ДонНТУ > Портал магістрів ДонНТУ

Трандафілов Володимир Миколайович

Тема випускної роботи:

Дослідження спостерігачів невизначеностей у електроприводах на базі синхронної машини з постійними магнітами

Реферат з теми випускної роботи

Вступ

          Актуальність теми. В наш час існує тенденція розвитку систем електроприводу на базі синхронних двигунів з постійними магнітами (СДПМ). Такі системи застосовуються в механізмах закупорки, упаковки, намотування, маркіровки, роботів, маніпуляторів, верстатів, летючих ножиць та ін. [1-2]. Це зумовлено наступними перевагами СДПМ в порівнянні з іншими типами електричних машин: здатність працювати в широкому діапазоні зміни швидкості (від 1 до 10000 об/хв), відсутність ковзаючих контактів (веде до підвищення надійності) і висока перевантажувальна здатність по моменту. Також СДПМ не має обмотки на роторі, що приводить до відсутності витрат енергії на збудження, вищого коефіцієнта корисної дії, зменшеного моменту інерції та покращеним умовам тепловідводу, оскільки відведення тепла від статора легше, ніж від ротора [3].
          Для забезпечення найбільш якісних статичних і динамічних характеристик системи електроприводу на базі СДПМ застосовують векторне керування з орієнтацією за магнітним полем ротора. Проте, об'єкт керування (двигун) має параметричні (момент інерції, активні і індуктивні опори) і сигнальні (момент статичного опору та ін.) невизначеності, неправильна інформація про які призводить до погіршення якості перехідних процесів.
          В процесі роботи активні та індуктивні опори міняються незначно, а момент інерції, наприклад, в механізмах роботів може змінюватись в межах 1:10 [4]. Тому в таких системах особливо важливо виконувати адаптацію до зміни моменту інерції. Також можлива ідентифікація моменту статичного опору для комбінованого керування по збуренню (без ускладнення структури регулятора швидкості), запобігання виникнення пробуксовок, вирівнювання навантажень у багатодвигунних електроприводах, формування діаграм відпрацьовування заданих переміщень, оптимальних за тепловими втратами та ін.
          Перераховані сигнали і параметри важко, а іноді неможливо виміряти безпосередньо. Саме тому актуальними є питання їх ідентифікації з метою подальшої адаптації системи керування.
          Метою магістерської роботи є дослідження спостерігачів невизначеностей в системах електроприводу на базі синхронних двигунів з постійними магнітами.
          Для досягнення вказаної мети в роботі необхідно вирішити наступні завдання:
          - синтез системи векторного управління СДПМ;
          - синтез і аналіз роботи спостерігачів, що відновлюють момент статичного опору;
          - аналіз впливу варіації моменту інерції приводу на роботу спостерігачів і системи векторного управління СДПМ;
          - огляд і аналіз можливих методів ідентифікації моменту інерції приводу в процесі роботи.
          Наукова значущість роботи на даному етапі досліджень полягає в:
          - адаптації системи векторного управління СДПМ до моменту статичного опору і зміни моменту інерції приводу;
          - адаптації спостерігачів, що відновлюють момент статичного опору, до зміни моменту інерції приводу.
          Огляд досліджень по темі в ДонНТУ показав, що питання аналізу і синтезу спостерігачів стану розглянуті в [5-8], а питання ідентифікації параметрів - в [9].
          Огляд досліджень по темі в Україні виявив, що питання аналізу і синтезу спостерігачів стану розглянуті в [10-13] і роботах О.В. Осичева, Б.І. Кузнецова, а питання ідентифікації параметрів - в [12, 14] і роботах А.П. Калінова.
          Огляд досліджень по темі у світі показав, що питання аналізу і синтезу спостерігачів стану розглянуті в [4, 15-18], а питання ідентифікації параметрів - в [4, 16, 17, 19-22].

Основні результати

          Серед систем керування СДПМ найбільш поширена система векторного керування. Побудова даної системи заснована на математичному описі двигуна в системі координат d, q, що обертається з швидкістю поля ротора. При цьому між двома каналами керування існують перехресні зв'язки, які взаємно впливають на канали керування та відображають фізично існуючі взаємозв'язки каналів керування. Також в каналі q присутній зворотний зв'язок за проти-ЕРС. Всі зв'язки виступають збуреннями для струмових контурів. Синтез системи керування проводився без урахування цих збурень, з допущенням, що їх вплив незначний або скомпенсований [23].
          Оскільки момент статичного опору Мс є невимірним збуренням, то для його відновлення зазвичай використовують розширені спостерігачі стану (СС), що містять додатковий інтегратор в каналі навантаження моделі об'єкту регулювання. Проте, існують варіанти ідентифікації Мс за допомогою еквівалентних СС. В обох випадках корекція виконується по кутовій швидкості двигуна або по його кутовому положенню. Такі СС дозволяють відновлювати момент статичного опору за наявною інформацією про електромагнітний момент двигуна і кутової швидкості (кутовому положенню) ротора.
          На першому етапі досліджень дискретизація моделі механічної частини одномасової системи електроприводу виконувалася підстановлювальним методом. Аналогові інтегратори замінювалися на дискретні, що виконують чисельне інтегрування (ЧІ) методом прямокутників – Forward Euler (FE). Отриманий математичний опис був покладений в основу синтезу СС. Структурні схеми дискретних еквівалентних і розширених СС представлені на рис. 1, 2 (пунктиром виділені дискретні інтегратори).

Рисунок 1 - Структурні схеми еквівалентного (а) та розширеного (б) СС, замкнених за кутовою швидкістю ротора

Рисунок 2 - Структурні схеми еквівалентного (а) та розширеного (б) СС, замкнених за кутовим положенням ротора

          На рис. 1, 2 прийняті наступні позначення: - відновлений динамічний момент; - відновлене кутове прискорення; - електромагнітний момент двигуна; - відновлений момент статичного опору; - період дискретності СС; - відновлене та виміряне кутове положення ротора відповідно; - відновлена та виміряна кутова швидкість ротора відповідно; - сумарний момент інерції, приведений до валу двигуна; , де - оператор Лапласа, - корегувальні коефіцієнти СС (забезпечують бажаний характеристичний поліном (ХП) системи). У нашому випадку забезпечують ХП, який відповідає аналоговому прототипу з біноміальними коефіцієнтами відповідного порядку.
          Моделювання системи векторного керування СДПМ та спостерігачів стану виконувалося в середовищі Simulink програмного пакету Matlab. На рис. 3 (де Мn - номінальний момент двигуна) представлені перехідні процеси реального моменту статичного опору та відновлених за допомогою СС. З аналізу перехідних процесів (рис. 3) витікає, що швидше Мс відновлює СС, замкнений за кутовою швидкістю (еквівалентний), а довше за всіх - СС, замкнений за кутовим положенням (розширений). Це пов'язаної з наявністю більшої кількості інтеграторів у останнього. Спостерігач, замкнений за кутовою швидкістю (розширений) та замкнений за кутовим положенням (еквівалентний) відновлюють момент статичного опору приблизно однаково.

Рисунок 3 - Перехідні процеси реального моменту статичного опору та відновленого за допомогою СС

          Якщо двигун оснащений датчиком положення ротора (ДПР), що має місце для електроприводів на базі СДПМ, то СС, замкнений за кутовим положенням ротора, може відновити не лише момент статичного опору, але і кутову швидкість ротора (див. рис. 4, де ωn - номінальна кутова швидкість двигуна). В такому разі відпадає необхідність в диференціюванні сигналу від ДПР. Метод оцінки швидкості за допомогою СС точніший, оскільки диференціювання швидкості призводить до посилення завад і втрати точності вимірювання, особливо на малих оборотах [6].

Рисунок 4 - Перехідні процеси реальної кутової швидкості та відновленої за допомогою еквівалентного (а) и розширеного (б) СС, замкнених за кутовим положенням ротора

          Єдиним параметром об'єкту керування, який використовується в СС, є сумарний момент інерції приводу, приведений до валу двигуна. В загальному випадку його не можна точно розрахувати, особливо якщо він змінюється в процесі роботи. Момент інерції може змінюватися:

• періодично (в залежності від кута повороту) в кривошипно-шатунних, ексцентрикових, мальтійських механізмах тощо.;
• разом з навантаженням у тягових приводах і підйомно-транспортних механізмах;
• залежно від положення механізму в роботах (в діапазоні 1:10 [4]);
• залежно від робочого радіусу в моталках;
• в інших механізмах.

          На рис. 5 приведені перехідні процеси в системі електроприводу при роботі від задатчика| інтенсивності (ЗІ) в разі, коли розрахункове значення моменту інерції (JО) співпадає та не співпадає з реальним (JР).
          Відхилення реального моменту інерції від значення, на яке налаштована система призводить до неправильної оцінки спостерігачами на ділянках розгону і гальмування моменту статичного опору. Також у разі збільшення JР перехідні процеси в системі векторного керування СДПМ стають затягнутими, а при зменшенні – збільшується їх коливальність [4, 24].

Рисунок 5 - Перехідні процеси в системі векторного керування СДПМ при роботі від ЗІ у випадках, коли JО співпадає з JР (а), коли - менше у 3 рази (б), коли - більше у 3 рази (в)

          Розглянемо можливість ідентифікації моменту інерції ненормованим градієнтним методом [22, 25], який відрізняється своєю простотою. При дискретизації моделі механічної частини одномасової системи були використані такі методи ЧІ як метод прямокутників - FE, модифікований метод прямокутників - Backward Euler (BE) та метод трапецій - Trapezoidal (TR). В результаті моделювання були отримані наступні перехідні процеси див. рис. 6. З аналізу перехідних процесів (рис. 6) витікає, що при використанні ЧІ методом трапецій ідентифікація моменту інерції відбувається на порядок точніше, ніж при використанні методів прямокутників.

Рисунок 6 - Візуалізація масштабування перехідних процесів ідентифікації моменту інерції: верхній рис. - для випадку, коли JО менше JР в 3 рази; нижній рис. - коли менше в 3 рази. (Анімація виконана в програмі Adobe Fireworks CS3, складається з 4-х кадрів із затримкою між кадрами у 1,5 с; затримка до повторного відтворення складає 4 с; кількість циклів відтворення обмежена 5-ма)

Висновок

          З аналізу отриманих результатів витікає, що:
          - синтезовані СС можна використовувати для відновлення моменту статичного опору;
          - СС, замкнуті за кутовим положенням ротора можуть відновлювати кутову швидкість;
          - робота СС на ділянках розгону/гальмування помилкова при невірному настроювальному значенні моменту інерції;
          - в системі векторного керування СДПМ при налаштовані на значення моменту інерції менше реального, перехідні процеси стають більш затягнутими;
          - в системі векторного керування СДПМ при налаштовані на значення моменту інерції більше реального, збільшується коливальність;
          - при використанні ЧІ методом трапецій (при дискретизації моделі механічної частини) ідентифікація моменту інерції ненормованим градієнтним методом відбувається на порядок точніше, ніж при використанні методів прямокутників;
          - ненормований градієнтний метод ідентифікації дозволяє в реальному часі проводити оцінку моменту інерції з помилкою в квазістаціонарному режимі, що не перевищує 0,05 %;

Подальші плани досліджень

          До подальших планів досліджень можна віднести:
          - дослідження системи векторного керування СДПМ з адаптацією до зміни моменту інерції та комбінованим керуванням за збуренням;
          - дослідження різних модифікацій градієнтного методу (нормованого, покращеного [22]) для ідентифікації моменту інерції;
          - аналіз впливу наявності шуму в складі вимірюваних сигналів, періоду дискретності на роботу СС та градієнтного методу ідентифікації;
          - порівняльний аналіз градієнтного методу з іншими методами параметричної ідентифікації;
          - перевірку отриманих результатів на реальному об'єкті.

Важливе зауваження

          До моменту написання даного автореферату магістерська робота ще не закінчена. Остаточне завершення: січень 2010 р. Повний текст роботи і матеріали з теми можуть бути отримані в автора або його керівника після вказаної дати.

Література

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.