Повышение экономичности и надежности управления индукторным двигателем за счет упрощения его конструкции.

Спocoб управления индуктoрным двигателем

Автoры: Ефимoв Евгений Михайлoвич, Киреев Алекcандр Владимирoвич, Лебедев Алекcандр Владимирoвич, Парнюк Елена Юрьевна

Изoбретение oтнocитcя к oблаcти электрoтехники и мoжет быть иcпoльзoванo для управления реактивным индуктoрным двигателем. Техничеcким результатoм являетcя повышение надежноcти управления индукторным двигателем во вcем диапазоне чаcтот вращения и экономичноcти электропривода за cчет упрощения его конcтрукции. В cпоcобе управления индукторным двигателем предварительно в память cиcтемы управления заноcят табличную зависимость i_ф от положения (угла поворота) ротора, зависимость очередности переключения фаз при прямом (движение вперед) и обратном (движение назад) направлении вращения ротора, измеряют параметры и сравнивают с табличными, подают токовые посылки, определяют оптимальную рабочую фазу по таблице очередности переключения фаз при нулевой частоте вращения по соотношению амплитуд токовых посылок фиксированной длительности во все фазные обмотки и заданному направлению вращения. Моменты начала формирования тока определяют как функции амплитуды токовых посылок на частоте вращения от 0 до n_ген.: t_откр.=f(i_{ф max}), где i_{ф max} - наибольшая токовая посылка в неработающую фазу; t_откр. - момент открытия текущей фазы, измеряемый количеством тактов таймера микропроцессора; фиксированной длительности и частоты, ограниченной индуктивностью обмотки индукторного двигателя, рабочей частотой транзисторов автономного инвертора напряжения и быстродействием системы управления, а моменты окончания подачи тока в фазу определяют из моментов открытия текущей и предыдущей фаз в соответствии с функцией, указанной в формуле изобретения, а на частотах вращения n>n_ген. определяют моменты окончания подачи тока в фазные обмотки как функции t_закр.=f(di_ф/dt), где di_ф/dt - производная фазного тока при переходе в режим генерации; а моменты начала формирования тока в фазе определяют в соответствии с функцией, указанной в формуле изобретения. 7 ил.

Известен способ управления индукторным двигателем (см. патент США 4616165). В данном источнике описан индукторный двигатель с системой управления, реализующей способ, заключающийся в формировании токов в фазных обмотках двигателя путем подачи на обмотку импульсов напряжения внутри каждого периода модели датчика положения ротора (ДПР), причем интервалы времени, определяющие моменты начала и окончания подачи напряжения, задаются как функции частоты вращения двигателя табличным способом. Недостатком данного способа является ограниченная область применения, позволяющая использовать данный способ только для управления индукторным двигателем при настройке на один или несколько режимов работы.

Способ управления реактивным индукторным двигателем (см. патент РФ 2260243) позволяет минимизировать погрешность моментов включения и выключения фаз двигателя, но при этом используется прямое определение положения ротора с помощью ДПР, что усложняет конструкцию датчиков.

В статье Лисовского А.А., Семенова И.М. "Бездатчиковый вентильно-индукторный электропривод для экстремальных условий" (материалы XV научно-технической конференции «Экстремальная робототехника» 6-7 апреля 2004 г., Государственный научный центр России, центральный НИИ робототехники и технической кибернетики) описаны несколько методов косвенного определения положения ротора. Одним из них является метод вычисления текущего потокосцепления и сравнения его с табличным значением. Для реализации данного метода необходимо подавать тестовые синусоидальные сигналы высокой частоты на фазы двигателя. Метод обеспечивает пуск двигателя и его работу во всем диапазоне частот вращения, но требует усложнения аппаратной части привода и применения в системе управления более быстродействующих микроконтроллеров.

В статье Аракелян А.К., Глухенького Т.Г. «Определение положения ротора в высокоскоростных бездатчиковых вентильно-индукторных электроприводах» (журнал «Электричество» 4/2003) рассмотрен токово-градиентный метод (ТГМ), основная идея которого состоит в определении угла поворота ротора , при котором частная производная фазного тока di/d начинает изменяться, что соответствует началу перекрытия полюсов ротора и статора или выходу из перекрытого состояния. Недостатком метода является невозможность определения положения ротора в неподвижном состоянии. Кроме того, ТГМ невозможно осуществить, когда в управлении применяют алгоритмы для снижения пульсаций электромагнитного момента двигателя.

Существует множество других алгоритмов определения моментов коммутации как с использованием, так и без использования сигналов диагностики. При использовании современных DSP-контроллеров возможно применение векторного управления ИД. Все эти алгоритмы эффективны только для определенного диапазона скоростей индукторного двигателя. Для того чтобы обеспечить устойчивое управление приводом во всем диапазоне скоростей, необходимо использовать комбинированные способы с учетом характера нагрузки и возможностей микропроцессорной системы управления.

Наиболее близким по технической сущности является способ управления индукторным двигателем (см. патент РФ 2182743), заключающийся в том, что на обмотку электродвигателя подают однополярные импульсы напряжения (токовые посылки). Предварительно определяют и запоминают кривую намагничивания электродвигателя при заданном угле коммутации, осуществляют переключение с одной фазной обмотки на другую, для чего определяют мгновенное значение тока и мгновенное значение напряжения в ней. По полученным значениям вычисляют мгновенное значение потокосцепления, сравнивают с заданным и в момент их совпадения вырабатывают сигнал на отключение работающей фазной обмотки и включение следующей, для которой процесс повторяют, затем определяют текущее значение сопротивления обмотки и используют полученное значение в качестве расчетного значения сопротивления обмотки, при этом для определения текущего значения сопротивления обмотки предварительно измеряют значения сопротивления обмотки и ее температуру в холодном состоянии, запоминают полученные значения, по измеренному мгновенному значению тока в обмотке определяют потери в электродвигателе, определяют текущее значение температуры окружающей среды, вычисляют по тепловой модели электродвигателя температуру перегрева обмотки, суммируют ее с текущим значением температуры окружающей среды, по результату суммирования определяют текущее значение сопротивления обмотки в соответствии с зависимостью

RT=R0(1+T)/(1+T0),

• где R0 - сопротивление обмотки в холодном состоянии;
• Т0 - температура окружающей среды при изменении R0;
• 1 - температурный коэффициент сопротивления материала обмотки;
• Т - температура обмотки в нагретом состоянии.

Для реализации описанного выше способа в качестве обратной связи в системе управления используются датчики фазного тока и фазного напряжения для каждой фазной обмотки двигателя, что усложняет конструкцию привода и систему управления. Кроме того, вычисление мгновенного значения потокосцепления и сравнение его с табличными значениями требуют большого объема памяти и процессорного времени, что негативно сказывается на точности определения моментов коммутации. Поэтому для реализации устойчивого управления на высоких частотах вращения двигателя необходимо использование быстродействующих контроллеров.

Задачей изобретения является повышение надежности управления индукторным двигателем во всем диапазоне частот вращения и экономичности электропривода за счет упрощения его конструкции.

Поставленная задача решается способом управления индукторным двигателем, при котором в память системы управления предварительно заносят табличную зависимость i_ф от угла поворота ротора, зависимость очередности переключения фаз при прямом (движение вперед) и обратном (движение назад) направлении вращения ротора, в который введены отличия:

при нулевой частоте вращения по соотношению амплитуд токовых посылок фиксированной длительности во все фазные обмотки и заданному направлению вращения определяют оптимальную рабочую фазу по таблице очередности переключения фаз, а на частоте вращения nген. моменты начала формирования тока t_откр. определяют как функции амплитуды токовых посылок i_ф фиксированной длительности t и частоты, ограниченной индуктивностью обмотки ИД, рабочей частотой транзисторов автономного инвертора напряжения (АИН) и быстродействием системы управления по формуле:

t_откр.=f(i_{ф max}),

• где t_откр. - момент начала формирования тока, измеряемый количеством тактов таймера микропроцессора (1 такт составляет 0,8 мкс);
• i_ф - амплитуда токовых посылок.

При этом момент окончания подачи тока в фазу t_закр. определяют из момента открытия текущей и предыдущей фаз по формуле:

• где t_закр. - момент окончания подачи тока в фазу;
• t_откр.1 - момент начала формирования тока текущей фазы;
• t_откр. - момент начала формирования тока предыдущей фазы, измеряемый количеством тактов таймера микропроцессора (1 такт составляет 0,8 мкс).

На частотах вращения n>n_ген., где n_ген. - частота вращения, на которой происходит возрастание тока при переходе фазы в генераторный режим, моменты окончания подачи тока в фазные обмотки t_закр. определяют как функции изменения знака производной фазного тока di_ф/dt при переходе в режим генерации (фиг.6). Момент начала формирования тока в фазе определяют по формуле (фиг.2):

• где t_закр. - момент окончания подачи тока в фазные обмотки предыдущей фазы;
• t_закр.1 - момент окончания подачи тока в фазные обмотки текущей фазы.

Положительным результатом использования предлагаемого способа управления индукторным двигателем является повышение надежности управления индукторным двигателем во всем диапазоне частот вращения и экономичности электропривода за счет упрощения его конструкции из-за отказа от использования датчиков напряжения и датчиков температуры, применяемых в прототипе.

На фиг.1 показано устройство для реализации предлагаемого способа.

На фиг.2 показано изменение амплитуды токовых посылок i_ф во всех фазах трехфазного двигателя при вращении с малой частотой (от 0 до nген.) по часовой и против часовой стрелки. Для сравнительной оценки показаны соответствующие фазам сигналы.

На фиг.3 показано графическое представление таблицы, записанной в память системы управления, для определения положения ротора индукторного двигателя при пуске.

На фиг.4, 5 показаны диаграммы переключения фазных обмоток двигателя при вращении по часовой и против часовой стрелки.


На фиг.6 - моменты закрытия рабочих фаз на частотах вращения двигателя n>n_ген..

На фиг.7 - алгоритм, реализующий способ управления.

Способ управления индукторным двигателем осуществляется с помощью устройства, представленного на фиг.1 в виде функциональной схемы бездатчикового индукторного привода и содержащего автономный инвертор напряжения 1 (АИН), питающий индукторный двигатель 2 (ИД), на входе двигателя 2 установлены датчики фазных токов 3, которые подключены к блоку определения очередности фаз 4 (БООФ), к блоку определения частоты вращения ротора 5 (БОЧ) и регулятору фазного тока 6 (РТ). Указанные блоки 4, 5, 6 выходами соединены с распределителем импульсов управления 7 (РИУ), РТ 6 соединен с блоком заданий (БЗ) 8, на вход которого подключен CAN-интерфейс 9, а выход соединен с РИУ 7, который в свою очередь подключен к АИН 1. Выход блока БОЧ 5 соединен с входом БООФ 4. БОЧ 5, БООФ 4 и РТ 6 соединены между собой. БЗ 8, РИУ 7, БОЧ 5, БООФ 4, РТ 6 могут являться частями (элементами) микроконтроллера 9, например C167/ST10.

Способ реализуется следующим образом. При нулевой скорости вращения двигателя положение ротора (угол поворота) определяют из амплитуды токовых посылок фиксированной длительности во все фазы двигателя (см. фиг.2) и направления заданного вращения. Табличную зависимость i_ф от угла поворота ротора ИД 2 для полного периода фазы (см. фиг.3) предварительно заносят в память системы управления 9. Кроме этого, в память системы управления 9 заносят очередность переключения фаз при прямом (движение вперед) и обратном (движение назад) направлении вращения индукторного двигателя (см. фиг.4, 5). Так как пуск возможен как при холодном, так и при нагретом двигателе, характеристику i_ф() (см. фиг.2, 3) используют для качественной оценки всех трех фазных токовых посылок и определения оптимальной рабочей фазы только при нулевой скорости вращения двигателя. Соотношение считанных амплитудных посылок i_фА, i_фВ, i_фС соответствует строго определенному углу поворота ротора. При заданном направлении вращения по таблицам очередности переключения фаз определяют оптимальную рабочую фазу. Дальнейшее переключение фаз производят исходя из анализа амплитуды токовых посылок (вступающей в работу фазы), таблицы очередности переключения фаз в зависимости от направления вращения и частоты вращения n ИД 2.

В БООФ 4 в зависимости от частоты вращения n определяют режим управления ИД 2 и в соответствии с этим при nген. определяют моменты включения по выражению

t_откр.=f(i_{ф max}),

где i_{ф max} - наибольшая токовая посылка в неработающую фазу фиксированной длительности и частоты, ограниченной индуктивностью обмотки индукторного двигателя 2, рабочей частотой транзисторов автономного инвертора напряжения 1 и реакцией системы управления (быстродействием) 9, или выключения очередных фаз двигателя по выражению

• где t_закр. - момент закрытия текущей фазы, измеряемый количеством тактов таймера микропроцессора (1 такт составляет 0,8 мкс);
• t_откр. - момент открытия текущей фазы;
• t_откр.1 - момент начала коммутации тока в предыдущей фазной обмотке, которые поступают в РИУ 7.

Приемлемую точность переключения фаз при таком способе регулирования управления (1-3 эл. град) при допустимой частоте переключения силовых приборов автономного инвертора напряжения 1, например 1 кГц, возможно обеспечить только на частоте вращения nген. двигателя 2 из-за необходимости бестоковых пауз для загасания импульсов тока до нуля. Кроме того, токовые посылки в вышедшую из работы фазу приводят к дополнительной пульсации момента двигателя 2. На частотах вращения n>n_ген. определяют моменты окончания подачи тока в фазные обмотки как функции t_зaкp.=f(di_ф/dt), где di_ф/dt - производная фазного тока при переходе в режим генерации, а моменты начала формирования тока в фазе определяют как

• где t_закр. - момент закрытия текущей фазы;
• t_откр. - момент открытия текущей фазы;
• t_закр.1 - момент закрытия предыдущей фазы.

В РТ 6 фазные токи i_фА, i_фВ, i_фС сравнивают с заданным значением тока i_зад., и в случае превышения последнего сигнал блокировки (Блк.) поступает на РИУ 7. Сигналы управления (пуск, останов) по оптоизолированному CAN-интерфейсу после преобразований в БЗ 8 также подают в цифровом виде (Реж.) в блок РИУ 7. Также в блок РИУ 7 подают сигнал Ф - порядок включения фаз. В РИУ 7 производят анализ входных сигналов (Реж., n, Ф и Блк.) и формируют управляющие импульсы на соответствующие ключи АИН 1.

При скорости n>n_ген. определение моментов переключения фаз производят двигательно-генераторным методом, основанным на явлении возрастания тока обмотки при переходе фазы в генераторный режим. Определение происходит по нарастанию тока в фазе при закрытом одном из фазных транзисторов (участок s, фиг.6). Чтобы избежать больших значений обратного момента при переходе фазы в генераторный режим, применяют редукцию тока (минимальный ток, достаточный для коммутации) перед определением положения ротора. Здесь фазу отключают в момент редукции t_ред. с последующим спадом тока до некоторого значения, которое меньше рабочего тока, но больше порога, необходимого для обеспечения удовлетворительной коммутации. При этом ток замыкают через источник питания (не показан) АИН 1, и он протекает в направлении, противоположном его ЭДС (участок m, фиг.6). В момент (t_откр.+t_закр.) обмотки закорачивают, при этом ток продолжает медленно спадать (участок s) до момента коммутации t_ком. согласования зубцов машины, после чего ток возрастает (генераторный режим). Обнаружив это нарастание тока, система управления 9 отключает транзисторы инвертора 1 и обеспечивает окончательный спад тока (участок w).

Точность определения моментов переключения фаз при таком способе управления прямо зависит от цикличности опроса датчиков фазных токов 3 и времени реакции системы управления 9. В системе управления 9 на базе шестнадцатиразрядного микроконтроллера C167/ST10 время преобразования канала аналого-цифрового преобразователя составляет 10 мкс. Таким образом, цикличность обновления фазных токов и воздействие на объект управления достигает 50 мкс, что составляет около 2 эл. град на оптимальной частоте вращения. Кроме того, необходимо выделять измерительный участок для определения моментов перехода в генераторный режим, на котором в работе должен находиться один из фазных транзисторов, что приводит к незначительному недоиспользованию машины по моменту.

Блок-схема комбинированного алгоритма бездатчикового управления приведена на фиг.7. В блоках 10-14 определяют положение ротора двигателя и в зависимости от направления заданного вращения включают оптимальную фазу. В фазу, которую необходимо включать следующей, подают тестовые импульсы и одновременно начинают измерять частоту вращения двигателя (блоки 15-17). В момент включения очередной фазы (1/6Т), где Т - период фазы, производят замер частоты вращения n. Через момент 1/6Т=t_закр. производят отключение первоначально включенной фазы и подают тестовые импульсы в следующую входящую через момент 1/6Т=t_откр. в работу фазу. В блоке 18 ведут постоянный контроль частоты вращения двигателя n. Если частота достигает n_ген., происходит переход на двигательно-генераторный алгоритм бездатчикового управления. В момент t_ред. производят анализ, включается или выключается фаза (блоки 20-24). Если фаза включается, то через интервал t_ком. производят включение очередной фазы и обновление значений частоты вращения (блоки 18-21). Если фаза выключается, то в момент t_закр. производят закрытие одного из фазных транзисторов (блок 25), если были открыты оба, и ведут постоянный контроль знака производной di_ф/dt (блок 26). При смене знака в блоке 27 производят закрытие второго фазного транзистора и текущий замер частоты вращения n (блоки 28-29). В блоке 30 производят анализ частоты вращения двигателя. Если частота снизилась до n_ген., то происходит переход на пусковой алгоритм управления индукторным двигателем.

К преимуществам данного способа относятся следующие:

• - не требуется дополнительных аппаратных средств в силовой части привода и в системе управления;
• - возможно точное определение положения неподвижного ротора;
• - устойчивое управление ИД во всем диапазоне скоростей;
• - применение алгоритмов коррекции фазных токов с целью уменьшения пульсаций момента ИД;
• - вход в режим тяги с выбега, т.е. при вращающемся двигателе.

Использование предлагаемого способа позволяет повысить надежность управления индукторным двигателем во всем диапазоне частот вращения и экономичность электропривода за счет упрощения его конструкции из-за отказа от использования датчиков напряжения и датчиков температуры, применяемых в прототипе.