Разработка системы векторного бездатчикового управления асинхронным двигателем

На правах рукописи

ШЕЛОМКОВА ЛЮБОВЬ ВЯЧЕСЛАВОВНА

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ВЕКТОРНОГО БЕЗДАТЧИКОВОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

Специальность 05.09.03 – электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва, 2008

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированного электропривода» Московского энергетического института (Технического Университета).

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Козаченко Владимир Филиппович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Пречисский Владимир Антонович,

кандидат технических наук

Сарач Михаил Борисович.

Ведущая организация: ФГУП «Научно-производственное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт электромеханики с заводом имени А.Г. Иосифьяна» (НПП ВНИИЭМ), г. Москва

Защита диссертации состоится 27 июня 2008 года в 14 час. 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.13, корп. М.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (Технического Университета).

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим отправлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д.14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан « » _____ 2008г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02

к.т.н., доцент Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время существует тенденция массового перехода от использования приводов постоянного тока к частотно-управляемому приводу переменного тока. Это связано с бурным развитием силовой электроники и микропроцессорной техники и резким снижением стоимости электронных компонент. Данное направление весьма перспективно, благодаря отработанной технологии изготовления машин переменного тока, их невысокой стоимости, меньшим массогабаритным показателям, по сравнению с двигателями постоянного тока (ДПТ), отсутствию щеточного узла, экономичности, возможности эксплуатации во взрывоопасных средах и пр.

Для большинства (более 80%) промышленных применений частотно-регулируемого асинхронного электропривода (ЭП), в частности, для регулирования скорости насосов и вентиляторов в диапазоне до 10:1, вполне достаточным является применение классической системы скалярного управления. Для станочных и робототехнических применений (10% рынка), где требуемый диапазон регулирования скорости может достигать 10 000:1 и выше, применяются исключительно системы векторного датчикового управления, в основном с ориентацией по потокосцеплению ротора. При этом, например, в сервоприводах станков, используются специальные конструкции асинхронных двигателей (АД) со встроенными датчиками положения высокого разрешения – инкрементальными, резольверами, абсолютными кодовыми и т.п. Относительно небольшой (менее 10%), но исключительно важный и постоянно расширяющийся сектор применения частотно-регулируемого привода, требует применения более сложных систем векторного бездатчикового управления (СВБУ) АД. Прежде всего - это атомная энергетика, в частности, перегрузочные роботы, где необходим более высокий (до 50:1) диапазон регулирования скорости и по условиям технологии исключается возможность установки датчика положения на вал ротора двигателя. К подобным системам управления (СУ) предъявляются также повышенные требования по диапазону регулирования электромагнитного момента - до 10:1.

Большинство ведущих мировых производителей преобразователей частоты (ПЧ) для управления АД Siemens, ABB, Schneider Electric, Hitachi, Danhfos и др. поддерживают в своих изделиях все три современные структуры управления АД: скалярного, векторного датчикового и векторного бездатчикового. Причем, для последней структуры указывается диапазон регулирования скорости до 50:1. Опыт промышленной эксплуатации таких ЭП в России, а также специально проведенные на кафедре АЭП МЭИ исследования показывают, что в зоне низких скоростей в СВБУ часто возникают колебания скорости, устранить которые настройками привода не удается и реальный диапазон регулирования скорости заметно ниже. Один из вариантов решения этой актуальной проблемы рассмотрен в рамках данной диссертации.

Исследованиям систем датчикового векторного управления АД посвящено множество работ (Ключев В.И., Сандлер А.С., Поздеев А.Д., Онищенко Г.Б., Чуев П.В., Резвин С.Б. и др.). Эти исследования и за рубежом и в России уже доведены до промышленных серий ПЧ. В области бездатчикового векторного управления АД положение значительно сложнее: продолжаются активные теоретические исследования по выбору оптимальной структуры наблюдателей, нечувствительных к изменению параметров двигателей и нагрузки (Пенг Ф.З., Фукао Т., Шаудер C., Парк C.–В., Квон В.–Х., Лаббате М., Петрела Р., Турсини М., Райсон Б., Салваторе Л., Стаси С., Купертино Ф., Чирикоззи Э., Ким С.-М., Хан В.-Е., Ким С.-Дж.), обеспечению гарантированной устойчивости привода при низких скоростях. Например, в России подобные исследования ведутся фирмами НПП ВНИИЭМ (г. Москва), «Инвертор» (г. Истра), «АСК» (г. Екатеринбург), «Вектор» (г. Иваново), «НПФ Вектор» (г. Москва), а также рядом университетов. Эти исследования пока находятся на стадии создания опытно-промышленных образцов ПЧ.

Таким образом, создание СВБУ с диапазоном регулирования 50:1 для внедрения в серийные ПЧ является насущной и актуальной проблемой.

Цель диссертационной работы. Математическое, алгоритмическое обоснование и разработка системы векторного бездатчикового управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым (КЗ) ротором.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:

1. Проанализированы существующие структуры бездатчиковых СУ и синтезирован наблюдатель для построения СВБУ;
2. Предложена комбинированная бездатчиковая СУ, с переключаемой структурой, обеспечивающая диапазон регулирования скорости до 50:1;
3. Выполнено исследование чувствительности комбинированной бездатчиковой СУ АД к изменению параметров АД;
4. Создан экспериментальный стенд, на котором исследованы статические и динамические характеристики предложенной СУ;
5. Разработанное модульное алгоритмическое и программное обеспечение поддержки СВБУ включено в библиотеку базовых алгоритмов для отечественных ПЧ «Универсал» и «Конвир».

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались:

• теория ЭП и цифрового управления;
• методы компьютерного моделирования (Simulink MatLab);
• методы интерактивной отладки микропроцессорных СУ с использованием среды разработки Code Composer Studio.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждена тщательными экспериментальными исследованиями на модели и макете ЭП с синтезированной структурой СУ, использованием предлагаемых методик при проектировании отечественных ПЧ «Универсал», а также специализированных ПЧ для атомной промышленности.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе анализа существующих структур систем бездатчикового управления была разработана оригинальная структура наблюдателя: наблюдатель на основе скользящего режима, который отличается наличием релейного элемента, реального дифференцирующего звена и синусно-косинусного наблюдателя Калмана для фильтрации составляющих сигналов потокосцепления ротора.
2. Для обеспечения общего диапазона регулирования скорости 50:1 предложена СУ АД с переключаемой структурой: в зоне низких скоростей работает система скалярного частотно-токового управления, а начиная с частоты 4-5 Гц – СВБУ.
3. Разработана оригинальная модель системы ПЧ-АД в среде MatLab, позволяющая производить синтез регуляторов СВБУ и коэффициентов наблюдателя.
4. Получены допустимые значения отклонений параметров схемы замещения АД с КЗ ротором, при которых созданная комбинированная СВБУ работоспособна.

Основные практические результаты диссертации заключаются в использовании предложенной структуры бездатчиковой СУ и разработанного модульного программного обеспечения (ПО) при проектировании отечественных ПЧ «Универсал» и «Конвир», а также специализированных ПЧ для атомной промышленности.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на:

- XII ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" в 2006 г. (г. Москва);

- XIV ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" в 2008 г. (г. Москва);

- заседании кафедры «Автоматизированного электропривода» Московского энергетического института (Технического Университета).

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в четырех статьях.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников. Работа изложена на 175 страницах машинописного текста, содержит 133 рисунка, 26 таблиц. Библиография работы состоит из 48 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель работы, приведено краткое содержание выполненных исследований и отражены основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе изложено состояние вопроса, дано обоснование решаемой научной задачи. Рассмотрены основные типы датчиковых систем векторного (с поддержанием потокосцепления статора, потокосцепления намагничивания и потокосцепления ротора) и скалярного управления, которые известны и рассмотрены в работах Шрейнера Р.Т., Поздеева А.Д., Осипова О.И., Бродовского В.Н., Иванова Е.С., Чуева П.В. и др. Доказана возможность создания СВБУ АД на основе структуры датчикового векторного управления с ориентацией по потокосцеплению ротора с заменой датчика положения ротора и модели ротора соответствующими наблюдателями.

Дан обзор существующих и перспективных систем бездатчикового управления. Выявлено, что большинство систем построено на базе цифровых наблюдателей, которые можно сгруппировать по трем основным типам: наблюдатель на основе адаптивной модели, наблюдатель (фильтр) Калмана и наблюдатель на основе скользящего режима.

Вторая глава посвящена обоснованию структуры СВБУ АД.

Рассмотрен переход от физических величин к относительным. Выбрана система базовых величин, максимально удобная для цифровой реализации на сигнальных процессорах типа Motor Control с поддержкой вычислений с фиксированной точкой с помощью библиотеки IQmath.

Разработана математическая модель асинхронного ЭП с СВБУ и различными типами наблюдателей. Проведено сравнение наблюдателей на основе адаптивной модели, фильтра Калмана и на основе скользящего режима по критериям максимальной простоты реализации наблюдателя, максимальной робастности и минимальных затрат ресурсов процессора. В качестве базового для реализации СВБУ выбран наблюдатель, работающий в скользящем режиме.

Произведен синтез оптимальной структуры наблюдателя данного типа. Первоначальная структура наблюдателя содержала только релейный элемент, на выходе которого - ЭДС, которая представляет собой сигнал с высокой частотой релейного переключения. Для сглаживания сигнала ЭДС во втором типе наблюдателя был предложен инерционный фильтр, но он содержит фазовую задержку. Проанализирована возможность использования специальных цифровых фильтров n–го порядка с малым фазовым запаздыванием. Показано, что при этом требования к вычислительным ресурсам процессора заметно возрастает. Предложенная структура наблюдателя на рис. 1 с дополнительной обратной связью с выхода инерционного фильтра позволяет одновременно решать две задачи: значительно уменьшить фазовую задержку сигнала оценки ЭДС; выделить, кроме ЭДС, промежуточный сигнал потокосцепления ротора, необходимый для реализации СВБУ АД. Такая связь эквивалентна применению реального дифференцирующего звена Tp/(Tp+1). Показано, что, выделив компоненты потокосцепления ротора по осям и , можно для их фильтрации и получения угла потокосцепления ротора и электрической скорости поля применить известный синусно-косинусный фильтр Калмана, не имеющий фазовых задержек за счет бесконечной полосы пропускания. В работе предложена технология настройки коэффициентов фильтра Калмана, алгоритмическая и программная его реализация, обеспечивающая качественное выделение первой гармоники потокосцепления ротора из зашумленного сигнала. На основе оценок величин и в работе синтезирован дополнительный наблюдатель скорости ротора и предложена структура СВБУ АД. Наблюдатель по рис. 1 впервые был предложен Дроздовым А.В. для синхронных и индукторных машин, затем распространен для использования в вентильно-индукторных приводах. Проводились совместные исследования с участием автора по оптимизации данного наблюдателя для использования в асинхронных ЭП.

Рис. 1

Запишем уравнения тока АД по оси в пространстве состояний, - уравнения объекта наблюдения:

, (1)

где , , , , (2)

Особенностью такой записи является наличие составляющей E(t). В данном случае, при выбранных параметрах A и B получим, что

. (3)

Из структурной схемы наблюдателя, рис. 1, видно, что разность токов (измеренного и вычисленного по модели двигателя) подается на вход релейного элемента. Особенностью релейного режима является то, что наблюдатель стремится свести ошибку в оценке тока к нулю.

Обозначим ошибку в оценке тока как:

, (4)

Уравнение наблюдателя с учетом оценки потокосцепления ротора имеет следующий вид:

(5)

Переменные с символом ~ являются оценками соответствующих величин.

Качество работы наблюдателя определяется коэффициентом усиления релейного элемента К, структурой и параметрами фильтра.

Достоинством наблюдателя на основе скользящего режима является его простота. Для настройки необходимо знание нескольких параметров АД, которые могут быть определены или идентифицированы специальными методами. Кроме того, за счет нечувствительности наблюдателя к изменению большинства параметров АД система обладает хорошей устойчивостью.

Для каждого вида наблюдателей на основе скользящего режима проводилась оценка устойчивости по методу Ляпунова.

СВБУ не способна работать в зоне низких скоростей, так как в основе наблюдателя на основе скользящего режима заложено восстановление ЭДС, которая при низких скоростях мала. Было выявлено, что диапазон регулирования скорости в такой системе составляет 10:1, что не соответствует техническому заданию. Поэтому было принято решение использовать на околонулевых скоростях скалярное частотно-токовое управление. Известно, что жесткость механической характеристики (МХ) при таком типе управления на порядок выше, но перегрузочная способность мала, поэтому будем использовать этот режим только в нижнем диапазоне скоростей. Расчетным путем было доказано, что в комбинированной СУ при использовании частотно-токового управления на малых скоростях возможно обеспечение общего требуемого диапазона регулирования скорости 50:1.

Для корректных переходов с одного типа управления на другой разработан соответствующий алгоритм переключения (Рис. 2):

• пуск системы производится при частотно-токовом управлении;
• при повышении частоты вращения переключение с частотно-токового управления на СВБУ производится при f2=7 Гц;
• при понижении частоты вращения переключение с СВБУ на частотно-токовое управление производится при f1=4 Гц.

Рис. 2

Итоговая структура комбинированной бездатчиковой (БД) СУ АД представлена на рис. 3:

Рис. 3

Здесь ЗИ – задатчик интенсивности, РС – регулятор скорости, РТ – регулятор тока, БКП – блок координатных преобразований.

В третьей главе производится экспериментальное исследование влияния неточностей при восстановлении параметров АД на работоспособность разработанной СВБУ в среде Simulink MatLab.

Показано, что параметры наблюдателя потокосцепления ротора зависят исключительно от параметров статорной цепи АД ( ), а параметры наблюдателя скорости существенным образом зависят от сопротивления ротора АД .

Экспериментальные исследования проводились с заданным моментом инерции, равным двойному моменту инерции испытуемого двигателя и моментом сопротивления, равным номинальному моменту АД.

Для проведения эксперимента была проанализирована серия АД 4А и были выбраны два двигателя (с самой малой номинальной мощностью 4АА56В2У3 Рн=0,25 кВт и с наибольшей 4А315S2У3 Рн=160 кВт в представленном ряду). Отклонения каждого из параметров задавались в положительном и отрицательном направлении относительно номинального значения. Проводились пуски АД до тех пор, пока система оставалась работоспособной. В качестве критериев для определения работоспособности системы были предложены следующие:

• АД пускается на заданную скорость;
• АД реверсируется;
• На рабочем участке скорость находится в 15 % коридоре от заданного значения значения.

При анализе чувствительности бездатчиковой СУ к изменению параметров схемы замещения АД с КЗ ротором было получено, что:

1. Для двигателя малой мощности (0,25 кВт): допустимая ошибка идентификации индуктивности цепи статора составляет + 30%...-200%, допустимая ошибка идентификации сопротивления статора +40%... -20%;

2. Для двигателя большой мощности (160 кВт): допустимая ошибка при идентификации индуктивности цепи статора составляет + 35% … -110%, допустимая ошибка идентификации сопротивления статора +450% … -95%;
3. Бездатчиковая СУ более чувствительна к уменьшению параметров, чем к их увеличению;

4. Допустимая ошибка идентификации сопротивления цепи ротора составляет +/-60% от номинального значения.
5. При идентификации всех параметров машины с точностью +/-20% гарантируется устойчивость сознанной БД СУ АД.

В четвертой главе приведено алгоритмическое описание ПО разработанной СВБУ.