Цифровое векторное управление вентильно-индукторными двигателями с независимым возбуждением

Компоненты и технологии, № 8'2004 Компоненты

Цифровое векторное управление

вентильно-индукторными двигателями с независимым возбуждением

Бурное развитие цифровой и управляющей электроники позволяет ставить и решать новые и ранее невыполнимые задачи. Одной из таких задач является векторное управление вентильно-индукторным двигателем (ВИД). Этот привод называют приводом XXI века. Однако он еще далек от совершенства, и даже ведущие мировые электротехнические фирмы только ставят задачи его серийного освоения. Дело не только в создании новых качественных силовых преобразователей для этого типа двигателей, но и в непроработанности многих вопросов управления, отсутствии методик комплексного проектирования всей системы, включая электромеханический преобразователь и встроенный датчик положения. В статье рассматривается один из подходов к реализации векторного управления вентильно-индукторным двигателем независимого возбуждения на базе современных высокопроизводительных DSP-микроконтроллеров и интеллектуальных силовых IGBT-модулей.

Владимир Козаченко

kozachenko@aep.mpei.ac.ru Алексей Анучин

an@aep.mpei.ac.ru

Андрей Дроздов, Александр Жарков

Введение

Стремление разработчиков существенно упростить и удешевить электромеханический преобразователь энергии привело к созданию нового класса двигателей с пассивным ферромагнитным ротором и сосредоточенными катушками на статоре. Конструкции этих машин известны уже более 100 лет, но только с развитием современной силовой электроники и микропроцессорной техники они стали рассматриваться как возможные конкуренты массово применяемых сегодня асинхронных двигателей и вентильных двигателей на базе синхронных машин с постоянными магнитами. Очевидная просто-

та, надежность вентильно-индукторного двигателя и его технологичность обманчивы. Для обеспечения качественного управления моментом и скоростью необходима достаточно сложная высокопроизводительная цифровая система управления. При этом сложность системы и ее структура во многом определяются типом ВИД: чем проще конструкция собственно двигателя, тем более сложными оказываются структуры и алгоритмы управления.

Вентильно-индукторные двигатели делятся на три типа: с самовозбуждением, с независимым возбуждением и магнитоэлектрические. Самые простые по конструкции — двигатели с самовозбуждением (рис. 1). Их прототип — классические шаговые двигатели. Основное отличие — работа в режиме бесколлекторного двигателя постоянного тока с автокоммутацией фаз по датчику положения ротора. Построение системы векторного управления для такого двигателя — сложная и неблагодарная задача. Чаще всего система управления строится по схеме «электронный коммутатор — двигатель» с регулированием фазного тока и угла коммутации. В более сложных и ответственных приводах применяется отдельный контур регулирования напряжения в звене постоянного тока с дополнительным преобразователем постоянного тока в постоянный (DC/DC). Очень серьезной и не до конца решенной на данный момент проблемой в этом типе привода является организация качественных тормозных режимов.

ВИД с самовозбуждением требуют однополярного питания, то есть в машине присутствует как бы скрытый контур возбуждения за счет протекания по обмоткам двигателя постоянной составляющей тока. Возбуждение можно создать явно, разместив на статоре дополнительную обмотку возбуждения, как показано на рис. 2. Такой двигатель относится

Компоненты и технологии, № 8'2004

к классу вентильно-индукторных с независимым возбуждением и разнополярной коммутацией фаз, что позволяет использовать классические мостовые инверторы напряжения, применяемые в большинстве современных преобразователей частоты для асинхронных частотно-регулируемых приводов и современные цифровые методы управления ими — методы широтно-импульсной модуляции базовых векторов. Кроме того, открываются возможности цифрового векторного управления ВИД.

Обмотка возбуждения может быть заменена постоянным магнитом — получим вентильно-индукторный двигатель с магнитоэлектрическим возбуждением. Основное применение таких машин — приводы малой мощности.

Важным признаком любого вентильноиндукторного двигателя является независимость потока возбуждения от положения ротора — он только перераспределяется по кернам статора. Машина на рис. 2 во многом несовершенна: индуктивности фаз меняются от положения ротора, есть магнитная связь между фазами. Для задач управления это обстоятельство затрудняет синтез структуры управления, приводит к дополнительным пульсациям момента и скорости. Существуют конструкции ВИД, исключающие эти недостатки частично или полностью.

Конструкции ВИД, адаптированные под векторное управление

На рис. 3 представлена базовая конструкция двухпакетного вентильно-индукторного двигателя с независимым возбуждением типа 9/6 (9 кернов статора и 6 зубцов ротора), разработанная А. М. Русаковым [1].

Двигатель имеет следующие конструктивные особенности:

• Фазные катушки сосредоточенные и охватывают одновременно оба пакета. Они просты и технологичны в изготовлении, ориентированны на автоматизированную намотку.

• Обмотка возбуждения сосредоточенная кольцевая, располагается между двумя пакетами статора, также проста и технологична в изготовлении.

• Оба пакета статора абсолютно идентичны. Пакеты ротора сдвинуты друг относительно друга на половину полюсного деления машины, то есть на 180 эл. град.

• Каждая фазная секция состоит из пк катушек (в данном случае 3), которые соединяются между собой последовательно или параллельно. Все катушки одной фазы ориентированы одинаково относительно зубчатой структуры ротора.

• Катушки фазы В сдвинуты относительно катушек фазы А на 120 эл. град., а катушки фазы С — на 240 эл. град.

• Число пар полюсов машины определяется числом зубцов ротора pп = тт.

• Число зубцов статора определяется числом катушек на фазу и числом фаз

% = тф х пк.

В этом двигателе удается получить практически независящие от положения ротора индуктивности фаз. Еще более совершенными являются многосекционные вентильно-индукторные двигатели, в которых за счет использования двух, трех и более трехфазных секций [1] удается не только полностью исключить взаимные связи между фазами, но и добиться практически независимой работы каждой из элементарных машин, входящих в двигатель. Электромеханический преобразователь становится адаптирован-

ным к перспективным структурам цифрового векторного синусно-косинусного управления. За счет многосекционности достигаются следующие преимущества:

• При независимом управлении каждой секцией двигателя от собственного инвертора в режиме автокоммутации по сигналам собственного датчика положения (режим вентильного двигателя) эквивалентное число тактов коммутации увеличивается пропорционально числу секций птах_же = Птж X Пек, что приводит к значительному снижению пульсаций электромагнитного момента двигателя.

• Секционирование двигателя позволяет ограничить установленную мощность инвертора секции значением (до 200 кВт), реализуемым при использовании стандартной элементной базы, без необходимости перехода к высоковольтной технике, что открывает перспективу создания вентильно-индукторных приводов на любые мощности, вплоть до нескольких МВт, при стандартных уровнях напряжения питания 380 В.

• Секционирование двигателя и силового преобразователя существенно повышает надежность привода, так как при выходе из строя одной секции (по любой причине: отказ секции, инвертора или датчика положения) остальные секции остаются в рабочем состоянии.

• При объединении одноименных обмоток секций в одну и векторном управлении двигателем пространственный сдвиг секций существенно улучшает гармонический состав электромагнитного момента, приближая двигатель к идеальному — с отсутствием пульсаций момента. Этот эффект в отличие от традиционных машин с распределенной обмоткой достигается исключительно за счет использования простых сосредоточенных катушек.

Конструктивные параметры Число фаз гтіф =3 Число катушек в фазе п„=3 Число зубцов статора г,=т**п|1=9 Число зубцов ротора р„=гг=6

Рис. 3. Базовая конструкция ВИД с независимым возбуждением:

а) поперечный разрез машины для первого и второго пакетов; б) продольный разрез машины; в) токовое состояние, для которого указаны намагничивающие силы; г) конструктивные параметры

Компоненты и технологии, № 8'2004

• При конструировании двигателя применима технология наращивания электромагнитного момента за счет использования нескольких элементарных машин, каждая из которых является двухпакетной. При этом фазные катушки являются общими для всех элементарных машин, а катушки обмотки возбуждения соединяются между собой последовательно или параллельно.

ВИП с независимым возбуждением имеет более широкие возможности управления по сравнению, например, с вентильными двигателями с постоянными магнитами. Появляется дополнительный контур регулирования тока возбуждения и дополнительная зона работы на повышенных скоростях с ослаблением поля. Для управления статорной обмоткой ВИП может использоваться стандартный автономный инвертор напряжения ШИМ со звеном постоянного тока, структура которого уже давно используется в большинстве преобразователей частоты. Дополнительные изменения силовой части преобразователя частоты касаются только установки слаботочного ключа для управления обмоткой возбуждения, а также ключа приема энергии в тормозной резистор при рекуперативном торможении двигателя. Может использоваться также схема преобразователя с входным активным фильтром (активным выпрямителем) для рекуперации энергии торможения в сеть.

Технические средства управления ВИД

Система управления ВИП была создана на контроллере МК13.1 (рис. 4), который разработан на базе специализированного сигнального микроконтроллера TMS320F2810 фирмы Texas Instruments [2-3]. Контроллер имеет высокую производительность (до 150 млн операций в секунду) и обладает уникальным набором встроенных периферийных устройств. Периферия контроллера оптимизирована для решения задач прямого цифрового управления в реальном времени, вплоть до аппаратной поддержки операционных систем реального времени.

Высокое быстродействие и стандартизация интерфейсов контроллера позволяет применять его в системах скалярного и векторного управления асинхронными, синхронными, шаговыми и вентильно-индукторными двигателями. Контроллер обеспечивает оптимальный интерфейс с силовыми ключами преобразователей, поддерживая режимы синусоидальной векторной широтно-импульсной модуляции для мостовых инверторов, а также прямой цифровой интерфейс с датчиками положения различного типа: индуктивными, импульсными, на элементах Холла и др. Высокая производительность процессора допускает реализацию бездатчиковых систем управления двигателями.

Уникальной особенностью контроллера МК13.1 является наличие сразу двух интерфейсов с 6 ключевыми инверторами напряжения, что позволяет создавать преобразова-

Рис. 4. Контроллер МК13 для высокопроизводительных систем управления двигателями

тели частоты для тяжелых условий эксплуатации с рекуперацией энергии торможения в сеть для лифтов, кранов, шахтных подъемников, электрического транспорта.

Ядро контроллера допускает разработку и отладку программного обеспечения непосредственно на языке высокого уровня С/С++ при высокой эффективности создаваемого компилятором кода. При этом модели двигателей, наблюдатели, регуляторы и цифровые фильтры могут быть полностью реализованы на языке С, что ускоряет разработку. Блок-схема контроллера представлена на рис. 5.

Для реализации силовой части ВИП использовался стандартный преобразователь частоты серии «Универсал» (рис. 6). В качестве силовых приборов в преобразователе применены интеллектуальные силовые модули IPM фирмы Mitsubishi. Преобразователь модернизирован для одновременного управления контуром возбуждения двигателя и цепью приема энергии торможения. К стандартному встроенному в ПЧ пульту оперативного управления добавлен внешний пульт управления, подключенный по сети CAN. Внешний пульт имеет более удобный интерфейс как для параметрирования преобразователя, так и для ввода команд оперативного управления.

Векторное управление вентильно-индукторными двигателями с независимым возбуждением

Уравнения ВИД будут приведены для скомпенсированной машины с постоянной собственной индуктивностью фазы и отсутствующими взаимными связями между фазами. Уравнения ВИД оказываются практически идентичными уравнениям классической синхронной машины с контуром возбуждения на роторе.

В координатах «^ д», жестко связанных с положением ротора двигателя, можно записать:

Л/

с№а

ия = + —- + , где потоки

Л машины

<№г

(1)"*А+^Т

^ = + Апг7

х¥/ = + Ьт1с1

Электромагнитный момент двигателя:

Модули расширения функций

6ВШИМ 2 ШИМ ^

2 ЗПР по —| авариям

В сигналов _ I-аварий

8 Н

В одном из стандартов:

• +/“5 В;

• +/-Ю В;

• +/-15 В;

• 0-5 В;

• 0-10 В;

• 0-15 В;

• 0-20 мА;

• 0-5 ллА;

• 10 кОм

<=!'

5og

і 1-і °-2а хоч

о а_“

5S

Блок No 2 прямого цифрового управления силовыми ключами

а о а. а

Блок № 2 ввода и предварительной обработки аналоговых сигналов

оги

!§§

Зое

о = S

а-Ь

о%8 а. І S

Ю 0.0

о о а

(D-0- с

О Р §

b Ss

Bog и-в-О

£

Блок

расширения

функций

контроллера

£

4

Модуль

расширения

встроенной

памяти

Центральный процессор МК Motor Control

Блок управления режимами и индикации состояния

Модуль энергонезависимой памяти

Блок No 1 прямого цифрового управления силовыми ключами

о о а а. \о >

lySj

gfSg

Блок Nfi 1 ввода и предварительной обработки аналоговых сигналов

а-Ь

§5 a

of 8

Q.1 §

ю 0-0 о о CL (D-0- с

b Ss

So° и-в-О

Блок синхронного периферийного интерфейса SPI

Блок JTAG-интерфейса

Модуль

часов

реального

времени

Блок сброса и мониторинга

Бло развязе гальванически нных интерфейсов

RS-232 RS-485 CAN

Отладка в реальном времени

Модуль

пита-

ния

£ о о о.

Блок интерфейса с датчиками положения

Блок дискретного ввода/вывода

+5 V[C .

+5 V(Aj;+/-15V(A); +5V[S; +12 V(DR);

TT

8/16 8/16

6 ВШИМ

2 ШИМ

t 2 ЗПР по авариям

9 8 сигналов аварий

В одном из стандартов:

• +/-5 В;

• +/-10 В;

• +/-15 В;

• 0-5 В;

• 0-10 В;

• 0-15 В;

• 0-20 мА;

• 0-5 мА;

• ЮкОм Потенциальные

Дифферен-

циальные

ф-3

Рис. 5. Блок-схема контроллера МК13.1

-Q-

Компоненты и технологии, № 8'2004

М=

Как известно, идея векторного управления состоит в том, чтобы принудительно обеспечить такую ориентацию вектора суммарного тока статора, чтобы было равно нулю. В этом случае можно непосредственно управлять моментом двигателя, регулируя только ток

Ч

При неизменном токе возбуждения модель двигателя становится предельно простой:

щ=К51а+Ь^-<й'¥ч

и ^ — /?у /у (

СІІ

7

(к

Синтезированная на ее основе структура системы векторного управления показана на рис. 7.

В структуре присутствует три независимых регулятора токов. Ток обмотки возбуждения определяет величину потока возбуждения машины. Ток статора по оси «&> должен быть равен нулю. Ток статора по оси «д» определяет момент двигателя.

В качестве регуляторов тока можно выбрать классические ПИ-регуляторы, однако из уравнений (3) видно, что контуры токов статора содержат возмущающие воздействия в виде ЭДС двигателя. Поэтому для исключения динамических ошибок по току в процессе разгона и торможения целесообразно производить компенсацию ЭДС путем вычисления необходимой добавки к сигналу управления в заданном контуре с использованием уравнения потоков и информацию о текущей скорости привода с блока идентификации скорости.

В реальных системах всегда имеется ограничение по уровню напряжения питания. При этом в зоне высоких скоростей при приближении ЭДС двигателя к максимально возможному напряжению управление по структуре на рис. 7 может оказаться неустойчивым. Начиная с этого момента необходимо предпринять специальные меры по снижению ЭДС. Так как ЭДС состоит из двух составляющих потока, умноженных на скорость вращения ротора, то уменьшать необходимо не только ток возбуждения (ослаблять поле), но и составляющую тока по оси «д», отвечающую за момент.

Предлагается метод управления двигателем в зоне ослабления поля, основанный на анализе текущих установок задания напряжения. При приближении к граничной механической характеристике, соответствующей максимально реализуемому вектору напряжения, производится автоматическое уменьшение уставок задания токов. Преимущество метода состоит в том, что не требуется информация ни о параметрах двигателя, ни о параметрах нагрузки. В реальном времени анализируется лишь реализуемость требуемого вектора напряжения, и система управления принудительно вводится в линейную зону, для которой она и была синтезирована.

4х КГ) *

Тр

1е

/ ном

/ _зад

Регулятор тока обмотки возбуждения

Рис. 8. Структура вычисления оптимального тока возбуждения

Для реализации метода необходимо:

• определить уставку для перехода в режим ослабления поля (можно выбрать 90-95% от амплитуды вектора напряжения статора);

• вычислить текущее значение модуля вектора напряжения, создаваемого инвертором;

• определить разность между текущим значением модуля вектора и его максимально допустимым значением;

• проинтегрировать полученную разность, превратив ее в задание тока возбуждения. Блок-схема контура управления током

возбуждения, соответствующая описанному выше алгоритму, представлена на рис. 8.

Начальное значение интегратора задания тока возбуждения (рис. 8) берется равным номинальному току. Задание на ток статора по оси «д» изменяется в соответствии с изменением задания тока возбуждения, как показано на рис. 9.

В такой системе управления вентильно-индукторный двигатель обеспечивает четырех-

квадрантное двухзонное регулирование электромагнитного момента и скорости (добавляется классический ПИ-регулятор скорости). Зона предельных механических характеристик привода показана на рис. 10. По горизонтальной оси отложен момент, по вертикальной — скорость вращения двигателя.

Экспериментальные исследования системы управления подтвердили ее работоспособность (рис. 11). Динамическая характеристика на рис. 11 соответствует разгону двигателя с заданным моментом до предельной механической характеристики, продолжению разгона в режиме с ослаблением поля и реверсу двигателя с прохождением двух зон — усиления поля и работы с заданным

Компоненты и технологии, № 8'2004

тик производилось встроенными средствами среды Code Composer с использованием тех-

Экспериментально подтверждена возмож-

нологии отладки в реальном времени через ность создания вентильно-индукторного

внутрисхемный эмулятор JTAG.

привода с системой векторного двухзонного

управления. Предложены алгоритмы управления в зоне ослабления поля, обеспечивающие максимальное использование двигателя по напряжению питания инвертора. Созданы аппаратные средства, позволяющие разрабатывать отечественные комплектные вентильно-индукторные приводы для перспективных применений в крановой технике, тяге, станкостроении и энергосберегающих технологиях. МММ

Литература

1. Козаченко В. Ф., Остриров В. Н., Русаков А. М. Перспективные системы экскаваторного электропривода на базе вентильно-индукторных двигателей с независимым возбуждением // Доклады научно-практического семинара «Электропривод экскаваторов». М.: Издательство МЭИ. 2004.

2. Козаченко В. Ф., Обухов Н. А., Трофимов С. А., Чуев П. В. Применение DSP-микроконтроллеров фирмы Texas Instruments в преобразователях частоты «Универсал» с системой векторного управления // Электронные компоненты. № 4. 2002.

3. Козаченко В., Анучин А., Дроздов А. Сигнальные микроконтроллеры для управления двигателями и автоматизации промышленности // Электронные компоненты. № 7. 2004.