Бездатчиковое управление скоростью синхронной машины с постоянными магнитами, используя прямое управление током

Evgen Urlep, Ales Polic and Karel Jezernik

Faculty of Electrical Engineering and Computer Science, University of Maribor

Перевод выполнен магистром ДонНТУ Горобцом Н.М.

Ключевые слова

      Бездатчиковое управление, двигатель с постоянными магнитами, управление со скользящим режимом, прямое управление током, дискретная система, сети Петри.

Реферат

      В этой статье описан новый алгоритм бездатчикового управления моментом и скорость синхронной машины с постоянными магнитами (ПМСД). Положение ротора и скорость удобно получать, используя наблюдатель потока ротора со скользящим режимом. Наблюдатель строится на модели синхронного двигателя с постоянными магнитами, где производная от оцененного потока статора вычисляется измерением напряжения и тока статора. Когда одним процессором выполняется многоконтурное управление приводом, наибольшее время вычисления затрачивается на вычисления во внутреннем контуре тока и выработку выходных значений векторов напряжения в порядке получения приводом собственных сигналов тока. Скорость токового контроллера и модулятора являются преимущественными для такого управления. При управлении током, такое как прямое управление моментом (DTC), главное внимание уделяется току используя подход управления по текущим событиям и реализуемое на программируемой вентильной матрице (ПВМ). Управление по событиям определяет переключение ключей напрямую от изменения логического сигнала токовой ошибки и представляется в виде матрицы описывающую дискретную систему. Подход базируется на матричном описании сетей Петри, дополнительно с таблицами логических и алгебраических уравнений и производных для пространственного описания дискретной системы. Алгоритм управления соответствующий данному подходу может быть легко реализован на современных ПВМ устройствах, которые не могут параллельно производить вычисления, по сравнению с традиционной последовательностью выполнения на цифровом сигнальном процессоре (ЦСП). Взамен традиционному кодированию, алгоритмы управления загружаются в виде логических матриц. Представленные результаты компьютерного моделирования совпадают с экспериментальными данными.

Введение

      ПМСД являются привлекательными для бездатчикового привода, такого как механизмы перемещений, насосы, компрессоры, и т.д. Для управления ПМСД необходима информация о положении ротора и скорости. Соответственно бездатчиковое управление положением и скоростью желательно и предложено несколькими методами. Главная задача при бездатчиковом управлении моментом для машины переменного тока является вычисление вектора потокосцепления ротора, а в случае бездатчикового управления скоростью нахождения потокосцепления и скорости ротора.

      Использования наблюдателя потокосцепления для нахождения ЭДС улучшает алгоритм переключений. Многоуровневое управление током соответствует прямому управлению током реализуемое в ПВМ, а использование подхода управления по событиям, значительно улучшает быстродействие контура тока, а следовательно, отработка приводом перемещения.

      Обычно дискретное время токового контроллера привязано к событиям происходящим в инверторе с модуляцией, и представлено в качестве адаптера времени для управления по происходящим событиям. Несущая частота ШИМ или пространственно-векторного модулятора является обычным модуляционным решений. Гистерезисные регуляторы могут быть альтернативой для этого решения, и они являются робастными к системе управления и показывают очень хорошую динамику и очень легко реализуемы. Их главными недостатками являются ограниченная частота коммутаций транзистора. Обычно три независимых гистерезисных регулятора используются для управления тремя фазами. Другим недостатком многопеременной гистерезисной структуры управления – сложность при использовании в более сложных структурах, таких как 3-х фазный инвертор. В этой статье гистерезисный компаратор используется для преобразования значений постоянного тока в логические сигналы. Логические сигналы, представляющие условия для переключений силовых транзисторов инвертора и используются в качестве переключающих событий. Частота коммутации транзисторов частично управляется предписанной последовательностью коммутации ключей, которая определяется через алгоритм переключений.

      Статья организована следующим образом: приведены желаемые динамические показатели и цели управления ПМСД. Ключевым результатом бездатчикового управления моментом и скоростью является частичное построение наблюдателя для определения положения ротора и скорости ПМСД, которое приведено ниже. Главное внимание уделено соответственно управлению током как при прямом управлении моментом. В конце представлены результаты компьютерного моделирования, которые совпадают с экспериментальными данными. В заключении представлены основные достижения и рассуждения о дальнейшей работе.

Динамика машины и управление

      Векторная система управления для ПМСД привода с неявновыраженными полюсами базируется на системе дискретных уравнений двигателя записанных в системе координат ориентированных по полю статора (a, b).

      Символы, используемые в уравнениях (1):

– Напряжение статора;

– Ток статора;

– ЭДС ротора;

– Магнитный поток статора;

– Магнитный поток ротора;

– Нагрузочный момент;

– Магнитный угол поворота ротора;

– Магнитный поток от постоянных магнитов;

– Сопротивление статора;

– Индуктивность статора;

– Количество пар полюсов;

– Момент инерции;

      Предлагаемое каскадное управление на основе вложенного наблюдателя магнитного потока ротора представлено на рисунке 1, и соответствует гарантируемому быстрому динамическому отклику в переходных звеньях, минимальному токовому различию в установившемся режиме и стабильным характеристикам в случае RL – характере нагрузке. Управление током соответственно базируется на прямом управлении моментом, соответствующие сигналы получают, используя алгоритм управления в системе координат ориентированных по полю ротора. Поле ротора и скорость получают, используя наблюдатель магнитного потока ротора.

Рисунок 1 – Управление скоростью ориентированное по полю ротора

Замкнутый контур ЭДС и наблюдатель магнитного потока

      Основные методы идентификации скорости базируются на использовании фундаментальной аппроксимированной модели машины. Использование уравнений статора есть общим при всех методах. Их решение должным образом верно, когда измеряется форма сигнала коммутируемого статорного напряжения с высокой частотой, и когда параметры машины незначительно изменяются в процессе работы и известны все составляющие от ЭДС рассеяния. Влиянии этих параметров доминирующее при оценке на низких скоростях, т.е. устойчивое состояние точности скорости бездатчикового регулирования низко в районе низких частот. Динамическое исполнение зависит от точности оцененного угла потокосцепления.

      Наблюдатель базируется на модели ПМСД, где производная от оцененного потока статора вычисляется измерением статорного напряжения и тока. Измеренные напряжения статора используются вместо эталонного сигнала для того чтобы избежать влияние ошибки вследствие нелинейности обмоток статора.

Рисунок 2 – Наблюдатель потокосцепдения ротора

      Динамика, не предусмотренная в модели устанавливается как отстающий сигнал напряжения, который вычисляется из ошибки по потокосцеплению ротора. Оцененное значение используется для сходимости на нулевой скорости и низких скоростях, полученные из замкнутого контура наблюдателя потокосцепления. Оцененное преобразованное значение угла вычисляется, используя потокосцепление ротора. Функция переключения дискретного регулятора скорости контролирующая Cr устанавливает ошибку оцененного значения потока ротора для улучшения исполнения на низких скоростях.

Дискретная форма результирующего смещения напряжения смещения:

      Аппроксимация ЭДС с лучшей формой сигнала используется для достижения лучшего переключения от процессора в стационарной системе координат использующей наблюдатель потокосцепления ротора.

      Успешная оценка потокосцепления ротора базируется также на значениях статорного напряжения, которое может быть получено через измерения во времени использованного статорного напряжения Us. Принцип измерения базируется на интегрировании мгновенного значения периода дискретности наблюдателя. Оцененная скорость получается использованием основного алгоритма для оценки скорости.

Перечень ссылок

1. Evgen Urlep, Ales Polic, Karel Jezernik, "Speed Sensorless Control of PM synchronous machine using Direct Current Control". International power electronics and motion control conference, 11 - 14 September 2004, Dresden, Germany. EPE-PEMC 2005.