Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Векторное управление асинхронным двигателем 19
1.1. Математическая модель асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (АД) при питании от автономного инвертора напряжения 19
1.1.1. Фазные преобразования электромагнитных переменных 19
1.1.2. Баланс мощностей и электромагнитный момент АД 26
1.1.3. Математическая модель АД как объекта векторного управления 28
1.2. Принцип векторного управления АД с непосредственной и косвенной ориентацией по магнитному потокосцеплению ротора 30
1.2.1. Принцип векторного управления 30
1.2.2. Способы автоматической ориентации вращающейся системы координат 36
1.3. Синтез и исследование системы векторного управления асинхронным электроприводом 38
1.3.1. Синтез векторного регулятора тока статора 38
1.3.2. Синтез регулятора потокосцепления ротора 40
1.3.3. Синтез контура регулирования скорости 41
1.4. Проблема вычисления текущих значений неизмеряемых координат состояния асинхронной машины в бездатчиковых системах векторного управления (СВУ) 43
1.4.1. Методы оценивания неизмеряемых координат состояния асинхронной машины 43
1.4.2. Адаптивное управление с идентификацией в бездатчиковых СВУ 49
1.5. Выводы по главе 50
ГЛАВА 2. Автоматическое управление частотой вращения и токами асинхронного электропривода на основе прогнозирующих моделей 51
2.1. Постановка задачи 51
2.2. Управление с прогнозирующей моделью (УПМ) в обратной связи 52
2.3. Прогнозирование выхода объекта управления 57
2.4. Оптимальное управление в отсутствии ограничений 58
2.5. Учет ограничений на управляющие воздействия 61
2.6. Пример системы векторного управления АД с косвенной ориентацией по полю и УПМ 62
2.6.1. Векторное управление частотой вращения асинхронного двигателя с косвенной ориентацией по полю 63
2.6.2. Исследование работы УПМ в системах управления асинхронным двигателем с косвенной ориентацией по полю 64
2.7. Система регулирования токов и потокосцепления АД с УПМ 71
2.7.1. Синтез контура регулирования тока 72
2.7.2. Синтез контура регулирования модуля вектора потокосцепления ротора АД. 73
2.7.3. Эффективность векторного управления с использованием УПМ 74
2.8. Выводы по главе
ГЛАВА 3. Алгоритмы управления бездатчикового асинхронного электропривода 79
3.1. Вводные замечания и выбор метода бездатчикового управления 79
3.2. Вычисление частоты вращения и потокосцеплений АД с помощью адаптивного наблюдателя полного порядка 79
3.3. Синтез и исследование алгоритма адаптации 87
3.3.1. Синтез регулятора адаптации НПП 87
3.3.2. Синтез идентификатора активного сопротивления статора АД 90
3.4. Структурная схема системы бездатчикового векторного управления асинхронным двигателем 93
3.5. Исследование адаптивного алгоритма идентификации частоты вращения ротора АД 94
3.6. Выводы по главе 103
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование разработанных алгоритмов управления 104
4.1. Описание экспериментальной установки 105
4.1.1. Обоснование выбора микропроцессорного устройства 105
4.1.2. Состав модулей, основные интерфейсы и технические данные контроллера TMDSHVMTRPFCKIT 109
4.1.3. Асинхронный двигатель 113
4.1.4. Описание лабораторного стенда 115
4.2. Структурная схема исследуемой системы управления 116
4.2.1. Определение параметров двигателя 117
4.2.2. Методика настройки системы бездатчикового векторного управления 118
4.3. Результаты эксперимента и их обсуждение 124
4.4. Выводы по главе 134
Заключение 136
Список литературы
- Фазные преобразования электромагнитных переменных
- Оптимальное управление в отсутствии ограничений
- Вычисление частоты вращения и потокосцеплений АД с помощью адаптивного наблюдателя полного порядка
- Определение параметров двигателя
Фазные преобразования электромагнитных переменных
В настоящее время системы автоматического регулирования преимущественно синтезируются на основе подходов классической ТАУ, в результате чего получаются традиционные пропорционально-интегральные (ПИ-) регуляторы. Факторами, обусловившими широкое использование ПИ-регуляторов в системах стабилизации различных объектов, стали простота их структуры и высокая надежность. Однако их недостатком является то, что при изменении рабочих точек из-за возмущений требуется перенастройка регуляторов. На предприятиях с непрерывным режимом работы при использовании таких регуляторов необходим постоянный контроль за ходом технологического процесса, что требует большой численности персонала. Кроме того, для процессов с переменными параметрами, запаздыванием, существенными нелинейностями и значительными помехами использование ПИ-регуляторов может оказаться неэффективным. Трудности, обусловленные настройкой ПИ-регуляторов, приводят к тому, что в большинстве случаев они работают не в оптимальном режиме.
Одним из современных формализованных подходов к анализу и синтезу систем управления, базирующихся на математических методах оптимизации, является технология управления динамическими объектами с использованием прогнозирующих моделей, которая все чаще стала вытеснять ПИ-регуляторы. Этот подход начал развиваться в начале 60-х годов для управления процессами и оборудованием в нефтехимическом и энергетическом производствах, для которых, в связи со сложностью математических моделей процессов, применение традиционных методов синтеза было затруднено[39].
Основным достоинством управления на основе прогнозирующих моделей (УПМ), определяющим его успешное использование при разработке и эксплуатации систем управления, служит относительная простота базовой схемы формирования обратной связи. Последнее обстоятельство позволяет управлять многомерными и многосвязными объектами со сложной структурой, включающей нелинейности, оптимизировать процессы в режиме реального времени в рамках ограничений на управляющее воздействия и координаты состояния, учитывать интервальные неопределенности в задании объектов и возмущений. Кроме того, возможен учет транспортного запаздывания и отказов датчиков измерительной системы, изменение критериев качества в ходе процесса управления.
Управление с прогнозирующей моделью успешно применяется в областях обработки изображений и регулирования, где надежность функционирования является одним из главных требований качества. Тем не менее, УПМ находится на начальной стадии применения в области автоматического управления асинхронными регулируемыми электроприводами.
Технические системы работают в условиях постоянно изменяющихся климатических, нагрузочных и электромагнитных воздействий. В этих условиях возникает необходимость в постоянной подстройке параметров регуляторов. Следовательно, электроприводы таких систем нуждаются в наблюдателях для оценки текущих значений параметров двигателя, его скорости и регуляторах скорости/момента, потокосцепления ротора и токов для поддержания их на заданном уровне.
В связи с вышеизложенным, целью настоящей работы является исследование способов и результативности применения УПМ в системах управления асинхронными электроприводами, которое сводится к решению целого ряда задач. Среди них можно назвать задачи синтеза УПМ-регуляторов, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к системе автоматического управления, и задачи практического использования прогнозирующих моделей УПМ в структуре регуляторов скорости/момента, потокосцепления ротора и токов.
Значение результатов проведенного исследования состоит в разработке алгоритмов и программ для систем векторного управления АД, формулировке рекомендаций для проектировщиков электроприводов. В конечном итоге, результаты проведенных исследований при промышленном внедрении должны дать повышение качества регулирования электроприводов. Последнее, в свою очередь, повышает надежность работы электроприводов и приводит к экономии электроэнергии и ресурсов.
Объектом исследования в настоящей работе являются процессы управления скоростью АД. Предмет исследования – УПМ-регуляторы в системах векторного управления асинхронного электропривода.
Цель диссертационной работы является повышение качества процессов регулирования координат асинхронного электропривода на основе применения методов управления с прогнозирующими моделями в регуляторах скорости, потокосцепления и токов двигателя. Задачи исследования. 1. Разработать и исследовать алгоритмы векторного управления асинхронным электроприводом с УПМ-регуляторами: а) при косвенном векторном управлении АД; б) при векторном управлении с непосредственной ориентаций управляющих воздействий по опорному вектору потокосцеплений. Для этого необходимо разработать методики синтеза регуляторов скорости, потокосцепления ротора и токов АД на основе УПМ, провести сравнительное исследование эффективности традиционных пропорционально-интегральных (ПИ) и предложенных УПМ-регуляторов при векторном управлении электроприводом. 2. Применить УПМ-регуляторы в бездатчиковом асинхронном ЭП с векторным управлением и вычислением частоты вращения ротора на основе адаптивного наблюдателя полного порядка (НПП). 3. Экспериментально подтвердить работоспособность разработанных бездатчиковых алгоритмов векторного управления АД, для чего должны быть выполнены:
Оптимальное управление в отсутствии ограничений
При анализе, синтезе и реализации алгоритмов векторного управления электрическими машинами переменного тока, систему координат (1,2) ориентируют по направлению одного из изображающих векторов потокосцеплений машины. Ориентация системы координат (1,2) может осуществляться по вектору потокосцепления статора, ротора или главному потокосцеплению машины. Для АД наиболее популярным способом управления является векторное управление с ориентацией по вектору потокосцеплений ротора[1-20].
Проанализируем математическую модель электромагнитных процессов в АД, связывая вращающуюся систему координат (1,2) с вектором потокосцеплений ротора двигателя таким образом, чтобы Ц/г1=Ц/г, Vr2=0. Система координат называется ориентированной по полю или полеориентированной и обозначается как (d,q), здесь d - продольная, а q -поперечная ось магнитного поля ротора. При использовании системы (d,q) угловая скорость вращающейся системы координат равна мгновенной скорости вектора потокосцеплений ротора сок = cow [13] Из неподвижной декартовой системы координат (а,Р) перейдем во вращающуюся полеориентированную систему координат (d,q). Для этой цели подставим сок=со в систему уравнений ( скольжения. В дальнейшем индекс т в обозначении и/ можно опустить, а модуль (евклидова норма) вектора потокосцеплений ротора \//r=ii/Tm называется просто потокосцеплением ротора АД.
Так как во вращающейся синхронно с магнитным полем машины системе координат все электромагнитные переменные постоянны в установившемся режиме, модель статики можно получить, приравнивая нулю производные в первых трех уравнениях (1.15) и интегрируя последнее:
Векторная диаграмма АД, соответствующая системе (1.17), представлена на рисунке 1.3. Векторная диаграмма АД в установившемся режиме Анализируя (1.16) вместе с уравнением (1.17), можно сделать следующий вывод, что продольная составляющая вектора токов isd определяет магнитное состояние АД, характеризующееся величиной у/г, а поперечная составляющая тока / умножаясь на текущее значение потокосцепления ротора, создает электромагнитный момент АД. На основании этого формулируется принцип ориентирования по полю или принцип векторного управления АД (Field Oriented Control) [6, 13, 22]:
1. Законы управления частотно-регулируемым электроприводом, построенном на базе асинхронного двигателя, могут быть синтезированы на основании порядке, известного из теории электропривода постоянного тока с независимым возбуждением: если управляющие воздействия на регулируемый источник тока или напряжения формировать во вращающейся системе координат, ориентированной по вектору потокосцеплений ротора, а затем преобразовывать их в неподвижную (фазную) систему, то асинхронный двигатель может рассматриваться как двухканальный объект управления.
2. Воздействие на поперечную составляющую вектора токов статора асинхронного двигателя должно использоваться для управления электромагнитным моментом в канале регулирования координат механического движения электропривода, подобно току якоря в электроприводе постоянного тока.
3. Воздействие на продольную составляющую тока статора должно использоваться для управления магнитным состоянием (магнитным потоком) АД с целью обеспечения рациональных режимов электромеханического преобразования энергии, подобно току возбуждения двигателя постоянного тока.
Из уравнений (1.17) видно, что при питании двигателя от регулируемого источника напряжения поперечная составляющая вектора токов статора должна регулироваться посредством проекции вектора напряжений на ось q (usq). Продольная составляющая тока регулируется с помощью usd.
Из первых двух уравнений (1.17) видно, что при питании двигателя от регулируемого источника напряжений (РИН) поперечная составляющая вектора токов статора должна регулироваться посредством проекции вектора напряжений на ось q (Usq ). Продольная составляющая тока регулируется с помощью Usd .
На рисунке 1.5 приведен один из вариантов структурной схемы СВУ АД с непосредственным ориентированием по полю. На рисунке 1.6 приведена структурная схема системы бездатчикового векторного управления асинхронным двигателем на основе косвенного ориентирования по полю. Способы полеориентирования будут рассмотрены в следующем разделе диссертационной работы.
Структурная схема системы бездатчикового векторного управления асинхронным двигателем (косвенное ориентирование по полю) 1.2.2. Способы автоматической ориентации вращающейся системы координат
При построении систем векторного управления асинхронными ЭП используются два различных друг от друга подхода, называемые непосредственным и косвенным ориентированием вектора управляющих воздействий по направлению магнитного поля двигателя (непосредственное и косвенное полеориентирование) [5-13].
Непосредственное полеориентирование (Direct Field Oriented Control) заключается в следующем. По результатам обработки текущей информации о переменных доступных прямым измерениям (напряжениях, токах, частоте вращения двигателя) производится оценивание компонент вектора cos синус потокосцеплений ротора в неподвижной системе координат (а,0), через которые затем определяются мгновенные значения cos г и sinr , используемые в преобразовании координат вида (преобразовании Park):
Для вычисления самих элементов вектора Тг в неподвижной системе координат используются уравнения (1.11). На рисунке 1.7 представлена структурная схема вычислителя направляющих вектора. Рисунок 1.7 - Структура непосредственного полеориентирования Косвенное ориентирование по полю (Indirect FOC, Feedforward FOC) производится без обработки информации о мгновенных токах и напряжениях двигателя, путем вычисления оценки фазы вектора потокосцеплений ротора интегрированием суммы электрической частоты вращения и оценки частоты скольжения или сложением электрического угла поворота ротора с интегралом частоты скольжения:
Вычисление частоты вращения и потокосцеплений АД с помощью адаптивного наблюдателя полного порядка
Недостатком этого идентификатора является высокая чувствительность к дрейфу параметров схемы замещения АД, другой большой недостаток алгоритма – МЦС является нейтрально устойчивой, так как два интегратора, не охваченные обратной связью, обуславливают нулевой корень характеристического уравнения кратности два. Стабилизация модели цепи статора, как правило, выполняется охватом интегратора отрицательной обратной связью и введением в нее корректирующего динамического звена, что ограничивает диапазон регулирования частоты вращения ротора (что особенно чувствительно для ЭП в тормозных режимах работы). Для решения проблемы нейтральной устойчивости можно использовать алгоритм АСЗМ, построенный по структуре, описанной в [26], где математическая модель АД записана в координатах состояния ток статора – ЭДС ротора. Для такой структуры идентификатора частоты вращения проблема разомкнутых интеграторов отсутствует, однако появляется проблема идеального дифференцирования, которую так же необходимо решать. Для реализации законов ВУ необходимо иметь информацию об угловом положении ротора и модуле вектора потокосцеплений. Информация эта в явном виде отсутствует в алгоритме с подобной математической моделью. Новые алгоритмические подходы в направлении бездатчикового векторного управления асинхронным ЭП [13].
Кратко просмотрим алгоритмические подходы, которые начинают приобретать популярность, применительно к построению на их базе систем управления ЭП переменного тока. Однако их математическое описание, на взгляд автора диссертации, проработано не в полном объеме, а возможность практической реализаций в серийных изделиях – сомнительна. Поэтому в данной работе на указанные алгоритмы автор ссылаться не будет, и только в этом разделе им будет сделан краткий обзор. Нейронные сети и генетические алгоритмы [29] – отличия этих алгоритмов – сложность и неуниверсальность при переходе ЭП из одного режима в другой, отсутствие аналитических обоснований для применения к существенно нелинейным объектам управления, какими являются любые электрические машины переменного тока. Алгоритмы, основанные на аппарате нечеткой логики [30, 32 и др.] – также отсутствует аналитическое обоснование применимости; зачастую большая доля интуитивности при синтезе законов управления электрической машиной переменного тока.
Алгоритмы с инжекцией различных тестовых воздействий и работой на “паразитных” эффектах электрической машины [28, 32 и др.] – реализация алгоритмов данного типа подразумевает введение в основной спектр напряжения или тока специальных тестовых воздействий для дальнейшего анализа реакции на них электрической машины. Эти воздействия носят высокочастотный характер, например, с частотой шестой и более высоких гармоник. Инжектируя тестовые сигналы с такой высокой частотой, наблюдаются дополнительные потери в электрической машине и силовом преобразователе, что, конечно, ухудшает энергоэффективность электромеханической системы в целом и увеличивает общую мощность силовых элементов ПЧ.
На сегодняшний день наблюдатели типа АСЗМ и НПП находят все большее применение в качестве алгоритмов текущей идентификации параметров, недоступных прямому измерению. По мнению автора, вышеназванные способы идентификации частоты вращения ротора и ориентирующего вектора магнитного потока наиболее просты в реализации, но вместе с тем довольно надежны в работе. Именно эти алгоритмы будут выбраны для дальнейшего построения системы бездатчикового векторного управления асинхронным ЭП. Поэтому далее будет более подробно рассмотрена методика структурного синтеза алгоритмов, показаны их преимущества по сравнению с другими методами, предложены способы устранения недостатков. 1.4.2. Адаптивное управление с идентификацией в бездатчиковых СВУ [13]
Как было оговорено выше, главным и большим недостатком алгоритмов текущей идентификации частоты вращения ротора и опорного вектора магнитного потока ротора, построенных по моделям электромагнитных процессов асинхронной машины, является высокая чувствительность к точности определения параметров, входящих в математическую модель идентификатора. К примеру, не точное определение величины активных сопротивлений приводит к колебаниям координат ЭП, особенно при низких частотах вращения. Не правильное определение эквивалентной индуктивности рассеяния тоже приводит к колебаниям координат ЭП, но уже при высоких частотах вращения АД. Ошибка определения постоянной времени ротора (статора) проявляется в возникновении статической ошибки вычисления скорости. Методика синтеза алгоритма текущей идентификации частоты вращения и вектора потокосцеплений ротора с адаптацией к изменению активного сопротивления статора на основе НПП впервые была предложена в совместных работах японских исследователей H. Kubota и K. Matsuse [23, 25] и в настоящее время активно ими развивается. Однако результаты исследования предложенного алгоритма методом цифрового моделирования показали все его недостатки – неустойчивость алгоритма адаптации при низких частотах вращения, неустойчивость в генераторных режимах; появление статической ошибки вычисления угловой скорости на холостом ходу. 1.5. Выводы по главе
1. Получено математическое описание системы электропривода с АД, которое может быть использовано как для анализа, так и для синтеза систем регулирования электрических машин переменного тока.
2. Приведены типовые структуры систем векторного управления АД, выполнен расчет параметров регуляторов, используемых в дальнейшем для сравнительного анализа с предлагаемыми алгоритмами управления.
3. Установлено, что наиболее перспективными для целого класса применений являются системы бездатчикового векторного управления, позволяющие создавать высокоэффективные системы электропривода, повышенной надежности.
4. На основании обзора литературы выбраны структуры алгоритмов текущей идентификации неизмеряемых координат состояния, являющиеся технически рациональными в бездатчиковых системах регулирования частоты вращения.
Определение параметров двигателя
Электропривод применяется повсеместно, начиная с офисной и бытовой техники, электроинструмента и заканчивая медицинским оборудованием, робототехникой и промышленным технологическим оборудованием. Особенно высокую концентрацию разнообразных электроприводов можно встретить в автомобильном транспорте, где они могут выполнять роли основного привода или исполнительных механизмов систем безопасности (стеклоочистители, антиблокировочная тормозная система) и обеспечения комфорта (стеклоподъемники; управление климатом, люком, дверным замком и положением сидений; электроусилитель рулевого управления и др.). Основой электропривода, предназначенной для преобразования электрической энергии в механическую, является электродвигатель (ЭД). Существует множество типов ЭД переменного и постоянного тока, а также универсальных. Многие из них достаточно просты в регулировании и требуют для этого либо формирования широтно импульсно-модулированного напряжения питания (для двигателя постоянного тока коллекторного типа), либо коммутации обмоток в определенной последовательности (для шагового двигателя). Решение таких задач управления можно достичь даже использованием простых 8-битных микроконтроллеров (МК). Однако, ввиду высокой надежности и эффективности, наибольшее применение находят асинхронные двигатели (АД) и вентильные двигатели (ВД; известны также как синхронные двигатели на постоянных магнитах или PMSM, а также как бесколлекторные двигатели постоянного тока или BLDC). Однако создание на основе таких ЭД высококачественных регулируемых электроприводов связано с реализацией сложных алгоритмов цифрового управления в масштабе реального времени и вводом/выводом сигналов со сравнительно высокими 105 точностью и быстродействием. Задача также может усложняться необходимостью реализации сопутствующих функций защиты, сигнализации, передачи данных, а также управления несколькими ЭД и вспомогательными силовыми каскадами. Более того, в условиях жесткой конкуренции все эти функции необходимо реализовать за минимальную цену. Успешность решения всех этих задач главным образом зависит от контроллера, который должен быть оснащен необходимым набором аппаратных ресурсов, обладать адекватной вычислительной способностью, точностью и быстродействием. Кроме того, немаловажным является доступность всесторонней технической поддержки со стороны производителя. Всем этим требованиям отвечают микроконтроллеры Piccolo компании Texas Instruments [64].
Для испытания предлагаемых структур управления асинхронного электропривода требовалось создание мощного микропроцессорного устройства, которое отвечало требованиям по периферии и производительности. На первом этапе для реализации векторной системы управления планировалось использовать контроллер TMDSHVMTRPFCKIT, разработанный на Texas Instruments. Контроллер содержит микроконтроллер Piccolo F28035 and Delfino F28335 controlCARD фирмы Texas Istrumentsх[48]. Микроконтроллер состоит в семействе С2000 – специализированных микроконтроллеров с функциями “Motor
Control”(управление двигателями). Контроллеры данного семейства содержат большой набор периферийных устройств для управления силовыми преобразователями, а также устройств приема сигналов обратных связей [48, 51].
Ядро микроконтроллера Piccolo F28035 работает на частоте 60 МГц с временем выполнения команды 16.67 нс и имеет достаточный объем встроенной ПЗУ 32 кСлов. Семейство 28хх разрабатывалось под недорогие, мало-потребляющие и высокопроизводительные устройства со специальной периферией для систем управления силовыми элементами преобразователя энергии под реализацию в однопроцессорном исполнении[48].
Фирма Texas Istruments анонсировала новое поколение микроконтроллеров С28х, в которых аккумулировались последние достижения в микропроцессорной технике. Система команд частично совместима с предшествующим поколением 24хх микроконтроллеров, что позволяет использовать уже имеющиеся программные наработки [48-52].
Совместно с технологией RTDX (Realime Data Exchange) разработчик может настраивать свой алгоритм, обновляя параметры и отслеживая выходные результаты, без остановки микроконтроллера [48, 50, 60].
Семейство С28х имеет 8-ми уровневый защищенный конвейер с конвейерным способом доступа к памяти. Конвейерная работа с памятью дает возможность увеличить скорость работы с памятью программ без использования дорогостоящей высокоскоростной памяти и расходования ОЗУ под память программ [48]. В таблице 4.1 представлены характеристики TMS320F28035 микроконтроллеров.
