
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



Известен способ управления индукторным двигателем (см. патент США

Способ управления реактивным индукторным двигателем (см. патент РФ

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»



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

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

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 n


tоткр.=f(

- где tоткр. - момент начала формирования тока, измеряемый количеством тактов таймера микропроцессора (1 такт составляет 0,8 мкс);
iф - амплитуда токовых посылок.
При этом момент окончания подачи тока в фазу tзакр. определяют из момента открытия текущей и предыдущей фаз по формуле:

- где tзакр. - момент окончания подачи тока в фазу;
- tоткр.1 - момент начала формирования тока текущей фазы;
- tоткр. - момент начала формирования тока предыдущей фазы, измеряемый количеством тактов таймера микропроцессора (1 такт составляет 0,8 мкс).
На частотах вращения n>nген., где nген. - частота вращения, на которой происходит возрастание тока при переходе фазы в генераторный режим, моменты окончания подачи тока в фазные обмотки tзакр. определяют как функции изменения знака производной фазного тока diф/dt при переходе в режим генерации (фиг.6). Момент начала формирования тока в фазе определяют по формуле (фиг.2):

- где tзакр. - момент окончания подачи тока в фазные обмотки предыдущей фазы;
- tзакр.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


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>nген..

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







В БООФ 4 в зависимости от частоты вращения n определяют режим управления ИД 2 и в соответствии с этим при n
tоткр.=f(

где


- где tзакр. - момент закрытия текущей фазы, измеряемый количеством тактов таймера микропроцессора (1 такт составляет 0,8 мкс);
- tоткр. - момент открытия текущей фазы;
- tоткр.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 n

- где tзакр. - момент закрытия текущей фазы;
- tоткр. - момент открытия текущей фазы;
- tзакр.1 - момент закрытия предыдущей фазы.
В РТ 6 фазные токи iфА, iфВ, iфС сравнивают с заданным значением тока iзад., 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>nген. 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 tред. 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 (tоткр.+tзакр.) обмотки закорачивают, при этом ток продолжает медленно спадать (участок s) до момента коммутации tком. 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=tзакр. производят отключение первоначально включенной фазы и подают тестовые импульсы в следующую входящую через момент 1/6Т=tоткр. в работу фазу. В блоке 18 ведут постоянный контроль частоты вращения двигателя n. Если частота достигает nген., происходит переход на двигательно-генераторный алгоритм бездатчикового управления. В момент tред. производят анализ, включается или выключается фаза (блоки 20-24). Если фаза включается, то через интервал tком. производят включение очередной фазы и обновление значений частоты вращения (блоки 18-21). Если фаза выключается, то в момент tзакр. производят закрытие одного из фазных транзисторов (блок 25), если были открыты оба, и ведут постоянный контроль знака производной diф/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 nген., 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.