Зміст
- Вступ
- 1. Актуальність теми
- 2. Мета і завдання дослідження
- 3. Порівняльний аналіз різних типів датчиків
- 4. Вибір мікроконтролера і апаратної частини інвертора
- 5. Дослідження алгоритмів управління автономним інвертором напруги в електроприводі
- Висновки
- Список джерел
Вступ
В електроприводі для реалізації зворотнього зв'язку по струму і напрузі необхідні швидкодіючі прецизійні датчики струму, що забезпечують гальванічну розв'язку силових ланцюгів і ланцюгів управління[1]. Найбільш просто датчик реалізується на основі шунта, що включається послідовно в ланцюг вимірюваного постійного струму, або дільника - паралельно. Для потенційного поділу вхідних і вихідних ланцюгів датчика напруга, що знімається з шунта, перетворюється в змінну за допомогою модулятора. Змінна напруга, модульоване по амплітуді, через осередок гальванічної розв'язки надходить на вхід підсилювача. Потім воно за допомогою демодулятора перетворюється в постійну напругу. Пульсуюча напруга на виході демодулятора згладжується фільтром і надходить на вхід аналогово-цифрового перетворювача.
В якості первинних датчиків можуть бути використані також датчики Холла, включені за різними схемами, що дає можливість підвищити їх чутливість і лінійність. Також в електроприводі можливе застосування датчиків струму і напруги на ефекті Холла компенсаційного типу. І ті й інші датчики мають гальванічну розв'язку. У роботі розглядається можливість ідентифікації струму і напруги навантаження інвертора по напрузі і струму на вході інвертора.
1. Актуальність теми
Датчики струму і напруги на ефекті Холла компенсаційного типу мають високу вартість. Тому завдання зменшення кількості датчиків для формування зворотнього зв'язку є актуальним.
2. Мета і завдання дослідження
Метою магістерської роботи є ідентифікація струму і напруги навантаження інвертора з використанням струму і напруги на вході інвертора в електроприводі.
Основні задачі дослідження:
- Порівняльний аналіз різних типів датчиків.
- Вибір мікроконтролера і апаратної частини інвертора.
- Дослідження алгоритмів управління автономним інвертором напруги в електроприводі.
- Моделювання алгоритму ідентифікації струму і напруги трифазного інвертора напруги.
- Підготовка лабораторного стенду для ідентифікації струму і напруги навантаження електроприводу постійного струму і однофазних інвертором напруги.
3. Порівняльний аналіз різних типів датчиків
Найпростіший спосіб виміряти струм - це поставити малий опір в ланцюг, де необхідно провести вимірювання, і виміряти напругу на цьому малому опорі. Вимірювальні опори Rш називають шунтами. Приклади вимірювання струму з шунтами, встановленими в стійки інвертора і в ланку постійного струму інвертора (рис. 1) [Анучин].
Рисунок 1 - Варіанти установки шунтів для вимірювання струмів
На (рис.1, а) значення струму навантаження не можуть бути отримані в будь-який момент часу, так як струм протікає по шунту тільки при замиканні нижнього транзистора в стійці. Вимірювання можна виконати, розглянувши значення шпаруватості по стійках на конкретному періоді ШІМ. Складніше робити вимірювання, якщо в ланці постійного струму встановлений лише один шунт (рис.1, б). Тоді на проміжку від початку періоду ШІМ до моменту t1 все струми замкнуті в верхніх ключах інвертора і з шунта приходить нульовий сигнал (рис.2). Починаючи з t1 і закінчуючи t2 через шунт протікає струму фази А, вимірювальний підсилювач, показаний на рис.1.7, виміряє його з протилежним законом. На інтервалі від t2 до t3 через шунт протікає сумарний струм фази А і В, який вимірюється з протилежним знаком, чисельно рівний току фази С.
Рисунок 2 – Графіки вимірювання струмів фаз за допомогою єдиного шунта в ланці постійного струму
У таких реалізаціях мікроконтролерна система управління повинна відстежувати вихідні параметри програми модуля ШІМ і визначати моменти, коли вимірювання струмів фаз можна виконати достовірно. Потім для кожного можливого закону перемикання ключів розбирається набір правил, що визначає, яким саме чином інтерпретувати показання виміряного струму шунта і виконувати розрахунок струму кожної фази. Крім того, треба вміти виключати вузькі імпульси в станах інвертора і відступати від початку чергового стану інвертора, щоб не зафіксувати перешкоди, пов'язані з комутаційними процесами. Власне на рис.2 зображений процес, який підлягає даного дослідження.
Вимірювання струмів за допомогою шунтів має такі переваги:
- Низьку ціну.
- Компактну розводку і мінімальний обсяг.
а також недоліки:
- Невисока точність вимірювань.
- Обмеження на способи ШІМ.
- Система управління гальванічно пов'язана з силовою частиною.
Вимірювальні трансформатори струму[1].
Зі збільшенням потужності вище 1 кВт використовувати шунтові датчики стає неможливо через зростаючого рівня перешкод від зв'язку системи управління з шиною ланки постійного струму, тому переходять на гальванічно розв'язані датчики струму.Трансформатори струму є дешевим рішенням, однак можуть досить точно виміряти струм на частотах вище 15 Гц. Тому їх застосування неможливо для більшості електроприводів змінного і постійного струму.
Датчики на ефекті Холла[1].
Датчики на ефекті Холла позбавлені недоліків, які є в трансформаторів струму. Принцип роботи датчика Холла: коли струм протікає по провіднику поблизу напівпровідникового елемента, навколо провідника з'являється поле, яке пронизує провідник. Якщо через елемент пропустити калібрований ток, то рухомі заряди будуть зміщуватися під дією електромагнітного поля і на краях елемента виникне різниця потенціалів, яка буде пропорційна струму, що протікає в провіднику. Такі датчики забезпечують точність вимірювання струму від 1 до 5% у всьому температурному діапазоні, а смуга пропускання датчика досягає 40 кГц.В роботі розглядаються такі датчики ACS712 (рис.3) [2].
Рисунок 3 – Зовнішній вигляд датчика струму на ефекті Холла
Вихідна напруга датчика пропорційна току, що протікає крізь провідний шлях. Випускається три варіанти токового датчика для різних діапазонів вимірювання і конфігурацій В - біполярний ток, U - уніполярний ток:
- ±5 А (ACS712-05B).
- ±20 А (ACS712-20B).
- ±30 А (ACS712-30В).
Датчики на ефекті Холла компенсаційного типу більш точно вимірюють струм, ніж звичайні датчику на ефекті Холла. На сердечник намотана обмотка, яка містить w витків (1000 витків і більше). Якщо з первинного проводу протікає струм, то це викликає появу електромагнітного поля в зазорі сердечника, де встановлений чутливий елемент. Елемент фіксує наявність поля і подає сигнал на підсилювач великим коефіцієнтом посилення (компаратор), який створює у вторинній обмотці струм, спрямований так щоб розмагнітити сердечник. В результаті у вторинній обмотці встановлюється струм в w раз, ніж струм первинної обмотки. Цей струм пропускається через вимірювальний резистор.
До переваг слід віднести:- Вимірювання від постійного струму і до струму частотою 500 кГц.
- Широкий діапазон вимірюваних струмів.
- Висока точність вимірювання.
Найістотнішим недоліком є висока вартість.
4.Вибір мікроконтролера і апаратної частини інвертора
Для лабораторного стенду пропонується використовувати модуль IRAMS10UP60B (рис.4) що має цілий ряд переваг [3]:
- Менша ніж у дискретних рішень індуктивність ланцюгів, що призводить до зниження рівня викидів напруги і відповідно здатності працювати на більш високих частотах комутації з меншими втратами.
- Проста комутація з'єднань, досить підключити еммітер Le1, Le2 і Le3 до ланцюга живленняння (V +) і електродвигун до фаз U, V і W.
- Інтегрований контролер (драйвер) вимагає тільки 6и логічних входів (включаючи 3,3 логіку) і 3х пускових (bootstrap) конденсаторів, підібраних в залежності від частоти комутації.
- Затримки включення транзисторів (IGBT) верхнього і нижнього плеча узгоджені для запобігання проникнення постійного струму в двигун.
- Вбудований контроль величини безтокової паузи ("deadtime") при перемиканні транзисторів (IGBT) верхнього і нижнього плеча запобігає наведені струми зміщення.
- Відмовостійка робота забезпечується вбудованими елементами контролю за перевантаженням по струму і перегрівом.
- Забезпечені аналоговий контроль температури і фазировка силових виводів.
Рисунок 4 – Схема модуля IRAMS10UP60B
Для управління модулем обраний мікроконтролер STM32F4 (рис.5), який має такі характеристики [4]:
- ARM 32-bit Cortex-M4 CPU;
- Частота тактування 168МГц;
- Підтримка DSP-інструкцій;
- Нова високопродуктивна AHB-матриця шин;
- До 1 Мбайт Flash-пам'яті;
- До 192 + 4 кбайт SRAM-пам'яті;
- Напруга живлення 1,8 ... 3,6 (POR, PDR, PVD і BOR);
- Внутрішні RC-генератори на 16МГц і 32кГц (для RTC);
- Зовнішнє джерело тактування 4 ... 26МГц і для RTC - 32,768кГц;
- Модулі налагодження SWD / JTAG, модуль ETM;
- Три 12-біт АЦП на 24 вхідних каналу (швидкість до 7,2 мегасемплів, температурний датчик);
- Два 12-бітних ЦАП;
- DMA-контролер на 16 потоків з підтримкою пакетної передачі;
- 17 таймерів (16 і 32 розряду);
- Два сторожових таймера (WDG і IWDG);
- Комунікаційні інтерфейси: 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);
- Контролер SDIO (карти SD, SDIO, MMC, CE-ATA);
- Інтерфейс цифрової камери (8/10/12/14-бітові режими);
- FSMC-контролер (Compact Flash, SRAM, PSRAM, NOR, NAND і LCD 8080/6800);
- Апаратний генератор випадкових чисіл;
- Апаратне обчислення CRC, 96-бітний унікальний ID;
- Модуль шифрування AES 128, 192, 256, Triple DES, HASH (MD5, SHA-1), HMAC;
- Розширений температурний діапазон -40 ... 105 ° C.
5. Дослідження алгоритмів управління автономним інвертором напруги в електроприводі.
Для електроприводу постійного струму в роботі розглядаються униполярная і біполярна ШІМ [5-6].Для електроприводу змінного струму в роботі розглядаються синусоїдальна і векторна ШІМ [5-6].Для аналізу процесу ідентифікації струму і напруги в фазах навантаження створені моделі в програмному пакеті МатЛаб всіх перерахованих алгоритмів управління ключами інвертора.
Моделювання алгоритму ідентифікації струму і напруги трифазного інвертора напруги.
На рисунку 5, представлена модель ідентифікації струму і напруги навантаження при використанні синусоїдальної ШІМ. На ній представлена модель автономного інвертора напруги з бібліотеки POWERSYSTEM (Universal bridge), а також його модель складена в блоках SIMULINK (FIN), складена на підставі логічних і алгебраїчних рівнянь. Навантаження представлена у вигляді активного і індуктивного опорів для спрощення роботи моделі. Блок phase voltage measurement здійснює вимір фазної напруги щодо штучно створеної нейтрали. Блок Discrete PWM generator здійснює формування імпульсів управління відповідно до алгоритму синусоїдальної ШІМ. Вхідними сигналами моделі обчислення фазних струмів завантаження являються:
- миттєве значення струму, виміряне в ланці постійного струму;
- сигнали завдання з системи управління;
- імпульси управління транзисторами;
- напруга в ланці постійного струму (використовується в алгоритмі визначення напружень).
Рисунок 5 – Модель ідентифікації з синусоїдальної ШІМ
Результати ідентифікації параметрів інвертора зображені на рисунку 6.
Рисунок 6 - Результати роботи алгоритму ідентифікації
Значення відносної похибки обчислення струмів на частоті ШІМ 10 кГц не перевищує 1%. З графіків напруги видно, що помилка в обчисленні напруги не враховує реальні властивості транзисторів і діодів у відкритому стані. Величина не перевищує 0.5%.
Висновки
Планується створення лабораторного стенду для електроприводу постійного струму, де замість шести імпульсів управління транзисторами буде використано тільки 4.Тематика розробки алгоритму була розпочата ще в бакалавраті.На момент написання даного реферату магістерська робота ще не завершена. Орієнтовна дата завершення магістерської роботи: червень 2018 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.
Список джерел
- 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.