Векторное управление асинхронными электроприводами на основе прогнозирующих моделей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Диаб Ахмед Абделхамид Заки

• Диаб Ахмед Абделхамид Заки
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Диаб Ахмед Абделхамид Заки

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ВЕКТОРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМ

ДВИГАТЕЛЕМ

1.1. Математическая модель асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (АД) при питании от автономного инвертора напряжения

1.1.1. Фазные преобразования электромагнитных переменных

1.1.2. Баланс мощностей и электромагнитный момент АД

1.1.3. Математическая модель АД как объекта векторного управления

1.2. Принцип векторного управления АД с непосредственной и косвенной ориентацией по магнитному потокосцеплению ротора

1.2.1. Принцип векторного управления

1.2.2. Способы автоматической ориентации вращающейся системы координат

1.3. Синтез и исследование системы векторного управления асинхронным электроприводом

1.3.1. Синтез векторного регулятора тока статора

1.3.2. Синтез регулятора потокосцепления ротора

1.3.3. Синтез контура регулирования скорости

1.4. Проблема вычисления текущих значений неизмеряемых координат состояния асинхронной машины в бездатчиковых системах векторного управления (СВУ)

1.4.1. Методы оценивания неизмеряемых координат состояния асинхронной машины

1.4.2. Адаптивное управление с идентификацией в бездатчиковых СБУ

1.5. Выводы по главе

ГЛАВА 2. АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЧАСТОТОЙ ВРАЩЕНИЯ

И ТОКАМИ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА ОСНОВЕ

ПРОГНОЗИРУЮЩИХ МОДЕЛЕЙ

2.1. Постановка задачи

2.2. Управление с прогнозирующей моделью (УПМ) в обратной связи

2.3. Прогнозирование выхода объекта управления

2.4. Оптимальное управление в отсутствии ограничений

2.5. Учет ограничений на управляющие воздействия

2.6. Пример системы векторного управления АД с косвенной ориентацией по полю и УПМ

2.6.1. Векторное управление частотой вращения асинхронного двигателя с косвенной ориентацией по полю

2.6.2. Исследование работы УПМ в системах управления асинхронным двигателем с косвенной ориентацией по полю

2.7. Система регулирования токов и потокосцепления АД с УПМ

2.7.1. Синтез контура регулирования тока

2.7.2. Синтез контура регулирования модуля вектора потокосцепления ротора АД

2.7.3. Эффективность векторного управления с использованием УПМ

2.8. Выводы по главе

77

ГЛАВА 3. АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ БЕЗДАТЧИКОВОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

3.1. Вводные замечания и выбор метода бездатчикового управления

3.2. Вычисление частоты вращения и потокосцеплений АД с помощью адаптивного наблюдателя полного порядка

3.3. Синтез и исследование алгоритма адаптации

3.3.1. Синтез регулятора адаптации НПП

3.3.2. Синтез идентификатора активного сопротивления статора АД

3.4. Структурная схема системы бездатчикового векторного управления асинхронным двигателем

3.5. Исследование адаптивного алгоритма идентификации частоты вращения ротора АД

3.6. Выводы по главе

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

РАЗРАБОТАННЫХ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ

4.1. Описание экспериментальной установки

4.1.1. Обоснование выбора микропроцессорного устройства

4.1.2. Состав модулей, основные интерфейсы и технические данные контроллера ТМЕ)8НУМТКРРСК1Т

4.1.3. Асинхронный двигатель

4.1.4. Описание лабораторного стенда

4.2. Структурная схема исследуемой системы управления

4.2.1. Определение параметров двигателя

4.2.2. Методика настройки системы бездатчикового векторного управления

4.3. Результаты эксперимента и их обсуждение

4.4. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ А СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ МАТЕМАТИЧЕСКИХ

МОДЕЛЕЙ В ПАКЕТЕ MATLАВ-SIMULINK

ПРИЛОЖЕНИЕ Б СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

ПРИЛОЖЕНИЕ В CCS-V5 ПРОГРАММА

ПРИЛОЖЕНИЕ Г АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИИ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Векторное управление асинхронными электроприводами на основе прогнозирующих моделей»

ВВЕДЕНИЕ

Область применения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (АД) постоянно расширяется в связи с увеличением числа возможных технических приложений, в которых требуется доступный и эффективный привод. Эти преимущества, однако, наталкиваются на сложность решения задач автоматического управления асинхронными двигателями в промышленных приводах с регулируемой частотой вращения. Это связано, прежде всего, со следующими причинами [1-35]:

• асинхронный двигатель является сложным нелинейным динамическим объектом, содержащим в своей структуре перекрестные связи;

• некоторые переменные состояния, такие как токи и потокосцепления ротора, напрямую не могут быть измерены;

• изменения параметров схемы замещения асинхронного двигателя оказывают влияние на статические и динамические характеристики электромеханической системы, что делает необходимым учет их отклонений.

Неизбежные вариации параметров АД снижают эффективность управления электроприводом (ЭП). В настоящее время исследования в этой области, в основном, сосредоточены на методах бездатчикового и устойчивого к изменениям параметров управления скоростью асинхронного двигателя.

Развитие высоких технологий обуславливает непрерывное повышение требований к качеству работы современных систем автоматического управления электроприводами. Для эффективного решения задач управления требуется разработка новых алгоритмов и систем управления, которые должны быть достаточно просты по принципам организации и функционированию.

В настоящее время системы автоматического регулирования преимущественно синтезируются на основе подходов классической ТАУ, в результате чего получаются традиционные пропорционально-интегральные (ПИ-) регуляторы. Факторами, обусловившими широкое использование ПИ-регуляторов в системах стабилизации различных объектов, стали простота их структуры и высокая надежность. Однако их недостатком является то, что при изменении рабочих точек из-за возмущений требуется перенастройка регуляторов. На предприятиях с непрерывным режимом работы при использовании таких регуляторов необходим постоянный контроль за ходом технологического процесса, что требует большой численности персонала. Кроме того, для процессов с переменными параметрами, запаздыванием, существенными нелинейностями и значительными помехами использование ПИ-регуляторов может оказаться неэффективным. Трудности, обусловленные настройкой ПИ-регуляторов, приводят к тому, что в большинстве случаев они работают не в оптимальном режиме.

Одним из современных формализованных подходов к анализу и синтезу систем управления, базирующихся на математических методах оптимизации, является технология управления динамическими объектами с использованием прогнозирующих моделей, которая все чаще стала вытеснять ПИ-регуляторы. Этот подход начал развиваться в начале 60-х годов для управления процессами и оборудованием в нефтехимическом и энергетическом производствах, для которых, в связи со сложностью математических моделей процессов, применение традиционных методов синтеза было затрудпено[36-45].

Основным достоинством управления на основе прогнозирующих моделей (УПМ), определяющим его успешное использование при разработке и эксплуатации систем управления, служит относительная простота базовой схемы формирования обратной связи. Последнее обстоятельство позволяет управлять многомерными и многосвязными объектами со сложной структурой, включающей нелинейности,

оптимизировать процессы в режиме реального времени в рамках ограничений на управляющее воздействия и координаты состояния, учитывать интервальные неопределенности в задании объектов и возмущений. Кроме того, возможен учет транспортного запаздывания и отказов датчиков измерительной системы, изменение критериев качества в ходе процесса управления.

Управление с прогнозирующей моделью успешно применяется в областях обработки изображений и регулирования, где надежность функционирования является одним из главных требований качества. Тем не менее, УПМ находится на начальной стадии применения в области автоматического управления асинхронными регулируемыми электроприводами.

Технические системы работают в условиях постоянно изменяющихся климатических, нагрузочных и электромагнитных воздействий. В этих условиях возникает необходимость в постоянной подстройке параметров регуляторов. Следовательно, электроприводы таких систем нуждаются в наблюдателях для оценки текущих значений параметров двигателя, его скорости и регуляторах скорости/момента, потокосцепления ротора и токов для поддержания их на заданном уровне.

В связи с вышеизложенным, целыо настоящей работы является исследование способов и результативности применения УПМ в системах управления асинхронными электроприводами, которое сводится к решению целого ряда задач. Среди них можно назвать задачи синтеза УПМ-регуляторов, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к системе автоматического управления, и задачи практического использования прогнозирующих моделей УПМ в структуре регуляторов скорости/момента, потокосцепления ротора и токов.

Значение результатов проведенного исследования состоит в разработке алгоритмов и программ для систем векторного управления АД, формулировке рекомендаций для проектировщиков электроприводов. В

конечном итоге, результаты проведенных исследований при промышленном внедрении должны дать повышение качества регулирования электроприводов. Последнее, в свою очередь, повышает надежность работы электроприводов и приводит к экономии электроэнергии и ресурсов.

Объектом исследования в настоящей работе являются процессы управления скоростью АД.

Предмет исследования - УПМ-регуляторы в системах векторного управления асинхронного электропривода.

Цель диссертационной работы является повышение качества процессов регулирования координат асинхронного электропривода на основе применения методов управления с прогнозирующими моделями в регуляторах скорости, потокосцепления и токов двигателя. Задачи исследования.

1. Разработать и исследовать алгоритмы векторного управления асинхронным электроприводом с УПМ-регуляторами:

а) при косвенном векторном управлении АД;

б) при векторном управлении с непосредственной ориентаций управляющих воздействий по опорному вектору потокосцеплений.

Для этого необходимо разработать методики синтеза регуляторов скорости, потокосцепления ротора и токов АД па основе УПМ, провести сравнительное исследование эффективности традиционных

пропорционально-интегральных (ПИ) и предложенных УПМ-регуляторов при векторном управлении электроприводом.

2. Применить УПМ-регуляторы в бездатчиковом асинхронном ЭП с векторным управлением и вычислением частоты вращения ротора на основе адаптивного наблюдателя полного порядка (НПП).

3. Экспериментально подтвердить работоспособность разработанных бездатчиковых алгоритмов векторного управления АД, для чего должны быть выполнены:

а) разработка специализированных алгоритмов и модульной структуры программного обеспечения для реализации пространственно-векторной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и построения систем векторного управления АД с НПП на базе аппаратных средств отладочного комплекта TMDSMVMTRPFCKIT - Texas Instruments в среде Code Composer Studio v5 (CCStudio);

б) техническая реализация и экспериментальные исследования разработанной системы управления асинхронным приводом на базе ПЧ TMDSMVMTRPFCKIT - Texas Instruments мощностью 0,75 кВт.

Научная новизна диссертационной работы. На основе анализа, систематизации и обобщения научных достижений в таких областях как теория автоматизированного электропривода и теория автоматического управления сформирован новый инженерный подход к решению задачи проектирования систем автоматического управления процессом векторного управления (ВУ) АД на основе прогнозирующих моделей, который характеризуется следующими основными результатами.

1. Разработаны новые типовые структуры систем векторного управления АД на основе многомерного УПМ для скорости, потокосцепления и токов с учетом ограничений на управляющие воздействия.

2. Разработана новая универсальная процедура синтеза УПМ-регуляторов для систем ВУ АД.

3. Подтверждена эффективность применения УПМ-регулятора скорости по сравнению с традиционным ПИ-регулятором в процессах отработки возмущений по нагрузке.

Теоретическая и практическая значимость результатов диссертации состоит в следующем.

1. Выполнены теоретическая и практическая разработка алгоритмов и модульной структуры программного обеспечения для систем бездатчикового векторного управления АД с адаптивным НПП и УПМ.

2. Разработай Hl il i-наблюдатель скорости и потокосцепления ротора для ЭП с повышенной точностью регулирования на основе алгоритмов УПМ, обладающий приемлемой чувствительностью к вариациям сопротивления статора на низких частотах.

3. Реализован макет разработанной системы бездатчикового ВУ АД и подтверждена ее эффективность.

Разработанные структурные схемы и законы векторного управления скоростью АД, а также усовершенствованные алгоритмы оценки координат электропривода с УПМ проверены экспериментально и могут быть рекомендованы для расширенного использования проектировщиками электроприводов.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач используются положения теории электропривода, методы теории автоматического управления, теории векторного и адаптивного управления, теории управления с прогнозирующей моделью, аналитические методы расчета, основанные на применении аппарата дифференциальных уравнений и передаточных функций. Проверка работоспособности разработанных алгоритмов осуществляется методами цифрового моделирования в пакете программ Matlab 7.10.0 (R2010a) - Simulink 7.5 и натурного эксперимента с использованием среды разработки программ Code Composer Studio v5.3.0.00090.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Система управления с прогнозирующей моделью при действии возмущений типа скачка с учетом ограничений на управляющие воздействия.

2. Результаты исследования качества векторного управления скоростью асинхронного двигателя, согласно которым с помощью УПМ получена более высокая устойчивость системы регулирования к возмущениям по нагрузке по сравнению с ПИ-регулятором.

3. Результаты сравнительного исследования оценок скорости двигателя, согласно которым адаптивный Hl 111 с компенсацией температурного дрейфа активного сопротивления статора повышает точность оценивания скорости и снижает чувствительность электропривода с УПМ к изменениям параметров даже на очень низких частотах вращения АД по сравнению с неадаптивным НЛП.

4. Результаты экспериментальных исследований разработанных алгоритмов управления асинхронными ЭП на базе комплекта TMDSHVMTRPFCKIT производства Texas Instruments.

Личный вклад автора. Автором самостоятельно разработаны алгоритмы управления координатами электропривода с прогнозирующими моделями, выполнены подготовка и проведение вычислительных и натурных экспериментов, реализован макет электропривода. Вклад в работы, опубликованные в соавторстве с научным руководителем и другими исследователями, заключается в постановке частных задач исследования, выполнении расчетов, разработке методик структурно-параметрического синтеза алгоритмов управления, исследовании синтезированных алгоритмов методом численного моделирования, подготовке и проведении экспериментов, анализе полученных результатов.

Реализация результатов исследования. Результаты выполненных в диссертации исследований используются в учебном процессе Новосибирского государственного технического университета (НГТУ) при изучении студентами и магистрантами специальных дисциплин.

Достоверность и обоснованность.

Достоверность изложенных в диссертации результатов и выводов подтверждается цифровым моделированием в пакете программ Matlab -Simulink и результатами натурного эксперимента с использованием среды разработки программ Code Composer Studio v5, компьютерных методов

интерактивной отладки и исследования микропроцессорных систем управления.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на 8 Международных и Всероссийских конференциях: Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» ЭПЭ-2013 (г. Томск, 2013 гг.); XI Международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2012 (г. Новосибирск, 2012 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов» (СМОТР-2012) (г. Томск, 2012); The 7th International Forum on Strategie Technology (IFOST-2012) (г. Томск, 2012); 14 International conference of young specialists on micro/nanotechnologies and electron devices (EDM 2013), (Altai, Erlagol, 2013); XX Юбилейной международной научно-практической конференции студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии» СТТ-2014, (г. Томск, 2014 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов» (СМОТР-2014) (г. Томск, 2014); 15 International conference of young specialists on micro/nanotechnologies and electron devices (EDM 2014), (Altai, Erlagol, 2014);

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 16 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК РФ, 12 научных работ в сборниках тезисов международных и всероссийских конференций; в том числе 8 статей в изданиях SCOPUS.

Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертация соответствует паспорту специальности 05.09.03 по пунктам: 1 -«математическое, имитационное и компьютерное моделирование компонентов электротехнических комплексов и систем» и 3 - «разработка,

структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления».

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, списка используемой литературы из 67 наименований и 4 приложений. Количество страниц основного текста 145, в том числе рисунков 65 , таблиц 4.

Во Введении сформулирована актуальность темы диссертационного исследования. Приведена техническая целесообразность построения систем автоматического управления на основе УПМ алгоритмов.

Первая глава диссертации посвящена подробному обсуждению различных аспектов векторного управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором. Основное внимание уделено методам управления с использованием системы координат, ориентированной по потокосцеплению ротора. Приводится математическая модель АД, использующаяся при синтезе законов векторного управления в координатах состояния «токи статора - потокосцепления ротора». Приводится численный синтез регуляторов системы ЭП. В конце главы рассмотрены методы построения наблюдателей в системах векторного управления.

Вторая глава диссертации состоит из нескольких частей. В первой части главы рассматривается метод управления с прогнозирующей моделью (Model Predictive Control).

Во второй части представлены результаты исследования качества косвенного векторного регулирования скорости асинхронного двигателя с ориентацией по потокосцеплению ротора, согласно которым установлена более высокая точность регулирования тока и момента предлагаемого УПМ-регулятора по сравнению с ПИ-регулятором.

В третьей части представлены результаты исследования непосредственного векторного управления (Direct Field Oriented Control)

асинхронным ЭП. Разработаны методики синтеза УПМ-регуляторов скорости, токов и потокосцепления в системе векторного управления асинхронным двигателем.

В третьей главе рассмотрено использование УПМ для бездатчиковой системы векторного управления асинхронного ЭП. Разработана методика структурного синтеза алгоритма текущей идентификации скорости и активного сопротивления статора АД. Основу алгоритма составляет структура типа «наблюдатель полного порядка». Алгоритм исследован в системе бездатчикового ЭП. Выполнено сравнительное исследование переходных процессов с использованием УПМ-регулятора и ПИ-регулятора. Проведен учет температурного изменения сопротивления на низких частотах вращения. Выполнена оценка скорости ротора в системе векторного управления, основанной на HI 111. По результатам моделирования сделаны выводы о преимуществах и недостатках методики, даны рекомендации к ее практическому применению.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию разработанных алгоритмов бездатчикового векторного управления АД. Приводится описание экспериментальных установок и осциллограммы результатов практической реализации систем бездатчикового векторного управления асинхронного ЭП.

В заключении представлены основные результаты проделанной работы.

Приложения состоят из четырех разделов:

Первый раздел содержит структурные математические модели в пакете Matlab-Simulink, используемые для цифрового моделирования и подтверждения работоспособности разрабатываемых алгоритмов.

Второй раздел содержит дополнительные результаты математического моделирования и экспериментальных исследований, не вошедшие в основные разделы диссертационной работы.

Третий раздел содержит программы в пакете Code Compressor Studio CCS-v5, используемые для практической реализации системы бездатчикового векторного управления асинхронном ЭП.

Четвертый раздел содержит акты об использования результатов диссертации.

ГЛАВА 1. ВЕКТОРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

1.1. Математическая модель асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (АД) при питании от автономного инвертора напряжения

1.1.1. Фазные преобразования электромагнитных переменных

При записи математической модели ш-фазной асинхронной электрической машины {т>2) принимаются следующие допущения [1-15]:

- активные сопротивления статора () одинаковы;

- геометрические оси фаз синусоидально распределенной обмотки статора разнесены на угол 2тг/(трп), где рп - число пар полюсов; исключение составляет случай т=2, в котором данный угол равен п / (2рп);

- беличья клетка машины с короткозамкнутым ротором может быть эквивалентирована т-фазной синусоидально распределенной обмоткой;

- все т фазных обмоток ротора машины (либо т эквивалентных фазных обмоток ротора) имеют одинаковые активные сопротивления 11г, число пар полюсов рп, и геометрический угол между их осями равен углу между осями фазных обмоток статора АД;

- все параметры ротора приведены к обмотке статора;

- эффектом вытеснения токов в короткозамкнутом роторе АД пренебрегаем, поскольку частота ротора (частота скольжения) ограничена рабочим участком механической характеристики АД и мало влияет на величину Кг

- пренебрегаем потерями в стали для вывода формулы момента, потери обусловлены протеканием вихревых токов в магнитопроводе двигателя и его перемагничиванием (потерями на гистерезис), ввиду их малого влияния на динамические характеристики ЭП.

Принимая во внимание все допущения запишем уравнения электрического равновесия обмоток асинхронного двигателя:

игк~кг гк+—^Г> к = \, т,

где и5к,15к,Щ5к,игк,1гк,у/гк - мгновенные значения напряжений, токов и полных потокосцеплений к-х фазных обмоток статора и ротора машины (для двигателя с короткозамкнутым ротором игк = 0).

Для сокращений записи представим эти уравнения в векторно-матричной форме:

0.1) 0-2)

где [х8к\ = со1оп{х8к)^=\, [хгк] = с°1°п(хгк)к=\ ~ т' мерные алгебраические векторы-столбцы мгновенных значений фазных напряжений (х=и), токов (х=/) и потокосцеплений (х=(//) обмоток статора и ротора машины соответственно.

При решении многих задач значительное упрощение математического описания процессов электромеханического преобразования энергии достигается путем линейных преобразований исходной системы уравнений, при этом осуществляется замена действительных переменных новыми переменными при условии сохранения адекватности математического описания физическому объекту. В теории электрических машин подтверждено [13], что любая т-фазная электрическая машина при условии равенства полных сопротивлений статора или ротора путем невырожденного

линейного преобразования переменных [хгк] может быть

>

представлена эквивалентной 2-х фазной моделью. Это значит, что электромагнитный момент двигателя определятся только 2-мя компонентами векторов электромагнитных величин с индексами /^1,2.

Есть 3 основных способа преобразования системы координат векторов [13-15]:

1) Изображающий вектор равен сумме векторов мгновенных значений фазных переменных, и направлены они по направлению соответствующих фаз или в обратную сторону (в зависимости от знака). При этом согласующий коэффициент такого преобразования будет иметь значение кс= 1.

2) Проекции изображающего вектора на каждую из осей 3-х фазной системы координат равны истинным значениям соответствующих фазных переменных. В этом случае энергетические характеристики 2-х фазной модели отличаются от энергетических характеристик реальной 3-х фазной

2 2 машины в — раз, отсюда

3) Преобразование, основанное на инвариантности мощностей, потребляемых из сети трехфазным двигателем и его 2-х фазной моделью. В

¡2

этом случае согласующий коэффициент будет равен кс - Л— .

Для решения задачи преобразования реальных переменных 3-х фазной машины к реальным переменным эквивалентной 2-х фазной машины в этом разделе воспользуемся третьим способом преобразования - преобразованием из условия инвариантности потребляемой электромагнитной и электромеханической мощности. Следовательно, для того чтобы из уравнения баланса мощностей преобразованной математической модели машины можно было получить формулу момента, фазные преобразования следует выполнять таким образом, чтобы скалярные произведения любых двух векторных переменных не изменялись.

Для решения поставленной задачи воспользуемся следующим преобразованием:

^ = (1.3)

где Х"'^ = со1оп(хяк , X"'*3 = со1оп(хгк )'"=[ - векторы электромагнитных переменных статора и ротора в декартовой системе координат (££,/?); Р -

—1 Т

квадратная матрица размера тхт, обладающая свойством Р = Р . Вид матрицы Т*={Ру}^=1 достаточно сложен и неоднозначен, но в самом

распространенном случае при преобразовании моделей трехфазных машин (т=3) матрица Р задается в следующем виде [6]:

В данном случае матрица Р является матрицей перехода от неподвижной 3-х фазной системы координат (А,В,С), связанной с осями статора или ротора машины, к закрепленной относительно тех же осей декартовой системе (ОТ, ) и составляющим нулевой последовательности:

Хха х „ га ХЫ

х>/1 = р Х.<;В ХгР = р- ХгВ

Ло. Лс_ X _ ГО _ _ХгС_

Наличие составляющих нулевой последовательности х0 приходится учитывать тогда, когда хА + хв + хс ^ 0 (т.е. появляется несимметрия электромагнитных переменных АД). Но в соответствии с принятым допущением о симметрии переменных по их мгновенным значениям (хА + хв + хс = 0), Х0=О и можно ограничиться только первыми двумя строками матрицы Р.

х

X

Таким образом:

1 -I

- 1/ 2 /2

О

ч/

•

Лс_

2 гх - V-V ч ^ /2 /2 J

аналогичное преобразование используется и для роторных переменных.

На рисунке 1.1 приведена геометрическая интерпретация рассмотренного выше преобразования для 3-х фазного двигателя:

Рисунок 1.1— Векторная диаграмма фазного преобразования электромагнитных переменных

В уравнении (1.3) сохранены все исходные значения мощностных характеристик, а конкретно:

мгновенная мощность, которая потребляется статором из сети мощность потерь в проводах статора и ротора двигателя

^-ЦЫЦ2-Ы2' -1М2>

где ||.|| - евклидова норма вектора (корень квадратный из суммы квадратов его элементов), и полная электромагнитная мощность, одна часть которой

"расходуется" на создание магнитного поля, а 2-ая преобразуется в мощность механического движения.

Обратный переход от эквивалентной 2-х фазной машины к 3-х фазной осуществляется следующим образом:

X

sB

X.

sC.

=Р7

X

■sfi

1

-h -1/

о

-ч

x„

X,

sp

X

— •X

sa_ + x*p

у[б yfï

X,

X

sp

4e V2

Выражения для роторных величин получаются аналогично.

Поскольку при вращении двигателя оси одноименных обмоток фаз статора и ротора смещены в пространстве на электрический угол уе = рпу, где у - геометрический угол поворота вала машины относительно его положения, в котором оси одноименных обмоток статора и ротора совпадают. Для исключения переменных магнитных связей между обмотками статора и ротора нужно перейти от физических величин, определяемых системой координат, жестко связанных со статором асинхронной машины (СС,/3), к расчетным величинам, соответствующим системе координат (1,2), вращающейся в пространстве с произвольной

¿Ук

угловой скоростью COfc

dt

(сделать фактически переменные магнитные

связи постоянными).

Преобразования, обеспечивающие переход к ортогональной системе координат, можно сделать записать в следующем виде:

Хр = Кг к) • Х?'^ = А (ук) ■ Р • [xsk],

ХР = А(ук -уеу = А(ук - уе) ■ V ■ [xrk], (1.4)

12 ш 12

где X.J - colon{xsfr)™-i, Xr' = colon{xrk)™-\ - новые векторы электромагнитных переменных в ортогональной системе координат (1,2); А(.) - квадратная матрица размера тхт, которая имеет следующие свойства

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Диаб Ахмед Абделхамид Заки, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Берестов В.М. Синтез системы векторного управления асинхронного электропривода типа «ЭРАТОН-М4» / В.М. Берестов, О.В. Нос // Система управления транзисторного электропривода "ЭРАТОН-М4": Вопросы теории. - Новосиб. пред. полиграф, и изд-ва. - Новосибирск, 2001. -С. 2-28.

2. Панкратов В.В. Электромагнитный момент многофазной асинхронной машины с учетом нелинейности кривой намагничивания. // Автоматизированные электромеханические системы: Новосиб. гос. академия водного транспорта. - Новосибирск, 1998. - С. 25 - 33.

3. Кравчик А.Э. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник /

A.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболенская. - М.: Энергоиздат, 1982.-504 с.

4. Барбашин Е.А. Функции Ляпунова / Е.А. Барбашин. - Главная редакция физико-математической литературы изд-ва "Наука", 1970. -240 с.

5. Панкратов В.В. Векторное управление асинхронными электроприводами: учеб. пособие. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999. - 66 с.

6. Панкратов В.В. Отечественные электроприводы подъемно-транспортных механизмов: разработки ЗАО «ЭРАСИБ» / В.В. Панкратов,

B.М. Берестов // Электротехника, электромеханика, электротехнологии ЭЭЭ-2009: материалы четвертой научно-технической конференции с международным участием. - Новосибирск: изд-во НГТУ, 2009. - С. 139 -147.

7. Панкратов В.В. Энергооптимальное векторное управление асинхронными электроприводами: учеб.пособие / В.В. Панкратов, Е.А. Зима. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. - 120 с.

8. Панкратов В.В. О проблеме построения «интеллектуальных» преобразователей частоты для общепромышленных электроприводов

переменного тока / B.B. Панкратов, Е.А. Зима, М.О. Маслов // Материалы VII международной конф. «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2004 (Новосибирск, 21-24 сентября 2004 г.). -Новосибирск: НГТУ, 2004. - т. 6. - С. 143 - 145.

9. Панкратов В.В. Специальные разделы современной теории автоматического управления: учеб. пособие / В.В. Панкратов, Е.А. Зима, О.В. Нос. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. - 220 с.

10. Панкратов В.В. Синтез адаптивных алгоритмов вычисления скорости асинхронного электропривода на основе второго метода Ляпунова / В.В. Панкратов, Д.А. Котин // Электричество. - 2007. - № 8. - С. 48-53.

11. Зима Е.А. Способы аппроксимации кривой намагничивания при энергооптимальном управлении асинхронными электроприводами / Е.А. Зима, О.В. Нос, В.В. Панкратов // Материалы VI международной конф. «Актуальные проблемы электронного приборостроения». - Новосибирск: НГТУ, 2002. - т.6. - С. 27 - 31.

12. Иванов-Смоленский A.B. Электрические машины. - М.: Энергия, 1980.-928 с.

13. Котин Д.А. Адаптивные алгоритмы бездатчикового векторного управления асинхронными электроприводами подъёмно-транспортных механизмов: Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук.: 05.09.03. Д.А. Котин; науч. рук. В.В. Панкратов - Новосибирск: НГТУ, 2010. - 162 с.

14. Рудаков В.В. Асинхронные электроприводы с векторным управлением / В.В. Рудаков, И.М. Столяров, В. А. Дартау. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд., 1987. - 136 с.

15. Сабинин Ю.А. Частотно-регулируемые асинхронные электроприводы / Ю.А. Сабинин, В.Л. Грузов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд., 1985. - 128 с.

16. Ботвинник М.М. Асинхронизированная синхронная машина. -Москва, Ленинград: Госэнегоиздат, 1960. - 69 с.

17. Ботвинник М.М. Управляемая машина переменного тока / М.М. Ботвинник, Ю.Г. Шакарян//. -М.: «Наука», 1969. - 142 с.

18. Vas P. vector control of AC machines, Book. - Oxford Univ. - 1990. -332 p.

19. Sen P.C. Principle of electric machines and power electronics, Book, New York, Wisely, 1996, 640 p.

20. Ion Boldea Vector control of AC drives/ Ion Boldea, Asyed A.Nasar// Book, Boca Rotan, Florida, 2002, 256 p.

21. Holtz J. Sensorless Control of Induction Motor Drives // Proceedings of the IEEE August 2002. - vol. 90, no. 8. - 50 p.

22. Blaschke F. The principle of field orientation as applied to the new transvector closed loop control system for rotating-field machines/ F. Blaschke // Siemens Rev.-vol. 39(3).-may 1972. - pp. 217-220.

23. H. Kubota Stable operation of adaptive observer based sensorless induction motor drives in regenerating mode at low speeds/1. Sato, Y. Tamura, H. Ohta, and Y. Hori// IEEE Trans. Ind. Appl.. - vol. 38(4) . - Jul./Aug. 2002. - pp. 1081-1086.

24. Kubota H. Closure to Discussion of Regenerating-Mode Low-Speed Operation of Sensorless Induction Motor Drive with Adaptive Observer/ H. Kubota// IEEE Trans. Ind. Applicat. - January/February 2003. - vol. 39(1). - p. 20.

25. Kubota H. Speed Sensorless Field-Oriented Control of Induction Motor with Rotor Resistance Adaptation / H. Kubota, K. Matsuse// IEEE Trans. Ind. Applicat. - September/October 1994. - vol. 30(5). - pp. 1219 - 1224.

26. Kubota H. DSP-Based Speed Adaptive Flux Observer of Induction Motor / PI. Kubota, K. Matsuse, T. Nakano// IEEE Trans. Ind. Applicat. -March/April 1993. - vol. 29(2). - pp. 344 - 348.

27. Schauder C. Adaptive Speed Identification for Vector Control of Induction Motors without Rotational Transducers/ C. Schauder// IEEE Trans. Ind. Applicat. - September/October 1992. - vol. 28(5). - pp. 1054 - 1061.

28. Ha J.-I. Sensorless Field-Oriented Control of an Induction Machine by High-Frequency Signal-Injection / J.-I. Ha, S.-K. Sul // IEEE Trans. Ind. Applicat. -January/February 1999. - vol. 35(1). - pp. 45-51.

29. Simoes G. Neural Network Based Estimation of Feedback Signals for a Vector Controlled Induction Motor Drive / G. Simoes, В. K. Bose // IEEE Trans. Ind. Applicat. - May/June 1995.-vol. 31(3). - pp. 620-629.

30. Da F. Fuzzy Neural Networks for Direct Adaptive Control / F. Da, W. Song // IEEE Trans. Indus. Electr. - June 2003. - vol. 50(3). - pp. 507 - 513.

31. Leung F.FI.F., Optimal and Stable Fuzzy Controllers for Nonlinear Systems Based on an Improved Genetic Algorithm / F.FI.F. Leung, ILK. Lam, S. FI. Ling, Peter K. S. Tam // IEEE Trans. Indus. Electr. - February 2004. - vol. 51(1).-pp. 172- 182.

32. Briz F. Dynamic Operation of Carrier-Signal-Injection-Based Sensorless Direct Field-Oriented AC Drives / F. Briz, A. Diez, M. W. Degner // IEEE Trans. Ind. Applicat. - September/October 2000. - vol. 36(5). - pp. 1360 -1368.

33. Вдовин В.В. Синтез адаптивного наблюдателя координат бездатчикового асинхронного электропривода / В.В. Вдовин, Панкратов В.В., //Известия Томского политехнического университета. - 2012. - Т. 320. - № 4. Энергетика. - С. 147- 153.

34. Bouhenna A. Design of speed adaptation law in sensorless control of induction motor in regenerating mode/ A. Bouhenna, C. Chaigne, N. Bensiali, E. Etien// Simulation Modeling Practice and Theory 15. - 2007. - pp. 847-863.

35. Suwankawin S. Design strategy of an adaptive full-order observer for speed-sensorless induction-motor Drives-tracking performance and stabilization/ S. Suwankawin and S. Sangwongwanich// IEEE Trans. Industrial Electronics. - vol. 53( 1). - Feb. 2006. - pp. 96-119.

36. Diab A.A.Z. Speed control of sensorless induction motor drive based on model predictive control/ A.A.Z. Diab, D.A. Kotin, V.V Pankratov//Proceedings of 14th International Conference on Young Specialist on

Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM 2013), IEEE-Conference. — Erlagol, Altai. — 1-5 July 2013. — pp. 269-274.

37. Митришкин Ю.В. Система с прогнозирующей моделью для управления формой и током плазмы в токамаке/ Ю.В.Митришкин, А .Я. Коростелев// Проблемы управления.— 2008.— №5.— С. 19-25.

38. Коростелев А.Я. Разработка и математическое моделирование миогосвязных систем управления вертикальной скоростью, током и формой плазмы в ITER: Дисс. иа соиск. уч. степ. канд. техн. наук,:05.13.01. Коростелев А.Я.; науч. рук. Митришкин Ю.В. - Москва: МГТУ ИМ. Н.Э. БАУМАНА, 2011.- 150с.

39. Веремей Е.И. Электронное учебное пособие: "Пособие "Model Predictive Control Toolbox" [Электронный ресурс]/ Еремеев В.В., Сотникова М.В.// Опубликовано на сайте: http://matlab.exponenta.ru/modelpredict/bookl

40. Richalet J. Model Predictive Heuristic Control: Application to Industrial Processes/ J. Richalet, A. Rault, J.L. Testud [et al.] // Automatica. 1978. Vol. 14(5). —pp. 413-428.

41. Camacho E.F. Model Predictive Control. — 2nd ed/ E.F. Camacho, A.C. Bordons// London: Springer. — 2004. — 405 p.

42. Macicjowski J.M. Predictive Control with Constraints. — Harlow: Pearson Education.— 2002. — 331 p.

43. Rossitcr J. A. Model-based predictive control: a practical approach. — Boca Raton: CRC Press, 2003. — 318 p.

44. Wang L. Model predictive control system design and implementation using MATLAB. — London: Springer. — 2009. — 375 p.

45. Hassan A.A. Model predictive speed control of a field oriented linear induction motor drive/ A.A.Hassan, Yehia S. Mohamed, and Т. H. Mohamed// 13 th Middle East Power Systems Conference, MEPCON' 2009. — Assiut University, Egypt. — December 20-23. — 2009.

46. Козаченко В.Ф. Высокопроизводительные встраиваемые системы управления двигателями на базе сигнального микроконтроллера

TMS320F241. // В.Ф. Козаченко, H.A. Обухов, П.В. Чуев и др. // CHIP NEWS. -2000.-№5.-С. 29 - 33.

47. Дроздов A.B. Разработка системы бездатчикового векторного управления вентильно-индукторным двигателем с независимым возбуждением: Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук.:05.09.03. Дроздов A.B.; науч. рук. Козаченко В.Ф.-Москва: МЭН, 2008. - 181с.

48. Жарков A.A. Разработка и исследование вентильно-индукторного электропривода с независимым возбуждением и микроконтроллерным управлением: Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук.:05.09.03. Жарков A.A.; науч. рук. Козаченко В.Ф.-Москва: МЭН, 2008. - 150с.

49. Козаченко В.Ф. Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам/ В.Ф. Козаченко// CHIP NEWS. - 1999. - №1. - С. 2-9.

50. Староверов К. Разработка высококачественных устройств управления электроприводом на базе DSP Piccolo/ К. Староверов // Новости электроники. - 2009 № 13. - С. 10 -13.

51. Texas Instruments - Микроконтроллеры реального времени семейства С2000 [Электронный ресурс]/ Texas Instruments//3-ñ квартал. -2011 года.-с.190, http://www.ti.com/ww/ru/downIoads/RUST021.pdf.

52. Charlie Ice Designing High-Performance and Power-Effcient Motor Control Systems/ Charlie Ice, Bilal Akin// White paper, lit. num. SPRT528, Texas Instruments, June 2009. - Юр.

53. Manish B. Sensorless Field Oriented Control of 3-Phase Induction Motors [Электронный ресурс]/ В. Manish// Instruments Texas. SPRABP9. -October 2013. http://www.ti.com/lit/an/sprabp9/sprabp9.pdf.

54. Texas Instruments - C2000 Systems and Applications [Электронный ресурс]/ Texas Instruments// Digital Motor Control Software Library: Target Independent Math Blocks. - 2012. ftp://ftp.ti.com/pub/dml/DMLrequest/Christy_FTP-10-30-

12/controlSUITE/libs/app_libs/motor_control/math_blocks/v4.0/~Docs/DMC%20 MATH.pdf.

55. Texas Instruments - Digital Control Systems (DCS) Group. Digital Motor Control Software Library [Электронный ресурс]/ Texas Instruments// SPRU485A. - August 2001. - Revised October 2003. http://www.ti.com/lit/ug/spru485a/spru485a.pdf.

56. Texas Instruments - High Voltage Digital Motor Control Kit Quick Start Guide Quick Start Guide [Электронный ресурс]/ Texas Instruments// Literature Number: SPRUGU7. - March 2010. http://www.ti.com/lit/ml/sprugu7/sprugu7.pdf.

57. Texas Instruments - TMS320C2000 Motor Control Primer. [Электронный ресурс]/ Texas Instruments// http://processors.wiki.ti.com/index.php/TMS320C2000_Motor_Control_Primer

58. Texas Instruments - C2000 Systems and Applications Team. High Voltage Motor Control and PFC (Rl.l) Kit Hardware Reference Guide/ Texas Instruments//.- v.2. - 2012.

59. Texas Instruments - CONTROLSUITE [Электронный ресурс]/ exas Instruments// http://www.ti.com/tool/controlsuite.

60. НПФ Мехатроника ПРО. MexBIOS Development Studio [Электронный ресурс]/ НПФ Мехатроника// - Website: http://mechatronica-pro.com.

61. Diab Ahmed A. Zaki. Vector controlled Induction Motor Drive based on Model Predictive Control./ Ahmed A. Zaki Diab, Vladimir V. Pankratov// 11th International Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering (APEIE), IEEE-Conference. - 30057 PROCEEDINGS, APEIE - 2012, In 7 Volumes, Volume 1. - Novosibirsk: NSTU. - October 2 - 4. - 2012. - pp. 167 -173.

62. Диаб А.А.З. Непосредственное векторное управление асинхронными электроприводами с использованием прогнозирующих

моделей [Электронный ресурс] / А.А.З. Диаб, Д.А. Котин, В.В. Панкратов // Инженерный вестник Дона, 2014, №1. - С. 1 - 8.

63. Диаб А.А.З. Синтез идентификатора координат для бездатчикового асинхронного электропривода/ В.В. Вдовин, А.А.З. Диаб, Д.А. Котин, В.В. Панкратов// Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2014. №1(54). С. 5- 17.

64. Diab Ahmed A. Z., Implementation of Full Order Observer for Speed Sensorless Vector Control of Induction Motor Drive/ Ahmed A.Z. Diab, V.V Anosov// Proceedings of 15th International Conference on Young Specialist on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM 2014) . - IEEE-Conference. - Erlagol, Altai. - June 30 - July 4. - 2014. - pp. 347 - 352.

65. Diab Ahmed A. Zaki. Model Predictive Control of Vector controlled Induction Motor Drive/ Ahmed A. Zaki Diab, Vladimir V. Pankratov// The 7th International Forum on Strategic Technology IFOST2012, IEEE- Conference. -Tomsk.-September 17-21. - 2012. - V II. - pp. 21 -26.

66. Диаб А.А.З. Бездатчиковое Векторное Управление Асинхронным Электроприводом С Помощью Преобразователя Компании Texas Instruments / А.А.З. Диаб// Современные техника и технологии: сборник трудов XX Юбилейной международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. В 3 т. Т. 1. Томский политехнический университет. - Томск, 14-18 апреля 2014 г: Изд-во Томского политехнического университета, 2014. - С. 225 - 226.

67. Диаб Ахмед А.З., Оценка скорости асинхронного двигателя в системах адаптивного управления по эталонной модели и с нейронной сетью/ Ахмед А.З. Диаб, Али Салама А.А., Андреев Н.К.// Энергетика Татарстана, 2012. -№2(26). -С57-61.