюдателе происходит переходный процесс, в ходе которого ошибка вычисления угла минимизируется за время, не превышающее 0,03 с.
-
Разработана математическая модель системы бездатчикового векторного управления с использованием наблюдателя, работающего на скользящих режимах, с применением блоков поддержки процессоров Texas Instruments серии C2000, позволяющая реализовать и протестировать разработанный алгоритм управления.
Теоретическая значимость работы заключаются в разработке:
структуры наблюдателя угла положения ротора СДПМ с применением скользящих режимов;
математической модели системы векторного управления с использованием наблюдателя состояния, работающего на скользящих режимах;
Методы исследования. Теоретические исследования основаны на разработке математических моделей системы векторного управления
синхронным двигателем с постоянными магнитами, осуществления
численного моделирования в специализированном программном
обеспечении Matlab Simulink и анализе полученных результатов.
Экспериментальные исследования режимов работы СДПМ, регистрация
данных во времени об основных характеристиках СДПМ с использованием
АЦП при изучении полученной системы управления, анализ полученных
результатов. Сравнительный анализ результатов теоретических и
экспериментальных исследований.
Обоснованность и достоверность научных положений, изложенных в диссертации, базируется на применении общеизвестных положений теории электропривода, методов численного моделирования с привлечением специализированного программного обеспечения для моделирования физических процессов и согласованности результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Положения, выносимые на защиту:
-
Наблюдатель углового положения и скорости ротора СДПМ, работающий на скользящих режимах и обладающий устойчивостью к дрейфу параметров двигателя (активное сопротивление и индуктивность обмотки статора).
-
Математическая модель системы векторного бездатчикового управления с использованием наблюдателя состояния, работающего на скользящих режимах, позволяющая провести отладку режимов работы электропривода.
-
Режимы эффективной работы алгоритма бездатчикового векторного управления с использованием наблюдателя состояния, работающего на скользящих режимах: устойчивость к изменению параметров статора СДПМ (активное сопротивление и индуктивность статора).
Практическая значимость работы заключаются в применении полученного алгоритма для управления электроприводом, выполняющим ряд таких задач, как: поддержание частоты вращения рабочего механизма с высокой точностью без применения датчиков скорости, поддержание момента вращения (натяжения), косвенное определение момента нагрузки, бездатчиковое управление электроприводами с большим диапазоном изменения скорости.
Апробация и реализация результатов исследований. Основные
результаты работы доложены и обсуждены на следующих международных и
российских конференциях, симпозиумах, формах, семинарах:
Международная конференция «2017 IEEE CONFERENCE OF RUSSIAN
YOUNG RESEARCHES IN ELECTRICAL AND ELECTRONIC
ENGINEERING» (Россия, Санкт-Петербург, 1-3.02.2017); Международная
конференция «Инновации и перспективы развития горного машиностроения
и электромеханики: IPDME-2017» (Россия, Санкт-Петербург, 23-24.03.2017);
Х Всероссийская научная конференция «Наука. Технологии. Инновации»
(Россия, Новосибирск, 05-09.12.2016); II Международная научно-
практическая конференция «Мехатроника, автоматика и робототехника» (Россия, Новокузнецк, 22.02.2018); XLIII Научный форум с международным участием «Неделя науки СПбПУ» (Россия, Санкт-Петербург, 01-06.12.2014); XLIV Научный форум с международным участием «Неделя науки СПбПУ» (Россия, Санкт-Петербург, 30.11.-05.12.2015); XLV Научный форум с международным участием «Неделя науки СПбПУ» (Россия, Санкт-Петербург, 14-19.11.2016).
Публикации по теме диссертации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 2 работы в ведущих рецензируемых изданиях, включенных в действующий Перечень ВАК; 7 работ в других изданиях.
Личный вклад. Автор на всех этапах работы непосредственно
участвовал в постановке задачи, разработке математической модели системы
управления синхронным двигателем с постоянными магнитами, выборе
методик расчётов теоретических параметров, разработке схемы
экспериментального исследования и методов диагностики, монтаже
экспериментального оборудования, разработке алгоритма регистрации
данных, обработке результатов численного моделирования и
экспериментального исследования, а также формировании выводов по выполненной работе.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, включающего 85 наименований, и 4 приложений. Полный объем диссертации – 121 страница, в том числе рисунков – 65, таблиц – 1.