Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Четверг, 8 декабря
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика

Итоги Форума и премии «Живая электроника России - 2016»


Интервью, презентации

Ранее

Тяговый электропривод в гибридных транспортных средствах. Часть 1. Идеология проектирования КТЭО

Рассматриваются кинематические схемы гибридных транспортных средств, специфические требования к тяговым приводам и моторам-генераторам, перспективные типы электрических машин и силовых преобразователей, характерные особенности систем ДВС-генератор, буферный накопитель, силовой преобразователь — электродвигатель, редуктор и коробка передач. Рассматриваются вопросы синтеза управления электроприводом и комплектом тягово-энергетического оборудования.

Регулируемый бездатчиковый электропривод в бытовой технике

В связи с возрастающими требованиями к бытовой технике по энерго­сбережению, функциональности и снижению стоимости на рынке появляются новые решения по управлению электродвигателями. В статье рассмотрен метод векторного управления электродвигателя без датчика, использующий высокоэффективный и недорогой специализированный контроллер компании Freescale. Статья представляет собой перевод [1].

Применение FPGA в промышленных системах управления электроприводом

Ежедневно в мире производится более 20 млн. электродвигателей или более 7 млрд. в год. По оценкам экспертов, электродвигатели потребляют более 50% всей производимой энергии в США, поэтому задача создания высокоэффективной системы управления электроприводом является очень важной. В статье обсуждаются особенности построения эффективных систем управления электродвигателями с использованием FPGA, возможности применения FPGA в промышленных сетях и вопросы выбора оптимальной системы управления электроприводом.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

12 ноября

Управление ориентацией поля в электроприводах

Метод управления ориентацией поля в электроприводах с регулированием скорости вращения улучшает динамические параметры, позволяет выбрать оптимальный электродвигатель и улучшить эффективность системы. В статье описаны базовые принципы метода, построение схемы управления и применение цифровых сигнальных контроллеров для эффективной реализации системы. Статья представляет собой перевод [1]. Прим.: В статье оставлена терминология оригинала. В русскоязычной литературе чаще употребляется термин «векторное управление».



Введение

Приводы с регулированием скорости вращения для трехфазных электродвигателей являются широко распространенными компонентами промышленного оборудования, которые позволяют экономить энергию и оптимизировать системы. Традиционные скалярные методы управления частотой вращения трехфазных электродвигателей обеспечивают простую реализацию системы, однако ограничивают ее характеристики. При использовании скалярного электропривода недостатки алгоритма управления могут привести к тому, что для получения требуемых динамических характеристик необходимо выбирать электродвигатель большей мощности.
Это снижает эффективность и увеличивает стоимость системы. Управление ориентацией поля (Field Oriented Control — FOC) позволяет преодолеть эту проблему за счет оптимизации характеристик электродвигателя, выбрать более компактные электродвигатели и приводы, снизить стоимость и повысить общую эффективность системы.

Ограничения традиционного метода скалярного управления

Электродвигатели являются одним из основных потребителей электроэнергии (более половины электроэнергии, потребляемой в США), поэтому потенциальная экономия средств и энергии благодаря улучшению их характеристик весьма значительна. Большинство электродвигателей, используемых в приводах с регулированием частоты вращения, является асинхронными электродвигателями переменного тока. Скалярное управление основано на довольно простом принципе: для регулирования частоты вращения электродвигателя изменяются подаваемое напряжение и частота.
Для работы электродвигателя с различной частотой необходимо пропорционально изменять частоту трехфазного синусоидального тока и напряжение, приложенное к электродвигателю. Такие электродвигатели работают довольно эффективно на синхронной частоте вращения при номинальном значении падения напряжения на статоре. Например, для того, чтобы уменьшить рабочую скорость, скажем, вполовину от номинальной скорости для электродвигателя с питанием от сети 220 В/50 Гц и скоростью вращения 1500 об/мин, частота должна быть уменьшена до 25 Гц, а напряжение — до 110 В.
Во многих приложениях желательно применять электропривод с регулируемой частотой вращения. Однако управление с постоянным отношением напряжения к частоте не обеспечивает точное совмещение магнитных потоков статора и ротора, во время быстрых переходных процессов могут возникать пульсации и выбросы тока. Используемый регулятор скорости может вызвать слишком сильное ускорение магнитного потока статора, что нарушает совмещение магнитного потока в электродвигателе.
Это может несколько снизить мгновенный крутящий момент, а также уменьшить противо-ЭДС на обмотках электродвигателя, что приводит к возникновению бросков тока. При управлении без обратной связи асинхронный электродвигатель самостоятельно приходит в равновесное состояние. При управлении скоростью с обратной связью это может приводить к возникновению пульсаций тока и магнитного потока.
Одним из способов избежать появления таких переходных процессов является ограничение возможности их генерации. Для этого следует перенастроить регулятор скорости так, чтобы ограничить его характеристики. Можно также использовать более крупный электродвигатель, обеспечивающий больший крутящий момент, хотя это приведет к необходимости соответствующего увеличения мощности преобразователя энергии.

Основы управления ориентацией поля

Основная идея управления ориентацией поля заключается в управлении взаимодействием магнитных потоков с тем, чтобы избежать проблем, о которых говорилось выше, и оптимизировать характеристики электродвигателя. Для того чтобы понять принцип действия этого метода, рассмотрим вначале структуру электродвигателя. Трехфазный электродвигатель содержит обмотки, которые сдвинуты на 120˚ (или доли этого угла) вдоль статора. Подача на обмотку трех напряжений, сдвинутых по фазе на одну треть периода, генерирует вращающееся магнитное поле. Концептуальное представление этого механизма дано на рисунке 1.

Рис. 1. Генерация вращающегося магнитного поля и крутящего момента в асинхронном электродвигателе

Ротор асинхронного электродвигателя состоит из замкнутой цепи. Наиболее часто используется ротор с «беличьей клеткой», который имеет проводящие стержни, соединенные с помощью колец с утолщением. Когда магнитное поле статора наводится на ротор, в цепи ротора возникает ЭДС и генерируется ток. Ток ротора создает свое магнитное поле, которое, взаимодействуя с магнитным полем статора, создает механическую силу, передаваемую на ротор.

Взаимодействие сил

В результате формируется пара сил, поскольку сгенерированные механические силы являются разнонаправленными на противоположных сторонах ротора, что приводит к созданию крутящего момента на роторе. На рисунке 2 показано взаимодействие магнитных потоков. Созданный крутящий момент пропорционален величине магнитных потоков и синусу угла между ними. Это соотношение проиллюстрировано на второй диаграмме рисунка 2.

Рис. 2. Векторы магнитных потоков, крутящий момент и нагрузочный угол

Для реализации базовых принципов управления ориентацией поля, т.е. сохранения требуемого взаимного расположения магнитных потоков статора и ротора, необходимо контролировать токи статора, которые генерируют магнитный поток. При величине угла близкой к 90˚ обеспечивается генерирование большего магнитного потока на единицу тока.
Управление тремя синусоидальными токами является довольно сложной задачей, но нет необходимости контролировать все три тока. Задача упрощается при использовании преобразований Кларка и Парка для токов статора. Вначале выполняется преобразование Кларка из трехфазной системы в двухфазную, а затем перевод в систему координат ротора с помощью преобразования Парка.
Обозначим мгновенные значения фазовых токов в статоре ia, ib и ic, соответствующие фазам a, b и c. Эти фазы можно рассматривать как три планарные системы координат. Конечно, в планарной системе есть только две степени свободы и возможны только два независимых вектора. Любая дополнительная величина может быть выражена как линейная комбинация. Преобразование Кларка переводит трехосную систему координат в двухосную ортогональную систему. Для этого преобразования используется формула:

где iα(t) и iβ(t) — проекции пространственного вектора тока на оси двухфазной стационарной системы координат; ia(t), ib(t), ic(t) — проекции пространственного вектора тока на оси трехфазной системы координат.
Затем используется преобразование Парка для перевода стационарной системы координат в двухосную вращающуюся систему координат (id, iq). Исходные координаты d (магнитный поток) и q (крутящий момент) и система координат совмещают ось d с положением магнитного поля. Компоненты id и iq статорного тока определяются из следующих уравнений:

где θ = ωt — значение угла поворота вращающейся системы координат с частотой ω.
Это позволяет контроллеру формировать напряжения, которые нужно приложить к статору для задания векторов токов требуемой величины в системе координат ротора. Напряжение затем трансформируется с помощью обратных преобразований Парка и Кларка в импульс напряжения в 3-фазной системе координат статора, так что каждая фаза может быть возбуждена с помощью своего преобразователя напряжения.

Регулировка токов id и iq с помощью ПИ-контроллера

В стационарном режиме токи id и iq практически постоянны, однако содержат пульсации, связанные с колебаниями нагрузки и крутящего момента, ложными срабатываниями и разбалансировкой. В таком режиме можно выполнять стабилизацию этих токов с помощью пропорционально-интегрального контроллера (ПИ-контроллера).
Программно реализованный ПИ-контроллер осуществляет регулировку компонентов вектора мнимого тока статора, созданных крутящим моментом и магнитным полем. Блок регулятора скорости, в качестве которого может быть использован также ПИ-регулятор, формирует сигнал крутящего момента, необходимый для работы электродвигателя с заданной скоростью. Регулятор скорости на основе значений заданной и измеренной скорости генерирует сигнал крутящего момента. Если электродвигатель вращается со скоростью ниже заданной, ПИ-регулятор формирует сигнал, соответствующий большему крутящему моменту, чтобы увеличить его скорость, а если ниже заданной — сообщает меньший крутящий момент, замедляющий электродвигатель.

Управление ориентацией поля оптимизирует систему

С помощью управления ориентацией поля можно также реализовать электрическое торможение. В этом случае энергия будет отбираться от нагрузки, а электродвигатель будет действовать как генератор, передающий энергию обратно в нагрузαку. Преобразователь энергии должен, конечно, поддерживать такой режим и использовать либо инвертор, отдающий мощность в электросеть, либо тормозной резистор (транзистор) для предотвращения неконтролируемого повышения напряжения на шине питания.
В типовых промышленных приложениях, динамические характеристики которых улучшены с помощью управления ориентацией поля, разработчики также получают возможность подобрать оптимальные габариты электродвигателя и не использовать слишком мощные моторы там, где требуется минимизировать паразитные переходные процессы. Более компактный электродвигатель также работает с меньшей потребляемой энергией, что в конечном итоге обеспечивает более высокий КПД.
Большинство типов промышленного оборудования использует асинхронные электродвигатели, поэтому общая экономия энергии приводит к значительному снижению затрат. Уменьшение энергопотребления может привести к существенному снижению эксплуатационных расходов в любых промышленных предприятиях. Применение систем управления электродвигателем с программным конфигурированием также обеспечивает оптимальную подстройку системы для увеличения ее эффективности или многократного использования системы с различными типами электродвигателей. На рисунке 3 приведена схема управления ориентацией поля.

Рис. 3. Схема управления ориентацией поля

Обеспечение повышенных требований по вычислительным ресурсам

Управление ориентацией поля требует значительных вычислительных ресурсов процессора. Эти требования превышают возможности большинства микроконтроллеров общего назначения по программному выполнению алгоритмических функций. Высокопроизводительные процессоры с плавающей точкой обладают такими возможностями, однако они слишком дороги и применимы, поэтому, лишь для приложений, использующих наиболее крупные электроприводы с регулируемой скоростью вращения.
Появление последних поколений сигнальных процессоров, оптимизированных для математических вычислений, таких как DSP, а также DSC, позволило сделать реализацию управления ориентацией поля значительно более дешевой и простой. Контроллеры на базе DSP, например TMS320F28x компании Texas Instruments, содержат процессорные ядра, оптимизированные для весьма сложных математических вычислений с производительностью 60…150 MIPS, и позволяют реализовывать преобразование системы координат и выполнять алгоритм управления с высокой частотой выборки, что обеспечивает очень широкий диапазон токов управления.
Подобное управление помогает решать такие задачи как обеспечение быстрого времени реакции сервопривода и очень точное управление переходными процессами. Шинная архитектура DSP обеспечивает эффективную передачу данных между высокопроизводительными однотактными процессорными ядрами с умножителями-аккумуляторами и периферией.
Оптимизированные для систем управления DSP построены на базе мощных процессорных ядер и содержат необходимую периферию. Специализированные управляющие периферийные устройства, такие как ШИМ-модуляторы, коммуникационные порты и АЦП, позволяют разработчикам уменьшить число внешних компонентов и снизить стоимость системы. Встроенная память большого объема исключает необходимость применения внешней флэш-памяти или RAM, что дополнительно снижает стоимость и сложность системы.
Раньше при реализации векторного управления на базе цифрового микропроцессора серьезной помехой для быстрой и эффективной разработки приложения была проблема записи ассемблерного кода при создании сложных алгоритмов и одновременное обеспечение требуемой производительности и размера кода. В настоящее время компиляторы для DSP практически не требуют создания ассемблерного кода, и большинство математических функций можно описать непосредственно в среде языка C.
Производители DSP предлагают готовые C-библиотеки, обеспечивающие многие функции, которые требуются для векторного управления, такие как преобразования Парка и Кларка, ШИМ-модуляторы, цепи ПИ-контроллеров и др. Разработчикам систем управления электродвигателем нужно лишь незначительно модифицировать вручную код в соответствии с требованиями приложения, интегрировать необходимые модули и протестировать полученный код.

Заключение

Следует сказать, что современные методы управления электродвигателем обеспечивают более точный контроль над всем процессом формирования крутящего момента, что улучшает динамические характеристики, позволяет выбрать оптимальный электродвигатель и улучшить эффективность системы. Реализация такой системы упрощается при использовании современных цифровых сигнальных контроллеров, которые способны выполнять интенсивные вычисления в режиме реального времени.
Эти разработки позволяют создать более эффективные электроприводы с улучшенными характеристиками, по сравнению с электроприводами на основе традиционного скалярного управления. Производители конечного оборудования также используют дополнительную процессорную мощность DSP для реализации усовершенствованных функций в своих продуктах.

Литература

1. Field oriented control reduces
motor size, cost and power consumption in industrial applications, Kedar Godbole//
www.industrialcontroldesignline.com.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Кедар Годбоул (Kedar Godbole), инженер по применению, Texas Instruments



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 
 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2016 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты