Многомодульное усилительно-преобразовательное устройство электропривода постоянного тока

МНОГОМОДУЛЬНОЕ УСИЛИТЕЛЬНО - ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА

В.А. Толмачев, М.В. Никитина, А.Н. Огородников

Даются рекомендации по выбору параметров М-модульного усилительно-преобразовательного устройства замкнутой системы регулирования скорости ДПТ и построению его на современной элементной базе.

При проектировании систем управления быстродействующих электроприводов с широким диапазоном регулирования скорости на основе высоковольтных малоинерционных двигателей постоянного тока с малой индуктивностью якоря возникает проблема построения усилительно-преобразовательных устройств (УПУ), обладающих высоким КПД и обеспечивающих полосу пропускания частот до 300-400 Гц. Построение таких УПУ на основе традиционных транзисторных широтно-импульсных преобразователей (ШИП) в ряде случаев не позволяет получить требуемых результатов из-за ограниченной на уровне 2-3 кГц частот коммутации силовых транзисторных ключей ШИП Эти относительно низкие частоты ограничивают, с одной стороны, предельно достижимые динамические характеристики систем электропривода, и с другой - обусловливают повышенные пульсации тока якоря ДПТ, приводящие к дополнительным потерям мощности в двигателе и к существенным пульсациям скорости вращения вала двигателя.

Повышение динамических показателей электропривода и снижение уровня пульсаций при заданной ограниченной частоте коммутации силовых транзисторных ключей ШИП возможно при использовании в системе управления многомодульного УПУ на основе идентичных транзисторных ШИП с многофазным принципом их синхронизации [1]. Один из вариантов построения энергетической подсистемы электропривода с N модульным УПУ на основе реверсивных транзисторных ШИП представлен на рис. 1, где каждый ШИП подключен к якорю двигателя с индуктивностью Ья и активным сопротивлением Яя через развязывающий дроссель с индуктивностью Ь и омическим сопротивлением г.

%п I

%1 1

Рис. 1. Структурная схема Ы-модульного УПУ на основе ШИП

Выходное напряжение ип каждого п-го ШИП УПУ представляет собой последовательность импульсов с периодом следования Тк, амплитудой Еп и относительной длительностью уп и полярностью, зависящими соответственно от величины и полярности сигнала управления иуп.

С позиции теории управления многофазные системы с ШИП относятся к многосвязным и нелинейным импульсным системам, регулярных методов анализа и синтеза которых не существует. Наиболее перспективным и практически применимым на современном этапе является двухэтапный подход, при котором предварительный синтез осуществляется с использованием приближенных непрерывных моделей (линейных или нелинейных), а окончательный анализ с уточнением результатов предварительного синтеза проводится на ПЭВМ с использованием имитационных моделей, достаточно точно отражающих как электромагнитные процессы в системе «ШИП-нагрузка», так и дискретный характер сигналов в информационной подсистеме. Реализация такого подхода возможна на основе математического описания электромагнитных процессов в силовой цепи электропривода, приведенного в работе [1], и представленной на рис. 2 структурной схемы линейной модели, составленной относительно усредненных гладких составляющих координат электропривода [2], где Куср=1/(г+#-^я), тусз=(£+#-£я)/(г+#-^я), Кшип - коэффициент передачи ШИП как линейного непрерывного звена.

Рис. 2. Структурная схема линейной модели энергетической подсистемы

Рис. 3. Структурная схема двухконтурной системы регулирования скорости

ДПТ с Ы-модульным УПУ

В данной работе излагается методика выбора параметров ^модульного усилительно-преобразовательного устройства для двухконтурной системы регулирования скорости ДПТ со структурной схемой, представленной на рис. 3, из условия обеспечения заданных предельных динамических качеств системы, и предлагается один из вариантов построения его энергетической и информационной подсистем на современной элементной базе.Вопросам синтеза двухконтурных систем регулирования скорости с цифровыми регуляторами тока якоря (РТ) и скорости (РС) посвящено достаточно много работ. Например, в статье [3] предложена методика параметрического синтеза из условия обеспечения предельного быстродействия при заданных параметрах энергетической подсистемы (ШИП и ДПТ). При этом полагается, что микроконтроллер, специализированный для задач управления электроприводами, осуществляет модуляцию выходных импульсов ШИП по закону ШИМ1 [4] и задан период коммутации силовых ключей ШИП Тк. Синтез состоит в выборе параметров цифровых регуляторов из условия настройки внешнего контура регулирования скорости на симметричный оптимум. Предельное быстродействие синтезированной системы, как и величина динамического выброса скорости при реакции системы на скачкообразные возмущения по нагрузке, пропорциональны реализуемой постоянной времени контура регулирования тока Тт=Тк и определяются в конечном итоге периодом коммутации силовых ключей ШИП

Как показано в работах [5, 6] и др., в системах управления с ^-модульными УПУ на основе транзисторных ШИП с многофазным принципом их синхронизации эквивалентная постоянная времени контура регулирования тока может быть снижена до величины Тт=Тк/Ж

Изложенная ниже методика синтеза содержит выбор числа модулей N УПУ из условия обеспечения требуемого предельного быстродействия электропривода при заданной частоте коммутации собственно силовых ключей ШИП каналов, расчет индук-тивностей Ь разделительных дросселей каналов из условия обеспечения заданного максимально допустимого размаха пульсаций тока якоря ДПТ при выбранном числе каналов N и расчет параметров цифровых регуляторов тока якоря и скорости при уже известных N и Ь.

При питании всех ШИП УПУ от одного общего источника с использованием приведенной на рис. 2 линейной модели энергетической подсистемы эквивалентная схема контура регулирования тока якоря может быть представлена в виде, показанном на рис. 4, где РТ - цифровой ПИ-регулятор тока с выходным сигналом Цпи(/), формируемым в дискретные моменты времени 1=1/Т0.

Рис. 4. Расчетная модель контура регулирования тока якоря

Структурно регулятор содержит пропорциональный (П) и интегральный (И) каналы и формирует сигнал управления на входах всех ШИП в соответствии с алгоритмом ипи(0=ип(0+Ци(0, ип(0=Кпт-в(0, ии(0=ии(7-1)+^иг-е(7-1),

где е(/), Кпт, Кит, Ц*п(/), ии(0 - соответственно ошибка на входе регулятора тока, коэффициенты передачи П- и И-каналов и их сигналы, вычисленные в дискретные момент времени I. Тогда при выборе коэффициентов передачи пропорционального Кпт и интегрального Кит каналов на основании соотношений

Кпт=(1-е-^°/^т)/[#-КуСр-Кдт-КШип-(1-е-Го/гуср)],

Кит=

замкнутый контур регулирования тока якоря можно представить апериодическим звеном первого порядка с коэффициентом передачи 1/Кдт и постоянной времени Гт. При такой замене расчет параметров цифрового ПИ-регулятора внешнего контура можно осуществить по методике, изложенной в работе [4].

Выбор количества модулей N и индуктивностей Ь разделительных дросселей каналов должен обеспечить как заданные предельные динамические характеристики проектируемой системы электропривода, так и требуемые допустимые амплитуды пульсаций токов нагрузки и дросселей каналов при заданных параметрах двигателя и частоте/к (периоде Тк=1//к) коммутации силовых ключей ШИП каналов.

При настройке внешнего контура регулирования скорости на «симметричный оптимум» минимальное время отработки скачкообразных задающих и возмущающих воздействий также как и величина максимального динамического выброса скорости при скачкообразном изменении момента нагрузки, пропорциональны значениям некомпенсированной постоянной времени Гц, складывающейся из эквивалентной постоянной контура регулирования тока якоря Тт и времени запаздывания Гзап, обусловленного цифровой системой обработки сигнала тахогенератора, т. е.

Г =2-Г+Г

1 ц ^ 1т ' 1 зап-

Учитывая, что ^*=12Тц (при настройке на симметричный оптимум) и принимая Тт=Тк^ и Гзап=Т0/2=Тк/2Ж, можно сформулировать условие для выбора числа модулей N УПУ при заданном периоде коммутации силовых ключей Тк и требуемом времени отработки возмущений ^ в виде

N>30-^*.

Далее при выбранном числе модулей УПУ следует осуществить расчет индуктив-ностей разделительных дросселей каналов из условия обеспечения допустимого уровня пульсаций тока якоря и каналов в квазиустановившемся режиме работы привода.

Анализу квазиустановившегося режима работы источника тока с ^модульным УПУ, построенным на основе идентичных реверсивных транзисторных ШИП, при многофазном принципе синхронизации работы последних посвящена работа [7]. Приведенные там результаты могут быть адаптированы и к расчету параметров пульсаций токов якоря и разделительных дросселей каналов в системе «многомодульный УПУ-ДПТ».

Максимальное значение размаха пульсаций тока якоря 2А/я.макс связано с параметрами силовой цепи привода соотношением [7]

Хмакс ^к я" 1-е- Шв

-х-

^я 1-е

где X макс 2*А/я.макс"(г+Кя)/Е - максимальное значение коэффициента пульсаций и Р=туср/Тк - относительная постоянная времени. Приравнивая х(н)макс=Хдоп и разрешая последнее выражение относительно в, получим зависимость Р(ХдопД) в виде

Р = -1-Г 1п г + Кя + Хдоп

2 N

V ' + Кя - Хдоп

Зная заданное значение допустимого коэффициента пульсаций тока якоря хдоп, из выражения (2) можно найти требуемое значение относительной постоянной времени в и далее значение индуктивности дросселя канала как

Ь=в-Тк-

Функциональная схема 3-х модульного УПУ с системой управления, обеспечивающего в двухконтурной системе регулирования скорости малоинерционного двигателя с гладким якорем ПГТ-4 амплитуду пульсаций тока якоря <1 А и время t*<4 мс при частоте коммутации силовых ключей 2 кГц, представлена на рис. 5.

В состав системы входят микроконтроллер (МК), ШИМ-генератор (ШИМ), устройство управления силовыми ключами (УУСК) и выходной каскад (ВК). Микроконтроллер ADSP 21992 [8] программно реализует ПИ-регуляторы тока якоря и скорости ДПТ. Выходной сигнал идт датчика тока ДТ поступает на вход встроенного в МК 14-битного АЦП. Масштабированный сигнал итг от тахогенератора поступает на 16-битный АЦП (AD7694). АЦП соединен с контроллером через SPI интерфейс. От внешнего устройства в контроллер поступает задание скорости в виде цифрового кода. Контроллер обменивается информацией с внешним устройством управления с помощью интерфейса CAN. Приемопередатчик данного интерфейса реализован на микросхеме PCA82C251 фирмы Philips.

=220В

МК ШИМ УУСК

JL 11

Ит,

к

якорю

u

u

Рис. 5. Функциональная схема системы управления с трехмодульным УПУ

После вычисления сигнал управления поступает от микроконтроллера на вход ШИМ-генератора, построенного на основе микросхемы программируемой логики (ПЛ) ЕР1К10 [9]. Последняя формирует трехканальный широтно-модулированный сигнал (закон ШИМ1) со сдвигом фаз между каналами 120°, необходимым для управления силовыми ключами трехмодульного выходного каскада. Для связи микроконтроллера и микросхемы ПЛ используется параллельный интерфейс.

С выхода ШИМ-генератора сигналы ТТЬ-уровня поступают на входы устройства управления силовыми ключами (УУСК) Последнее выполняет одновременно функции

гальванической развязки входных и выходных цепей, защиты силовых транзисторов выходного каскада от перегрузок по току и формирования задержек на включение транзисторов каждой из стоек выходного каскада для предотвращения токов сквозного короткого замыкания. УУСК построено на базе шести специализированных микросхем драйверов IR2108 [10]. Питание всех драйверов осуществляется от внешнего стабилизированного источника питания с напряжением +15 В.

Выходной каскад состоит из трех идентичных модулей (М1-М3), каждый из которых собран на четырех (УТ1-УТ4) IGBT-транзисторах IRG4PSC71KD [10] со встроенными обратными диодами (VD1-VD4) по типовой мостовой схеме. В выходную диагональ каждого модуля включен разделительный дроссель с индуктивностью L. Последовательно с якорем включено устройство измерения тока якоря (ДТ), собранное на базе специализированной микросхемы IR2175 [11]. Питание всех модулей выходного каскада осуществляется от одного внешнего силового источника питания постоянного тока с напряжением 220 В.

Заключение

1. Разработанная методика синтеза двухконтурных систем регулирования скорости ДПТ предполагает: выбор числа модулей УПУ N из условия обеспечения заданных предельных динамических характеристик; расчет индуктивностей разделительных дросселей каналов УПУ из условия обеспечения допустимого уровня пульсаций тока якоря при расчетном значении N и заданной частоте коммутации силовых ключей ШИП каналов; расчет параметров цифровых регуляторов контуров из условия реализации заданных динамических характеристик привода при выбранных параметрах энергетической подсистемы. Правомерность методики подтверждена результатами математического моделирования.

2. Полученные результаты закладывают основу для использования принципа агрегатирования при создании УПУ для систем управления электроприводов постоянного тока, предполагающего создание УПУ разной мощности из унифицированных узлов, сокращение количества типоразмеров преобразователей при относительной простоте наращивания выходной мощности, технологичность изготовления и удобство настройки и обслуживания.

Литература

1. Толмачев В. А. Уравнения электромагнитных процессов в силовой цепи электропривода постоянного тока с многомодульным усилительно-преобразовательным устройством. / Труды III Международной (XIV Всероссийской) научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2001» (Нижний Новгород 12-14 сентября 2001). Под ред. С.В. Хватова. Нижний Новгород: «Вектор-ТиС», 2001. С. 75-77.

2. Огородников А.Н., Толмачев В.А. Непрерывная модель энергетической подсистемы электропривода постоянного тока с многофазным импульсным усилительно-преобразовательным устройством. / XXXII Неделя науки СПбГПУ: Материалы межвузовской научно-технической конференции. Ч.У. Изд-во СПбГПУ, 2004. С. 109-111.

3. Кротенко В.В., Толмачев В.А., Томасов В.С., Синицын В.А. Синтез микропроцессорной системы управления электропривода опорно-поворотного устройства.// Изв. вузов. Приборостроение. 2004. Т.47. №11. С.23-31.

4. Толмачев В. А., Денисов К. М. Проблемы реализации микропроцессорных систем управления источников тока программируемой формы. // Изв. вузов. Приборостроение. 2000. Т.43. №1-2. С.75-80.

5. Толмачев В.А. Синтез системы управления многомодульного источника тока с индуктивным фильтром// Изв. вузов. Приборостроение. 2001. Т.44. №3. С.16-22.

6. Толмачев В.А. Синтез системы управления многомодульного источника тока с индуктивно-емкостным фильтром// Изв. вузов. Приборостроение. 2002. Т.45. №4. С.33-39.

7. Толмачев В.А., Никитина М.В. Расчет параметров квазиустановившегося режима в источнике тока с импульсным усилительно-преобразовательным устройством и индуктивным сглаживающим фильтром. / Научно-технический вестник СПбГИТ-МО(ТУ). Выпуск 3. Физические процессы, системы и технологии точной механики. Главный редактор В.Н. Васильев. СПб: СПБ ГИТМО (ТУ), 2001. С.120-126.

8. Соловьев А., Веселов М. Семейство DSP-микроконтроллеров фирмы Analog Devices для встроенных систем управления двигателями. / CHIP NEWS. 1999. №1. С. 17-23.

9. ACEX 1K Programmable Logic Device Family Data Sheet. Altera. May 2003, ver. 3.4

10. www.irf. com