Усовершенствованный алгоритм регулирования тока статора синхронного двигателя

A.P. Pankov, A.A. Panarin, D.M. Grubenko

ANALYSIS METHODS FOR COMPENSATION OF REACTIVE COMPONENT COMPONENT CURRENT STATOR BRUSHLESS DC MOTORS.

The means corrections reactive component current stator brushless DC motors let decrease power consumption are considered. A combined method correction in dependence from speed rotation engine is proposed.

Key words: brushless DC motor, compensation of reactive component component current stator, combined method correction current.

Получено 17.10.12

УДК 62-83

Г.В. Васев, инженер-исследователь 1 - й категории, 8

УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ АЛГОРИТМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОКА СТАТОРА СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

В данное время среди регулируемых приводов наиболее перспективными считаются приводы переменного тока. Технические параметры приводов данного типа в большей степени зависят от применяемых алгоритмов управления, среди которых лучшими параметрами обладает частотно-токовое управление. При этом характеристики управления определяются применяемым регулятором тока двигателя.

Ключевые слова: регулируемый электропривод, частотно-токовое управление, регулятор ток, синхронный двигатель.

Развитие техники обуславливает необходимость повышения технических характеристик регулируемых приводов переменного тока, а также их использования в тех областях, где ранее применялись нерегулируемые приводы, приводы постоянного тока или гидроприводы.

Среди алгоритмов управления контуром тока особое внимание следует уделить частотно-токовому управлению [1], способному реализовать все преимущества синхронных и асинхронных двигателей и тем самым получить больший диапазон регулирования скорости, повысить плавность регулирования скорости и общий КПД привода.

Одним из главных элементов частотно-токового управления является алгоритм регулирования тока статора двигателя, характеризующийся следующими параметрами:

- средней частотой коммутации ключей автономного инвертора напряжения (АИН);

- амплитудой ошибки фазных токов;

- коэффициентом использования источника питания по напряжению;

- временем отработки заданного значения тока;

- временем расчета алгоритма регулятора тока, характеризующим задержку управления.

Очевидно, что наименьшее время отработки заданий момента можно получить при регулировании тока по мгновенным значениям токов в фазах двигателя, т.е. с регулятором тока в неподвижных осях статора.

В случае управления трехфазным двигателем регулирование тока статора, как правило, производится с помощью восьми базовых векторов напряжения инвертора [2, 3]. В этом случае инвертор представляется как коммутатор, в котором каждая фаза двигателя может быть соединена с одной из шин источника постоянного напряжения.

При полном отключении одной из фаз двигателя от источника напряжения образуются дополнительные базовые векторы напряжения статора [4]. В этом случае для каждой фазы существует три состояния и возможно получить 33=27 векторов напряжения, из которых 12 значащих, а 15 являются нулевыми (рис. 1).

Рис. 1. Базовые векторы напряжения статора и границы токовых ошибок, используемые для управления

Для разработки алгоритмов регулирования тока статора с пониженной частотой коммутации ключей АИН в [1] введено понятие вектора эквивалентного напряжения, представленного как некое расчетное значение напряжения статора:

иеку = ЯХ + оЬ

^ 2

& Ьг &

где Я - активное сопротивление статора; 12 - заданный ток статора; о -коэффициент рассеяния; Ьг, Ьт - индуктивности статора, ротора и взаимная; Ф - магнитный поток ротора.

Снижение частоты коммутации достигается путем регулирования тока с помощью только двух ближайших к вектору эквивалентного напряжения значащих векторов и одного из нулевых векторов, что обусловлено

минимальными скоростями изменения ошибки тока в соответствии с уравнением

^=±(иеЬ, - и,).

ш

Исходя из этого, управляющие векторы образуют шесть треугольных секторов управления. При использовании всех возможных значащих векторов количество секторов увеличивается до двенадцати, а их размер составляет 30°. Нетрудно видеть, что в этом случае для переключения между векторами в пределах сектора достаточно переключения одного или двух ключей АИН в зависимости от выбора нулевого вектора. Для каждого сектора управления из возможных пятнадцати нулевых векторов целесообразно выбирать только те, переключение в которые требует минимального количество коммутаций ключей. Таким образом, при использовании двенадцати значащих векторов управления можно значительно уменьшить число коммутаций АИН, так как в случае управления с шестью значащими векторами необходима коммутация двух ключей АИН для переключения между векторами в пределах одного сектора.

Ниже описывается регулятор тока, использующий двенадцать значащих базовых векторов напряжения, входными данными для которого являются заданные и текущие токи фаз двигателя.

Для уменьшения количества вычислений в регуляторе используются релейные сигналы с компараторов о превышении фазными ошибками токов установленных границ, а также их знаков (рис. 2). Определение нахождения вектора эквивалентного напряжения производится с помощью уравнения (1), т.е. в зависимости от изменения вектора ошибки тока статора при включении базовых векторов напряжения. Контроль нахождения вектора ошибки тока производится по состоянию соответствующих компараторов.

Рис. 2. Структурная схема регулятора тока статора СД

Рассмотрим алгоритм выбора вектора управления, работающего на основе полученных релейных сигналов. Предположим, что вектор эквивалентного напряжения вращается против часовой стрелки и находится в секторе 12. При пересечениях вектором ошибки тока границ второй зоны (см. рис. 1), управление производится включением векторов Цц, и12, и0. Когда эквивалентное напряжение покинет сектор 12, удержание ошибки тока в пределах малой зоны 2 станет невозможно и вектор ошибки тока пересечет границу зоны 3 левее прямой, определяемой вектором и12. В этом случае управление производится в зависимости от знаков фазных ошибок тока, а сектором нахождения вектора эквивалентного напряжения считается первый. Управление по знакам ошибок обеспечивает снижение ошибки тока и при попадании в границы малой зоны управление вновь производится тремя векторами напряжения Ц^, и12, и0.

При подходе вектора эквивалентного напряжения к границе секторов 1 и 2 и управлении с помощью трех векторов, вектор ошибки тока описывает определенную траекторию (рис. 3, а). Так как расстояния между переключениями уменьшаются, то это приводит к повышению частоты переключения вектора управления. Для недопущения высокочастотных коммутаций АИН, в подобных случаях управление производится по пересечениям границ первой зоны (рис. 3, б), развернутой на 30° относительно второй.

Рис. 3. Траектории движения вектора ошибки тока статора при переходе иэкв из первого сектора во второй: а) при управлении в неразвернутой границе; б) при управлении в развернутой границе

Таким образом, выбор границы ошибки тока для управления в моменты перехода вектора ие^ из сектора в сектор должен производиться в зависимости от пересекаемой вектором ие^ границы секторов. При реализации управления удобно определять границу управления по последнему включенному значащему вектору управления, а именно выбирать ту гра-

ницу, у которой две из шести граней параллельны этому вектору управления.

Для оценки качества регулирования тока с помощью разработанного алгоритма проводилось моделирование работы синхронного привода, разработанной в среде 81шиНпк 5.0 пакета Ма1:ЬаЬ 6.5. При моделировании использованы параметры привода с исполнительным двигателем СДМ12-5,5-220КТС производства ОАО «ВНИИ «Сигнал»: номинальный ток статора 15,4 А; среднеквадратичное значение противоЭДС при частоте вращения 5500 об/с 295 В; номинальный момент 12 Нм; индуктивность фазы (с учетом дополнительно дросселя) 1 мГн. Напряжение питания АИН 310 В, установленная максимальная ошибка тока в фазе 4 А.

В процессе моделирования выявлено, что частота коммутации АИН наиболее сильно зависит от частоты вращения двигателя, нагрузочного момента и точности определения сектора нахождения вектора Используемый способ подразумевает, что данный вектор может перемещаться только в соседний сектор. Несмотря на это, при переходе иеку в произвольный сектор его положение определяется через несколько коммутаций. На рис. 4 показан график определения сектора эквивалентного напряжения в режиме ускорения вращения двигателя.

0.8 1 1.2 время, с

Рис. 4. Оценка сектора положения вектора эквивалентного напряжения

Корректность определения сектора главным образом зависит от задержки коммутации силовых транзисторов и других задержек, возникающих в контуре регулирования тока. Исходя из этого, необходимо выбирать размеры зон ошибок тока (рис. 5) такими, чтобы за время коммутации век-

тор ошибки тока статора не успел переместиться на расстояние, превышающее расстояние между большой и малыми зонами.

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 о 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3

Скорость вращения двигателя, тыс. об/мин Скорость вращения двигателя, тыс. об/мин

а) б)

Рис. 5. Зависимость средней частоты коммутации ключей инвертора от скорости вращения ротора при моменте нагрузки на валу двигателя 1 Нм (а) и 18 Нм (б): 1 — релейный регулятор; 2 — регулятор с использованием шести значащих векторов; 3 — регулятор с использованием двенадцати значащих векторов

Результаты моделирования показали возможность снижения средней частоты коммутации ключей АИН при использовании разработанного регулятора не менее чем в два раза по сравнению с известными алгоритмами [2]. Для корректного сравнения характеристик исследуемых алгоритмов ошибка регулирования тока во всех случаях установлена 4 А.

Таким образом, имитационное моделирование показало превосходство разработанного алгоритма по частоте коммутации ключей АИН при сохранении ошибки тока на прежнем уровне. Благодаря этому, применение алгоритма в синхронных и асинхронных приводах позволит повысить общий КПД привода. Достоинством данного алгоритма также является его относительная простота, так как не требуется расчет векторных величин, характеризующих состояние двигателя.

Список литературы

1. Следящие приводы: в 3 т. Т.2 / под ред. Б.К. Чемоданова. 2-е изд., перераб. И доп. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. 880 с.

2. Архангельский Н.Л., Виноградов А.Б. Контур тока асинхронного электропривода с улучшенными регулировочными и энергетическими характеристиками // Электротехника. 1997. № 4. С. 6-11.

3. Архангельский Н.Л., Курнышев Б.С., Виноградов А.Б. Новые алгоритмы в управлении асинхронным электроприводом // Электротехника. 1991. №10. С. 9-13.

4. Воротнёв П.В., Орлов С.В. Улучшение энергетических характеристик контура тока синхронного регулируемого электропривода // Приводная техника. 2010. №1. С. 24-29.

G. V. Vasev, A.N. Korobov

AN IMPROVED ALGORITHM TO CONTROL THE CURRENT OF SYNCHRONOUS MOTOR STATOR

Nowadays alternating current drives are considered to be the most promising among vary-drives. Specifications of these drives greatly depend upon control algorithms. Current-frequency regulation has the best characteristics among the control algorithms and is specified by the sort of the motor stator current regulator applied.

Key words: vary-drive, current-frequency regulation, current regulator, synchronous

motor.

Получено 17.10.12

УДК 681.513

И.И. Митрофанов, асп., 8-962-272-88-72, dr.fatum@yandex.ru

ОПТИМАЛЬНОЕ ПО ТОЧНОСТИ УПРАВЛЕНИЕ УГЛОВОЙ СКОРОСТЬЮ СИНХРОННОГО РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Рассмотрена процедура синтеза оптимального по точности закона управления угловой скоростью синхронного реактивного двигателя, работающего в режиме с постоянным током Приводятся результаты математического моделирования системы в программе Simulink.

Ключевые слова: синхронный реактивный двигатель, функционал качества, поверхность переключения, скользящий режим.

Современные высокоточные системы строятся, как правило, на базе бесконтактных двигателей постоянного тока или асинхронных двигателей с векторным управлением. Главный недостаток подобных систем связан со сложностью синтеза алгоритмов управления, и, следовательно, построения системы управления приводом в целом, поскольку данные электрические машины имеют сложное математическое описание.

В последнее десятилетие исследователи многих стан мира стали уделять повышенное внимание синхронным реактивным двигателям. Обладая всеми главными достоинствами асинхронных машин (отсутствие скользящих контактов и дорогостоящих постоянных магнитов), они в тоже время полностью лишены обмоток на роторе, что предельно упрощает математическое описание данного типа электрических машин. Так, модель современного синхронного реактивного двигателя, содержащего только распределённую трёхфазную обмотку на статоре, имеет вид [1, 3]