Исследование бездатчикового определения углового положения ротора синхронного двигателя с помощью наложения высокой частоты

УДК 621.771.3 Басков С.Н., Лицин К.В.

Схема исследования углового положения ротора синхронного двигателя

Исследование бездатчикового определения углового положения ротора синхронного двигателя с помощью наложения высокой частоты

В статье рассматривается метод бездатчикового определения углового положения ротора синхронного двигателя с помощью наложения высокочастотного сигнала. Приведена схема лабораторного стенда для проведения эксперимента. Осуществлен вывод формулы для расчета углового положения ротора синхронного двигателя. Представлены выводы, позволяющие заключить о снижении стоимости и размеров системы определения углового положения и увеличении ее надежности.

Ключевые слова: бездатчиковый контроль, высокочастотная инжекция сигнала, синхронный двигатель.

Для того чтобы оптимально контролировать в таблице. синхронный двигатель, должно быть известно положение и (или) скорость вала. Положение и скорость вала обычно определяют с помощью датчика положения [1].

В настоящее время просматривается тенденция к отказу от использования датчиков механических величин (Sensorless Control) и восстановления вектора состояния системы с помощью различных оценивающих моделей [2,3]. Это приведет к таким преимуществам, как повышение надежности системы электропривода; снижение стоимости привода; улучшение массогабаритных показателей; отсутствие датчиков определения механических величин позволит избежать помехи.

Существует достаточно большое число способов определения положения ротора без использования механического датчика, каждый из них имеет свои преимущества, недостатки и ограничения [4-8].

Главный недостаток большинства этих способов - это проблема определения положения ротора синхронного двигателя при нулевых и низких скоростях.

Метод с использованием высокочастотной ин-жекции сигналов может оценивать положение ротора при нулевой и низкой скорости [3]. Принцип этого способа заключается в том, что высокочастотный ток или напряжение накладывается на сигнал возбуждения двигателя. В результате сигнал высокой частоты возбуждает напряжение или ток, которые содержат информацию о положении ротора. Используя подходящие методы обработки сигналов, можно оценить положение ротора.

Целью данной статьи является описание метода, позволяющего определить угловое положение ротора синхронного двигателя с помощью метода высокочастотной инжекции.

Схема лабораторного стенда представлена на рисунке.

Схема исследования углового положения ротора включает в себя:

- источник тока DC Power Supply HY 3003-2;

- генератор сигналов ГЗ-112/1;

- две емкости по 20 мкФ;

- два дросселя по 0,1 Гн;

- синхронная машина ГАБ-1-Т/230.

Параметры синхронного двигателя приведены

Параметр Значение

Номинальное напряжение, В 220

Номинальная частота, Гц 50

Синхронная частота вращения ротора, об/мин 3000

Номинальная мощность в режиме генератора, кВт 0,75

Номинальный ток статора, А 3,0

Номинальный коэффициент мощности 0,8

Номинальная мощность в режиме двигателя, кВт 0,7

Номинальный КПД 0,78

Номинальный ток возбуждения, А 2,0

Максимальный ток возбуждения, А 6,0

Сигнал возбуждения, имеющий частоту в 1000 Гц, проходит через емкость и накладывается на сигнал, вырабатываемый источником тока, который имеет значение в 2 А. Значения фазных напряжений, снимаемых с двигателя, через АЦП поступают в компьютер для последующей обработки.

Для определения формулы расчета углового положения ротора рассмотрим систему уравнений синхронного двигателя при заданных начальных условиях: статор синхронного двигателя еще не подключен к трехфазной сети переменного тока, фазные токи в обмотках статора равны нулю.

По формуле преобразования координат известно:

3

(

Ua = _ a 2

U cos(y) + ub cosf у - — I +

3

f 2k + uc cosl у н——

где ua, ub, uc - мгновенные значения фазных напря-

жении; uq - напряжение якоря по оси q.

Учитывая, что статор не подключен к сети, ia=0, ib=0, ic=0 и ротор неподвижен, то or=0. Таким образом, получим

3 Г Г 2л]

иа cos(y) + иъ cosí у—— 1 +

2

+ и cosí у +

2л 3

Л

= 0.

V

Так как трехфазная система симметричная, то можно принять, что

Uc = (Ua + Ub) •

Подставив выражение (3) в (2), имеем:

U cos(y) + u cos

2л

- (ua + иъ) •cos у + — | =

2л

—

Сгруппировав выражение (4) и применив формулы сложения косинусов, получим:

U cos(y) - u cos

+ u cos

A 2л

У

V

3

2л 1

у+TJ+

2л . „ у+Т1=0;

f

- 2 • и sin

у + у + -2

2л 1 Г

sin

У

у-у

2л 1

V

С 2л 2л 1

у---+ у +

- 2ufe sin

3

3

2

X sin

2л

2л 1

V3 2

• иа sin

= 0;

' л] S • , х п

y^J^—иъ sin(y)=0;

у+л]+иъ sin(y)=0;

y+f^J = -ub sin(y);

л

siní у + -

sin

и„

Применив к выражению (5) формулу синусов суммы:

л

sin(y)cos — | + cos(y)sin

_V3

л

V 3

sin^)

Учтем, что sin(y) ^ 0, тогда

л

л

cosí ^ у+ctg( у)п. ^ J=- и:;

0,5 + ctg у)^3 =-;

2 и„

2

с ил

- 0,5 -

ctg у) =

V

и

а У

V3

В выражении (7) используем формулу приведения ctg^) = tg( л /2 - у), в результате

2 •

( иЛ - 0,5 - U

V

и

а У

V3

Решая уравнение (8), получим:

^ и М

- 0,5 —ъ

л

--у = arctg

2 •

V

и

а У

л/3

г г

2 • - 0,5--

л

у = - - arctg

га У

л/3

V

У

Список литературы

1. Басков С.Н., Лицин К.В. Принцип векторно-импульсного управления электродвигателями переменного тока // Вестник Южно-Уральского Государственного Университета «Энергетика». 2013. Т.13. №1. С. 92-95.

2. Исследование положения вектора потокосцепле-ния ротора при векторно-импульсном пуске / С.Н. Басков, К.В. Лицин К.В., А.С. Коньков, Т.В. Черкас //Вестник Южно-Уральского Государственного Университета «Энергетика». 2012. Вып.18. №37(296). С. 68-72.

3. Басков С.Н., Лицин К.В. Высокочастотная инжек-ция сигналов при бездатчиковом методе определения углового положения ротора // Электронный журнал «Маши-

3

и

ъ

и

ъ

и

а

3

- и, •cos

3

3

2

X

ъ

3

3

2

иа sin

ностроенне». 2013. №1. G 28-34. URL: http://indust-engineering.ru/

4. O. Goksu. Shaft transducerless vector control of the interior permanent magnet motor with speed and position estimation using high frequency signal injection and flux observer methods," Master's thesis, The Graduate School of Natural and Applied Sciences of Middle East Technical University, May 2008.

5.Persson Jan. Innovative standstill position detection combined with sensorless control of synchronous motors. Lausanne, Switzerland.: École polytechnique fédérale de Lau-

sanne (EPFL), 2005.

6. Busca Cristian. Open loop low speed control for PMSM in high dynamic application. Aalborg, Denmark.: Aalborg universitet, 2010.

7. Vas Peter. Sensorless vector and direct torque control. Oxford, UK.: Oxford University Press, 1998.

8. Sun Don, He Yikang, Zhi Dawex. Direct torque control of synchronous motor with permanent magnets based on fuzzy logic // Trans. China Electrotech. Soc, 2003, № 1, p. 3338.

Information in English

Sensorless Control of Rotor Angular Position in Synchronous Motor by Overlaying Highfrequency Signal

Baskov S.N., Litsin K.V.

The article describes a method for sensorless determining of rotor angular position in a synchronous motor by means of superimposing a high frequency signal. The scheme of the laboratory bench for the experiment is described. A formula for rotor angular position calculation of a synchronous motor was developed. it was concluded that the developed method makes it possible to reduce the cost and the size of the system for determining the angular position and increase its reliability.

Keywords: sensorless control, high frequency injection, synchronous machine.

References

1. Baskov S.N., Litsin K.V., Princip vectorno-impulsnogo upravleniya electrodvigatelyami peremennogo toka [Vector-pulse principle to control AC motors]. Vestnik YuURGU. Seriya energetika [Bulletin of South-Ural state university. Power engineering]. 2013, vol. 13, no. 1, pp. 9295.

2. Baskov S.N., Konkov A.S., Cherkas T.V., Litsin K.V. Issledovanie polozhenija vektora potokosceplenija rotora pri vektorno-impul'snom puske [Study of rotor flux linkage vector in vector-pulse start]. Vestnik YuURGU. Seriya energetika [Bulletin of South-Ural state university. Power engineering]. 2012, vol. 18, no.37, pp. 68-72.

3. Baskov S.N., Litsin K.V. Vysokochastotnaja

inzhekcija signalov pri bezdatchikovom metode opredelenija uglovogo polozhenija rotora [ High-frequency signal injection in sensorless method for determining the angular position of the rotor]. Elektronnii zhurnal «Mashinostroenie» [Electronic Journal «Engineering»]. 2013, no.1, pp.28-34 (available at: http://www.indust-engineering.ru/issues/2013/2013-1.pdf).

4. O. Goksu. Shaft transducerless vector control of the interior permanent magnet motor with speed and position estimation using high frequency signal injection and flux observer methods," Master's thesis, The Graduate School of Natural and Applied Sciences of Middle East Technical University, May 2008.

5.Persson Jan. Innovative standstill position detection combined with sensorless control of synchronous motors. Lausanne, Switzerland.: École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), 2005.

6. Busca Cristian. Open loop low speed control for PMSM in high dynamic application. Aalborg, Denmark.: Aalborg universitet, 2010.

7. Vas Peter. Sensorless vector and direct torque control. Oxford, UK.: Oxford University Press, 1998.

8. Sun Don, He Yikang, Zhi Dawex. Direct torque control of synchronous motor with permanent magnets based on fuzzy logic // Trans. China Electrotech. Soc, 2003, № 1, p. 3338.

УДК: 621:83

Омельченко Е.Я., Фомин Н.В., Тележкин О.А., Танич В.О., Лымарь А.Б.

Устройство контроля переменных трехфазной сети

на базе микропроцессорного комплекта Arduino

Разработано микропроцессорное устройство контроля переменных трехфазной сети. По текущей информации от датчиков тока и напряжения выполняется расчет мгновенных значений несимметрии и модулей тока и напряжения, активной и реактивной мощности, коэффициента активной мощности. В среде Matlab Simulink разработана дискретная модель микропроцессорного устройства для анализа точности выполняемых расчетов. Устройство реализовано на плате Arduino Due. Результаты разработки можно применить для оценки качества работы трехфазной нагрузки, например асинхронного двигателя.

Ключевые слова: датчики напряжения и тока, микропроцессор, активная, реактивная мощность, Arduino, измерение, алгоритм, дискрета.