Реферат по теме выпускной работы
Содержание
- Введение
- 1. Актуальность темы
- 2. Цель и задачи исследования
- 3. Сравнительный анализ различных типов датчиков
- 4. Выбор микроконтроллера и аппаратной части инвертора
- 5. Исследование алгоритмов управления автономным инвертором напряжения в электроприводе.
- Выводы
- Список источников
Введение
В электроприводе для реализации обратной связи по току и напряжению необходимы быстродействующие прецизионные датчики тока, обеспечивающие гальваническую развязку силовых цепей и цепей управления [1]. Наиболее просто датчик реализуется на основе шунта, включаемого последовательно в цепь измеряемого постоянного тока, или делителя - параллельно. Для потенциального разделения входных и выходных цепей датчика напряжение, снимаемое с шунта, преобразуется в переменное с помощью модулятора. Переменное напряжение, модулированное по амплитуде, через ячейку гальванической развязки поступает на вход усилителя. Затем оно с помощью демодулятора преобразуется в постоянное напряжение. Пульсирующее напряжение на выходе демодулятора сглаживается фильтром и поступает на вход аналогово-цифрового преобразователя.
В качестве первичных датчиков могут быть использованы также датчики Холла, включенные по различным схемам, что дает возможность повысить их чувствительность и линейность. Также в электроприводе возможно применение датчиков тока и напряжения на эффекте Холла компенсационного типа. И те и другие датчики имеют гальваническую развязку. В работе рассматривается возможность идентификации тока и напряжения нагрузки инвертора по напряжению и току на входе инвертора.
1. Актуальность темы
Датчики тока и напряжения на эффекте Холла компенсационного типа имеют высокую стоимость. Поэтому задача уменьшения количества датчиков для формирования обратной связи является актуальной.
2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
Целью магистерской работы является идентификация тока и напряжения нагрузки инвертора с использованием тока и напряжения на входе инвертора в электроприводе.
Основные задачи исследования:
- Сравнительный анализ различных типов датчиков.
- Выбор микроконтроллера и аппаратной части инвертора.
- Исследование алгоритмов управления автономным инвертором напряжения в электроприводе.
- Моделирование алгоритма идентификации тока и напряжения трехфазного инвертора напряжения.
- Подготовка лабораторного стенда для идентификации тока и напряжения нагрузки электропривода постоянного тока и однофазным инвертором напряжения.
3. Сравнительный анализ различных типов датчиков
Самый простой способ измерить тока – это поставить малое сопротивление в цепь, где необходимо провести измерение, и измерить напряжение на этом малом сопротивлении. Измерительные сопротивления Rш называются шунтами. Примеры измерения тока с шунтами, установленными в стойки инвертора и в звено постоянного тока инвертора (рис. 1) [Анучин].
Рисунок 1 – Варианты установки шунтов для измерения токов
На (рис.1, а) значения тока нагрузки не могут быть получены в любой произвольный момент времени, так как ток протекает по шунту только при замыкании нижнего транзистора в стойке. Измерение можно выполнить, рассмотрев значения скважностей по стойкам на конкретном периоде ШИМ. Сложнее проводить измерение, если в звене постоянного тока установлен лишь один шунт (рис.1,б). Тогда на промежутке от начала периода ШИМ до момента t1 все токи замкнуты в верхних ключах инвертора и с шунта приходит нулевой сигнал (рис.2). Начиная с t1 и заканчивая t2 через шунт протекает тока фазы А, измерительный усилитель, показанный на рис.1.7, измерит его с противоположным законом. На интервале от t2 до t3 через шунт протекает суммарный ток фазы А и В, который измеряется с противоположным знаком, численно равный току фазы С.
Рисунок 2 – Графики измерения токов фаз с помощью единственного шунта в звене постоянного тока
В таких реализациях микроконтроллерная система управления должна отслеживать выходные параметры программы модуля ШИМ и определять моменты, когда измерения токов фаз можно выполнить достоверно. Затем для каждого возможного закона переключения ключей разбирается набор правил, определяющий, каким именно образом интерпретировать показания измеренного тока шунта и выполнять расчет тока каждой фазы. Кроме того, надо уметь исключать узкие импульсы в состояниях инвертора и отступать от начала очередного состояния инвертора, чтобы не зафиксировать помехи, связанные с коммутационными процессами. Собственно на рис.2 изображен процесс, подлежащий данному исследованию.
Измерение токов с помощью шунтов имеет следующие достоинства:
- Низкую цену.
- Компактную разводку и минимальный объём.
А также недостатки:
- Невысокая точность измерений.
- Ограничения на способы ШИМ.
- Система управления гальванически связана с силовой частью.
Измерительные трансформаторы тока[1].
С увеличением мощности выше 1 кВт использовать шунтовые датчики становится невозможно из-за возрастающего уровня помех от связи системы управления с шиной звена постоянного тока, поэтому переходят на гальванически развязанные датчики тока.Трансформаторы тока являются дешевым решением, однако могут достаточно точно измерить ток на частотах выше 15 Гц. Поэтому их применение невозможно для большинства электроприводов переменного и постоянного тока.
Датчики на эффекте Холла[1].
Датчики на эффекте Холла лишены недостатков, которые имеются в трансформаторов тока. Принцип работы датчика Холла: когда ток протекает по проводнику вблизи полупроводникового элемента, вокруг проводника появляется поле, которое пронизывает проводник. Если через элемент пропустить калиброванный ток, то движущиеся заряды будут смещаться под действием электромагнитного поля и на краях элемента возникнет разность потенциалов, которая будет пропорциональна тока, протекающему в проводнике.Такие датчики обеспечивают точность измерения тока от 1 до 5 % во всем температурном диапазоне, а полоса пропускания датчика достигает 40 кГц.В работе рассматриваются такие дачтики ACS712 (рис.3) [2].
Рисунок 3 – Внешний вид датчика тока на эффекте Холла
Выходное напряжение датчика пропорционально току, протекающему через проводящий путь. Выпускается три варианта токового датчика для разных диапазонов измерения и конфигураций В – биполярный ток, U – униполярный ток:
- ±5 А (ACS712-05B).
- ±20 А (ACS712-20B).
- ±30 А (ACS712-30В).
Датчики на эффекте Холла компенсационного типа более точно измеряют ток, чем обычные датчике на эффекте Холла. На сердечник намотана обмотка, содержащая w витков (1000 витков и более). Если по первичному проводу протекает ток, то это вызывает появление электромагнитного поля в зазоре сердечника, где установлен чувствительный элемент. Элемент фиксирует наличие поля и подает сигнал на усилитель большим коэффициентом усиления (компаратор), который создает во вторичной обмотке ток, направленный так чтобы размагнитить сердечник. В итоге во вторичной обмотке устанавливается ток в w раз, чем ток первичной обмотки. Этот ток пропускается через измерительный резистор.
К достоинствам следует отнести:- Измерение от постоянного тока и до тока частотой 500 кГц.
- Широкий диапазон измеряемых токов.
- Высокая точность измерения.
Самым существенным недостатком является высокая стоимость.
4. Выбор микроконтроллера и аппаратной части инвертора
Для лабораторного стенда предлагается использовать модуль IRAMS10UP60B (рис.4) имеющий целый ряд преимуществ [3]:
- Меньшая чем у дискретных решений индуктивность цепей, что приводит к снижению уровня выбросов напряжения и соответственно способности работать на более высоких частотах коммутации с меньшими потерями.
- Простая коммутация соединений, достаточно подключить эммитеры Le1, Le2 и Le3 к цепи питания (V+) и электродвигатель к фазам U,V и W.
- Интегрированный контроллер (драйвер) требует только 6и логических входов (включая 3,3В логику) и 3х пусковых (bootstrap) конденсаторов, подобранных в зависимости от частоты коммутации.
- Задержки включения транзисторов (IGBT) верхнего и нижнего плеча согласованы для предотвращения проникновения постоянного тока в двигатель.
- Встроенный контроль величины бестоковой паузы ("deadtime") при переключении транзисторов (IGBT) верхнего и нижнего плеча предотвращает наведенные токи смещения.
- Отказоустойчивая работа обеспечивается встроенными элементами контроля за перегрузкой по току и перегревом.
- Обеспечены аналоговый контроль температуры и фазировка силовых выводов.
Рисунок 4 – Схема модуля IRAMS10UP60B
Для управления модулем выбран микроконтроллер STM32F4 (рис.5), имеющий следующие характеристики [4]:
- ARM 32-bit Cortex-M4 CPU;
- Частота тактирования 168МГц;
- Поддержка DSP-инструкций;
- Новая высокопроизводительная AHB-матрица шин;
- До 1 Mбайта Flash-памяти;
- До 192 + 4 кбайт SRAM-памяти;
- Напряжение питания 1,8…3,6В (POR, PDR, PVD и BOR);
- Внутренние RC-генераторы на 16МГц и 32кГц (для RTC);
- Внешний источник тактирования 4…26МГц и для RTC – 32,768кГц;
- Модули отладки SWD/JTAG, модуль ETM;
- Три 12-бит АЦП на 24 входных канала (скорость до 7,2 мегасемплов, температурный датчик);
- Два 12-битных ЦАП;
- DMA-контроллер на 16 потоков с поддержкой пакетной передачи;
- 17 таймеров (16 и 32 разряда);
- Два сторожевых таймера (WDG и IWDG);
- Коммуникационные интерфейсы: I2C, USART (ISO 7816, LIN, IrDA), SPI, I2S;
- CAN (2,0 B Active);
- USB 2.0 FS/HS OTG;
- 10/100 Ethernet MAC (IEEE 1588v2, MII/RMII);
- Контроллер SDIO (карты SD, SDIO, MMC, CE-ATA);
- Интерфейс цифровой камеры (8/10/12/14-битные режимы);
- FSMC-контроллер (Compact Flash, SRAM, PSRAM, NOR, NAND и LCD 8080/6800);
- Аппаратный генератор случайных чисел;
- Аппаратное вычисление CRC, 96-битный уникальный ID;
- Модуль шифрования AES 128, 192, 256, Triple DES, HASH (MD5, SHA-1), HMAC;
- Расширенный температурный диапазон -40…105°C.
5. Исследование алгоритмов управления автономным инвертором напряжения в электроприводе.
Для электропривода постоянного тока в работе рассматриваются униполярная и биполярная ШИМ [5-6]. Для электропривода переменного тока в работе рассматриваются синусоидальная и векторная ШИМ [5-6]. Для анализа процесса идентификации тока и напряжения в фазах нагрузки созданы модели в программном пакете МатЛаб всех перечисленных алгоритмов управления ключами инвертора.
Моделирование алгоритма идентификации тока и напряжения трехфазного инвертора напряжения.
На рисунке 5, представлена модель идентификации тока и напряжения нагрузки при использовании синусоидальной ШИМ. На ней представлена модель автономного инвертора напряжения из библиотеки POWERSYSTEM (Universal bridge), а также его модель составленная в блоках SIMULINK (FIN), составленная на основании логических и алгебраических уравнений. Нагрузка представлена в виде активного и индуктивного сопротивлений для упрощения работы модели. Блок phase voltage measurement осуществляет измерение фазного напряжения относительно искусственно созданной нейтрали. Блок Discrete PWM generator осуществляет формирование импульсов управления в соответствии с алгоритмом синусоидальной ШИМ. Входными сигналами модели вычисления фазних токов загрузки являются:
- мгновенное значение тока, измеренное в звене постоянного тока;
- сигналы задания из системы управления;
- импульсы управления транзисторами;
- напряжение в звене постоянного тока (используется в алгоритме определения напряжений).
Рисунок 5 – Модель идентификации с синусоидальной ШИМ
Результаты идентификации параметров инвертора изображены на рисунке 6.
Рисунок 6 – Результаты работы алгоритма идентификации
Значение относительной погрешности вычисления токов на частоте ШИМ 10 кГц не превышает 1%. Из графиков напряжения видно, что ошибка в вычислении напряжения не учитывает реальные свойства транзисторов и диодов в открытом состоянии. Величина не превышает 0.5%.
Выводы
Планируется создание лабораторного стенда для электропривода постоянного тока, где вместо шести импульсов управления транзисторами будет использовано только 4. Тематика разработки алгоритма была начата еще в бакалавриате. На момент написания данного реферата магистерская работа еще не завершена. Ориентировочная дата завершения магистерской работы: июнь 2018 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.
Список источников
- Анучин, А.С. Системы управления электроприводов: Учебник для вузов/ А.С. Анучин.- Москва: Издательский дом МЭИ, 2015.-373с.
- Использование датчика тока ACS712. Часть 1 - Теория // rlocman.ru – Режим доступа: rlocman.ru, свободный.
- Обзор применений Plug N DriveTM //Plug'n Drive – Режим доступа: plug_n_drive, свободный.
- Обзор микроконтроллеров семейства STM32F4 //STMicroelectronics – Режим доступа: STM32F4, свободный.
- Шавелкин, А. А. Преобразовательная техника Шавьолкін, О.О. Перетворювальна техніка: учеб. пособие/ А.А. Шавелкин [и др.]. – Краматорск: Донбасская ДМА, 2008. – 328 с.
- Зиновьев, Г. С. Силовая электроника : учебное пособие для бакалавров [Электронный ресурс]/ Г. С. Зиновьев. – 5-е изд, испр и доп. –Москва : Издательство Юрайт, 2012. – 667 с. – Режим доступа: silovaya electronica, свободный.