Розробка і дослідження асинхронних електроприводів з векторним полеорієнтованим керуванням, багатомірними ковзними режимами та ідентифікацією координат

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Клименко Юрій Михайлович

УДК 62-83:621.313.333

РОЗРОБКА І ДОСЛІДЖЕННЯ АСИНХРОННИХ ЕЛЕКТРОПРИВОДІВ З ВЕКТОРНИМ ПОЛЕОРІЄНТОВАНИМ КЕРУВАННЯМ, БАГАТОМІРНИМИ КОВЗНИМИ РЕЖИМАМИ ТА ІДЕНТИФІКАЦІЄЮ КООРДИНАТ

Спеціальність 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Одеса - 2006

Дисертація є рукописом

Роботу виконано на кафедрі електрообладнання Дніпродзержинського державного технічного університету Міністерства освіти й науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Садовой Олександр Валентинович,

Дніпродзержинський державний технічний університет,

проректор з наукової роботи,

завідувач кафедри “Електрообладнання”.

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор

Волков Олександр Васильович,

Запорізький національний технічний університет,

професор кафедри “Електропривод та автоматизація

промислових установок”;

- кандитат технічних наук, доцент

Шевченко Іван Степанович

Донбаський державний технічний університет,

професор кафедри “Автоматизовані електромеханічні системи”.

Провідна установа - Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться 17 січня 2007р. о 13 годині 30 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 41.052.05 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1, адм. корпус, ауд. 400-а.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Одеського національного політехнічного університету (м. Одеса, пр. Шевченка, 1)

Автореферат розіслано 14 грудня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Шевченко В.П

ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Інтенсивний розвиток сучасних технологій і устаткування висуває підвищені вимоги до електромеханічних систем точного відтворення складних рухів (ТВСР). До них належать системи керування антенних установок, радіолокаційних станцій, дзеркал радіотелескопів, радіотехнічних комплексів навігації, зондування й спостереження, спеціалізованих пристроїв військової техніки, що здійснюють пошук, наведення й автосупровід рухливих об'єктів. Досягнення високої надійності, необхідного ресурсу тривалого функціонування без профілактичного обслуговування й оперативних ремонтних робіт ускладнене або взагалі неможливе при використанні традиційно застосовуваних у системах ТВСР електроприводів постійного струму. Із цієї причини останнім часом бурхливо розвивається напрямок створення і розробки безконтактних глибокорегульованих асинхронних електроприводів (АЕП) з векторним полеорієнтованим керуванням (ВПК). Складність завдань, розв'язуваних електроприводами в режимах спостереження й позціювання, поряд з необхідністю досягнення високої якості відтворення задавальних впливів при низькій чутливості до дії широкого спектру дестабілізуючих факторів збільшується ще й нелінійністю, багатозв'язністю, параметричною нестаціонарністю короткозамкненого асинхронного двигуна (КАД) як об'єкта керування. Викладені особливості не дозволяють при синтезі системи керування такими електроприводами використовувати принципи лінійної теорії керування через різке зниження якості при відхиленнях параметрів об'єкта від розрахункових. У зв'язку з цим досить актуальним є задача створення безконтактних АЕП, що забезпечують високі точність, швидкодію й надійність при низькій чутливості до широкого спектру дестабілізуючих факторів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами й темами. У дисертації знайшли відбиття результати планових науково-дослідних робіт, виконаних в 1986-2004р. на кафедрі електрообладнання Дніпродзержинського державного технічного університету (ДДТУ). Роботи здійснювалися по програмі Держкомітету України з питань науки й технологій “Ресурсозберігаючі електромеханічні системи”, виконаної відповідно до наказу ДКНТ України від 1.03.1993г № 15 і на підставі договорів з підприємством Міноборонпрому СРСР - Центральним конструкторським бюро апаратобудування (ЦКБА) м. Тула відповідно до плану державної стандартизації та міжгалузевої уніфікації військової техніки на виконання рішення Президії РМ СРСР з ВПП від 11.10.1986 г № 360.

Мета роботи - розробка, дослідження й практична реалізація глибокорегульованих АЕП, у яких необхідна динамічна точність відтворення задавальних впливів, низька чутливість до параметричних і координатних збурень, можливість компенсації дії пружних властивостей передавальних пристроїв, досягаються застосуванням принципів ВПК й активного демпфування пружних коливань, синтезом системи керування в класі нелінійних систем з розривним керуванням, організацією багатомірних ковзних режимів (КР) в контурах керування при замиканні останніх як по реально вимірюваним, так і по спостережуваним координатам.

Науково-технічні завдання, сформульовані й вирішені для досягнення поставленої в дисертаційній роботі мети:

- аналітичний огляд робіт в галузі регульованих АЕП і вибір на його основі напрямку розробок і досліджень, що дозволяють створити електропривод, який відповідає високим вимогам до електромеханічних систем ТВСР;

- розробка узагальненої математичної моделі процесів електромеханічного перетворення енергії в АЕП при ВПК;

- синтез систем ВПК з уніфікованим для різних варіантів орієнтації координатного базису алгоритмом розривного керування, що забезпечує необхідну точність відтворення задавальних впливів і низьку чутливість до параметричних і координатних збурень;

- синтез і апаратна реалізація базових структур спостерігачів координат АЕП і пружного передавального пристрою, що не піддаються простим безпосереднім вимірюванням;

- оцінка похибок спостерігача координат в умовах параметричної нестаціонарності або невизначеності АЕП і дослідження їхнього впливу на ефективність розроблених структур систем і алгоритмів керування;

- технічна реалізація й експериментальні дослідження дослідних зразків синтезованих систем керування АЕП, способів зниження комутаційних втрат у силовому транзисторному перетворювачі.

Об'єкт дослідження - процеси електромеханічного перетворення енергії в регульованих АЕП.

Предмет дослідження - алгоритми й структури систем полеорієнтованого керування АЕП з багатомірними КР та ідентифікацією координат, що забезпечують відповідні меті керування статичні й динамічні характеристики в умовах дії параметричних і координатних збурень.

Методи дослідження. В основу досліджень покладені методи теорії автоматичного керування, теорії розривного керування, простору станів, еквівалентних перетворень координатного базису, аналітичного конструювання регуляторів, поділу рухів і еквівалентного керування, ідентифікації-спостереження важко вимірюваних координат, математичного моделювання. При виконанні основних розрахунків використовувалися методи обчислювальної математики, чисельного розв'язування диференціальних рівнянь, а при виконанні досліджень - методи цифрового або імітаційного моделювання й лабораторно - стендових випробувань.

Наукова новизна одержаних результатів. У роботі здійснений подальший розвиток наукового напрямку створення систем керування асинхронними електроприводами з оптимальним за точністю відтворенням заданих траєкторій руху, відповідно до якого вперше для систем з векторним полеорієнтованим керуванням:

1. Розроблено концепцію побудови та принципи практичної реалізації в асинхронному електроприводі багатомірних ковзних режимів, засновану на застосуванні методу еквівалентного керування шляхом розподілу різнотемпових рухів регуляторів зовнішніх і внутрішніх контурів.

2. Синтезовано структури АЕП, в яких за рахунок організації багатомірних ковзних режимів досягнуті висока якість відпрацьовування задавальних впливів та компенсації внутрішніх перехресних зв'язків, низька чутливість до дії зовнішніх дестабілізуючих факторів.

3. Розроблено алгоритмічну базу синтезу систем з розривним векторним полеорієнтованим керуванням, уніфіковану для варіантів орієнтації координатного базису за векторами потокозчеплень статора, повітряного зазору або ротора.

4. Визначено аналітичні вирази настроювальних коефіцієнтів електронних регуляторів, завдання яких визначає необхідну орієнтацію координатного базису системи.

Практичне значення отриманих результатів полягає у використанні їх при створенні нових зразків систем ТВСР: розроблених принципів побудови АЕП з ВПК й багатомірними КР; синтезованих алгоритмів керування, структур систем і спостерігачів координат, одержаних шляхом розв'язання задачі аналітичного конструювання регуляторів при використанні в якості інструменту синтезу спеціально створених математичних моделей КАД з уніфікованою для різних варіантів орієнтації координатного базису структурою; методики дослідження похибок спостерігачів стану, оцінки їхнього впливу на ефективність роботи системи ВПК; способу зниження комутаційних втрат у транзисторах силового перетворювача. Практична цінність дисертаційної роботи підтверджується актами випробування макетного зразка й впровадження результатів дисертаційної роботи в проектну практику ЦКБА.

Результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі кафедри електрообладнання ДДТУ при проведенні лекційних, практичних і лабораторних занять з дисципліни “Системи керування електроприводами”, виконанні курсового й дипломного проектування при навчанні студентів спеціальності “Електромеханічні системи автоматизації та електропривод”.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульовані мета та завдання досліджень. Основні положення й результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Особистий внесок автора в основних роботах, написаних у співавторстві і опублікованих в виданнях, включених до переліку ВАК: в [2] розроблена математична модель системи “КАД-силовий транзисторний перетворювач”, розроблено і досліджено спосіб зменшення кількості вмикань транзисторів силового перетворювача; в [3] розроблена математична модель, синтезована система керування з активним демпфуванням коливань; в [4] здійснений синтез системи ВПК, уніфікованої для різних орієнтацій координатного базису; в [5] одержані алгоритми керування і структури, уніфіковані для різних варіантів орієнтації, знайдено формули визначення коефіцієнтів в алгоритмах керування зміна яких дозволяє змінювати орієнтацію координатного базису системи; в [11] - методика синтезу спостерігача координат КАД пониженого порядку; в [12] - теоретичне обгрунтування структури спостерігача координат пружного передатного пристрою; в [15] - методика дослідження спостерігача координат, математична модель КАД при врахуванні нелінійних характеристик ланцюга намагнічування.

Апробація результатів дисертації здійснена на: 5-ій і 6-ій Всесоюзних науково-технічних конференціях "Динамічні режими роботи електричних машин і електроприводів"( Каунас, 1988р.; Бішкек, 1991р.); семінарі "Застосування в промисловості електроприводів на перспективній елементній базі" (Москва,1992 р.); 4-ій науково-технічній конференції "Динаміка верстатних систем гнучких автоматизованих виробництв" (Нижній Новгород, 1992р.); 3-їй Кримській конференції "СВЧ техніка і супутниковий прийом" (Севастополь, 1993р.); 2-ій і 3-ій міжнародних науково-технічних конференціях країн співдружності "Контроль і керування в технічних системах" (Вінниця, 1993 і 1995р.); 1-ій міжнародній конференції з електромеханіки і електротехнології МКЕЕ (Суздаль, 1994р.); 2-5-ій міжнародних конференціях "Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія й практика" (Харків, 1994-1997 р.); 1-ій міжнародній (12-ій Всеросійській) конференції з автоматизованого електроприводу (Санкт-Петербург,1995р.); міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми створення нових машин і технологій" (Кремечуг, 2000); науково-технічній конференції "Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації" (Кремечуг, 2002, 2003р.); семінарах "Оптимізація режимів роботи електромеханічних систем" Наукової Ради АН України по комплексній проблемі "Наукові основи електроенергетики" (Дніпродзержинськ, 1986-1999р.).

Публікації. Зміст, результати й висновки дисертаційної роботи висвітлені в 21статтях, опублікованих у науково-технічній літературі, збірниках матеріалів конференцій і семінарів. Пріоритет основних технічних рішень, що реалізують висунуті в даній роботі принципи побудови АЕП, захищені 1 патентом України й 14 авторськими свідоцтвами СРСР на винаходи. Основними є 16 публікацій, у тому числі в 7 виданнях, включених до переліку ВАК.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 4-х розділів, висновків, списку використаних джерел і 3 додатків. Повний обсяг дисертації становить 185 сторінок, включаючи 5 таблиць, 35рисунків, список використаних джерел з 156 найменувань на 18 сторінках, 8 сторінок додатків. Основний текст дисертації викладений на 145 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність досліджень, зазначено зв'язок роботи з науковими програмами й темами, сформульована мета роботи, розв'язувані науково-технічні задачі й використовувані методи дослідження. Викладено наукову новизну отриманих результатів, їхнє практичне значення, рівень апробації результатів дисертації, кількість публікацій, структура й обсяг дисертації.

У першому розділі проаналізовані вимоги до електромеханічних систем ТВСР. Установлено, що ефективність їхнього функціонування в умовах реальних обмежень потужності, ривка, прискорення, швидкості й нагрівання визначається характеристиками застосовуваних електроприводів, їхньою здатністю забезпечити необхідні: швидкодію, точність і стабільність динамічних властивостей, глибину регулювання параметра, що відслідковується, коефіцієнт нерівномірності обертання й смугу пропускання швидкісної підсистеми при відсутності перерегулювання в режимах позиціювання, слідкування й активного демпфування коливань пружних передавальних пристроїв. Застосовувані алгоритми керування повинні забезпечити низьку чутливість системи до параметричних і координатних збурень, керування на необхідному рівні обмеженням координат у перехідних і сталих режимах, високу надійність. Вивченням досвіду створення електроприводів, які відповідають цим вимогам, установлено, що найбільш ефективним є напрямок застосування безконтактних транзисторних АЕП з ВПК.

Виконаний аналітичний огляд систем векторного керування АЕП показав недоцільність побудови високоякісних АЕП, які відповідають вимогам систем ТВСР, на основі принципів лінійної теорії керування, тому що КАД характеризується як багатомірний, нелінійний, багатозв'язний об'єкт керування з нестаціонарними властивостями. Аналіз досвіду створення АЕП з ВПК в класі нелінійних систем з навмисно організованими в контурах регулювання КР, що забезпечують зниження чутливості систем до дії дестабілізуючих факторів, показав перспективність розвитку цього напрямку. Однак, такий підхід у відомих розробках реалізований без обліку складної взаємодії релейних регуляторів зовнішніх і внутрішніх контурів при роботі їх у КР, що не привело до досягнення потенційно можливих високих характеристик АЕП з ВПК.

Узагальнення матеріалів першого розділу стало основою для постановки завдань подальших досліджень, необхідних для досягнення сформульованої в дисертації мети, і пошуку нових підходів до синтезу й створення високоякісних АЕП з ВПК, багатомірними КР і технічно просто реалізованими системами керування.

У другому розділі здійснено вдосконалення математичного апарата аналізу й дослідження КАД як елемента складних замкнутих нелінійних електромеханічних систем, при синтезі яких модель машини безпосередньо використовується для пошуку оптимальних алгоритмів керування й розв'язання завдань ідентифікації координат. Велика кількість варіантів математичних моделей, застосовуваних при синтезі АЕП з ВПК, недостатньо формалізованих під використання методів аналітичного конструювання регуляторів і процедур автоматизованого проектування привели на практиці до великої кількості структурних і схемних рішень систем керування, що відрізняються функціональними можливостями, різним ступенем складності технічної реалізації, що ускладнює виявлення найбільш ефективних з них.

З метою усунення цього недоліку в дисертації розроблена узагальнена математична модель КАД, що має універсальну для різних варіантів орієнтації координатного базису структуру, яка допускає оперативну зміну орієнтації за будь-якими законами. У якості вихідної використана математична модель, що описує КАД у вигляді узагальненої електричної машини відомою сукупністю диференціальних і алгебраїчних рівнянь, :

= Rs + d /dt + щk F ; 0 = Rr + d /dt +(щk- щ) F

= Ls + Lm ; = Lm( + ); = Lr + Lm ; (1)

M=km(F )=km(F )=kmkr(F is); dщ/dt =(M - Mc)/J ,

де Rs, Rr, Ls, Lr, Lm - активні опори й індуктивності статора, ротора й ланцюга намагнічування;

Lуs= Ls- Lm; Lуr= Lr- Lm - індуктивності розсіювання статора й ротора;

km=mzp/2 - коефіцієнт, обумовлений числом фаз m і пар полюсів zp;

kr = Lm / Lr - коефіцієнт зв'язку ротора;

Відповідно до [1] узагальнений для різних орієнтацій координатного базису вектор потокозчеплення визначається рівнянням:

= aLm + Lm , (2)

де а - постійне дійсне число.

Шляхом перетворення формул обчислення потокозчеплень у рівняннях (1) з урахуванням виразу (2) отримані співвідношення:

= С1 + , = С2 + , = С3 + / а (3)

де С1, С2, С3- коефіцієнти, що обчислюються відповідно до обраної орієнтації координатного базису: С1 = Ls - aLm ; C2 = (1-a)Lm ; С3 = Lr - Lm/a .

Задаючи значення "а" у вигляді дійсних чисел, рівних Ls/Lm, Lm/Lr або 1, одержимо суміщення вектора з одним з векторів , або й трансформацію рівнянь (3) для заданої орієнтації координатного базису. Відповідно до принципу ВПК при виконанні умов орієнтації системи координат UoV за опорним вектором, справедливі співвідношення:

Ш= mШ ; Ш= 0; dШ/dt = 0 , (4)

де mШ - модуль орієнтуючого вектора потокозчеплення.

Шляхом аналітичних перетворень [1] на основі моделі (1) з урахуванням виразів (2),…,(4) отримано узагальнену математичну модель КАД при ВПК, уніфіковану для орієнтацій координатного базису за векторами потокозчеплень , або :

d mШ/dt = - C4 Tr-1 mШ+ C6 isu + C4 C5 isv щ+ C5Usu / L's

disu /dt = - C7isu + (L's Tr)-1 mШ - C5 L's-1 isv щ + isvщШп + Usu / L's (5)

disv /dt = - C7isv + C5 L's-1isu щ - isuщШп - L's-1 mШщ + Usy / L's

d щ /dt = (C8 mШ isv - Мc) J-1.

Орієнтація системи координат за одним з векторів , або здійснюється шляхом завдання коефіцієнтів С4,…, С8 відповідно до таблиці 1, де позначені: Ts,Тr - сталі часу статорного й роторного ланцюгів; уs,уr,у- коэффіцієнти розсіювання, які визначаються відомими

Таблиця 1 Формули визначення коефіцієнтів С4 -С8 в рівнянннях (5) при різних варіантах орієнтації рівняннями:

уs = Lуs /Ls =1- ks;

уr = Lуr /Lr =1- kr;

у=1-Lm2(LsLr)-1=1-kskr.

В [2] отримано узагальнену математичну модель КАД, в якій враховуються параметри транзисторного перетворювача, в [3] - модель пружного передавального пристрою. Використання отриманих математичних моделей при синтезі й дослідженнях АЕП з ВПК дозволило одержати прості структури систем з технічно достатнім для розв'язання завдань керування обліком параметрів транзисторного перетворювача й пружного передавального пристрою.

У третьому розділі здійснено структурно-алгоритмічний синтез систем ВПК з уніфікованим для різних варіантів орієнтації координатного базису алгоритмом розривного керування [1,4,5]. При цьому в якості методологічного ядра використаний й одержав подальший розвиток стосовно до АЕП з ВПК метод структурно-алгоритмічного синтезу систем, стійких при необмеженому збільшенні коефіцієнта підсилення, що базується на спільному застосуванні теореми А.М.Ляпунова про асимптотичну стійкість й задачі аналітичного конструювання релейних регуляторів.

У процесі синтезу узагальнена модель КАД (5) піддана лінеаризації, прийняті допущення про компенсацію перехресних зв'язків і збурюючих впливів регуляторами, які працюють у КР автономно при організації в системі багатомірних КР. Відповідно до концепції О.М.Ляпунова про збурений-незбурений рух динаміка системи описана рівняннями збуреного руху [1]

де Х1, …, Х4 - координати збуреного руху



Д(*)* і Д(*) - значення прирісту координат незбуреного й істинного рухів;

Usu,v = Дusu,v - Дu*su,v стабілізуюче керування;

Дusu,v, Дu*su,v - приріст керуючих впливів дійсного й програмного рухів;

a11 = - C4/Tr; a12 = C6; a21 =1/Tr L's; a21 =1/Tr L's; a34=C8 (mШ )п/J;

а43 = (С5i - mШ )/L's; b11 = C5/L's; b21= b42=(L's)-1;

Для об'єктів керування потокозчепленням (6) і швидкістю (7) КАД розв'язана задача аналітичного конструювання регуляторів з умови мінімізації інтегральних функціоналів якості виду:

де wik - позитивні вагові коефіцієнти.

У результаті оптимальні керуючі впливи на виходах регуляторів контурів регулювання потокозчеплень (UР1), швидкості (UР3), реактивного(UР2) і активний струмів (UР4) визначені у вигляді:

- коеффіциєнти, які визначаються згідно з обраною орієнтацією координатного базису відповідно до таблиці 2.

На рис.1 представлена структурна схема АЕП з ВПК по алгоритмах (8) з навмисно організованими багатомірними КР. Виключення з структурної схеми елементів, виділених сірим фоном, перетворює структуру АЕП в систему з прямими розривними керуваннями у всіх контурах. На рис. 2 представлені осцилограми зміни координат: щ(t) - швидкості; М(t)-електромагнітного моменту; mШr(t) -модуля орієнтуючого вектора потокозчеплення ротора; isu(t) - реактивного струму; mis(t) - модуля вектора струму статора; isABC(t) - фазних струмів статора; Шrб,в(t)-компонент вектора потокозчеплення ротора в системі координат бoв; (t) - кута між векторами та , отримані шляхом моделювання структур з багатомірними КР(рис.1) і з прямими розривними керуваннями, що працюють з Мс=0 (0-t7) і Мс=Мном (t7 - t).

Таблиця 2

Формули для визначення значень коефіцієнтів в алгоритмах (8) для різних варіантів орієнтації



Рис.1 Структурна схема АЕП з ВПК й багатомірними КР

При цьому в контурах регулювання потокозчеплення і швидкості промодельовані режими відпрацьовування завдань =0, щ*=0 (0 - t1); збудження машани до при (t1 - t2); - стабілізації=соnst (t2 -t) при (t2 - t3), разгону до щном. (t3 - t4), стабілізації швидкості на рівнях щном. (t4 - t5) и - щном. (t6 - t), реверсу с щном. до - щном (t5 - t6).



Організація багатомірних КР у системі керування здійснена на основі застосування методу еквівалентного керування, що дозволяє розділити різнотемпові рухи в зовнішніх і внутрішніх контурах керування шляхом включення міжними демодуляторів [6], спеціалізованого обчислювача еквівалентного керування [7], або двохканальної замкненої по сигналах на її виходах моделі контура струму (МКС) [8], яка містить релейні регулятори активного і реактивного струмів, моделі обчислення струму з параметрами керованого КАД і обмежувачі напруг ОН1,2. Внутрішній контур регулювання при цьому виконано тривимірним. Він являє собою контур формування фазних струмів (КФФС), замкнений за вимірюванними струмами isABC. Сигнали еквівалентного керування U i V на виходах МКС

функції координат АЕП, що забезпечує такі ж властивості АЕП, як і розривні сигнали UP1, UP3 на входах МКС. Завдяки цьому всі регулятори системи працюють автономно в КР, забезпеючи компенсацію перехресних зв'язків, збурюючих впливів, високу якість формування координат М, isu, mis, . Зформовані фазні струми isABC сінусоїдальні і мають малий рівень вищих гармонік. На відміну від систем з багатомірними КР, системи з прямим розривним керуванням відрізняються значним рівнем пульсацій фазних струмів і електромагнітного моменту, низькою інваріантністю до збурюючих впливів і ефективністю компенсації внутрішніх перехресних зв'язків. Шляхом моделювання системи АЕП з ВПК на основі алгоритмів (8) з багатомірними КР доведена еквівалентність динамічних характеристик, отриманих при стабілізації модуля орієнтуючого вектора потокозчеплення для будь-яких варіантів орієнтації координатного базису за векторами потокозчеплень ,або.

При синтезі алгоритмів керування позиційними АЕП рівняння динаміки, які описують процеси електромеханічного перетворення енергії [7], пре-дставлені двома підсистемами, що характеризують відповідно процес гасіння кінетичної енергії мас, що рухаються, (9) і процес відпрацьовування впливу завдання положення (10):

де а013 =С8'io sv; а014 =С8'щo; а023=kp; kp- коефіцієнт передачі редуктора.

У синтезованому контурі керування положенням процес позиціювання без дотягувань і перерегулювань досягається при формуванні керуючих впливів, що забезпечують мінімум функціоналові якості:

Перша і друга складові інтегранта (11) характеризують процеси гасіння кінетичної енергії мас, які рухаються (9) і відпрацьовування похибки за положенням (10). Одночасне досягнення нульових значень змінними Х01(t) і Х02(t) забезпечує позиціювання при відпрацьовуванні “великих” і “малих” переміщень із трапецієподібною або трикутною діаграмами швидкості.

Алгоритми керування позиційним АЕП синтезовані в просторі абсолютних значень змінних стану у вигляді виразів

- коефіцієнти, які визначаються згідно з обра-

ним варіантом орієнтації координатного базиса.

Синтез алгоритмів керування АЕП з активним демпфуванням коливань пружного передавального пристрою здійснено при використанні математичної моделі [3]:

 (13)

де М12, Мс2 - моменти пружної взаємодії мас та опору на вихідному валу пружного передатного пристрою;

щ1, щ2 - кутові швидкості першої та другої зосереджених мас;

а11= - kf 2/Tм2 ; a12 = 1/Tм2 ; a21 = -1/ Tc + kc kf2 / Tм2 ; a22 = -kc (Tм1+

+ Tм2 ) / Tм1 Tм2; a24 = -1/ Tc + kc kf1 / Tм1 ; a33 = -З7; а42 = - 1/ Tм1 ;

а34 =k16 L's-1 (З5isu - Ш ); а43 = 1 / Tм1 ; а44= - kf 1 / Tм1; b2 = k16 / L's;

ТМ1 ,ТМ2 - механічні сталі часу зосереджених мас;

ТС - механічна стала жорсткості;

kc, kf1 і kf2 - безрозмірні коефіцієнти жорсткості, зовнішнього і внутріш

нього в'язкого тертя;

м1=-1/ Tм2; м2 =kc /Tм2; м3 = -k16щШп isu.

У процесі стуктурно-алгоритмічного синтезу знайдені алгоритми керування регуляторами швидкості (Р1), пружного моменту (Р2) і електромагнітного моменту (Р3), який розвивається КАД [3]



На рис.3 представлено результати моделювання роботи системи програмного керування швидкістю АЕП з алгоритмами (14) при орієнтації координатного базиса по вектору . Графіки зміни впливу завдання , координат щ1(t), щ2(t), Мс(t), М12(t), М(t), е(t)= mШr(t), isu(t), Шr б,в(t), is б,в(t), наведені для режимів: збудження машини до рівня Шr ном. (0чt1); роботи з (0чt4) при Мс = 0 (0чt2), Мс = - Мном (t2чt3), Мс = Мном (t3чt4); відпрацьовування завдання при Мс=Мном (t4чt5), Мс= -Мном (t5чt6), Мс=0 (t6чt).

Наведені на рис. 2 та 3 осцилограми перехідних процесів, одержані при математичному моделюванні, та результати випробовувань макетного зразка АЕП механізмів ТВСР підтвердили високу ефективність застосування синтезованих алгоритмів керування при організації в контурах системи багатомірних КР.

У четвертому розділі розглянуті питання технічної реалізації синтезованих алгоритмів керування. Розроблено спостерігачі координат потоку [12,13, 14], електромагнітного моменту КАД і моменту пружної взаємодії мас у передавальному пристрої з обмеженною жорсткістю, реалізовані на основі замкнутих динамічних моделей з контурами стеження, які працюють в КР і забезпечують за рахунок цього високу точність ідентифікації координат незалежно від варіацій параметрів.

На рис.4 показані функціональні схеми синтезованих спостерігачів координат СК КАД і пружного передатного пристрою ППП в скдаді яких контури стеження КС1, КС2 і КС3, перетворювач координат ПК3-2, моделі статора МС і ротора МР, блок обчислення електромагнітного моменту БОМ, пружний передавальний пристрій ППП

Рис. 3 Результати моделювання алгоритмів (14) давачі вихідної координати ДВК та фазних струмів



Рис.4 Функціональна схема спостерігача координат КАД і пружного передатного пристрою теми з алго ритмами керування (14) до неточності завдання при розрахунку спостерігача, або змінах у процесі експлуатації коефіцієнта жорсткості Сж і моменту інерції J2. Осцилограми похибок регулювання е(t) = одержані для режимів: роботи з (0чt3) при Мс=0 (0чt1), Мс=- Мном (t1чt2), Мс= =Мном (t2чt3); відпрацьовування пливів завданя , при Мс= =Мном (t3чt4), Мс=-Мном (t4чt5), Мс=0 (t5чt).

Запропонована методика [15], відповідні їй схеми проведення експериментів та лабораторностендове устаткування дозволили виконати повний комплекс досліджень похибок ідентифікації координат електропривода, оцінки їх впливу на ефективність роботи систем векторного керування в умовах зміни або неточності завдання параметрів КАД.

На рис.5 приведені результати дослідження похибок швидкісної підсис ДС, тахогенератор BR.

На рис. 5 представлені результати дослідження е(t), отримані для випадків:

е0(t) - при розрахункових значеннях;

е1(t) - при Сж= 0.5 і ; е2(t) - при Сж= 1.5і ;

е3(t) - при J2=0.5 і; е4(t) - при J2=1.5 і.

Рис. 5 Результати дослідження похибок регулювання при відхиленнях коефіцієнта жорсткості

Шляхом математичного моделювання спільної роботи системи з алгоритмами керування (8) і розроблених спостерігачів координат визначені діапазони варіацій параметрів об'єкта керування, від номінальних значень, настроювальних для спостерігача, що істотно не впливають на динамічні й статичні показники систем ТВСР. Для орієнтацій координатного базису за векторахі вони складають

=(-20ч30)% ;

=(-7ч10)% ;

=(±20)% ;

=(±20)%.

Сж і моменту інерції J2 від розрахункових Вперше розроблений спосіб, запропонована та досліджена схема формування фазних струмів статора КАД методом однополярної модуляції з релейними регуляторами, що працюють у КР [2,16] . Реалізація запропонованого способу дозволяє сформувати струми в обмотках КАД з низьким рівнем вищих гармонік, що визначають мінімальні пульсації електромагнітного моменту; знизити кількість перемикань ключів перетворювача більш ніж на 60% у порівнянні із двухполярною модуляцією

ВИСНОВКИ

Виконані в дисертаційній роботі дослідження асинхронних електроприводів механізмів точного відтворення складних рухів, дозволяють зробити наступні висновки:

1. Висока якість відпрацьовування впливів завдання в АЕП з векторним полеорієнтованим керуванням, асимптотично стійкі перехідні процеси, низька чутливість до дії широкого спектру дестабілізуючих факторів досягаються в системах з розривним керуванням за умов організації в системі багатомірних ковзних режимів, досягнення сталого нульового значення координат збуренного руху в контурах регулювання.

2. Формування багатомірних ковзних режимів релейних систем з підлеглим регулюванням досягнуто застосуванням методу еквівалентного керування шляхом поділу різнотемпових рухів у зовнішніх і внутрішніх контурах регулювання на “високочастотні” і “низькочастотні” складові й використання останніх в якості задаючих впливів на входах регуляторів внутрішніх контурів.

3. Застосування в якості пристрою виділення еквівалентного керування прямої, замкненої по сигналу на її виході, моделі контура регулювання струму, яка має релейний регулятор і ланку обчислення струму з параметрами керованного КАД, дозволяє при синтезі алгоритмів керування не враховувати динаміку цієї моделі при роботі її регулятора в КР.

4. Розроблений спосіб формування еквівалентного керуючого впливу і регулятор на його основі, забезпечують високу динамічну точність його визначення незалежно від частоти КР.

5.Опис динаміки АЕП з ВПК вперше одержанною, узагальненою математичною моделлю дозволяє шляхом розв'язання задачі аналітичного конструювання регуляторів виконати структурно-алгоритмічний синтез системи зі структурою, уніфікованою для варіантів орієнтації координатного базису за одним з векторів потокозчеплень , або . Знайдено формули визначення коефіцієнтів в алгоритмах керування зміна яких дозволяє змінювати орієнтацію координатного базису системи.

6. Дослідженнями роботи АЕП з ВПУ і синтезованими алгоритмами керування доведена еквівалентність динамічних характеристик АЕП, отриманих при стабілізації модуля орієнтуючого вектора потокозчеплення для будь-яких варіантів орієнтації координатного базису.

7. Активне демпфування коливань пружного передавального пристрою здійснюєтся при синтезі алгоритмів керування регуляторами швидкості, пружного і електромагнітного момента, працюючих в КР на основі інформації спостерігачів координат, реалізованих на основі працюючих у реальному масштабі часу прямих замкнутих динамічних моделей КАД при ВПК, постачених контурами стеження, які працюють в КР і забезпечують високу точність ідентифікації координат при варіаціях параметрів КАД.

8. Дослідженнями точності розроблених спостерігачів координат і оцінкою її впливу на ефективність розроблених структур систем підтверджена їхня низька чутливість до невідповідності параметрів КАД і спостерігачів координат.Визначено діапазони припустимих варіацій параметрів об'єкта керування, що істотно не впливає на динамічні й статичні показники систем ТВСР, у яких недоступні для безпосереднього вимірювання змінні стану ідентифікуються розробленими спостерігачами координат.

9. Значне підвищення частот ковзних режимів регуляторів зовнішніх контурів, забезпечення незалежності цих частот від глибини регулювання швидкості КАД і зниження амплітуди пульсацій регульованих координат досягнуто при використанні сигналів з виходів спостерігача координат в якості сигналів зворотних зв'язків контурів регулювання. Таке рішення дозволило забезпечити досягнення високих частот ковзних режимів регуляторів зовнішніх контурів без зміни частот внутрішніх контурів.

10. Формування струмів в обмотках КАД з низьким рівнем вищих гармонік, що визначають мінімальні пульсації електромагнітного моменту, забезпечення стійкості роботи електропривода з необхідною перевантажувальною здатністю по струму (моменту) у кожному із чотирьох квадрантів механічних характеристик досягнуто застосуванням уперше розробленого способу формування фазних струмів методом однополярної модуляції з релейними регуляторами, що працюють у ковзному режимі. Дослідженнями установлено зменшення кількості перемикань ключів перетворювача більш ніж на 60% у порівнянні з формувачами струмів із двухполярною модуляцією.

11. Розроблені в дисертації підходи до побудови асинхронних електроприводів з векторним полеорієнтованим керуванням, способи поліпшення процесів керування, результати оцінки ефективності прийнятих рішень на основі математичного моделювання й випробувань макетного зразка є прямим доказом перспективності впровадження результатів дисертаційної роботи.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1.. Клименко Ю.М. Математическая модель асинхронного двигателя и синтез алгоритмов полеориентированного управления на ее основе.// Юбилейный сборник научно - технических трудов ДГТУ.- Днепродзержинск :1995. - С.518-527.

2. Клименко Ю.М., Садовой А.В. Техническая реализация транзисторных асинхронных электроприводов с векторным полеориентированным управлением // Проблемы создания новых машин и технологий. Сборник научных трудов Кременчугского государственного политехнического института: Выпуск 1/ 2000 (8).-Кременчуг: КГПИ.-2000.-С.75-80.

3. Клименко Ю.М., Садовой А.В. Синтез систем полеориентированного управления при учете упругих свойств механических передач. // Проблемы автоматизированного электропривода.Теория и практика. -Харьков.Основа. -1995. - С.36-39.

4. Клименко Ю.М., Садовой А.В. Структуры и алгоритмы разрывного управления АЭП, унифицированные для ориентаций по векторам Шs, Шm или Шr. // Электромашиностроение и электрооборудование. -К: Техника. -1997г., -№ 49. -С.14-22.

5. Садовой А.В., Клименко Ю.Ю., Клименко Ю.М. Асинхронные электроприводы с векторным полеориентированным управлением и многомерными скользящими режимами.//Вісник Кременчуцького політехнічного університету: Наукові праці КДПУ.- Кременчук: КДПУ.-Вип.4/2006 (39), -С.24-28.

6. Частотно-управляемый электропривод: А.с.1527701 СССР, МКИ Н02Р 7/42./ О.А.Дегтяренко, Ю.М.Клименко - №4411180/24-07; Заявл.21.03.88; Опубл. 07.12.89, Бюл. № 45.

7. Способ формирования управляющего воздействия регулятора со скользящим режимом и регулятор со скользящим режимом: А.с.1792221, 1679936

СССР МКИ Н02Р 5/06/ Ю.М.Клименко, О.А.Дегтяренко, Н.Н.Белич - №4890786/07; Заявл. 10.12.90.

8. Патент 27886 Украина, МКИ Н02Р 7/42. Асинхронный электропривод с разрывным фазовектроным управлением // Клименко Ю.М., Садовой А.В. - №94117492. Заявл.09.11.1994. Опубл.16.10.2000, Бюл. №5.

9. Устройство формирования тока: А.с. 1676419 СССР, МКИ Н02Р 7/42. / Ю.М.Клименко, А.В.Садовой (СССР) -№4740955, заявлено 02.08.89.

10. Клименко Ю.М. Синтез и техническая реализация асинхронных электроприводов с векторным полеориентированным управлением и идентификацией координат // Проблемы создания новых машин и технологий. Сборник научных трудов Кременчугского государственного политехнического института: Выпуск 2 / 1999 (7).- Кременчуг: КГПИ, -1999.-С.67-72.

11. Клименко Ю.М., Поликарпов Д.Ю. Структурно-алгоритмический синтез наблюдателей координат асинхронного двигателя для систем векторного полеориентированного управления. // Тезисы докладов 3-ей международной научно-технической конференции "Контроль и управление в технических системах" (Винница 95).- Часть 2.- Винница.-1998.-С.488-489.

12. Клименко Ю.М., Садовой А.В. Журавский Д.М. Наблюдатель координат следяще-позиционных электроприводов при учете упругих свойств механических передач.// Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика./Под ред. В.Б. Клепикова, Л.В. Акимова. -Харьков: Основа.-1997. - С.78-79.

13. Устройство определения координат асинхронного двигателя в следящем электроприводе: А.с.1450706 СССР, МКИ Н02Р 7/42 / О.А.Дегтяренко, А.Н. Домнин, Ю.М.Клименко, А.И.Лиманский, А.Г.Мусиенко, А.В.Садовой, Б.В.Сухинин.- №4301996/07; Заявл.31.08,87.

14. Устройство для определения координат следящего электромеханического модуля с асинхронным двигателем: А.с. 1634108 СССР, МКИ Н02Р 5 / 402/Клименко Ю.М., Садовой А.В., Сухинин Б.В.-№4774210/07; Заявл.26.12.89.

15. Клименко Ю.М., Садовой А.В., Клименко Ю.Ю, Практическая реализация асинхронных электроприводов с векторным полеориентированным управлением (II) / Вісник Кременчуцького політехнічного університету: Наукові праці КДПУ.- Кременчук: КДПУ, 2003.-Вип.2(19), T.1. -С.43-48.

16. Способ формирования трехфазных синусоидальных токов частотно-управляемого электропривода и устройство для его реализации: А.с. 1614728 СССР, МКИ Н02Р 7/42. / Ю.М.Клименко, О.А.Дегтяренко, А.В.Садовой №4441058; Заявлено15.05.88.

анотація

асинхронний електропривод антенний навігація

Клименко Юрій Михайлович. Розробка і дослідження асинхронних електроприводів з векторним полеорієнтованим керуванням, багатомірними ковзними режимами та ідентифікацією координат. - Рукопис

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи - Одесь-кий національний політехнічний університет, м. Одеса, 2007.

Дисертацію присвячено розв'язанню науково-практичної задачі створення асинхронних електроприводів для електромеханічних систем точного відтворення складних рухів антенних установок, радіолокаційних станцій, дзеркал радіотелескопів, радіотехнічних комплексів навігації, спеціалізова-них пристроїв військової техніки, що здійснюють пошук, наведення й авто-супровід рухливих об'єктів. В роботі здійснена розробка, дослідження й практична реалізація глибокорегульованих асинхронних електроприводів, у яких необхідна динамічна точність відтворення задавальних впливів, низька чутливість до параметричних і координатних збурень, можливість компенсації дії пружних властивостей передавальних пристроїв, досягаються застосуванням принципів векторного полеорієнтованого керування й активного демпфування пружних коливань, синтезом системи в класі нелінійних систем з розривним керуванням, організацією багатомірних ковзних режимів в контурах керування при замиканні останніх як по реально вимірюваним, так і по спостережуваним координатам.

Ключові слова: алгоритм, математична модель, асинхронний електропривод, полеорієнтоване керування, ковзний режим, спостерігач.

Клименко Юрий Михайлович. Разработка и исследование асинхронных электроприводов с векторным полеориентированным управлением, многомерными скользящими режимами и идентификацией координат. - Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальностью 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы - Одесский национальный политехнический университет, г. Одесса, 2007.

Диссертация посвящена решению научно-практической задачи создания асинхронных электроприводов для электромеханических систем точного воспроизведения сложных движений антенных установок, радиолокационных станций, зеркал радиотелескопов, радиотехнических комплексов навигации, специализированных устройств военной техники, которые осуществляют поиск, наведение и автосопровождение подвижных объектов.

В работе осуществлено дальнейшее развитие научного направления создания систем управления асинхронными электроприводами: разработана концепция построения и принципы практической реализации в асинхронном электроприводе многомерных скользящих режимов, основанная на применении метода эквивалентного управления путем разделения разнотемповых движений регуляторов внешних и внутренних контуров.

Цель работы - разработка, исследование и практическая реализация глубокорегулируемых асинхронных электроприводов, в которых необходимая динамическая точность воспроизведения задающих воздействий, низкая чувствительность к параметрическим и координатным возмущениям, возможность компенсации действия упругих свойств передаточных устройств, достигаются применением принципов ВПУ и активного демпфирования упругих колебаний, синтезом системы управления в классе нелинейных систем с разрывным управлением, организацией многомерных скользящих режимов в контурах регулирования при замыкании последних как по реально измеренным, так и по наблюдаемым координатам.

Методом аналитических преобразований известных математических моделей получены модели короткозамкнутого асинхронного двигателя с универсальной для вариантов ориентации координатного базиса по векторам потокосцеплений , и структурой вычислений. С применением разработанных моделей методом аналитического конструирования регуляторов синтезированы структуры асинхронных электроприводов в которых за счет организации многомерных скользящих режимов достигнуты высокое качество отработки задающих воздействий и компенсации внутренних перекрестных связей, низкая чувствительность к действию внешних дестабилизирующих факторов.

Разработана алгоритмическая база синтеза систем управления, унифицированных для вариантов ориентации координатного базиса по векторами потокосцеплений статора, воздушного зазора или ротора; получены аналитические выражения настроечных коэффициентов электронных регуляторов, задание которых определяет необходимую ориентацию координатного базиса системы; для случая стабилизации модуля ориентирующего вектора потокосцепления доказана эквивалентность динамических свойств подсистемы управления электромагнитным моментом электропривода, полученных для различных вариантов ориентации координатного базиса.

Предложенная методика, соответствующие ей схемы проведения экспериментов и лабораторно-стендовое оборудование позволили выполнить полный комплекс исследований погрешностей идентификации координат электропривода, оценки ее влияния на эффективность работы систем векторного управления в условиях изменения или неточности задания параметров короткозамкнутого двигателя. Оценка работы наблюдателя координат показала, что максимальные значения статических погрешностей наблюдения составляют до ± 5% по модулю и ±(5ч9) эл. град. по фазе. Работа системы управления с погрешностями таких уровней не приводит к разрушению скользящих режимов в контурах, однако, частота скользящих режимов при этом в контурах регулирования снижается на (10ч20) %, что вызывает увеличение пульсаций электромагнитного момента и снижение диапазона регулирования скорости до ? 8600.

Разработан способ, предложена и исследована схема формирования фазных токов методом однополярной модуляции с релейными регуляторами, работающими в скользящем режиме. Реализация предложенного способа позволяет сформировать токи в обмотках КАД с низким уровнем высших гармоник, предопределяющим минимальные пульсации электромагнитного момента и высокую равномерность вращения вала двигателя в зоне низких угловых скоростей; обеспечить устойчивую работу с требуемой перегрузочной способностью по току (моменту) в любом из четырех квадрантов механических характеристик; снизить уровни коммутационных потерь в ключах преобразователя более чем на 60% по сравнению с двуполярной модуляцией.

Ключевые слова: алгоритм, математическая модель, асинхронный электропривод, полеориентированное управление, скользящий режим, наблюдатель.

Klimenko Jury Mihajlovich. Development and research of asynchronous electric drives with vector fіeld oriented management, multivariate sliding modes and identification of coordinates. - the Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.09.03 - electrotechnical complexes and systems - the Odessa national polytechnical university, Odessa, 2007.

The dissertation is devoted to the decision of a scientific - practical problem of creation of asynchronous electric drives for electromechanical systems of exact reproduction of complex movements antenna installations, radar stations, mirrors of radiotelescopes, radio engineering complexes of the navigation, the specialized devices of military technics which carry out search, prompting and autosupport of mobile objects. In work development, research and practical realization deep-regulation asynchronous electric drives in which necessary dynamic accuracy of reproduction of specifying influences, low sensitivity parametrical and coordinate indignations, an opportunity of indemnification of action of elastic properties of transmitting devices are achieved by application of principles vector fіeld oriented managements, synthesis of system in a class of nonlinear systems with explosive management, the organization of multivariate sliding modes in contours of management at short circuit of the last both on really measured, and on observable coordinates is carried out.

Key words: algorithm, mathematical model, the asynchronous electric drive, fіeld oriented management, a sliding mode, observer.

Размещено на Allbest.ru

...