Разработка высокоэффективных микроконтроллерных модульных систем управления вентильно-индукторными двигателями и базового комплекта программного обеспечения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Семенчук, Виталий Анатольевич

• Семенчук, Виталий Анатольевич
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Семенчук, Виталий Анатольевич

Введение

Глава первая. Обзор традиционных решений в области управления вентильным приводом.

1.1 Классификация вентильно-индукторных двигателей.

1.1.1 Вентильные машины с возбуждением от постоянных магнитов.

1.1.2 Вентильные машины с безобмоточным ротором.

1.1.3 Вентильно-индукторные двигатели с самовозбуждением

1.2 Наиболее распространенные варианты инверторов для вентильного привода.

1.3 Варианты построения системы управления вентильным приводом.

Глава вторая. Организация интерфейсов для эффективного управления ВИП.

2.1 Структура универсального микроконтроллера.

2.2 Регулировочные возможности ВИД.

2.3 Распределение программных и аппаратных ресурсов для решения задач прямого цифрового управления ВИП.

2.3.1 Организация управления ключами.

2.3.2 Распределение ШИМ-выходов контроллера.

2.3.3 Распределение других ресурсов контроллера.

2.4 Организация перекоммутации и рекомендации по выбору датчика положения ротора (ДПР).

2.5 Реализация возможных алгоритмов коммутации для ВИД 8/6.

2.6 Организация необходимых защит и взаимодействие с оператором.

2.6.1 Действия при аварийной ситуации.

2.6.2 Возможности оперативного управления.

Глава третья. Решение основных задач управления

3.1 Определение и ограничение токов в фазах двигателя.

3.1.1 Выбор структуры и способа реализации контура тока.

3.1.2 Оценка временных и точностных характеристик работы регулятора тока,

3.1.3 Резервы оптимизации регулятора тока.

3.2 Обоснование техники построения канала обратной связи по скорости для ВИД.

3.2.1 Методика определения скорости.

3.2.2 Выбор коэффициента деления базового таймера.

3.2.3 Точность измерения скорости.

3.2.4 Методика измерения низких скоростей.

3.2.5 Измерение скорости при нескольких периодах базового таймера между выборками

3.2.6 Программная компенсация погрешностей изготовления ДПР.

3.2.7 Практическая реализация регулятора скорости.

3.3 Взаимодействие программных регуляторов.

3.3.1 Варианты организации задатчика интенсивности.

3.3.2 Организация контура напряжения.

3.3.3 Выбор закона U/n,

3.4 Организация пуска в вентильном режиме.

Глава четвертая. Перспективные возможности управления ВИП.

4.1 Улучшение вибро-акустических характеристик ВИП.

4.2 Бездатчиковое управление ВИП.

4.2.1 Варианты организации бездатчикового управления ВИП.

4.2.2 Метод определения положения по кривой намагничивания.

Глава пятая. Организация программного обеспечения

СУ ВИП.

5.1 Структура программного обеспечения.

5.2 Оценка временных ресурсов процессорной системы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка высокоэффективных микроконтроллерных модульных систем управления вентильно-индукторными двигателями и базового комплекта программного обеспечения»

С 80-х годов в иностранной научно-технической литературе появились материалы о новом перспективном типе электрического привода SRD - Swidched Reluctance Drive. В последние годы практически во всех промышленно развитых странах многими исследовательскими центрами и фирмами ведутся активные разработки этого типа электропривода для различных областей применений. В таком приводе используется очень простая по конструкции и технологии изготовления электрическая машина с неодинаковым числом явновыраженных полюсов на статоре и роторе. На полюсах статора расположены сосредоточенные обмотки. Статорные обмотки переключаются специальным коммутатором в функции положения ротора.

Некоторые электротехнические фирмы продвинулись в своих исследованиях до серийного выпуска таких приводов. В то же время многие специалисты отступили перед возникшими техническими проблемами.

Следует отметить, что работы по электроприводам с индукторными машинами (ИМ) были начаты более 30 лет назад в СССР (проф. Чиликин МП и др., МЭИ) и в Великобритании (проф. Лоуренсон, Лидский университет).

В МЭИ была создана общая теория таких электроприводов [6, 17], построены и испытаны первые образцы, но имеющийся большой задел в указанной области мог быть реализован только в работах по индукторным шаговым двигателям (ШД) малой мощности и дискретному приводу на их основе. Это связано с низкими надежностью и мощностью электронных компонентов тех лет. Поэтому тогда казалось невероятным, что ИД может быть универсальной машиной для разных областей техники и, что электропривод с этой машиной, выполненный на современной элементной базе, будет иметь лучшие технико-экономические характеристики, чем традиционные регулируемые электроприводы.

Отрицательное отношение к использованию индукторных машин для регулируемого электропривода большой мощности базировалось еще и на таких недостатках ШД, как низкий КПД, прерывистость и колебательность движения при низких скоростях, малые воздушные зазоры, плохое использование магнитопровода мощных индукторных генераторов при гребенчатых зонах полюсов и др. Значительную часть этих недостатков можно преодолеть.если есть возможность правильно управлять приводом. С появлением в 80-х годах более совершенной элементной базы зарубежные исследователи опять вернулись к ВИП [46,47]. В настоящее время компания Switched Reluctance Drives Ltd, организованная П.Лоуренсом в 1980 г., занимается проектированием, развитием и лицензированием двигателей и контроллеров. Профессору П. Лоуренсону - известному в Англии специалисту в области теории поля электрических машин и шагового ЭП - принадлежит заслуга в создании SRD большой мощности для трамвая и первой в мире промышленной серии таких электроприводов ( Рн = 4 - 35 кВт). По лицензии SRDL английская фирма Allenwest организовала выпуск общепромышленных ВИП (7,5 - 22 кВт), a Jeffrey Diamond - серию ВИП (35 - 200 кВт) для шахт и других отраслей с тяжелыми условиями работы [39]. В настоящее время фирма SRDL работает с мощностями до 450 кВт. По мнению фирмы к 2000 году от 40% до 60% промышленных изделий различных областей техники будут оснащаться SRD. В 1994 году продавалось около 20000 приводов. В настоящее время SRDL работает над развитием сервоприводов. В 1994 году американская компания Emerson Electric Co. - крупнейший в мире поставщик электрических моторов - приобрела фирму SRDL.

Итальянская фирма Sicme Motori в кооперации с SRDL выпускает серию приводов RELU-SPEED мощностью от 9 до 140 кВт при 3000 об/мин. Машины имеют 12 полюсов на статоре и 8 полюсов на роторе. Указывается на высокое значение момента при низких скоростях, низкий пусковой ток и неограниченное число последовательных пусков под нагрузкой. В стандартном исполнениии диапазон регулирования скорости - от 6000 до 50 об/мин, а с дополнительным резольвером можно получить заданную форму движения и постоянный момент при очень низких скоростях.

Германская фирма MACCON имеет некоторый опыт в распространении SRD от американской Magna Physics и итальянской

Sicme Motori. Magna Physics поставляет двигатели мощностью от 10

Вт до 1500 Вт.

Прежде, чем перейти к анализу аппаратной и программной частей систем управления рассматриваемого электропривода, обратим внимание на предпосылки наблюдаемого сейчас бурного развития этого типа привода, чтобы понять, почему конструкция, изобретенная еще в прошлом веке, становится конкурентоспособной только в настоящее время. К предпосылкам можно отнести:

- создание силовых полупроводниковых ключей с высокими характеристиками по быстродействию и потерям;

- развитие микроконтроллеров, цифровых сигнальных процессоров, в значительной мере снимающее ограничение по сложности реализуемых алгоритмов управления.

- опыт разработки вентильных и шаговых двигателей различной конфигурации;

- опыт разработки систем ПЧ-АД с ШИМ, позволяющих формировать требуемую форму тока;

В то же время в России на текущий момент нет серийных вентильных приводов, хотя отдельные попытки (в том числе и успешные) создания такого привода предпринимались как в МЭИ, так и в других научных и производственных организациях (ВНИИЭМ, ЭНИИМС и других). Подобные исследования в нашей стране ведутся разрозненно, главным образом для транспортных и ряда других специальных применений.

Новый электропривод, судя по зарубежным публикациям, обладает комплексом свойств, выгодно отличающих его от существующих аналогов [34, 39] и определяющих возможность его использования в качестве массового регулируемого электропривода нового поколения.

По-видимому, машину вентильно-индукторного типа можно считать именно тем типом перспективного электромеханического преобразователя энергии, который может удовлетворить весьма разнообразным, но во многом противоречивым требованиям современных регулируемых электроприводов. Однако достижение этих преимуществ возможно лишь в результате глубоких и всесторонних исследований комплекса - система управления -электронный коммутатор - машина и основанных на них приемах оптимального управления приводом.

Целью настоящей работы является разработка высокоэффективных микроконтроллерных систем управления и всестороннее исследование возможных способов управления ВИП.

Цель работы определила основные задачи исследования, решенные в пяти главах диссертации.

В первой главе рассматривается классификация вентильно-индукторных двигателей, описываются наиболее перспективные структуры построения инверторов и принципы управления ВИД. Круг исследований ограничивается самыми распространенными вентильно-индукторными двигателями с самовозбуждением и нереверсивным питанием фаз. Формируются требования к устройству управления для оптимальной структуры на силовых IGBT-ключах или силовых интегрально-гибридных модулях. Обосновывается выбор элементной базы для разработки системы управления - микроконтроллеров Intel 8ХС196МН, обладающих необходимым набором встроенных периферийных устройств и высокой производительностью, что позволяет создавать как датчиковые, так и бездатчиковые системы управления ВИД.

Во второй главе на основе разделения функций предлагается структура модульной микроконтроллерной СУ в составе: контроллер, пульт оперативного управления, плата ввода/вывода дискретных сигналов, плата сопряжения с датчиками положения перспективных типов (Холла и импульсными ДПР). Рассматриваются возможные каналы управления таким двигателем, предлагается оптимальное распределение аппаратных и программных ресурсов контроллера для решения задач прямого цифрового управления ВИП. Предлагается способ организации перекоммутации и рекомендации по выбору датчика положения ротора (ДПР). Кроме этого рассматривается структура необходимых защит и взаимодействие с оператором.

Третья глава посвящена решению основных задач управления, таких как:

- определение и ограничение токов в фазах двигателя

- определение и регулирование скорости ВИД

- взаимодействие программных регуляторов

- организация пуска в вентильном режиме.

В четвертой главе рассматриваются перспективные возможности управления ВИП. Предлагается программный способ улучшения вибро-акустических характеристик ВИП. Успешно реализуются алгоритмы бездатчикового управления ВИД.

Пятая глава посвящена организации программного обеспечения СУ ВИП. В ней показана структура разработанного программного обеспечения и выполнена оценка временных ресурсов процессорной системы.

Проведенный автором комплекс работ по разработке и исследованию микропроцессорной системы управления вентильного привода позволил с одной стороны получить достаточно полное представление о способах управления ВИП, а с другой стороны способствовал созданию серийной версии универсального контроллера, предназначенного для управления электроприводами различных типов.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Семенчук, Виталий Анатольевич

Выводы по главе: Разработанное программное обеспечение благодаря своей модульной структуре может быть легко адаптировано для реализации конкретных проектов. Вычислительные ресурсы системы управления используются в полной мере.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе проведены теоретические и экспериментальные исследования вентильно-индукторного электропривода с точки зрения вопросов управления. Проведенные исследования позволили практически подтвердить эффективность использования ВИД в системах регулируемого электропривода средней мощности. Подтвердился тезис о возможности существенного улучшения потребительских и эксплуатационных параметров индукторного двигателя за счет применения мощной программной системы прямого цифрового управления.

К основным результатам работы можно отнести:

1) Предложена унифицированная система управления с функциями необходимыми для управления различными вентильными приводами (с разным числом фаз). Разработаны необходимые интерфейсы для ввода в СУ информации о токах в фазах двигателя, о положении ротора.

2) Предложено рациональное распределение программных и аппаратных функций для решения задач прямого цифрового управления ВИП. Благодаря мощной процессорной части и правильному распределению ресурсов практически все задачи управления силовым приводом удалось реализовать программно.

3) Предложено использование импульсного ДПР и оригинального программно-аппаратного метода определения положения ротора и организации перекоммутации с помощью процессора событий с минимальным отвлечением ресурсов центрального процессора.

4) Разработана программно-аппаратная методика определения скорости, позволяющая определять скорость в диапазоне от 20 до 100000 об/мин с погрешностью, вносимой процессорной системой, не более 1%. При определении скорости используется тот же импульсный датчик, что и для определения положения ротора.

5) Разработан быстродействующий программный регулятор тока, работающий по принципу двойного токового коридора. Релейный регулятор позволяет эффективно ограничивать ток привода как в двигательном, так и в генераторном режимах.

6) Разработан адаптивный ПИ-регулятор скорости, автоматически изменяющий коэффициенты пропорциональной и интегральной частей в функции текущей скорости. Регулятор обеспечивает работу привода в широком диапазоне скоростей и нагрузок.

7) Выполнена оценка использования ресурсов процессорной системы при решении комплекса задач управления.

8) Разработан комплект базового программного обеспечения, построенного по модульной структуре и пригодный для быстрой адаптации к конкретному применению.

9) Полученные результаты используются при разработке и испытаниях перспективных типов вентильного привода Ярославского электромашиностроительного завода.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Семенчук, Виталий Анатольевич, 1998 год

1.Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. М., Высшая школа. 1990.

2. Бычков М.Г. Элементы теории вентильно-индукторного электропривода Электричество, 1997, № 8, с. 35-44.

3. Бычков М.Г., Кисельникова А.В., Семенчук .А. Экспериментальные исследования шума и вибраций в вентильно-индукторном электроприводе Электричество, 1997, № 12, с. 41-46.

4. Ивоботенко Б. А. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями. Под ред. М.Г.Чиликина. М., «Энергия», 1971.

5. Ивоботенко Б.А., Козаченко В.Ф. Проектирование шагового ЭП. М. МЭИ. 1985

6. Ильинский Н.Ф. Вентильно-индукторные машины в современном электроприводе // Тез. докл. научно-технического семинара "Вентильно-индукторный электропривод проблемы развития и перспективы применения". - М.: МЭИ, 1996, с. 3-4.

7. Ильинский Н.Ф. Вентильно-индукторный электропривод перед выходом на широкий рынок. Приводная техника. №3, с2-5. Ю.Ильинский Н.Ф. Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода. М.,Энергоатомиздат. 1992.

8. Ключев В.И. Теория электропривода. М., Энергоатомиздат. 1985.

9. Козаченко В.Ф. Микроконтроллеры М.: ЭКОМ, 1997.

10. Кондриков А.И., Босинзон М.А. комплектное электрооборудование металлорежущих станков с ЧПУ и промышленных роботов.М. НИИМаш. 1984.

11. Кононенко Е.В. Синхронные реактивные машины.М. Энергия. 1990.

12. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. М: Наука, 1980, 208 с.

13. Рожнов Н.М., Русаков A.M., Сугробов A.M., Тыречев П.А. Вентильные генераторы для автономных систем электроснабжения. Москва, МЭИ, 1996 г.

14. П.Садовский J1.A. Разработка и исследование систем ЭП с силовыми параметрическими шаговыми двигателями. МЭИ. Канд. диссертация. 1964.

15. A New Sensorless Low-cost Methods for Switched Reluctance Motor Drives Gabriel Gallegos-Lopez University of Glasgow SPEED Laboratory August 30, 1997

16. P.P. Acarnley, R.J. Hill, and C.W. Hooper. Detection of rotor position in stepping and switched reluctance motors by monitoring of current waveforms. IEEE Transaction IE, 32(3):215 222, 1985.

17. J.T. Bass, M. Ehsani, and T.J.E. Miller. Robust torque control of switched-reluctance motors without a shaft position sensor. IEEF Transaction IE, IE-H3(33):212 -- 216, 1986.

18. D. Cameron, J. Lang, S. Umans. The Origin and Reduction of Acoustic Noise in Doubly Salient Variable-Reluctance Motors. IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 28, No. 6, Nov./Dec. 1992

19. A. Cheok and N. Ertugrul. A model free fuzzy logic based rotor position sensorless switched reluctance motor drive. Proc. IEEE-IAS'96, pages 76 -- 83, 1996.

20. M. Ehsani, I. Husain, and A.B. Kulkarni. Elimination of discrete position sensor and current sensor in switched reluctance motor drives. IEEE Transaction IA, 28(1): 128-135, 1992.

21. М. Ehsani, I. Husain, S. Mahajan, and K.R. Ramani. New modulation encoding tech-niques for indirect rotor position sensing in switched reluctance motors. IREE Trans-action IA, 30(1):85 91, 1994.

22. C. Elmas and H. Zelaya-De la Parra. Position sensorless operation of a switched reluc-tance drive based on observer. Proc. EPE'98, pages 82 ~ 87, 1993.

23. Fratta A. and another. AC Spindle Drives: A Unified Approch to the Field Wlakening Behavior. Motor-Con. June 1988 Proc.

24. Hopper E. The Development of Switched Reluctance Motor Applications. PCIM Europe, 1994, № 5, p. 236-241.

25. Husain and M. Ehsani. Rotor position sensing in switched reluctance motor drives by measuring mutually induced voltages. IREE Transaction IA, 30(3):665 -- 672, 1994.

26. K. Iizuka, H. Uzuhashi, M. Капо, T. Endo, and K. Mohri. Microcomputer control for sensorless brushless motor. IEEE Transaction IA, 21(3):595 -- 601, 1985.

27. P.C. Kjmr, F. Blaabjerg, J.K. Pedersen, P. Nielsen, and L. Andersen. A new indirect rotor position detection method for switched reluctance drives. ICEM'94,, 2:555 560, 1994.

28. P. Laurent, M. Gabsi, and M. Multon. Sensorless rotor position analysis using resonant method for switched reluctance motor. Proc. IEEE-IAS'99, pages 687 -- 694, 1993.

29. P. Laurent, M. Gabsi. Sensorless rotor position analysis using approximent method for switched reluctance motor. ICEM'94, Paris., pages 487 -- 490, 1994.

30. P. Laurent, B. Multon, E. Hoang, and M. Gabsi. Sensorless rotor position measurement based on pwm eddy current variation for switched reluctance motor. Proc. EPE'95, 3:3.787 3.792, 1995.

31. Lawrenson P. A Brief Status Review of Switched Reluctance Drives. -EPE Journal, Vol. 2, No.3, Oct. 1992, p. 134-144.

32. A.H. Lumsdaine and J.H. Lang. State observers for variable-reluctance motors. IEEE Transaction IA, 37(2): 133 -- 142, 1990.

33. J.P. Lyons, S.R. MacMinn, and M.A. Preston. Flux/current methods for srm rotor position estimation. Proc. IEEE-IAS'91, pages 482 -- 487, 1991.

34. S.R. MacMinn, W.J. Rzesos, P.M. Szczesny, and T.M. Ja.hns. Application of sensor integration techniques to switched reluctance motor drives. Proc. IEEE-IAS'88, pages 584 588, 1988.

35. E. Mesc and D.A. Torrey. Sensorless position estimation for variable-reluctance machines using artificial neuronal networks. Proc. IEEE-IAS'97, October 1997.

36. T.J.E. Miller. Switched Reluctance Motors and their Control. Magna Physics Publication, Clarendon Press,Oxford, 1993. ISBN 0-19-859387-2.

37. P. Nielsen, L. Andersen, and P.C. Kjmr. Energy optimization and control strategies for switched reluctance motor. MS Thesis, 1993. Aalborg University Denmark.

38. S.K. Panda and G.A.J. Amaratunga. Waveform detection technique for indirect rotor-position sensing of switched-reluctance motor drives, i. analysis. IEE Proceedings B, 140(1):80 -- 88, January 1993.

39. D. Pulle, J. Lai, J. Milthorpe, N. Huynh. Quantification and Analysis of Acoustic Noise in Switched Reluctance Drives. EPE-93 Brigton, 13-16.9.1993, p. 65-70.

40. W.F. Ray and I.H. Al-Bahadly. A sensorless method for determining rotor position forswitched reluctance motors. Conf. Proc. of Power electronics and variable-speed drives, pages 13 17, October 1994.

41. W.F. Ray and I.H. Al-Bahadly. Sensorless methods for determining the rotor posit,ionof switched reluctance motors. Proc. of EPE'93, 6:7 ~ 13, 1993.

42. A. Scharf. Optimism for SR Drives. PCIM Europe, Jan./Febr. 1994, p. 16-17.

43. V.Trifa . and another. Tracking Control with SRM. PEMC-94. Poland.

44. L. Xu and J. Bu. Position transducerless control of a switched reluctance motor using minimum magnetizing input. Proc. IEEE-IAS'9/, October 1997.