Способ управления вентильно-индукторным электроприводом и устройство для его осуществления

 

Изобретение может быть использовано в регулируемых электроприводах различных механизмов, в том числе малых транспортных средств, насосных установок, бытовой техники и др. В способе управления вентильно-индукторным электроприводом, при котором на фазные обмотки электродвигателя поочередно подают импульсы напряжения, предварительно определяют и запоминают кривую намагничивания Ψ_зад(i) при заданном угле коммутации, а переключение напряжения с одной фазы на другую осуществляют в функции сигнала положения ротора, определяемого косвенным образом с использованием сигналов мгновенного значения напряжения на обмотке работающей фазы и мгновенного значения тока в ней. Дополнительно определяют текущее значение сопротивления обмотки и корректируют измеренный сигнал тока электродвигателя, используемый при вычислении текущего значения потока, в функции полученного значения сопротивления. В результате обеспечивается устойчивый пуск электродвигателя при любых условиях, расширяется диапазон регулирования скорости и повышается точность определения углового положения ротора. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к управлению вентильно-индукторными электроприводами различных механизмов, в том числе малых транспортных средств, насосных установок, бытовой техники и др.

Вентильно-индукторный электропривод - это электропривод, содержащий индукторную машину с неодинаковым числом явно выраженных полюсов на статоре и роторе и электронный коммутатор, управляемый в функции положения ротора. Под вентильным режимом работы этого электропривода подразумевается синхронная с изменением положения ротора коммутация тока в фазах электрической машины. Для этого обычно используется связанный с валом двигателя датчик положения, в качестве которого применяются датчики Холла, оптические датчики вместе с щелевым диском или кодовыми шкалами, сельсины, револьверы и др.

Известен способ управления вентильно-индукторным электроприводом, согласно которому на фазные обмотки электродвигателя поочередно подают импульсы напряжения, измеряют положение ротора, сравнивают измеренное положение ротора с заданным значением и при их совпадении осуществляют переключение напряжения с одной фазы на другую [1].

Электропривод, реализующий этот способ, содержит индукторный электродвигатель, подключенный к выходу коммутатора (вентильного преобразователя), управляющий вход которого соединен с выходом регулятора одного из параметров электродвигателя, датчик тока электродвигателя и датчик напряжения звена постоянного тока вентильного преобразователя, выходы которых подключены ко входам соответствующих регуляторов, а также датчик положения ротора, выход которого вместе с задатчиком положения подключен ко входу компаратора, выход которого подключен ко входу управления коммутацией фаз вентильного преобразователя [1].

Наличие датчика положения ротора усложняет конструкцию двигателя, интерфейс между контроллером (устройство управления) и двигателем, снижает надежность работы в условиях электромагнитных помех и агрессивных средах, а в конечном счете увеличивает стоимость электропривода и затраты на его обслуживание. Этот недостаток является одним из факторов, сужающих сферу применения вентильно-индукторных приводов, особенно в массовых применениях, чувствительных к стоимости электропривода и уровню его эксплуатации.

В течение последних десятилетий бурное развитие микропроцессорных средств позволило разработать усовершенствованные алгоритмы управления и способы косвенного измерения положения ротора по сигналам электрических величин и тем самым устранить из систем управления вентильными электроприводами датчик положения ротора.

Известен способ бездатчикового управления вентильно-индукторным электроприводом, заключающийся в детектировании положения по результату сравнения потокосцеплений [2] Ψ = ∫(U-iR)dt>L_ЗАД•i. (1) Функциональная схема устройства, реализующего этот способ, содержит электродвигатель, подключенный к вентильному преобразователю (коммутатору), в цепь управления которого включены широтно-импульсный модулятор и соответствующие регуляторы параметров электродвигателя, сумматор, входы которого соединены с выходом датчика напряжения звена постоянного тока вентильного преобразователя и через блок умножения - с выходом датчика тока, который подключен через второй блок умножения к вычитающему входу узла сравнения, суммирующий вход которого соединен через блок вычисления интеграла с выходом сумматора. Выход узла сравнения через релейный элемент подключен ко входу блока вычисления заданного угла коммутации (заданного положения) [2].

Известен также способ [3] , использующий для непрерывного определения текущего положения ротора семейство кривых намагничивания, хранящееся в многомерной таблице. Измерения напряжений и токов в каждой фазе производятся непрерывно, по значениям потокосцеплений, полученных интегрированием по времени сигнала, равного разности напряжения звена постоянного тока и падения напряжения на обмотке, и токов, являющихся входными величинами для многомерной таблицы, положение ротора определяется с учетом эффектов взаимоиндукции. Для минимизации объема хранящихся данных в [3] предложено хранить только одну кривую намагничивания, которая соответствует заданному положению Θ_ЗАД. Основным недостатком этих способов являются ошибки вычисления потокосцепления при интегрировании фазного напряжения, возникающие преимущественно из-за температурных изменений омического сопротивления обмоток, проявляющегося наиболее сильно при низких скоростях. Кроме того, необходимость получения и хранения предварительно полученных данных о кривых намагничивания увеличивает число вычисленных операций. Преимущества этих методов - нечувствительность к эффекту насыщения, применимость во всем диапазоне скоростей, хорошая точность, возможность работы во всех четырех квадрантах.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, основанный на косвенном измерении мгновенного значения потока и сопоставления его с линией переключения в координатах ток-поток [4]. Согласно этому способу бездатчикового управления вентильно-индукторным электроприводом на фазные обмотки электродвигателя поочередно подают импульсы напряжения, предварительно определяют и запоминают кривую намагничивания Ψ_зад(i) при заданном угле коммутации, переключение напряжения с одной фазы на другую осуществляют в функции сигнала положения ротора, определяемого косвенным образом, для чего определяют мгновенное значение напряжения на обмотке работающей фазы и измеряют мгновенное значение тока в ней, по полученным значениям вычисляют текущее значение потокосцепления в соответствии с зависимостью где R - постоянный коэффициент, одновременно по мгновенному значению тока и запомненной кривой намагничивания определяют заданное значение потокосцепления, сравнивают полученные текущие значения потокосцеплений с заданным и в момент их совпадения вырабатывают сигнал на отключение работающей фазы и включение следующей, для которой процесс повторяют.

Электропривод [4] , реализующий этот способ, содержит индукторный электродвигатель, подключенный к выходу коммутатора (вентильного преобразователя), управляющий вход которого соединен с выходом регулятора одного из параметров электродвигателя, датчик тока электродвигателя и датчик напряжения звена постоянного тока вентильного преобразователя, сумматор, вход которого соединен с выходом датчика напряжения и через блок умножения - с выходом датчика тока, который также подключен через функциональный преобразователь, реализующий кривую намагничивания электродвигателя при заданном угле коммутации, к одному из входов компаратора, второй вход которого через интегратор соединен с выходом сумматора, а выход компаратора подключен ко входу управления коммутацией фаз вентильного преобразователя.

В двигателе обычного исполнения при работе на средних и высоких скоростях падения напряжения iR составляет небольшую часть от напряжения фазы U_фазы и даже значительные отклонения в значении сопротивления R от его реального значения не оказывают существенного влияния на работу электропривода.

Недостатком рассматриваемых способа и устройства является то, что в низковольтных двигателях при низкой скорости вращения значение iR фазной обмотки даже в номинальном режиме может составлять значительную долю (до 30%) от напряжения питания. Поскольку для всех двигателей в начале пуска значение ЭДС вращения мало, а прикладываемое к обмотке напряжение снижается за счет работы регулятора тока, то среднее значение напряжения становится соизмеримым со значением iR, при работе двигателя на низких скоростях ЭДС вращение также становится соизмеримой с падением напряжения iR.

В этих случаях отклонение реального значения iR от его расчетного значения приводит к изменению момента коммутации фаз либо в сторону опережения, либо в сторону отстаивания относительно заданного угла коммутации, а это может привести либо к трансформации нагрузочных характеристик электропривода, либо к неустойчивой работе и полной потере работоспособности.

Нагрев обмоток в процессе работы вызывает рост сопротивления R в зависимости от температуры обмотки (до 25% при полной нагрузке). В ряде случаев это не позволяет использовать в расчетах постоянное значение R, так как пуск может происходить как в холодном, так и в нагретом состоянии в зависимости от вида рабочего цикла.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в обеспечении устойчивого пуска при любых условиях, расширении диапазона регулирования скорости и повышении точности определения положения ротора при использовании алгоритма бездатчикового управления.

Задача решается за счет того, что в известном способе бездатчикового управления вентильно-индукторным электроприводом, согласно которому на фазные обмотки электродвигателя поочередно подают однополярные импульсы напряжения, предварительно определяют и запоминают кривую намагничивания Ψ_зад(i) при заданном угле коммутации, переключение напряжения с одной фазы на другую осуществляют в функции сигнала положения ротора, определяемого косвенным образом, для чего определяют мгновенное значение напряжения на обметке работающей фазы и мгновенное значение тока в ней, по полученным значениям вычисляют текущее значение потокосцепления, одновременно по мгновенному значению тока и запомненной кривой намагничивания определяют заданное значение потокосцепления, сравнивают полученные текущие значения потокосцепления с заданным и в момент их совпадения вырабатывают сигнал на отключение работающей фазы и включение следующей, для которой процесс повторяют, согласно изобретению, дополнительно определяют текущее значение сопротивления обмотки и текущее значение потокосцепления вычисляют в соответствии с зависимостью где U - мгновенное значение напряжения на обмотке работающей фазы, i - мгновенное значение тока в обмотке, R - расчетное значение сопротивления обмотки.

Задача решается также за счет того, что в известный электропривод, содержащий индукторный электродвигатель, подключенный к выходу вентильного преобразователя, управляющий вход которого через широтно-импульсный модулятор соединен с выходом регулятора одного из параметров электродвигателя, датчики тока электродвигателя и напряжения звена постоянного тока вентильного преобразователя, сумматор, первый вход которого соединен с выходом датчика напряжения, выход датчика тока подключен через функциональный преобразователь, реализующий кривую намагничивания электродвигателя при заданном угле коммутации, к одному из входов компаратора, второй вход которого через интегратор соединен с выходом сумматора, а выход компаратора подключен ко входу управления коммутацией фаз вентильного преобразователя, дополнительно введены блок умножения и устройство определения текущего значения сопротивления обмотки, вход которого соединен с выходом датчика тока, а выход подключен ко второму входу блока умножения, включенного между выходом датчика тока и вторым входом сумматора.

Устройство определения текущего значения сопротивления обмотки содержит последовательно соединенные блок определения потерь, блок тепловой модели электродвигателя, сумматор и блок вычисления сопротивления обмотки, а также датчик температуры окружающей среды, при этом первый вход блока определения потерь является входом устройства, второй его вход соединен с выходом блока вычисления сопротивления обмотки, являющегося также выходом устройства, второй вход сумматора подключен к выходу датчика температуры окружающей среды, а ко входу задания параметров блока вычисления сопротивления обмотки подключены задатчики сопротивления при пуске из холодного состояния и соответствующей температуры окружающей среды.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого вентильно-индукторного электропривода; на фиг. 2 - функциональная схема устройства, обеспечивающего учет падения напряжения в обмотке двигателя и его коррекцию в функции температуры обмотки; на фиг. 3 - пример реализации устройства, обеспечивающего учет падения напряжения в обмотке двигателя и его коррекцию в функции температуры обмотки; на фиг. 4 - пример реализации задатчика сопротивления при пуске из холодного состояния.

Электропривод, реализующий предлагаемый способ (фиг.1), содержит индукторный электродвигатель 1, подключенный к выходу вентильного преобразователя 2, управляющий вход которого через широтно-импульсный модулятор 3 соединен с выходом регулятора одного из параметров электродвигателя (на чертеже - к выходу регулятора 4 тока), датчика тока 5 электродвигателя и напряжения 6 звена постоянного тока вентильного преобразователя, сумматор 7, один вход которого соединен с выходом датчика 6 напряжения, выход датчика 5 тока подключен также через функциональный преобразователь 8, реализующий кривую намагничивания электродвигателя при заданном угле коммутации, к одному из входов компаратора 9, второй вход которого через интегратор 10 соединен с выходом сумматора 7, а выход компаратора 9 подключен ко входу управления коммутацией фаз вентильного преобразователя 2, при этом второй вход блока 11 умножения через устройство 12 определения текущего значения сопротивления обмотки электродвигателя подключен к выходу датчика 5 тока. В представленном на фиг.1 варианте электропривода система управления выполнена по принципу подчиненного регулирования параметров и содержит, помимо регулятора 4 тока, последовательно соединенные пропорционально-интегральный регулятор 13 скорости и блок 14 формирования задания тока, ко входу первого из которых через блок 15 определения скорости подключен выход компаратора 9. Для получения на входе сумматора 7 сигнала напряжения на обмотке двигателя из сигнала напряжения звена постоянного тока в электропривод введен второй блок 16 умножения, включенный между датчиком напряжения 6 и первым входом сумматора 7, при этом второй вход блока 16 умножения соединен со входом регулятора 4 тока. Блок 15 определения скорости может быть выполнен, например, в виде частотомера, определяющего частоту следования импульсов на выходе компаратора 9. Выход компаратора 9 подключен также ко входу сброса интегратора 10. В качестве функционального преобразователя 9 в аналоговой системе электропривода может быть применен, в частности, функциональный преобразователь ПФ-1АИ из стандартных элементов системы УБСР-АИ [5], при компьютерной системе управления он реализуется программным путем.

Устройство 11 определения текущего значения сопротивления обмотки (фиг. 2) содержит последовательно включенные блок 17 определения потерь, блок 18 тепловой модели обмотки электродвигателя, сумматор 19, блок 20 вычисления сопротивления обмотки, а также датчик 21 температуры окружающей среды, при этом первый вход блока 17 определения потерь является входом устройства, второй его вход соединен с выходом блока 20 вычисления сопротивления обмотки, являющегося также выходом устройства, второй вход сумматора 19 подключен к выходу датчика 21 температуры окружающей среды, а ко входу задания параметров блока вычисления сопротивления обмотки подключены задатчик 22 сопротивления при пуске из холодного состояния и задатчик 23 соответствующей температуры окружающей среды.

Возможный вариант реализации узлов, входящих в устройство 13 определения текущего значения сопротивления обмотки, показан на фиг.3. В нем блок 17 определения потерь содержит последовательно включенные апериодическое звено 24, блок 25 деления, блок 26 возведения в квадрат, блок 27 учета коэффициента формы тока и блок 28 умножения.

Тепловая модель представлена в виде двух апериодических звеньев 29 и 30, поскольку экспериментальные исследования вентильно -индукторного электропривода показали, что адекватной объекту является двухмассовая тепловая модель (масса меди и масса стали + корпус статора).

Блок 20 вычисления сопротивления обмотки может быть выполнен на базе стандартных элементов, например, как четырехквадрантное множительно-делительное устройство УМ-2АИ из стандартных элементов системы УБСР-АИ [5], реализующее зависимость R_T = R₀(1+αT)/(1+αT₀), (2) где R₀ - сопротивление обмотки в холодном состоянии;
Т₀ - температура окружающей среды при измерении R₀;
α - температурный коэффициент сопротивления материала обмотки,
Т - температура обмотки в нагретом состоянии.

Задатчик сопротивления обмотки в начале пуска (в холодном состоянии) (фиг. 4) содержит интеграторы 31 и 32, вход первого из которых подключен к датчику 6 напряжения через первый управляемый ключ 33 и через блок 16 умножения, вход второго через второй управляемый ключ 34 - к датчику 5 тока, выходы интеграторов 31 и 32 подключены соответственно к входам делимого и делителя блока 35 деления, цепи управления ключей соединены с выходом триггера 36, цепь установки которого через первый элемент 37 задержки, а цепь сброса - через последовательно включенные первый 37 и второй 38 элементы задержки соединены с источником сигнала включения фазы.

Предлагаемый электропривод работает следующим образом.

Структура системы управления, показанной на фиг.1, использует общепринятую концепцию подчиненного регулирования параметров и содержит внутренний регулятор тока, воздействующий на вход задания скважности широтно-импульсного модулятора (ШИМ), сигнал с выхода которого определяет значение напряжения на обмотке электродвигателя. В результате на фазные обмотки электродвигателя поочередно подаются импульсы напряжения, что обеспечивает вращение ротора электродвигателя. Переключение напряжения с одной фазы на другую осуществляют в функции сигнала положения ротора, определяемого косвенным методом. Управление электродвигателем производится измерением напряжения на обмотках электродвигателя и посредством измерения угла коммутации.

Для вычисления положения ротора необходимо знание кривой намагничивания Ψ_зад(i) данного электродвигателя при заданном угле коммутации, ее определяют предварительно и запоминают.

Для косвенного определения сигнала положения ротора определяют мгновенное значение напряжения на обмотке работающей фазы с помощью датчика 6 напряжения и блока 16 умножения, а мгновенное значение тока в ней с помощью датчика 5 тока по измеренным значениям вычисляют текущее значение потока в соответствии с зависимостью

где R - расчетное значение сопротивления обмотки, одновременно по мгновенному значению тока и запомненной кривой намагничивания в узле 8 определяют заданное значение потокосцепления Ψ_зад(i), сравнивают полученные на выходе интегратора 12 текущие значения потокосцепления с заданным и в момент их совпадения вырабатывают сигнал на отключение работающей фазы и включение следующей, для которой процесс повторяют.

При помощи узла 12 дополнительно определяют текущее значение сопротивления обмотки и корректируют измеренный сигнал тока электродвигателя, используемый при вычислении текущего значения потока, в функции этого значения сопротивления посредством блока умножения 11.

Для автоматического измерения температуры в начале пуска (в холодном состоянии) (фиг.4) подается напряжение питания на одну из фаз двигателя. После некоторой временной задержки, необходимой для поворота ротора в согласованное для этой фазы положение, регистрируется в течение времени ΔT_ИЗМ сумма токов Σi нескольких замеров. В течение этого же времени ΔT_ИЗМ суммируется сигналом напряжения Σ_γ* • U₌ , где U₌- значение напряжения в звене постоянного тока преобразователя, γ^*- заданное значение скважности широтно-импульсного модулятора. Этот сигнал определяет значение напряжения на обмотке электродвигателя. Результат деления полученного сигнала суммы напряжений Σ_γ* • U₌ на сигнал Σi определяет значение R_ИЗМ. Полученное значение запоминается (например, записывается в память компьютера) и далее используется для определения температуры обмотки R_T в нагретом состоянии.

Следует обратить внимание, что определение значений R_ИЗМ производится при каждом пуске, однако в память компьютера записывается не всякое его значение, а только после долгой стоянки близкое к значению R в холодном состоянии, т.е. R₀.

Коррекция значения R при нагреве двигателя в процессе работы осуществляется следующим образом.

Исходным сигналом для вычисления тепловых потерь в двигателе может быть либо мгновенное значение тока фазы i_ф, либо среднее значение тока i_cp, потребляемого от источника питания (фиг.3). В последнем случае для восстановления тока i_ф сигнал icp делится на текущее значение скважности γ, если силовые ключи работают в режиме ШИМ-модуляции с закорачиванием фазной обмотки на интервале отключения питающего напряжения.

Тепловые потери вычисляются по формуле
ΔP_T= K²_Ф•i²_Ф•R, (3)
где К_Ф - коэффициент, учитывающий различие между действующим и средним значениями тока фазы i_Ф.

Для определения перегрева обмотки
ΔT_обм = T_обм-T_о.c (4)
относительно температуры окружающей среды Т_о.с используется тепловая модель двигателя (фиг.2 и 3).

Для повышения точности расчета используется сигнал с датчика температуры Т_о.с.

Для определения мгновенного значения сопротивления обмотки предварительно определяют значение сопротивления обмотки при пуске из холодного состояния (R₀) или (R_ИЗМ) и запоминают полученное значение. При помощи датчика 5 тока измеряют мгновенное значение тока в обмотке, определяют величину электрических потерь в обмотке посредством блока 17, вычисляют температуру перегрева обмотки, суммируют ее температурой окружающей среды, по результату суммирования определяют текущее значение сопротивления обмотки в соответствии с зависимостью R_T= R₀(1+αT)/(1+αT₀).
При компьютерной реализации устройства управления электроприводом описанный выше алгоритм функционирует правильно, если контроллер получает питание непрерывно, даже при остановленном приводе. Однако, если контроллер отключается на короткое время, например, из-за перерыва в питании, и двигатель не успевает охладиться, то в начале повторного пуска будет измерено значение не R₀, a R. В этом случае измеренное значение не записывается в память как R₀, а используется для расчета начальных значений ΔT_обм по формулам (4) и (3).

Источники информации
1. AREFEEN M.S.DSP for Switched Reluctance Drives, PCIM Europe, 1988, N 5, с. 276-280.

2. RU 2069034 C1, 10.11.1966.

3. EP 0436138 A1, 10.07.1991.

4. DE 3826892 С2, 17.03.1984.

Формула изобретения

1. Способ управления вентильно-индукторным электроприводом, заключающийся в том, что на обмотку электродвигателя подают однополярные импульсы напряжения, предварительно определяют и запоминают кривую намагничивания электродвигателя при заданном угле коммутации, осуществляют переключение напряжения с одной фазы обмотки на другую, для чего определяют мгновенное значение напряжения на обмотке и измеряют мгновенное значение тока в ней, по полученным значениям вычисляют мгновенное значение потокосцепления в соответствии с зависимостью

где U - мгновенное значение напряжения на обмотке;
i - мгновенное значение тока в обмотке;
R - расчетное значение сопротивления обмотки,
одновременно по мгновенному значению тока в обмотке и запомненной кривой намагничивания определяют заданное значение потокосцепления, сравнивают полученное мгновенное значение потокосцепления с заданным и в момент их совпадения вырабатывают сигнал на отключение работающей фазы обмотки и включение следующей, для которой процесс повторяют, отличающийся тем, что дополнительно определяют текущее значение сопротивления обмотки и используют полученное значение в качестве расчетного значения сопротивления обмотки, при этом для определения текущего значения сопротивления обмотки предварительно измеряют значения сопротивления обмотки и ее температуру в холодном состоянии, запоминают полученные значения, по измеренному мгновенному значению тока в обмотке определяют потери в электродвигателе, определяют текущее значение температуры окружающей среды, вычисляют по тепловой модели электродвигателя температуру перегрева обмотки, суммируют ее с текущим значением температуры окружающей среды, по результату суммирования определяют текущее значение сопротивления обмотки в соответствии с зависимостью
R_T = R₀(1+αT)/(1+αT₀),
где R₀ - сопротивление обмотки в холодном состоянии;
Т₀ - температура окружающей среды при изменении R₀;
α - температурный коэффициент сопротивления материала обмотки;
Т - температура обмотки в нагретом состоянии.

2. Устройство для управления вентильно-индукторным электроприводом, содержащее индукторный электродвигатель, подключенный к выходу вентильного преобразователя, управляющий вход которого через широтно-импульсный модулятор соединен с выходом регулятора тока электродвигателя, датчики тока электродвигателя и напряжения звена постоянного тока вентильного преобразователя, сумматор, первый вход которого соединен с выходом датчика напряжения звена постоянного тока через первый блок умножения, а вход сумматора через второй блок умножения соединен с выходом датчика тока электродвигателя, который также подключен через последовательно соединенные функциональный преобразователь, реализующий кривую намагничивания электродвигателя при заданном угле коммутации, к одному из входов компаратора, второй вход которого через интегратор соединен с выходом сумматора, а выход компаратора подключен ко входу управления коммутацией фаз вентильного преобразователя, отличающееся тем, что в него введено устройство определения текущего значения сопротивления обмотки, вход которого соединен с выходом датчика тока электродвигателя, а выход подключен ко второму входу второго блока умножения, при этом устройство определения текущего значения сопротивления обмотки содержит последовательно соединенные блок определения потерь, блок тепловой модели электродвигателя, сумматор и блок вычисления, реализующий зависимость
R_T = R₀(1+αT)/(1+αT₀),
где R₀ - сопротивление обмотки в холодном состоянии;
Т₀ - температура окружающей среды при изменении R₀;
α - температурный коэффициент сопротивления материала обмотки;
Т - температура обмотки в нагретом состоянии,
а также датчик температуры окружающей среды, причем первый вход блока определения потерь является входом устройства, второй его вход соединен с выходом блока вычисления, являющимся также выходом устройства, второй вход сумматора подключен к выходу датчика температуры окружающей среды, а ко входу задания параметров блока вычисления подключены задатчики сопротивления обмотки в холодном состоянии и соответствующей температуры окружающей среды.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4