ДонНТУ > Портал магистров ДонНТУ

Трандафилов Владимир Николаевич

Тема выпускной работы:

Исследование наблюдателей неопределенностей в электроприводах на базе синхронной машины с постоянными магнитами

Реферат по теме выпускной работы

Введение

          Актуальность темы. В настоящее время существует тенденция развития систем электропривода на базе синхронных двигателей с постоянными магнитами (СДПМ). Такие системы применяются в механизмах закупорки, упаковки, намотки, маркировки, роботов, манипуляторов, станков, летучих ножниц и др. [1-2]. Это обусловлено следующими преимуществами СДПМ по сравнению с другими типами электрических машин: способность работать в широком диапазоне изменения скорости (от 1 до 10000 об/мин), отсутствие скользящих контактов (ведет к повышению надежности) и высокая перегрузочная способность по моменту. Также СДПМ не имеет обмотки на роторе, что приводит к отсутствию затрат энергии на возбуждение, более высокому коэффициенту полезного действия, уменьшенному моменту инерции и улучшенным условиям теплоотвода, поскольку отвод тепла от статора предпочтительней, чем от ротора [3].
          Для обеспечения наиболее качественных статических и динамических характеристик системы электропривода на базе СДПМ применяют векторное управление с ориентацией по магнитному полю ротора. Однако, объект управления (двигатель) имеет параметрические (момент инерции, активные и индуктивные сопротивления) и сигнальные (момент статического сопротивления и др.) неопределенности, неправильная информация о которых приводит к ухудшению качества переходных процессов.
          В процессе работы активные и индуктивные сопротивления меняются незначительно, а момент инерции, например, в механизмах роботов может меняться в пределах 1:10 [4]. Поэтому в таких системах особенно важно выполнять адаптацию к изменению момента инерции. Также возможна идентификация момента статического сопротивления для комбинированного управления по возмущению (без усложнения структуры регулятора скорости), предотвращения возникновения пробуксовок, выравнивания нагрузок в многодвигательных электроприводах, формирования диаграмм отработки заданных перемещений, оптимальных по тепловым потерям и пр.
          Перечисленные сигналы и параметры тяжело, а иногда невозможно измерить непосредственно. Именно поэтому актуальными являются вопросы их идентификации с целью дальнейшей адаптации системы управления.
          Целью магистерской работы является исследование наблюдателей неопределенностей в системах электропривода на базе синхронных двигателей с постоянными магнитами.
          Для достижения указанной цели в работе необходимо решить следующие задачи:
          - синтез системы векторного управления СДПМ;
          - синтез и анализ работы наблюдателей, восстанавливающих момент статического сопротивления;
          - анализ влияния вариации момента инерции привода на работу наблюдателей и системы векторного управления СДПМ;
          - обзор и анализ возможных методов идентификации момента инерции привода в процессе работы.
          Научная значимость работы на данном этапе исследований состоит в:
          - адаптации системы векторного управления СДПМ к моменту статического сопротивления и изменению момента инерции привода;
          - адаптации наблюдателей, восстанавливающих момент статического сопротивления, к изменению момента инерции привода.
          Обзор исследований по теме в ДонНТУ показал, что вопросы анализа и синтеза наблюдателей состояния рассмотрены в [5-8], а вопросы идентификации параметров – в [9].
          Обзор исследований по теме в Украине выявил, что вопросы анализа и синтеза наблюдателей состояния рассмотрены в [10-13] и работах А.В. Осичева, Б.И. Кузнецова, а вопросы идентификации параметров - в [12, 14] и работах А.П. Калинова.
          Обзор исследований по теме в мире показал, что вопросы анализа и синтеза наблюдателей состояния рассмотрены в [4, 15-18], а вопросы идентификации параметров – в [4, 16, 17, 19-22].

Основные результаты

          Среди систем управления СДПМ наиболее распространена система векторного управления. Построение данной системы основано на математическом описании двигателя в системе координат d, q, которая вращается со скоростью поля ротора. При этом между двумя каналами управления существуют перекрестные связи, которые взаимно влияют на каналы управления и отражают физически существующие взаимосвязи каналов управления. Также в канале q присутствует обратная связь по противо-ЭДС. Все связи представляют собой возмущения для токовых контуров. Синтез системы управления проводился без учета этих возмущений, с допущением, что их влияние незначительно либо скомпенсировано [23].
          Поскольку момент статического сопротивления Мс является неизмеряемым возмущением, то для его восстановления обычно используют расширенные наблюдатели состояния (НС), содержащие дополнительный интегратор в канале нагрузки модели объекта регулирования. Однако, существуют варианты идентификации Мс при помощи эквивалентных НС. В обеих случаях коррекция выполняется по угловой скорости двигателя либо по его угловому положению. Такие НС позволяют восстанавливать момент статического сопротивления по имеющейся информации о электромагнитном моменте двигателя и угловой скорости (угловому положению) ротора.
          На первом этапе исследований дискретизация модели механической части одномассовой системы электропривода выполнялась подстановочным методом. Аналоговые интеграторы заменялись на дискретные, выполняющие численное интегрирование (ЧИ) методом прямоугольников – Forward Euler (FE). Полученное математическое описание было положено в основу синтеза НС. Структурные схемы дискретных эквивалентных и расширенных НС представлены на рис. 1, 2 (пунктиром выделены дискретные интеграторы).

Рисунок 1 - Структурные схемы эквивалентного (а) и расширенного (б) НС, замкнутых по угловой скорости ротора

Рисунок 2 - Структурные схемы эквивалентного (а) и расширенного (б) НС, замкнутых по угловому положению ротора

          На рис. 1, 2 приняты следующие обозначения: - восстановленный динамический момент; - восстановленное угловое ускорение; - электромагнитный момент двигателя; - восстановленный момент статического сопротивления; - период дискретности НС; - восстановленное и измеренное угловое положение ротора соответственно; - восстановленная и измеренная угловая скорость ротора соответственно; - суммарный момент инерции, приведенный к валу двигателя; , где - оператор Лапласа, - корректирующие коэффициенты НС (обеспечивают желаемый характеристический полином (ХП) системы). В нашем случае обеспечивают ХП, который соответствует аналоговому прототипу с биномиальными коэффициентами соответствующего порядка.
          Моделирование системы векторного управления СДПМ и наблюдателей состояния выполнялось в среде Simulink программного пакета Matlab. На рис. 3 (где Мn - номинальный момент двигателя) представлены переходные процессы реального момента статического сопротивления и восстановленных при помощи НС. Из анализ переходных процессов (рис. 3) вытекает, что быстрее Мс восстанавливает НС, замкнутый по угловой скорости (эквивалентный), а дольше всех - НС, замкнутый по угловому положению (расширенный). Это связанно с наличием большего количества интеграторов у последнего. Наблюдатель, замкнутый по угловой скорости (расширенный) и замкнутый по угловому положению (эквивалентный) восстанавливают момент статического сопротивления приблизительно одинаково.

Рисунок 3 - Переходные процессы реального момента статического сопротивления и восстановленного при помощи НС

          Если двигатель оснащен датчиком положения ротора (ДПР), что имеет место для электроприводов на базе СДПМ, то НС, замкнутый по угловому положению ротора, может восстановить не только момент статического сопротивления, но и угловую скорость ротора (см. рис. 4, где ωn - номинальная угловая скорость двигателя). В таком случае отпадает необходимость в дифференцировании сигнала от ДПР. Метод оценки скорости с помощью НС точнее, т.к. дифференцирование скорости приводит к усилению помех и потере точности измерения, особенно на малых оборотах [6].

Рисунок 4 - Переходные процессы реальной угловой скорости и восстановленной при помощи эквивалентного (а) и расширенного (б) НС, замкнутого по угловому положению ротора

          Единственным параметром объекта управления, который используется в НС, является суммарный момент инерции привода, приведенный к валу двигателя. В общем случае его нельзя точно рассчитать, особенно если он меняется в процессе работы. Момент инерции может меняться:

• периодически (в зависимости от угла поворота) в кривошипно-шатунных, эксцентриковых, мальтийских механизмах и др.;
• вместе с нагрузкой в тяговых приводах и подъемно-транспортных механизмах;
• в зависимости от положения механизма в роботах (в диапазоне 1:10 [4]);
• в зависимости от рабочего радиуса в моталках;
• в прочих механизмах.

          На рис. 5 приведены переходные процессы в системе электропривода при работе от задатчика интенсивности (ЗИ) в случае, когда расчетный момент инерции (JO) совпадает и не совпадает с реальным (JР).
          Отклонение реального момента инерции от значения, на которое настроена система приводит к неправильной оценке наблюдателями на участках разгона и торможения момента статического сопротивления. Также в случае увеличения JР переходные процессы в системе векторного управления СДПМ становятся затянутыми, а при уменьшении – увеличивается их колебательность [4, 24].

Рисунок 5 - Переходные процессы в системе векторного управления СДПМ при работе от ЗИ в случаях, когда JО совпадает с JР (а), когда - меньше в 3 раза (б), когда - больше в 3 раза (в)

          Рассмотрим возможность идентификации момента инерции ненормированным градиентным методом [22, 25], который отличается своей простотой. При дискретизации модели механической части одномассовой системы были использованы такие методы ЧИ как метод прямоугольников - FE, модифицированный метод прямоугольников - Backward Euler (BE) и метод трапеций - Trapezoidal (TR). В результате моделирования были получены следующие переходные процессы см. рис. 6. Из анализа переходных процессов (рис. 6) вытекает, что при использовании ЧИ методом трапеций идентификация момента инерции происходит на порядок точнее, чем при использовании методов прямоугольников.

Рисунок 6 - Визуализация масштабирования переходных процессов идентификации момента инерции: верхний рис. - для случая, когда JО меньше JР в 3 раза; нижний рис. - когда меньше в 3 раза. (Анимация выполнена в программе Adobe Fireworks CS3, состоит из 4-х кадров с задержкой между кадрами в 1,5 с; задержка до повторного воспроизведения составляет 4 с; количество циклов воспроизведения ограничено 5-ю)

Заключение

          Из анализа полученных результатов вытекает, что:
          - синтезированные НС можно использовать для восстановления момента статического сопротивления;
          - НС, замкнутые по угловому положению ротора могут восстанавливать угловую скорость;
          - работа НС на участках разгона/торможения ошибочна при неправильном настроечном значении момента инерции;
          - в системе векторного управления СДПМ при настройке на значение момента инерции меньше реального, переходные процессы становятся более затянутыми;
          - в системе векторного управления СДПМ при настройке на значение момента инерции больше реального, увеличивается колебательность переходных процессов;
          - при использовании ЧИ методом трапеций (при дискретизации модели механической части) идентификация момента инерции ненормированным градиентным методом происходит на порядок точнее, чем при использовании методов прямоугольников;
          - ненормированный градиентный метод идентификации позволяет в реальном времени проводить оценку момента инерции с ошибкой в квазиустановившемся режиме, не превышающей 0,05 %;

Дальнейшие планы исследований

          К дальнейшим планам исследований можно отнести:
          - исследование системы векторного управления СДПМ с адаптацией к изменению момента инерции и с комбинированным управлением по возмущению;
          - исследование различных модификаций градиентного метода (нормированного, улучшенного [22]) для идентификации момента инерции;
          - анализ влияния зашумленности измеряемых сигналов, периода дискретности на работу НС и градиентного метода идентификации;
          - сравнительный анализ градиентного метода с другими методами параметрической идентификации;
          - проверку полученных результатов на реальном объекте.

Важное замечание

          К моменту написания данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: январь 2010 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Литература

1. Applications [Электронный ресурс] / Schneider Electric Motion – Motion Control, Stepper Motor, Servo Motor, Brushless DC Motor, Linear axes, Linear Motion., – http://www.schneider-electric-motion.com/index.php?scriptlet=CMS/Application&id=22&language=en&branchID=4
2. Корельский Д.В. Обзор современных методов управления синхронными двигателями с постоянными магнитами / Д.В. Корельский, Е.М. Потапенко, Е.В. Васильева. // “Радіоелектроніка. Інформатика. Управління”. – 2001. – № 2. – C. 155-159.
3. Казачковський М.М. Комплектні електроприводи [Навчальний посібник] / М.М. Казачковський. – Дніпропетровськ: Національний гірничий університет, 2003. – 226 с.
4. Andreescu G. D. Torque-speed adaptive observer and inertia identification without current transducers for control of electric drives / Andreescu G. D., Rabinovici R. // International conference on electrical machines, Espoo, FINLANDE (28/08/2000). 2000. – pp. 1428-1432.
5. Толочко О.І. Аналіз та синтез електромеханічних систем зі спостерігачами стану: [Навчальний посібник] для студентів вищих навчальних закладів / О.І. Толочко. – Донецьк: Норд-Прес, 2004. – 298 с.
6. Толочко О.И. Особенности идентификации электромеханической постоянной времени и момента статического сопротивления в системах позиционного электропривода / О.И. Толочко, П.И. Розкаряка, Г.С. Чекавский. // Тематический выпуск «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика» научно-технического журнала «ЭЛЕКТРОИНФОРМ» – Львов: ЕКОинформ, 2009. – С. 74-75.
7. Идентификация электромеханической постоянной времени в системах с наблюдателями состояния, восстанавливающими статический момент / О.И. Толочко, П.Х. Коцегуб, П.И. Розкаряка, Г.С. Чекавский. // Тематический выпуск «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика» научно-технического журнала «ЭЛЕКТРОИНФОРМ» – Львов: ЕКОинформ, 2009. – С. 59-62.
8. Титков С.Ю. Исследование динамики управления приводом шарнира манипулятора сборочного робота с использованием современных методов аналитического конструирования оптимальных регуляторов [Электронный ресурс] / Портал магистров ДонНТУ, – http://www.masters.donntu.ru/2007/kita/titkov/diss/index.htm
9. Соколов Н.А. Исследование и разработка наблюдателя состояния с адаптацией к изменению параметров объекта управления [Электронный ресурс] / Портал магистров ДонНТУ, – http://www.masters.donntu.ru/2009/eltf/sokolov/diss/index.htm
10. Дворак В.М. Цифровий електропривод: [Навчальний посібник] для студентів напрямку 6.050702 «Електромеханіка» спеціальності «Електричні системи і комплекси транспортних засобів» денної та заочної форм навчання / В.М. Дворак. – Керч: Керченський державний морський технологічний університет, 2010. – 220 с.
11. Потапенко Е.М. Основы теории автоматического управления / Е.М. Потапенко, А.Е. Казурова. – Запорожье: ЗНТУ, 2007. – 162 с.
12. Высокоточное управление скоростью двухмассовой неопределенной электромеханической системой / Е.М. Потапенко, А.Е. Казурова, Е.В. Душинова, Н.В. Ивочка. // Радіоелектроніка, інформатика, управління Науковий журнал 2009 — № 1(20) – Запоріжжя: ЗНТУ, 2009. – С. 147-154.
13. Акимов Л.В. Системы управления электроприводами постоянного тока с наблюдателями состояния [Монография] / Л.В. Акимов, В.Т. Долбня, В.И. Колотило. – Харьков: ХГПУ, 1998. – 117 с.
14. Моделювння електромеханічних систем: [Підручник] / О.П. Чорний, А.В. Луговой, Д.Й. Родькін та ін. – Кременчук, 2001. – 410 с.
15. Kalman R. Contributions to the theory of optimal control / Kalman R. // Bol. Soc. Mat. Mexicana, 1960. – №35. – P. 102-119.
16. Кузовков Н.Т. Модальное управление и наблюдающие устройства / Н.Т. Кузовков. – М.: Машиностроение, 1976. – 184 с.
17. Изерман Р. Цифровые системы управления / Изерман Р. – М.: Мир, 1984. – 541 с.
18. Luenberger D.C. An Introductions to Observers / Luenberger D.C. // Proc. IEEE Transformation on Automatic Control. – 1971. – December. – P. 596-602.
19. Beineke S. Online identification of nonlinear mechanics using extended Kalman filters with basis function networks / Beineke S., Schutte F., Grotstollen H. // Proceedings: Conference on Industrial Electronics, Control and Instrumentation, 1997. – pp. 316-321.
20. Башарин А.В. Управление электроприводами: [Учебное пособие] для вузов / А.В. Башарин, В.А. Новиков, Г.Г. Соколовский. – Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. – 392 с.
21. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока / А.Б. Виноградов. – ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». Иваново, 2008. – 298 с.
22. Ljung L. System Identification – Theory For the User, 2nd ed / Lennart Ljung. – PTR Prentice Hall, Upper Saddle River, N.J., 1999. – 609 pp.
23. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: [Учебник] для студ. высш. учебн. заведений / Г.Г. Соколовский. – 2-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 272 с.
24. Божко В.В. Дослідження спостерігачів невизначеностей у системах електроприводу на базі СДПМ / В.В. Божко, В.М. Трандафілов // Донбас-2020: перспективи розвитку очима молодих вчених: Матеріали V науково-практичної конференції. м. Донецьк, 25-27 травня 2010 р. – Донецьк, ДонНТУ Міністерства освіти і науки, 2010. – C. 229-233.
25. Трандафілов В.М. Особливості градієнтного метода ідентифікації моменту інерції електроприводу / В.М. Трандафілов, О.І. Толочко, В.В. Божко // Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих. Збірник наукових праць X Міжнародної науково-технічної конференції аспірантів та студентів в м. Донецьку 18-20 травня 2010 р. – Донецьк, 2010. – С. 260-262.