1 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………….5 ГЛАВА 1. Математическая модель электропривода с вентильным двигателем ………………………………………..17 1.1 Постановка задачи и основные допущения………………………….…….17 1.2 Уравнения электропривода с вентильным двигателем. ………………….24 1.3 Модель синхронного электромеханического преобразователя во вра- щающейся системе координат……………………………….......................29 1.4 Модель усилительно-преобразовательного устройства…………………..31 1.4.1. Модель с двумя апериодическими звеньями……………………….31 1.4.2. Модель со звеном чистого запаздывания и апериодическим звеном…………………………………………………………………34 1.5 Статические характеристики электропривода ……………………….......38 1.5.1 Учет инерционности усилителя мощности………………..….........39 1.5.2 Учет инерционности микроконтроллера и усилителя мощности..48 1.5.2.1 Характеристики электропривода при описании микро- контроллера апериодическим звеном …………………………48 1.5.2.2 Характеристики электропривода при описании микро- контроллера звеном чистого запаздывания…………………58 1.6. Выводы……………………………………………………………………….66 ГЛАВА 2 Коррекция статических характеристик электропривода с вентильным двигателем………………………………………...68 2.1. Постановка задачи…………………………………………………………...68 2.2. Минимизация фазных токов……………………………………………….72 2.2.1 Коррекция при описании усилительно-преобразовательного устройства одной постоянной времени…………………………......72 2.2.2 Коррекция при учете инерционности микроконтроллера..............74 2.2.2.1 Коррекция при описании микроконтроллера 2 апериодическим звеном первого порядка................................74 2.2.2.2 Коррекция при описании микроконтроллера звеном чистого запаздывания..….………….............................82 2.3 Линеаризация регулировочных и механических характеристик электро- привода...............................................................................................................88 2.4 Определение эффективности коррекции статических характеристик….....91 2.4. Выводы…………………………………………………………………….....94 ГЛАВА 3. Проектирование усилительно-преобразовательного устройства с микроконтроллером………………………………………………96 3.1. Постановка задачи…………………………………………………………..96 3.2. Оценка времени вычислений, производимых микроконтроллером…....103 3.3 Влияние квантования в микроконтроллере на пульсации фазных напряжений и токов………………………………………………………….104 3.3.1 Влияние дискретизации на пульсации напряжения на выходе усилителя мощности……………………………………………….....106 3.3.2 Учет квантования АЦП и ШИМ-генератора………………….........111 3.4 Учет влияния ШИМ-усилителя на пульсации фазных напряжений и токов……………………………………………………………….….…..115 3.5 Определение пульсаций фазных напряжений и токов…..………...….....120 3.6. Методика проектирования усилительно-преобразовательного устройства с микроконтроллером………………………………….……...132 3.7. Выводы……………………………………………………………………...139 ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование электропривода с вентильным двигателем и микроконтроллером……………...141 4.1. Постановка задачи………………………………………………………….141 4.2. Экспериментальная установка…………………………………….………145 4.3. Экспериментальное определение зависимости момента холостого 3 хода от скорости…………………………………………………………...147 4.4. Определение постоянной времени усилительно-преобразовательного устройства…………………………………………………………………..151 4.4.1 Определение постоянной времени микроконтроллера…………...152 4.4.2 Определение постоянной времени линейного усилителя мощности…………………………………………………...………..153 4.5. Экспериментальное определение статических характеристик……….....158 4.5.1. Зависимость частоты вращения от напряжения управления……..158 4.5.2. Зависимости потребляемого тока и амплитуды фазного тока от напряжения управления…………………………………….……160 4.5.3. Первая гармоника и постоянная составляющая фазного тока…...163 4.5.4. Влияние коррекции на статические характеристики..……………165 4.5.5. Влияние коррекции на фазу тока статора……………………….....169 4.6. Влияние быстродействия микроконтроллера на регулировочные характеристики…………………………………… ……………………....171 4.7. Выводы……………………………………………………………………...177 ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….179 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………...182 5 ВВЕДЕНИЕ В последнее время наблюдается быстрое развитие регулируемых элек- троприводов переменного тока малой мощности, использующих синхронные двигатели с постоянными магнитами. Регулируемые электроприводы с син- хронными машинами могут иметь различные структуры: с дискретным управ- лением [21,25,74,97], с непрерывным управлением (синусоидальной формой фазных токов) [6,68,114,121], с векторным управлением [7,156,165,166, 167,175,176,184,185,188,190], с адаптивным управлением [132,161], c фаззи- регуляторами [162], с гибридным управлением [171,173] с бездатчиковым из- мерением механических параметров [179]. В литературе [197,204,205,207] по- казано, что для обеспечения перемещения с высокими точностными характери- стиками и быстродействия системы одной из самых перспективных является структура электропривода с векторным управлением синхронным двигателем. В русских публикациях электропривод с синхронной машиной называется электроприводом с вентильным двигателем (ЭПВД) [22,125,132,141,202], или вентильным электроприводом [3,29,30]. Большинство публикаций, посвященных ЭПВД малой мощности, рас- сматривают дискретный способ управления (коммутации) синхронной машины [25,52,60,97,98,139]. Но дискретное управление ВД неприемлимо для высоко- точных глубокорегулируемых приводов, поскольку не обеспечивает выполне- ние условий равномерности электромагнитного момента [97,207]. Для дости- жения равномерности момента ВД применяется непрерывный способ управле- ния ВД [83]. В одном из первых достаточно полных описаний ЭПВД с непрерывным способом управления МДС якоря, содержащемся в работе [18] рассматривают- ся явнополюсные и неявнополюсные машины различного типа с частотно- токовым управлением, при котором усилитель мощности (УМ) охвачен глубо- кой отрицательной обратной связью по току и работает в режиме источника то- 6 ка. В дальнейшем в большинстве опубликованных работ по ЭПВД с непрерыв- ным управлением рассматривается управление синхронной машиной от источ- ника напряжения [16,25,94,103,124,139], поскольку для машин малой мощности применение источника тока не имеет серьезных преимуществ, в связи с малым значением электромагнитной постоянной времени, линейностью и симметрич- ностью характеристик и отсутствием во многих случаях токоограничения. Однако большинство опубликованных математических моделей ЭПВД с непрерывным управлением не учитывают ряд факторов. В частности, усили- тельно-преобразовательное устройство (УПУ) принимается линейным и безы- нерционным, не содержащим цепей статической коррекции характеристик ВД. Между тем, реальные УПУ характеризуются заметным запаздыванием, а также наличием высших гармоник выходных напряжений, вызванных как нелинейно- стью характеристик УМ, например, за счет насыщения, так и пульсацией на- пряжений на выходах преобразователя координат (ПК) из-за фазочувствитель- ного выпрямления (в аналоговых ПК) или квантования сигналов (в цифровых ПК) [89]. Высшие гармоники фазного напряжения вызывают дополнительные по- тери в обмотке якоря, которые должны быть учтены при проектировании теп- лоотвода [9]. Применительно к ЭПВД особо грубым допущением является пренебре- жение динамикой УПУ. Экспериментальные исследования ЭПВД на базе ма- шин серии ДБМ показывают, что для них влияние постоянной времени УПУ гораздо больше, чем электромагнитной постоянной времени [88]. Во многих случаях именно эта постоянная времени определяет вид статических и динами- ческих характеристик, ток потребления, схему статической коррекции и другие параметры ЭПВД. При микропроцессорном управлении ЭПВД учет запаздыва- ния управляющего устройства в виде периода дискретности носит принципи- альный характер. Передаточная функция ЭПВД с инерционными усилителями тока на ос- нове опытных данных была приведена еще в работе [18]. Однако аналитическое 7 влияние инерционности УПУ при математическом описании ЭПВД с непре- рывным управлением впервые было учтено лишь в публикациях Микерова А.Г. [10,83,89]. В дальнейшем аналогичный подход применен в работах [121,122,137]. Однако, результаты, полученные в указанных работах примени- мы к структурам ЭПВД с аналоговым ПК. Исследование влияния инерционно- сти УПУ для ЭПВД с непрерывным управлением и цифровым ПК в рассмот- ренных работах отсутствует. Наиболее широкое распространение в работах отечественных авторов [10,16,25,48,53,71,83,89,97,104,115], посвященных ЭПВД с непрерывным управлением, получила схема вентильного двигателя (ВД) с аналоговым уст- ройством управления (УУ), изобретенная Д.В.Свечарником [155]. Преобразова- тель координат такого ЭПВД включает в свой состав ДПР, работающий в ре- жиме СКВТ. На рис.В.1. показан двухфазный ВД, имеющий структуру, пред- ложенную Свечарником, здесь М – модулятор, ГОН – генератор опорного на- пряжения, ВТ – синусно-косинусный вращающийся трансформатор, ФЧВ – фазочувствительный выпрямитель, Ф –фильтр нижних частот, «–1» – блок ин- версии фазы (инвертирующий повторитель), УМ –линейный усилитель мощно- сти, СЭМП – синхронный электромеханический преобразователь. Блоки М, ГОН, ВТ, ФЧВ и Ф, которые осуществляют преобразование входного напряже- ния в фазные напряжения u , u , образуют усилительно-преобразовательное A B устройство (УПУ). ВТ используется в качестве преобразователя координат (ПК) и датчика положения ротора (ДПР). Данная структура ВД является клас- сической структурой аналогового ВД с непрерывным управлением. Для повышения надежности и точности ЭПВД, повторяемости парамет- ров, реализации непрерывного управления ВД в составе ЭПВД малой мощно- сти применяются цифровые микроконтроллеры (МК) [46,63,64,90,100,106]. Микроконтроллер в составе ЭПВД позволяет реализовать корректирующие 8 ПК М u ВТ s uq uв ФЧВ Ф –1 УМ u N A S u c u B ФЧВ Ф УМ ГОН УПУ СЭМП Рис.В.1. ЭПВД с непрерывным управлением, изобретенный Д.В.Свечарником звенья (регуляторы и фильтры) и обеспечивает позиционную обратную связь, необходимую для работы СЭМП в режиме ВД [100,116,176,185,191]. При цифровом управлении ВД блок ПК реализуется в виде программы, на- ходящейся в памяти МК. Микроконтроллер перерабатывает информацию, поступающую от датчиков– источников информации, и в результате этой переработки формирует информа- цию о фазных напряжениях [48,100,176]. Внедрение в состав ЭПВД МК озна- чает включение в аналоговую (непрерывную) систему цифровой подсистемы, представляющей собой нечто среднее между аналоговыми и дискретными сис- темами: квантование по времени и по уровню, присущее цифровым устройст- вам, является признаком дискретной системы, но при этом все сигналы внутри цифровых систем являются непрерывными ступенчатыми, что характеризует их как аналоговые. Непрерывность во времени цифровых сигналов обеспечивают запоминающие устройства, к которым относятся память и все операционные устройства (регистры). 9 При цифровом управлении ВД электропривод становится цифро-аналоговой системой, поскольку СЭМП является аналоговым элементом. При замене ана- логового управления электропривода на цифровое математическое описание системы управления усложняется, поскольку требуется дополнительно учиты- вать влияние дискретизации по времени и по уровню в цифровой части. В рабо- те [108] рассмотрено влияние дискретизации в МК обобщенного ЭП, структура которого сводится к одномерной модели, на динамику цифрового ЭП. Влияние же дискретизации в ЦУУ на точность статических характеристик ЭП в работе [108] не рассмотрено. Исследованию и созданию ЭПВД с МК посвящены труды Домрачева В.Г., Смирнова Ю.С. [51], Гориловского А.А. [100], Герман-Галкина С.Г. [144]. В работах [51,100] предложены конкретные технические реализации ЭПВД с цифровым управлением, но теоретическое обоснование и оптимизация реше- ний не производятся. В работе [144] акцент сделан на исследование силовой части ЭПВД, а анализ влияния дискретизации в МК на характеристики ВД от- сутствует. В работе [83,122] рассмотрены алгоритмы коррекции инерционности ПК и СЭМП. Но не предложены способы их численной реализации и алгоритмиза- ции задачи коррекции для применения предложенных формул в цифровых сис- темах управления. В работах [8,9] предложена методика проектирования электропривода с ВД серии ДБМ с непрерывным управлением. В работе [9], на этапе проектиро- вания УПУ, рассматривается вариант использования в качестве преобразовате- ля координат фазочувствительного выпрямителя (ФЧВ) с запоминающим эле- ментом (ФЧВ-З). Постоянная времени такого ФЧВ равна   , где  - частота в в возбуждения ВТ. Таким образом, ФЧВ-З ведет себя также как МК, частота дискретизации которого равна  . Однако, в соответствии с рекомендациями в методики [9], ФЧВ-З применяется в качестве ПК при низких частотах враще- ния, а при высоких частотах применяется ФЧВ с фильтром нижних частот 10 (ФНЧ). Таким образом, использование методики [9] напрямую для ПК, реали- зованного в цифровом виде невозможно. Кроме того, в работе [9], при расчете потерь в обмотке статора учитывается только первая гармоника пульсаций вы- ходного напряжения ФЧВ-З, и считается, что при постоянстве сдвига фаз , ФЧВ-З не вносит пульсаций. Еще одним недостатком работ [8,9] является от- сутствие методики проектирования УПУ для случая коррекции статических ха- рактеристик ВД, и в частности, для случая компенсации инерционности УПУ. Таким образом, методика [9] применима только для ЭП с аналоговой системой управления и требует дополнения и развития для случая цифрового управле- ния. Для применения методики [9] к цифровым ЭПВД требуется изменение этапа проектирования УПУ. В трудах отечественных ученых, специализирующихся на исследовании ЭПВД, Аракеляна А.К. [3], Лебедева Н.И.[77], Микерова А.Г.[84], Овчинникова И.Е. [96], Соколовского Г.Г.[121,122], Столова Л.И., Афанасьева А.Ю. [124] рассмотрение вопросов, связанных с исследованием ЭПВД с МК отсутствует. В настоящее время известно большое количество работ, посвященных системам управления исполнительными электроприводами с ВД [16,17,31,32,48,80] и синтезу цифровых регуляторов тока, скорости и положе- ния [41,60,69,81,116]. Отличительной особенностью ЭП с машинами переменного тока является влияние постоянных времени ЭП на статические и динамические характери- стики [178]. Инерционность ПК, УМ и СЭМП обуславливает нелинейность ста- тических характеристик ЭПВД [74,83,97]. Существуют три основных решения, позволяющих добиться компенсации влияния постоянных времени ЭПВД: 1. Организация структуры ЭПВД по принципу систем подчиненного регули- рования [60], при этом синтез регуляторов тока и скорости производится с уче- том постоянных времени ЭПВД [48]. Введение отрицательной обратной связи по току и регулятора тока снижает влияние на характеристики ЭПВД электро- магнитной постоянной времени СЭМП и постоянной времени УМ [60]. Введе- ние обратной связи по скорости и регулятора скорости снижает влияние посто-