Разработка и реализация на ПЛИС энергоэффективных способов импульсного управления системами "усилитель мощности - электродвигатель" на основе методов автоматизированного проектирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, доктор технических наук Кривилев, Александр Владимирович

• Кривилев, Александр Владимирович
• доктор технических наук
• 2013

Оглавление диссертации доктор технических наук Кривилев, Александр Владимирович

Введение

Глава 1. Разработка классификации методов импульсного управления.

1.1. Обзор методов коммутации и вариантов их классификации.

1.2. Классификация импульсных режимов.

1.3. Классификация методов коммутации.

1.4. Выводы к главе.

Глава 2. разработка автоматизированного метода синтеза управляющих булевых функций.

2.1. Описание предлагаемого метода.

2.1.1. Анализ условий работы мехатронного модуля.

2.1.1.1. Анализ электромагнитных процессов.

2.1.1.2. Анализ типов широтно-импульсного сигнала.

2.1.1.3. Анализ подходов к формированию паузы.

2.1.2. Формализация условий работы.

2.1.2.1. Формирование базовых переменных и функций.

2.1.2.2. Формирование импульсных переменных.

2.1.2.3. Определение минимально-необходимой системы переменных и функций.

2.1.3. Формализация метода коммутации.

2.1.4. Создание таблицы состояний.

2.1.5. Формирование аналитических выражений.

2.1.6. Визуализация результатов синтеза.

2.1.7. Анализ состояний и переходов.

2.1.8. Экспорт результатов.

2.2. Применение разработанного метода.

2.2.1. Двигатель постоянного тока.

2.2.2. Трёхфазный вентильный двигатель.

2.3. Выводы к главе.

Глава 3. разработка автоматизированного метода анализа управляющего слова.

3.1. Описание метода.

3.1.1. Определение множества состояний управляющего слова.

3.1.2. Создание множества наборов значений логических переменных.

3.1.3. Создание матриц условий переходов.

3.1.4. Формирование паттернов ограничений.

3.1.5. Применение паттернов ограничений.

3.1.6. Составление модифицированной матрицы смежности.

3.1.7. Визуализация результатов.

3.2. Программная реализация.

3.3. Применение разработанного метода.

3.4. Выводы к главе.

Глава 4. формирование математического описания цифрового устройства управления.

4.1. Описание входных сигналов.

4.2. Описание структуры и внутренних сигналов.

4.2.1. Блоки загрузки входных данных.

4.2.2. Блок преобразования загруженного кода управления.

4.2.3. Блок преобразования загруженного кода разрядности.

4.2.4. Блок преобразования загруженного кода частоты.

4.2.5. Блок преобразования загруженного кода паузы.

4.2.6. Блок формирования логических переменных.

4.2.6.1. Блок первичной обработки данных.

4.2.6.2. Блок вторичной обработки данных.

4.2.7. Блок приёма сигналов о положении ротора.

4.2.8. Блок формирования управляющих булевых функций.

4.2.9. Состояния цифрового устройства управления.

4.2.10. Генератор импульсов.

4.3. Выходные сигналы цифрового устройства управления.

4.4. Выводы к главе.

Глава 5. разработка описания цифрового устройства управления на языке описания цифровой аппаратуры.

5.1. Описание цифрового устройства управления двигателем постоянного тока.

5.2. Проверка описания цифрового устройства управления двигателем постоянного тока.

5.3. Описание цифрового устройства управления трёхфазным вентильным двигателем.

5.4. Проверка описания цифрового устройства управления трёхфазным вентильным двигателем.

5.5. Выводы к главе.

Глава 6. Разработка автоматизированных подходов к получению математических описаний статических харакери-стик системы «иум — ид» и их исследованию с помощью демонстрационных панелей.

6.1. Автоматизированный подход к получению математического описания и построению механических характеристик.

6.1.1. Первый импульсный режим.

6.1.2. Второй импульсный режим.

6.1.3. Третий импульсный режим.

6.1.4. Четвёртый импульсный режим.

6.1.5. Пятый импульсный режим.

6.1.6. Методы коммутации.

6.1.6.1. Методы Н и П.

6.1.6.2. Метод С.

6.1.6.3. Метод д.

6.1.6.4. Методы НД и ПД.

6.1.6.5. Методы СН и СП.

6.1.7. Демонстрационная панель.

6.2. Автоматизированный подход к получению математического описания и построению регулировочных характеристик.

6.2.1. Первый импульсный режим.

6.2.2. Второй импульсный режим.

6.2.3. Третий импульсный режим.

6.2.4. Четвёртый импульсный режим.

6.2.5. Пятый импульсный режим.

6.2.6. Методы коммутации.

6.2.6.1. Методы Н и П.

6.2.6.2. Метод С.

6.2.6.3. Метод Д.

6.2.6.4. Методы НД и ПД.

6.2.6.5. Методы СНиСП.

6.2.7. Демонстрационная панель.

6.3. Трёхфазный вентильный двигатель.

6.4. Выводы к главе.

Глава Т. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПОДХОДА К ПОЛУЧЕНИЮ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ «ИУМ — ИД» И ИССЛЕДОВАНИЮ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ С ПОМОЩЬЮ ДЕМОНСТРАЦИОННОЙ ПАНЕЛИ.

7.1. Первый импульсный режим.

7.2. Второй импульсный режим.

7.3. Третий импульсный режим.

7.4. Четвёртый импульсный режим.

7.5. Пятый импульсный режим.

7.6. Методы коммутации.

7.7. Демонстрационная панель.

7.8. Выводы к главе.

Глава 8. ФОРМИРОВАНИЕ ОСНОВ СОЗДАНИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ МЕХАТРОННЫХ МОДУЛЕЙ И ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСОВ НА ИХ ОСНОВЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПОСТРОЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК.

8.1. Разработка структуры программного комплекса.

8.2. Моделирование мехатронного модуля на основе ДПТ.

8.2.1. Разработка компьютерной модели мехатронного модуля.

8.2.2. Создание модулей автоматизации выполнения расчёта и отображения результатов.

8.2.3. Анализ состояний мехатронного модуля, статических и энергетических характеристик

8.2.3.1. Метод С.

8.2.3.2. Метод Н.

8.2.3.3. Метод П.

8.2.3.4. Метод д.

8.2.3.5. Метод НД.

8.2.3.6. Метод ПД.

8.2.3.7. Метод СН.

8.2.3.8. Метод СП.

8.3. Моделирование мехатронного модуля на основе трёхфазного ВД

8.3.1. Разработка компьютерной модели мехатронного модуля.

8.3.2. Анализ состояний мехатронного модуля, статических и энергетических характеристик

8.3.2.1. Способ 120-градусного управления.

8.3.2.2. Метод 120С.

8.3.2.3. Метод 120Н.

8.3.2.4. Метод 120П.

8.3.2.5. Метод 120ПЭ.

8.3.2.6. Метод 120Д.

8.3.2.7. Метод 120ПД3.

8.3.2.8. Метод 120СН.

8.4. Выводы к главе.

Глава 9. ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАБОТЫ СИСТЕМ «ИУМ — ИД» ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДОВ ИМПУЛЬС

9.1. Разработка программного обеспечения для автоматизации формирования входных сигналов.

9.2. Разработка макетных образцов систем приводов.

9.3. Анализ состояний макета системы привода.

9.3.1. Способ сто двадцатиградусного управления.

9.3.2. Метод 120С.

9.3.3. Первый вариант метода 120Н.

9.3.4. Второй вариант метода 120Н.

9.3.5. Метод 120П.

9.3.6. Метод 120Д.

9.4. Выводы к главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и реализация на ПЛИС энергоэффективных способов импульсного управления системами "усилитель мощности - электродвигатель" на основе методов автоматизированного проектирования»

Одними из первоочередных задач промышленно развитых стран являются увеличение доли вырабатываемой электрической энергии на основе возобновляемых видов энергии, переход на электрифицированные воздушные и наземные транспортные средства и сельскохозяйственные машины, а также внедрение в этапы проектирования, производства и сопровождения многофункциональных автоматизированных программных и аппаратных комплексов.

Переход на электрифицированные воздушные и наземные транспортные средства и сельскохозяйственные машины сопряжён с совершенствованием существующих электротехнических комплексов и с разработкой новых образцов на базе высокоэффективных электрических двигателей и методов их управления, которые позволят существенно снизить энергопотребление.

Основными потребителями электрической энергии являются электрические двигатели, доля потребления которых составляет ~ 43 %, существенно превышая доли потребления на освещение « 20 %, отопление « 18 % и электронное оборудование « ю % [342]. Электрические двигатели применяются в промышленном (64 %), коммерческом (20 %), жилом (13 %), сельскохозяйственном и транспортном (3 %) секторах. В зависимости от развиваемой мощности электрические двигатели подразделяются на двигатели малой (до 750 Вт), средней (от 0,75 до 375 кВт) и большой (от 375 кВт) мощности. Около 90 % выпускаемых в мире электродвигателей являются двигателями малой мощности, около ю % — двигателями средней мощности и около 0,03 % — двигателями большой мощности. Двигатели малой мощности потребляют « g % от всей потребляемой электрическими двигателями энергии, средней мощности — « 68 % и большой мощности — ~ 23 %.

Первый электрический двигатель был создан в 1834 году Б. С. Якоби (Moritz Hermann von Jacobi) после нескольких лет непрерывных исследований, которые проводили французы Ш. Э. де Кулон (Charles-Augustin de Coulomb), А-М. Ампер (André-Marie Ampère) и Д. Ф. Ж. Араго (Domenique François Jean Arago), датчанин X. К. Эрстед (Hans Christian 0rsted), ита

Кп п ф,о

Фс,Пс

ЦУМ м СМВ м ЦУУ -

Кс

ИУМ ид

МП

Датчики и преобразователи

Рис. 1. Структура цифрового следящего электропривода льянец А. Вольта (Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Gerolamo Umberto Volta), англичане M. Фарадей (Michael Faraday), П. Барлоу (Peter Barlow) и У. Стёрджен (William Sturgeon), венгр А. И. Йедлик (Anyos Istvan Jed-lik), немец Г. С. Ом (Georg Simón Ohm), американец Дж. Генри (Joseph Henry) и русский Э. X. Ленц. Этот двигатель преобразовывал энергию батареи с гальваническими элементами во вращательное движение ротора при помощи механического коммутатора и содержал постоянные магниты. Дальнейшие работы в области преобразования электрической энергии в механическую привели к появлению других типов двигателей и созданию их промышленных образцов. Варианты классификации существующих электрических двигателей можно найти в [259,272,342].

Электрические двигатели применяются преимущественно в электроприводах авиационного, космического, аэродромного, горнодобывающего, нефтегазового и климатического оборудования, а также военной, медицинской, автомобильной, бытовой, офисной и сельскохозяйственной техники. Структура современного цифрового следящего электропривода, представляющего собой сложный электротехнический комплекс, представлена на рис. 1, где используются следующие обозначения: ЦУМ — цифровая управляющая машина; СМВ — специализированный микропроцессорный вычислитель; АЦП — аналого-цифровой преобразователь; ЦУУ — цифровое устройство управления; ИУМ — импульсный усилитель мощности; ИД — исполнительный двигатель; МП — механическая передача; Кс — цифровой код обратной связи, который может содержать информацию о текущих значениях фазных напряжений и токов, угловых скоростей и углов поворота двигателя и выходного вала и т.д.; — сигналы о текущем положении ротора; Ку — вычисленный цифровой код управления; Í7iv.,n — управляющие булевы функции;

Uцвj ^дв ~ соответственно фазные напряжения и токи; П(ПС), ф (фс) — соответственно скорость и угол поворота выходного вала двигателя (привода).

На сегодняшний день одними из наиболее эффективных электродвигателей с точек зрения надёжности, безопасности, срока эксплуатации, жёсткости механических характеристик, максимальной развиваемой скорости, акустических, объёмно-массовых и энергетических показателей являются вентильные двигатели, рынок которых динамично развивается [102,146,253,343]. В англоязычной литературе для обозначения вентильных двигателей используются следующие сокращения: BLDC — brushless direct current; ЕС — electronically commutated; PMSM — permanent magnet synchronous machine; BLAC — brushless alternating current. Первые два термина применяются, когда речь идёт о машинах с трапециевидной формой противо-ЭДС, а третий и четвёртый используются для машин с противо-ЭДС в виде синусоиды.

Появление, развитие теории и конструктивных решений, а также популяризация ВД связаны с именами отечественных и зарубежных учёных, научных работников и инженеров, среди которых следует отметить Н. П. Адво-лоткина [12,15], А. К. Аракеляна [18,19], А. А. Афанасьева [18,20], Г. И. Ба-бата [1], В. А. Балагурова [21,22], Ю.М. Беленького [23,24], А. И. Бертино-ва [25-27], Х.Д. Брейлсфорда (H.D. Brailsford, США) [308,309], Д. А. Бута [30,31], Ф. И. Бутаева [4,32], И. А. Вевюрко [6], О. Г. Вегнера [2,50], В. Е. Высоцкого [35], Я. Гераса (J. F. Gieras, Польша-США) [253], В. Т. Гращенкова [14, 15,148], А. А. Дубенского [7,26,47,48], Д. А. Завалишина [2,50,51], Л. Я. Зин-нера [11,56], Т. Кенио (Т. Kenjo, Япония) [58,272], Р. Кришнана (R. Krish-nan, США) [273], Н.И. Куликова [106,149], Н. И. Лебедева [15,110,140,150], В. К. Лозенко [13,21,22], А. Г. Микерова [23,24,117,295], В. П. Миловзоро-ва [34,119], И. Е. Овчинникова [15,140-142], Ш. И. Лутидзе [111], А. И. Скоро-спешкина [11,56], Б.Н. Тихменева [164,165], Д. Хансельмана (D. Hanselman, USA) [259], Р. Цаубитцера (R. Zaubitzer, Германия) [351,352], В. В. Цокано-ва [8,170,171], Чанг-лян Ся (Chang-liang Xia, Китай) [343], Е.Л. Эттинге-ра [3,32,51].

Ведущими зарубежными производителями ВД являются компании ЗХ Motion Technologies Co., Ltd (Китай) [180], Adlee Powertronic Co., Ltd (Тайвань) [181], Aerotech, Inc. (сша) [182], Anaheim Automation, Inc. (сша) [186], Aveox, Inc. (сша) [225], Brailsford к Co., Inc. (сша) [226], Bühler Motor GmbH (Германия) [348], Changzhou Fulling Motor Co., Ltd (Китай-Германия-Италия) [228], Composite Motors, Inc. (сша) [229], Dunkermotoren (Германия) [349], ebm-papst (Германия) [241], ElectroCraft, Inc. (сша) [243], erntec Pty Ltd (Австралия), Fracmo (Великобритания) [247], Gefran (Италия) [252], Golden Motor Techology Co., Ltd (Китай) [254], Hurst (сша) [265], I.CH Motion (Китай) [266], Kählig Antriebstechnik GmbH (Германия) [350], Lin Engineering (сша) [281], Maxon Motor AG (Германия-Швейцария) [290], Moog, Inc. (сша) [297], Moteur Industrie (Франция) [354], Nova Torque, Inc. (сша) [299], Oriental Motor (Япония) [305], OSM Technology Co., Ltd (Китай) [306], Parker Hannifin Со. (сша) [307], Parvalux Electric Motors Ltd (Великобритания) [312], Pittman Motors (сша) [313], Portescap (сша) [314], Shenzhen Xinhe Motor Co., Ltd (Китай) [321], Telco Motion (сша) [328], The FAULHABER Group (Германия-Швейцария) [330]. Среди отечественных производителей вд и готовых изделий на их основе выделяются следующие компании: зао «Электротехнические системы 1» (г. Санкт-Петербург) [55], кб Мехатроники (г. Златоуст) [57], нтц «вдм-Технологии» (г. Москва) [122], оао «Аэроэлектромаш» (г. Москва) [124], оао «Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт электромашиностроения» (г. Санкт-Петербург) [126], оао «Машиноаппарат» (г. Москва) [130], оао «МиассЭлектроАппарат» (г. Миасс) [131], оао «Концерн "цнии «Электроприбор»"» (г. Санкт-Петербург) [129], оао нтц «Завод Ленинец» (г. Санкт-Петербург) [135]. оао «Электромашиностроительный завод "ЛЕПСЕ"» (г. Киров) [138], оао «Электропривод» (г. Киров) [139], ооо «ритэк-итц» (г. Москва) [143], ооо «рэлма» (г. Москва) [144], ооо «рэл-ма-Старт» (г. Москва) [145], Сервомоторы (г. Москва) [162], Чебоксарский электроаппаратный завод (г. Чебоксары) [172].

Появление кремниевого планарного транзистора позволило создать на рубеже 50-х и бо-х гг. xx века первые образцы полупроводниковых усилителей мощности, обеспечивающих круговой поворот вектора магнитодвижущий силы якоря за счёт изменения контуров протекания тока. В дальнейшем появились первые промышленные варианты ВД. В настоящее время в РФ и за рубежом ведутся работы над созданием новых и совершенствованием существующих полупроводниковых элементов силовой электроники, а также над поиском более лучших схемных решений на их основе при разработке интеллектуальных модулей и предварительных драйверов усиления, позволяющих реализовать наиболее эффективное преобразование электрической энергии при импульсном управлении электрическими двигателями как постоянного, так и переменного тока [49, 62,154,161,175, 227, 244, 258, 315]. Ведущими зарубежными компаниями в области силовой электроники на сегодняшний день являются Alpha & Omega Semiconductor (США) [184], Cree, Inc. (США) [230], Fairchild Semiconductor International, Inc. (США) [246], Fuji Electric Co., Ltd (Япония) [249], Hitachi, Ltd (Япония) [260], Infineon Technologies AG (Германия) [267], International Rectifier (США) [268], IXYS Co. (США) [271], Maxim Integrated Products, Inc. (США) [289], Microsemi Co. (США) [294], Mitsubishi Electric Co. (Япония) [296], ON Semiconductor (США) [303], Renesas Electronics Co. (Япония) [316], SEMIKRON Elektronik GmbH & Co. (Германия) [353], STMicroelectronics (Швейцария) [325], Texas Instruments, Inc. (США) [329], Vishay Intertechnology, Inc. (США) [339]. Среди отечественных компаний, занимающихся разработкой элементов силовой электроники и схемотехнических решений на их основе, следует выделить следующие: ЗАО «НТЦ Схемотехники и интегральных технологий» (г. Брянск) [52], ЗАО «Протон-Импульс» (г. Орёл) [54], ОАО «Ангстрем» (г. Зеленоград) [123], ОАО «Воронежский Завод Полупроводниковых Приборов-Сборка» (г. Воронеж) [125], ОАО «ГЗ «Пульсар» (г. Москва) [127], ОАО «ОКБ «Искра» (г. Ульяновск) [136], ОАО «Контур» (г. Чебоксары) [128], ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск) [137], Филиал «Фрязинский завод мощных транзисторов» ОАО «ЦНИИ «Дельфин» (г. Фрязино) [167]. Разработки в области полупроводниковой техники сопряжены с созданием и совершенствованием математических моделей элементов силовой электроники и их реализацией в виде SPICE-моделей, которые в дальнейшем можно использовать при моделировании работы как отдельных силовых модулей, так и всего электротехнического комплекса в современных системах моделирования. Как правило, зарубежные компании, которые специализируются в этой области, наряду с новыми компонентами предлагают и их SPlCE-модели. Наиболее полные списки ссылок на электронные ресурсы бесплатных и коммерческих SPICE-моделей различных фирм-разрабочиков можно найти в [311].

Формирование энергоэффективных методов управления электрическими двигателями было бы невозможно без современных надёжных, высокоскоростных и компактных датчиков обратной связи и аналого-цифровых преобразователей, которые обеспечивают своевременное и надёжное получение информации о текущих значениях координат силового канала электротехнического комплекса (напряжений и токов в фазах двигателя, токе источника питания, угловой скорости и текущем положении ротора двигателя). В настоящее время ведущими зарубежными производителями датчиков обратной связи и АЦП являются следующие фирмы: Allegro MicroSystems, Inc. (США) [183], Analog Devices, Inc. (США) [187], Diodes, Inc. (cmA) [238], Honeywell International, Inc. (США) [261], Intersil Co. (cmA) [269], LEM (Швейцария) [280], Linear Technology Co. (США) [282], Maxim Integrated Products, Inc., Melexis Microelectronic Integrated Systems N.V. (Бельгия) [292], ROHM Co., Ltd (Япония) [318], Silicon Laboratories, Inc. (США) [322], Texas Instruments, Inc. Среди отечественных производителей датчиков обратной связи и АЦП необходимо выделить следующие компании: ОАО «Ангстрем», ОАО «НИИМЭ и Микрон» (г. Москва) [132], ОАО «НИИЭМ» (г. Истра) [133].

На сегодняшний день наиболее эффективным методом управления скоростью вращения ротора двигателя являются импульсный метод на основе ШИС. Существенный вклад в становление теории импульного управления электродвигателями, её развитие, популяризацию, а также реализацию предлагаемых подходов на практике в сложных электротехнических комплексах у нас в стране и за рубежом внесли следующие учёные и инженеры: К. Блау-фусс (К. BlaufuB, Германия) [347], У. Браун (W. Brown, США) [195], С. Г. Герман-Галкин [37,176], Т. А. Глазенко [38-42], П. Грасблум (P. Grasblum, Чехия) [255-257], Й. Гольц (J. Holtz, Германия) [263,264], М. Е. Гольц [9,44], О. В. Горячев [45,46], В. Т. Гращенков [14,15], В. Ф. Козаченко [61], Ю. И. Конев [63-65,115], В. Г. Константинов [66,67], О. А. Коссов [68-74], В. С. Кулебакин [104,105], Ю. Б. Кулифеев [107-109], В. Кун (W. Кип, Китай) [341], Н. И. Лебедев [140], Р. Лопез (R. Lopez, США) [310], Е. В. Машуков [64,114116], В. Г. Нагорский [105,120,121], И. Е. Овчинников [140], Д. Ом (D. Ohm, США) [302], В. М. Остреров [9,44], Б. И. Петров [147,153,178], В. А. Полковников [155,178], Б. Н. Попов [155-158,163], С. Б. Резников [29,160], Ю. Н. Розно [43,64,65], А. М. Селезнев [10], О. И. Хасаев [73,169], Д. Холмс (D. Holmes, Австралия) [262], Л. А. Шпиглер [9,44,177].

Несмотря на имеющиеся достижения в области импульсного управления электрическими двигателями отсутствует системный подход к представлению и описанию методов импульсного управления, охватывающий математическое описание цифровых сигналов, физических процессов, механических, регулировочных и энергетических характеристик двигателя и позволяющий определить энергоэффективный метод (способ) импульсного управления для рассматриваемого случая. Под энергоэффективным методом импульсного управления понимается метод, при котором отсутствуют сквозные и прерывистые токи, ключевые элементы равномерно загружены по току, а дополнительные потери мощности вследствие пульсаций тока в фазах двигателя и переключений ключевых элементов импульсного усилителя мощности являются минимальными.

Со второй половины 8о-х годов начинают появляться однокристальные контроллеры (controllers) для управления электродвигателями без возможности изменения реализованных в них алгоритмов коммутации силовыми элементами усилителей мощности. Наиболее яркими представителями данного направления являются контроллеры фирм Motorola Semiconductor (в настоящее время ON Semiconductor), Philips Electronics N. V. (сейчас NXP Semiconductors N.V. (Нидерланды) [300]), Micro Linear Co. (была куплена в 2006 году компанией RH Micro Devices, Inc. (США) [317]) и Unitrode Co. (была приобретена в 1999 Г0ДУ фирмой Texas Instruments, Inc.) [197,232-237].

С появлением в конце XX века микроконтроллеров (microcontrollers), цифровых сигнальных процессоров (digital signal processors, DSP) и программируемых логических интегральных схем (complex programmable logic devices, CPLD и field programmable gate arrays, FPGA) стало возможным на уровне пользователя/разработчика реализовывать многофункциональные цифровые алгоритмы импульсного управления внутри одной микросхемы. Наиболее известными зарубежными фирмами-производителями специализированных микроконтроллеров для управления электрическими двигателями являются Atmel Со. (США) [223], Cypress Semiconductor Со. (США) [231], Freescale Semiconductor, Inc. (США) [248] (до 2004 года Motorola Semiconductor), Fujitsu Semiconductor Ltd (Япония) [251], Infineon Technologies AG, Microchip Technology, Inc. (США) [293], NXP Semiconductors N.V., Renesas Electronics Co., Samsung Electronics (Южная Корея) [319], Silicon Laboratories, Inc., STMicroelectronics, Texas Instruments, Inc., Zilog, Inc. (США) [346]. Среди отечественных производителей микроконтроллеров выделяются ЗАО «ПКК Миландр» (г. Зеленоград) [53], ОАО «Ангстрем», ОАО «НИИЭТ» (г. Воронеж) [134]. Наряду с микроконтроллерами фирмы-производители предлагают необходимые программные средства, варианты цифровых алгоритмов управления двигателями в виде готовых программ и демонстрационные (обучающие) комплекты, которые, помимо микроконтроллера, включают элементы силовой электроники, двигатель и датчики обратной связи [189-195,200, 202,204-208,210-213,216-219,221,222,250,256,257].

Цифровые сигнальные контроллеры (digital signal controllers, DSC), построенные на основе цифровых сигнальных процессоров, обладают более высоким быстродействием и предлагают более широкие возможности в сравнении с микроконтроллерами на базе 8-ми и 16-разрядных микропроцессоров. Таким образом, при помощи ЦСК можно реализовать более совершенные алгоритмы управления электрическими двигателями. В настоящее время ведущими фирмами-производителями в данном секторе являются Freescale Semiconductor, Inc., Microchip Technology, Inc. и Texas Instruments, Inc. Существует и отечественный аналог 1867ВЦ5Т, выпускаемый ОАО «НИИЭТ», хорошо зарекомендовавшего себя ЦСК TMS320F240 компании Texas Instruments, Inc. Также как и в случае с микроконтроллерами, фирмы-производители цифровых сигнальных контроллеров и связанные с ними разработчики предлагают программные средства для разработки и отладки, видеоуроки, демонстрационные примеры и оценочные комплекты для быстрого ознакомления с принципами их работы и возможностями их использования для эффективного управления электрическими двигателями [103,118,196,198,199,201,203, 214,215,255,332].

Программируемые логические интегральные схемы позволяют реали-зовывать самые быстродействующие цифровые алгоритмы управления электрическими двигателями. В настоящее время широко известными производителями ПЛИС являются Altera Со. (США) [185], Lattice Semiconductor Co. (США) [279], Microsemi Со. и Xilinx, Inc. (США) [344]. Наряду с микросхемами разработчики ПЛИС предлагают системы автоматизированного проектирования, обучающие комплекты и интеллектуальные блоки (IP cores) в виде параметризованных модулей, содержащих алгоритмическое или структурное описание работы устройства на языке описания аппаратуры. На сегодняшний день в свободном доступе находятся описания следующих микропроцессоров с программным ядром (softcore microprocessor): LatticeMico32, OpenRISC и PicoBlaze. Применение в разработках настраиваемых модулей приводит к значительному сокращению времени проектирования цифровых устройств управления. В случае использования языков описания аппаратуры появляется свобода в выборе производителя микросхем программируемой логики и возможность реализации проверенного проекта на отечественных БМК [123]. Наиболее известными языками описания аппаратуры являются AHDL, SystemC, Verilog, VHDL [17,28,112,338]. Существуют примеры использования ПЛИС для управления электродвигателями [220,326].

В первой декаде XXI века фирмы Altera Co., Cypress Semiconductor Co., Microsemi Co. и Xilinx, Inc. освоили производство новых высокопроизводительных программируемых микросхем с минимальным потреблением, в которых в одном корпусе аппаратно реализованы компоненты ЦСК (мк) и ПЛИС. Такие устройства получили название «Система на кристалле» (System on Chip, SoC или Programmable System on Chip, PSoC). Фирма Microsemi Co. предлагает микросхемы SmartFusion, в которых аппаратно реализованы не только элементы ЦСК и программируемой логики, но и аналоговые компоненты, обеспечивающие примём и обработку аналоговых сигналов. Совместно с аппаратной частью и автоматизированными средствами проектирования фирмы предлагают варианты использования своих изделий для управления современными электрическими двигателями [336,337].

В настоящее время наиболее перспективным направлением в разработке цифровых устройств, реализующих управление системой «импульсный усилитель мощности - электродвигатель», является направление, в котором цифровые алгоритмы реализуются на основе программируемой логики. В этом случае достигаются максимальная гибкость, высокая надёжность, наивысшее быстродействие, минимальные габариты, низкое электропотребление, независимость описания работы устройства от архитектуры производителя, быстрый переход на отечественные базовые матрицные кристаллы для военных применений и т. д. Основным сдерживающим фактором широкого применения программируемой логики в приводных системах является отсутствие достаточно хорошо проработанного теоретического аппарата и методов автоматизированного проектирования, которые позволили бы с минимальными трудозатратами разрабатывать цифровые устройства, реализующие энергоэффективные алгоритмы импульсного управления современными системами «усилитель мощности - электродвигатель».

Разработка энергоэффективных алгоритмов управления связана с исследованиями физических процессов, происходящих в силовой части, и оценкой информационных сигналов, формируемых датчиками обратной связи и цифровым устройством управления. Основным подходом для исследования работы сложных динамических систем, включающих цифровую и аналоговую части, линейные и нелинейные элементы, размерные и безразмерные сигналы, является подход, на основе применения сред (пакетов, инструментальных средств, комплексов, виртуальных лабораторий, приложений) имитационного моделирования, которые позволяют заменить реальное устройство его математической моделью (имитатором) и провести с ней расчётные эксперименты с произвольными наборами исходных данных [59]. Наиболее известными средами имитационного моделирования являются 20-sim [179], Dy-mola [239], Easy-5 [240], Ecosim Pro [242], LabVIEW [278], LMS Imagine.Lab AMESim [283], MapleSim [285], N1 Multisim [298], OpenModelica [304], Sim-ulationX [323], Simulink [324], SystemModeler (ранее MathModelica) [327],

VisSim [340] и XCos (прежде SciCos) [345]. Как правило, в библиотеку блоков среды моделирования входят блоки электрических двигателей и элементов силовой электроники, в которых на используемом языке моделирования реализованы хорошо известные их математические модели.

Формирование статических и. энергетических характеристик сложной динамической системы на основе компьютерной модели требует существенных вычислительных ресурсов и больших временных затрат. Одним из наиболее эффективных в настоящее время подходов, приводящих к значительному сокращению времени формирования характеристик, является подход, при котором автоматически создаётся несколько экземпляров компьютерной модели с соответствующими наборами исходных данных и выполняется их одновременный расчёт на доступных ядрах процессора или кластерах суперкомпьютера. В случае задействования данного подхода необходимо использовать одну из систем компьютерной математики, позволяющую не только организовывать параллельные или распределённые вычисления с привлечением мощных вычислительных ресурсов, но и существенно облегчить ввод наборов исходных данных и анализ полученных результатов. Известными СКМ, которые тесно связаны с одной из многофункциональных систем моделирования, являются Maple (с системой моделирования MapleSim) [284], Mathematica (с SystemModeler) [286], matlab (с Simulink) [287] и Scilab (с XCos) [320]. В настоящее время наиболее простой в использовании является связка пакетов matlab — Simulink — Parallel Compluting Toolbox (matlab Distributed Computing Server).

Внедрение специализированных программных средств в этапы проектирования сложных электротехнических комплексов даёт возможность значительно сократить трудозатраты на разработку конкурентоспособной техники гражданского и военного назначения. При создании приложений данного класса необходимо использовать СКМ, которые предоставляют в распоряжение разработчику: язык программирования, поддерживающий различные стили программирования; набор функций для выполнения численных расчётов и символьных операций с произвольной точностью; развитые графические средства для статического и динамического отображения результатов в наглядном виде; среду разработки графического интерфеса пользователя, а также дополнительные пакеты, которые содержат уникальные алгоритмы из различных областей знаний [16,84,334]. На сегодняшний день одной из самых функциональных СКМ является система Ма^ета^са.

С учётом изложенного выше целью диссертационной работы является разработка основ проектирования цифровых устройств, реализующих на базе программируемой логики энергоэффективные способы импульсного управления системами «усилитель мощности - электродвигатель».

Для достижения указанной цели необходимо было поставить и решить следующие задачи:

1. Выполнить обзор существующих подходов к проектированию цифровых устройств, которые реализуют алгоритмы импульсного управления, а также подходов к импульсному управлению электрическими двигателями с целью систематизации имеющихся способов управления и разработки терминологии и классификации методов импульсного управления системой «усилитель мощности - электродвигатель».

2. Разработать автоматизированные методы синтеза и анализа управляющих функций с целью получения их описаний и сокращения времени на исследования условий возникновения тока короткого замыкания и сквозных токов, а также равномерности загрузки по току и цикличности переключений ключевых элементов.

3. Сформировать структуру цифрового устройства управления и его математического описания, на основе которых можно реализовывать быстродействующие и энергоэффективные цифровые алгоритмы импульсного управления системами «усилитель мощности - электродвигатель».

4. Создать на языке описания цифровой аппаратуры интеллектуальные блоки цифрового устройства управления в виде модулей с настраиваемыми параметрами для сокращения сроков ввода в эксплуатацию электротехнических систем с цифровым управлением.

5. Разработать автоматизированные подходы к получению аналитических выражений и исследованию механических, регулировочных и энергетических характеристик с учётом дополнительных потерь мощности, которые дают возможность для рассматриваемого случая сформировать соответствующие характеристики и определить наиболее приемлемые параметры двигателя, метод импульсного управления и частоту широтно-импульсного сигнала.

6. Сформировать структуру и реализовать высокопроизводительные программные комплексы на базе компьютерных моделей электротехнических систем с использованием параллельных или распределённых вычислений для существенного сокращения времени на получение и анализ эпюр цифровых и аналоговых сигналов, механических, регулировочных и энергетических характеристик.

7. Создать макеты мехатронных модулей с системами «усилитель мощности - электродвигатель» и цифровым устройством управления и провести экспериментальные исследования для подтверждения справедливости разработанных теоретических положений, достоверности созданных компьютерных моделей и отсутствия ошибок в описаниях интеллектуальных блоков.

Характер перечисленных задач повлиял на структуру размещения материала в диссертационной работе, которая состоит из введения, девяти глав, заключения, списка использованных источников и шести приложений.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Кривилев, Александр Владимирович

9.4. Выводы к главе

Созданы лабораторные макеты приводов на базе обычного ДПТ и трёхфазного ВД, которые включают платы ИУМ и ЦУУ и позволяют реализовать в цифровом виде методы импульсного управления исполнительными механизмами и выполнить исследования их основных координат. Плата ЦУУ содержит ПЛИС, в которой может быть реализован цифровой алгоритм управления исполнительным механизмом, и ряд дополнительных элементов, позволяющих принимать входные сигналы, передавать управляющие сигналы на вход платы ИУМ и просматривать текущие значения внутренних цифровых сигналов и сигналов о положении ротора двигателя. На плате ИУМ располагаются наборы элементов для каждой стойки, состоящие из драйвера усиления и двух MOSFET-транзисторов, а также элементы, позволяющие принимать цифровые сигналы с платы ЦУУ и осуществлять двунаправленную передачу электрической энергии между источником питания и обмоткой двигателя. Наряду с указанными платами лабораторные макеты содержат целый набор проводов, обеспечивающих соединение элементов приводов между собой и с источником питания. Совместно с платами ЦУУ и ИУМ для трёхфазного ВД разработан датчик положения ротора на базе трёх цифровых датчиков Холла, обеспечивающий необходимое быстродействие при формировании сигналов о положении ротора.

С помощью интегрированной среды разработчика Delphi разработано программное обеспечение, которое позволяет автоматизировать формирование значений цифровых сигналов, постуающих на вход ЦУУ, при проведении экспериментальных исследований работы системы привода с реализованным в ПЛИС цифровым алгоритмом импульсного управления.

Проведены экспериментальные исследования работы систем приводов при различных методах импульсного управления. Результаты экспериментальных исследований представлены в виде осциллограмм, на которых изображены эпюры цифровых сигналов #ь Я2, Я3, PR, SP, Ui, U2, U3, UA, U5 и U6, фазных напряжений относительно «земли» f/д, UB и Uc и относительно нейтральной точки Um, UBm и Ucat, фазных токов гл, гв и гс и тока в источнике питания гпит в течение периода ШИС и на периоде межкоммутационного интервала при вращении вала двигателя в разные стороны в установившемся режиме работы и в случае реверсирования. Приведённые результаты экспериментальных исследований и компьютерного моделирования для всех рассмотренных методов импульсного управления, в которых имеют место токи разных знаков на периоде ШИС и прерывистые токи, качественно совпадают друг с другом, что подтверждает справедливость разработанных теоретических положений и адекватность используемых компьютерных моделей для получения динамических, статических и энергетических характеристик исполнительных механизмов приводов.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Кривилев, Александр Владимирович, 2013 год

1. А. с. 48771 СССР, кл. 2i d2, 41. Однофазный вентильный двигатель / Г. И. Бабат — № 160566; заявл. 09.01.1935; опубл. 31.08.1936.

2. А. с. 48773 СССР, кл. 21 d2, 38. Однофазный вентильный двигатель / О. Г. Вегнер, Д. А. Завалишин — № 168439; заявл. 28.04.1935; опубл. 31.08.1936.

3. А. с. 50506 СССР, кл. 21 d2, 41. Вентильный двигатель / Е. Л. Эттингер — № 188337; заявл. 04.03.1936; опубл. 28.02.1937.

4. А. с. 120590 СССР, кл. 21 g, i408. Бесколлекторный вентиляторный двигатель / Ф. И. Бутаев — № 605332/24; заявл. 04.05.1958; опубл. 01.01.1959.

5. А. с. 133942 СССР, кл. 21 с, 5910; 21 d2, 1203- Электропривод постоянного тока / О. А. Коссов — № 664675/24; заявл. 27.04.1960

6. A.c. 143100 СССР, кл. 2id1,2o; 21 d1, 41; 21 d1, 7. Бесконтактный электродвигатель постоянного тока / И. А. Вевюрко, Ю. В. Разумовский, А. И. Селивахин — №682408/24; заявл. 18.10.1960; опубл. 01.01.1961.

7. А. с. 150547 СССР, мпк Н02К29/06. Двигатель постоянного тока / А. А. Дубенский; заяв. А. А. Дубенский — № 746585; заявл. 02.10.1961; опубл. 01.01.1962.

8. А. с. 167564 СССР, мпк Н02Р. Бесколлекторный реверсивный электропривод постоянного тока / В. В. Цоканов — № 869200/24-7; заявл. 06.12.1963; опубл. 18.01.1965.

9. А. с. 221118 СССР, мпк Н02Р7/24; 02Р3/12. Устройство для управления реверсивным электроприводом постоянного тока / М. Е. Гольц, Г. А. Макаров, В. М. Остреров, Л. А. Шпиглер — № 1084786; опубл. 01.01.1968.

10. А. с. 269265 СССР, мпк Н02Р1/22. Способ управления полупроводниковыми переключателями / А. М. Селезнев — № 1050137/24-7; заявл. 17.1.1966; опубл. 17.04.1970.

11. А. с. 663034 СССР, мпк Н02К29/02. Вентильный электродвигатель / Н. П. Адволот-кин, Р. К. Евсеев; заявитель Предприятие п/я Р-6794 — № 2039840; заявл. 25.06.1974; опубл. 15.05.1979.

12. А. с. 705633 СССР, мпк Н02Р5/16, Но2К2д/о2. Устройство для управления двигателем постоянного тока / В. К. Лозенко; заявитель Московский энергетический институт — № 2052265/24-07; заявл. 06.08.1974; опубл. 25.12.1979.

13. А. с. 902200 СССР, МПК Н02Р13/16. Устройство для управления статическим преобразователем / В. Т. Гращенков; заявитель ВНИИЭМ — 2919581/24-07; заявл. 30.04.1980; опубл. 30.01.1982.

14. Адволоткин Н. П., Гращенков В. Т., Лебедев Н. И. и др. Управляемые бесконтактные двигатели постоянного тока. Л.: Энергоатомиздат, 1984, 160 с.

15. Аладъев В. 3. Системы компьютерной алгебры. Maple: Искусство программирования. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2006, 792 с.

16. Антонов А. П. Язык описания цифровых устройств AlteraHDL. Практический курс. М.: ИП РадиоСофт, 2001, 224 с.

17. Аракелян А. К., Афанасьев А. А. Вентильные электрические машины и регулируемый электропривод: В 2 кн. Кн. 1: Вентильные электрические машины. М.: Энергоатомиздат, 1997, 509 с.

18. Аракелян А. К. Развитие теории электромеханических систем с синхронным двигателем, питаемым от преобразователя с зависимым инвертором тока. Дис. . докт. техн. наук: 05.09.03 (в виде научного доклада) — Чебоксары, 1999, 68 с.

19. Афанасьев А. А., Бабак А. Г., Волокита Е. В., Головизнин С. В., Нестерин В. А., Никифоров В. Е., Николаев А. В., Чихняев В. А. Малоинерционный высокоскоростной магнитоэлектрический беспазовый вентильный двигатель // Электричество, 2007, № 4, с. 28-35.

20. Балагуров В. А., Лозенко В. К. Бесколлекторный двигатель постоянного тока // Труды 3-й Всесоюзной конференции по бесконтактным электрическим машинам. Том II. Рига: «Зинатне», 1966, с. 20-24.

21. Балагуров В. А., Гридин В. М., Лозенко В. К. Бесконтактные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. М.: Энергия, 1975, 127 с.

22. Беленький Ю. М., Зеленков Г. С., Микеров А. Г. Опыт разработки и применения бесконтактных моментных приводов. Л.: ЛДНТП, 1987, 28 с.

23. Беленький Ю. М., Микеров А. Г. Выбор и программирование параметров бесконтактного моментного привода. Л.: ЛДНТП, 1990, 24 с.

24. Бертинов А. И., Лотоцкий В. Л. Бесконтактные электрические машины постоянного тока. М.: Информстандартэлектро, 1967, 68 с.

25. Бертинов А. И., Бут Д. А., Мизюрин С. Р. и др. Специальные электрические машины: Источники и преобразователи энергии. Учеб. пособие для вузов / Под ред. А. И. Бертинова. М.: Энергоиздат, 1982, 552 с.

26. Бибило П. Н. Основы языка УНОЬ: Учебное пособие. Изд. 4-е. М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009, 328 с.

27. Болдырев В. Г., Бочаров В. В., Булеков В. П., Резников С. Б. Электротехническая совместимость электрооборудования авиационных систем. М.: Энергоатомиздат, 1995, 352 с.

28. Бут Д. А. Бесконтактные электрические машины: Учебное пособие для электромеханических и электроэнергетических спец. вузов. М.: Высшая школа, 1990, 416 с.

29. Бут Д. А. Основы электромеханики: Учебное пособие. М.: Изд-во МАИ, 1996, 468 с.

30. Бутаев Ф. И., Эттингер Е. Л. Вентильный электропривод. М-Л.: Госэнергоиздат, 1951, 246 с.

31. Вентильный электропривод: шанс для российских производителей // Оборудование: рынок, предложение, цены. 2004, № 1.

32. Волков Н. И., Миловзоров В. П. Электронные устройства автоматики: Учебное пособие для вузов по спец. «Автотматика и телемеханика». 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1986, 335 с.

33. Высоцкий В. Е. Вентильные двигатели с искусственной коммутацией: Теория, разработка, исследование и использование в электроприводе. Дис. . док. техн. наук: 05.09.01 — Самара, 2005, 4§3 с

34. Гагарин С. А. Автоматизированный синтез цифровых алгоритмов импульсного управления исполнительным механизмом привода с трёхфазным вентильным двигателем. Дис. . канд. техн. наук: 05.02.02 — Москва, 2012.

35. Герман-Галкин С. Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в МАТЬАВ б.о. Учебное пособие. СПб.: КОРОНА принт., 2001, 320 с.

36. Глазенко Т. А. Импульсная система регулирования скорости вращения двигателя постоянного тока с полупроводниковым ключом в цепи якоря для приборов и устройств автоматики // Известия вузов «Приборостроение», 1960, № 6.

37. Глазенко Т. А., Галъбертон Г. А. Регулирование скорости двигателя постоянного тока с полупроводниковым ключом в цепи якоря // Электричество, 1961, № 2.

38. Глазенко Т. А. Полупроводниковые усилители мощности класса Д для систем электромашинной автоматики на постоянном токе (Стенограмма лекций). JL: ЛДНТП, 1963, 6о с.

39. Глазенко Т. А. Импульсные полупроводниковые усилители в электроприводах. М,-JL: Энергия, 1965, 188 с.

40. Глазенко Т. А. Полупроводниковые преобразователи в приводах постоянного тока. JT: Энергия, 1973.

41. Головацкий В. А., Кульечев Б. А., Розно Ю. Н. Устройство управления бесколлекторным двигателем постоянного тока на силовых интегральных схемах // ЭТВА. Сб. ст. под. ред. Ю. И. Конева, вып. 4. М.: Изд-во «Советское радио», 1973, с. 34-37.

42. Гольц М. Е., Гудзенко А. Б., Остреров В. М., Шпшлер Л. А. Автоматизированные электроприводы постоянного тока с широтно-импульсными преобразователями. М.: Энергия, 1972, 112 с.

43. Горячев О. В., Ерошкин Е. А. Амплитудно-частотное управление асинхронными трехфазными двигателями // Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 1999, № 2, с. хх-хх.

44. Горячев О. В., Ерошкин Е. А. Векторное управление асинхронными трёхфазными двигателями // Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 1999, №4, с. хх-хх.

45. Дубенский А. А. К теории бесконтактных двигателей постоянного тока // Труды 3-й Всесоюзной конференции по бесконтактным электрическим машинам. Том II. Рига: «Зинатне», 1966, с. 13-19.

46. Дубенский А. А. Бесконтактные двигатели постоянного тока. М.: Энергия, 1967, 144 с.

47. Дьяконов В. П. Мощные полевые транзисторы: история, развитие и перспективы. Аналитический обзор // Силовая электроника. СПб.: Файнстрит, 2011, № 3, с. 18-28.

48. Завалишин Д. А., Вегнер О. Г. Новые схемы вентильных двигателей // Электричество, 1936, № з, с. 6-13.

49. Завалишин Д. А., Эттингер Е. Л. Перспективы развития вентильного электропривода переменного тока // Электротехника, 1964, № 2, с. 50-53.

50. ЗАО «Научно-технический центр схемотехники и интегральных технологий» — http://www.sitsemi.ru/53.