СПОСОБ БЕЗДАТЧИКОВОЙ ОЦЕНКИ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ РОТОРА МНОГОФАЗНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
METHOD OF SENSOR-FREE EVALUATION OF ANGULAR POSITION OF ROTOR OF MULTI-PHASE ELECTRIC MOTOR

Область техники
Изобретение относится к векторному управлению электроприводом, при котором фазовые статорные обмотки электродвигателя питают от многофазного вентильного преобразователя, управляемого в функции контролируемого технологического параметра с учетом углового положения ротора, определяемого без использования соответствующего датчика.
Уровень техники
Известны способы бездатчиковой оценки углового положения ротора многофазного электродвигателя, включающие измерение мгновенных значений фазовых токов и напряжений статорных обмоток электродвигателя, преобразование измеренных значений в параметры векторов тока и напряжения в выбранной системе координат и обработку преобразованных параметров [RU 2182743, RU 2207700, RU 2262181, RU 2279757].
В современных системах электропривода, использующих цифровую обработку данных, применяются бездатчиковые способы оценки углового положения ротора, основанные на математической модели наблюдателя переменных состояния [S.Bejerke. Digital Signal Processing Solutions for Motor Control Using the TMS320F240 DSP-Controller, ESIEE, Paris, September, 1996].
Наблюдатель характеризуется соответствующей функциональной структурой, в общем случае включающей цифровые модели статорной обмотки электродвигателя и цепи обратной связи наблюдателя. Используя значения векторов Y тока и U напряжения, полученные непосредственно из результатов измерений, и принцип обратной связи, наблюдатель подбирает вектор  оценки ЭДС статора, минимизирующий отклонение вектора оценки  тока от вектора Y.
Вектор оценки  получается на выходе цифровой модели статорной обмотки в результате подачи на ее вход разности вектора U напряжения и вектора  оценки ЭДС статора. Последний вектор, в свою очередь, формируется цифровой моделью цепи обратной связи наблюдателя из разности , представляющей собой текущую ошибку оценки тока.
При этом свойства наблюдателя и основанного на нем способа бездатчиковой оценки углового положения ротора в первую очередь определяются функциональной структурой цепи обратной связи, которую отражает соответствующая цифровая модель.
В качестве прототипа выбран способ, основанный на функциональной структуре наблюдателя, приведенной в работе [Шеломкова Л.В. Разработка системы векторного бездатчикового управления асинхронным двигателем. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, МЭИ, 2008 г.]. Способ-прототип основан на структуре наблюдателя, включающего релейный элемент в цепи обратной связи и фильтр Калмана [Синицын И.Н. Фильтры Калмана и Пугачева. Учебное пособие. Университетская книга, Логос, 2006.], предназначенный для фильтрации выходного сигнала.
Недостаток способа-прототипа состоит в том, что в установившемся режиме он сохраняет ненулевую ошибку  в оценке тока и требует высокой частоты дискретизации аналоговых измерений для корректного выполнения цифровой обработки. Получаемый при этом выходной сигнал оценки положения ротора зашумлен, а роль фильтра Калмана сводится к фильтрации зашумленного сигнала.
Раскрытие изобретения
Предметом изобретения является способ бездатчиковой оценки углового положения ротора многофазного электродвигателя, заключающийся в том, что измеряют значения токов и напряжений, по меньшей мере, двух фаз статорной обмотки электродвигателя, преобразуют измеренные значения в текущие параметры вращающихся векторов Y тока и U напряжения статора и подвергают их цифровой обработке, на каждом шаге которой вычисляют оценку  вектора Y как выходное значение цифровой модели статорной обмотки, полученное при входном значении, равном разности вектора U и вектора  оценки ЭДС статора, вычисленного по формуле:
,
где k - коэффициент обратной связи,  - выходной вектор цифрового синусно-косинусного фильтра Калмана, полученный при входном векторе, вычисленном по указанной формуле на предыдущем шаге цифровой обработки, и затем определяют аргумент вектора  и соответствующую этому аргументу оценку углового положения ротора.
Отличие предлагаемого способа состоит в том, что в нем вектор  текущей оценки ЭДС статора включает в качестве второго слагаемого выходной вектор  цифрового синусно-косинусного фильтра Калмана, полученный при входном векторе, вычисленном по указанной формуле на предыдущем шаге цифровой обработки.
Заявляемый способ по сравнению с прототипом позволяет получить более точную оценку  наблюдаемой переменной Y и менее зашумленный выходной сигнал в установившемся режиме работы. Это, в свою очередь, позволяет реализовать бездатчиковое векторное управление электродвигателем в расширенном диапазоне скоростей вращения и с лучшим КПД.
Краткое описание фигур
На чертеже приведена функциональная блок-схема вентильного электропривода, иллюстрирующая пример осуществления заявляемого способа.
Осуществление изобретения
На чертеже показаны:
- механизм 1, приводимый во вращение электродвигателем 2;
- преобразователь частоты, включающий звено 3 постоянного тока (состоящее из выпрямителя и сглаживающего LC-фильтра) и инвертор 4 напряжения с широтно-импульсной модуляцией;
- датчик 5 напряжения звена 3 постоянного тока и датчики 6 фазных токов электродвигателя 2.
Электропривод снабжен системой 7 управления, выполненной на базе программируемого микроконтроллера. Система 7, воздействуя на инвертор 4, осуществляет бездатчиковое векторное управление электродвигателем 2 с использованием текущей оценки θ углового положения ротора (в электрических угловых единицах). На чертеже в составе системы 7 условно показаны только те функциональные блоки, которые иллюстрируют получение оценки θ по заявляемому способу.
Функциональный блок 8 преобразует мгновенные значения аналоговых сигналов от датчиков 5 и 6 в цифровые данные, а также обеспечивает косвенное измерение фазных напряжений путем расчета их значений по величине измеренного напряжения звена 3 и текущей скважности выходного напряжения соответствующей фазы инвертора 4. (Возможно использование прямых измерений фазных напряжений).
A
B
A
B
Из блока 8 на входы блока 9 поступают в цифровом виде мгновенные значения напряжений u(t), u(t) и токов i(t), i(t) двух фаз статорной обмотки электродвигателя. В блоке 9 эти данные преобразуются в параметры вращающихся векторов Y тока и U напряжения в декартовой системе двух координат, неподвижной относительно статора.
Последующая цифровая обработка двухкоординатных векторов Y и U осуществляется в функциональном блоке 10, иллюстрирующем структуру наблюдателя, на котором основан заявляемый способ.
Блок 10 представляет собой замкнутую систему оценки вектора ЭДС статора с обратной связью по ошибке оценки тока статора. Структура блока 10 включает сумматор 11, вычисляющий текущую ошибку  оценки тока, сумматор 12, вычисляющий текущую разность  вектора U и вектора  оценки ЭДС статора, а также блоки 13 и 14, представляющие собой двухкоординатные цифровые модели. Структура блока 13 иллюстрирует цифровую модель активно-индуктивной цепи, отражающей характеристики статорной обмотки электродвигателя 2, а структура блока 14 - цифровую модель цепи обратной связи, определяющей характеристики наблюдателя.
Текущая ошибка  подается на вход блока 14, разность  - на вход блока 13. Выходным параметром блока 13 является вектор  оценки тока статора, а выходным параметром блока 14 - вектор  оценки ЭДС статора.
Функциональную структуру блока 13 образуют интегратор (1/р), охваченный обратной связью через матрицу С преобразований, и матрица В проводимостей. Элементы матриц В и С определяются параметрами статорных обмоток электродвигателя 2.
Функциональную структуру блока 14 образуют масштабирующий элемент 15, сумматор 16 и синусно-косинусный фильтр 17. Выход фильтра 17 замкнут на его вход через сумматор 16, добавляющий к выходной величине  фильтра 17 слагаемое , кратное ошибке оценки тока.
В соответствии с заявляемым способом вектор  вычисляется сумматором 16 как сумма двух слагаемых: слагаемого , кратного ошибке оценки тока, и слагаемого , равного выходному вектору фильтра 17, вычисленному на предыдущем шаге цифровой обработки.
Блок 18 отражает выполнение завершающей операции способа - определение текущего аргумента вектора  и соответствующей этому аргументу оценки θ углового положения ротора. Оценка θ используется в системе 7 для реализации векторного управления электродвигателем в соответствии с технологическими требованиями к работе механизма 1.
Заявляемый способ осуществляется следующим образом.
A
B
A
B
Пусть, например, в начальный момент времени (т.е. на первом шаге цифровой обработки, выполняемой по заданной программе), хотя бы одно измеряемое напряжение u(t), u(t) и хотя бы один измеряемый ток i(t), i(t) не равны нулю (тогда векторы U и Y также не равны нулю), а выходной сигнал фильтра 17 отсутствует (т.е. равен нулю). В отсутствие сигнала с выхода фильтра 17 наблюдатель, структуру которого иллюстрирует блок 10, имеет цепь обратной связи с фиксированным коэффициентом передачи. При этом на один вход сумматора 12 поступает сигнал U, полученный из результатов измерений, а на другой - неравный нулю сигнал обратной связи , где  в начальный момент принимает случайное (или принудительно заданное, например, нулевое) значение.
Тогда выдаваемый сумматором 16 вектор  текущей оценки ЭДС статора, поступающий на входы сумматора 12 и фильтра 17, равен ненулевому вектору , поступающему на вход сумматора 16.
Ненулевой вектор , поступая на вход фильтра 17, обеспечивает появление ненулевой величины на выходе этого фильтра и на втором входе сумматора 16.
На каждом шаге цифровой обработки к выходному вектору  фильтра 17 сумматором 16 добавляется вектор  обратной связи, образуя входной вектор  для обработки фильтром 17 на следующем шаге. Такая «замкнутость на себя» фильтра 7 приводит к пошаговому возрастанию вектора  текущей оценки ЭДС статора. Поскольку наблюдатель (блок 10) представляет собой систему с отрицательной обратной связью, разность , формируемая сумматором 12, изменяется так, что ошибка  оценки тока уменьшается.
Со временем доля вектора  на выходе сумматора 16 уменьшается, а доля вектора  увеличивается. Такая эволюция будет происходить до тех пор, пока ошибка  не обратится в ноль. После этого в фильтре 7 будет «циркулировать» вектор  который обеспечивает равенство  Это может произойти только в том случае, когда полученная оценка ЭДС точно совпала с реальной ЭДС двигателя. Поскольку фильтр 7 - это фильтр Калмана, выходной сигнал которого представляет собой оценку с минимальной ошибкой основной гармоники его входного сигнала, в установившемся режиме вектор  практически не содержит шумовых составляющих.
Производя необходимые вычислительные действия с параметрами (декартовыми координатами) вектора  блок 18 определяет текущий аргумент вектора  и соответствующую этому аргументу (например, отличающуюся на заданный угол) текущую оценку θ углового положения ротора.
Изложенное поясняет и подтверждает получение технического результата изобретения, указанного выше.