Дипломная (вкр): Микропроцессорное устройство управления скоростью и нагружением обкаточного испытательного стенда

Компания STMicroelectronics предлагает использовать «сверхлегкий» 8-выводной 8-разрядный МК ST7ULTRALITE для фазового управления симистором, переключающим силовую нагрузку (обмотку электродвигателя, лампу накаливания и т.п.). Другое средство проектирования - оценочный комплект позволяет проверить возможности МК ST7FMC2S4T6 по управлению силовым модулем с электронными ключами на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором. Плата проектирования подключается к компьютеру через порт USB и дополнена удобным графическим интерфейсом пользователя, позволяющим выбрать различные типы управляемых 3-фазных электродвигателей и их параметры. Силовой модуль рассчитан на напряжение до 220 В переменного тока и ток до 10 А. В качестве еще одного примера использования 8-разрядного МК для управления мощными нагрузками переменного тока, такими как электродвигатели различных бытовых приборов (холодильников, стиральных машин и т.п.), можно привести базовый проект понижающего AC/AC-преобразователя этой же фирмы, использующий 16-выводной 8-разрядный МК ST7LITES5. Силовой инвертор работает от напряжения 230 В и обеспечивает ток нагрузки 1,5 А. Также, как и решение фирмы Freescale Semiconductor, этот базовый проект обеспечивает повышение эффективности использования энергии и подавление высоких гармоник за счет уменьшения сдвига фаз между входным напряжением и током нагрузки.

Компания Texas Instruments рекомендует использовать для управления силовыми устройствами DSP-процессоры. Специализированные пакеты программ, предлагаемые компанией Texas Instruments для бесплатной загрузки через Интернет, поддерживают разработку контроллеров силовых устройств на базе DSP семейства TMS320C2000. С помощью этого программного обеспечения достаточно просто можно спроектировать системы управления всеми типами электродвигателей, силовые преобразователи всех типов, устройства коррекции коэффициента мощности и т.п.

1.4 Методы управления электроприводом

.4.1 Структурная схема скалярного управления

Асинхронный двигатель (АД) питается от сети переменного тока, как правило, трехфазной.

Трехфазная система обмоток создает вращающееся магнитное поле с угловой скоростью вращения:

Где f - частота питающей сети, pn - число пар полюсов.

Вращающееся магнитное поле пересекает витки обмоток ротора. Если скорость вращения ротора отличается от скорости вращения поля, то в роторной обмотке начинает индуцироваться ток, который, взаимодействуя с полем статора, создает момент. В результате двигатель обладает механической характеристикой, изображенной на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 -механическая характеристика АД

Как видно из характеристики, скорость на рабочем участке не сильно отличается от скорости холостого хода, и становится ясно, что эффективно регулировать скорость вращения двигателя можно, изменяя частоту вращения поля статора или частоту питающей сети.

Уравнение электрического равновесия для одной фазы можно записать следующим образом:

                                                                                (1.1)

Если пренебречь падением напряжения на активном сопротивлении фазы статора, то уравнение упростится:

                                                                                         (1.2)

Фазное напряжение изменяется по закону:

                                                                                 (1.3)

После интегрирования закон (2.4) примет вид:

 или                                    (1.4)

Из полученного выражения видно, что амплитуда потока фазы прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна частоте, поэтому для поддержания постоянства потока требуется изменение напряжения пропорциональное изменению частоты. Такой закон регулирования напряжения в функции частоты называется U/f = const (рисунок 1.7).

Рисунок 1.7 - Закон регулирования U/f = const в преобразователях частоты.

Структурная схема скалярного управления изображена на рисунке 1.3

Рисунок 1.8 - Структурная схема скалярного управления (U/f): ШИМ - широтно-импульсный модулятор, АД - асинхронный двигатель.

Достоинства схемы скалярного управления:

·      Простота реализации;

·        Регулирование скорости в полном диапазоне.

Недостатки:

·      Нельзя добиться хорошей динамики;

·        Нельзя добиться постоянства момента при разных значениях частоты вращения.

1.4.2 Структурная схема векторного управления

Структурная схема векторного управления (рисунок 1.8) может применяться для управления асинхронным двигателем, синхронным двигателем с активным магнитоэлектрическим ротором либо синхронным реактивным двигателем. Возможно использование этой структуры и для управления трехфазными вентильно-индукторными двигателями с разнополярным питанием, а также шаговыми двигателями в режиме бесколлекторных двигателей постоянного тока.[13]

Рисунок 1.8 - Структурная схема привода переменного тока с векторным управлением: ШИМ - широтно-импульсный модулятор, АД - асинхронный двигатель, ПИ - пропорционально-интегральный закон регулирования, QEI - квадратурный анализатор.

Структура на рисунке 1.8 предполагает использование импульсного датчика положения ротора двигателя. Сигналы с датчика вводятся непосредственно в контроллер и обрабатываются в блоке оценки положения, который реализован на основе специального периферийного устройства таймера с «квадратурным» режимом работы. Код механического положения ротора программно преобразуется в код электрического положения ротора внутри полюсного деления машины θ.

На основе полученной информации о токах фаз ia и ib (рисунок 1.9), восстанавливается значение тока в фазе С (ic) и выполняется преобразование токов к неподвижной системе координат, связанной со статором.

Рисунок 1.9 - Прямое преобразование Кларка

Переход от неподвижной системы координат к подвижной (рисунок 1.10), связанной с текущим положением ротора, позволяет рассчитать компоненты результирующего вектора тока статора по осям d и q соответственно.

Рисунок 1.10 - Прямое преобразование Парка

Рисунок 1.11 - Обратное преобразование Кларка

Рисунок 1.11 - Обратное преобразование Парка

Выходные сигналы регуляторов тока пропорциональны компонентам результирующего вектора напряжения статора по осям d и q соответственно. В блоке векторной ШИМ-модуляции выполняется сначала преобразование компонента вектора напряжения к полярной системе координат, связанной с продольной осью ротора, а затем, с учетом текущего положения ротора q, определяется рабочий сектор, внутрисекторный угол и рассчитываются компоненты базовых векторов в абсолютной системе координат, связанной со статором. Формируются напряжения, прикладываемые к обмоткам двигателя Ua, Ub, Uc.

Все перечисленные выше преобразования координат (прямые и обратные преобразования Парка и Кларка) должны выполняться в реальном времени. Желательно, чтобы используемый для реализации системы векторного управления микроконтроллер имел встроенную библиотеку функций, адаптированных для эффективного управления двигателями, в том числе функций преобразования координат. Время реализации каждой из этих функций не должно превышать нескольких микросекунд.

Отличительной особенностью системы векторного управления асинхронными двигателями является необходимость использования дополнительного вычислительного блока, в котором производится оценка текущего углового положения вектора потокосцепления ротора. Это делается на основе решения в реальном времени системы дифференциальных уравнений, составленных в соответствии с математической моделью двигателя, что требует дополнительных вычислительных ресурсов центрального процессора.

В реальном АД ток статора формируется в неподвижной системе координат αβ в виде синусоидальный функций времени, а ток в синхронной системе dq, связанной с положением ротора, получается в результате преобразования:

                                                                                  (1.5)

где  - текущий угол системы координат, определяющийся как результат интегрирования угловой частоты статора.

                                                                                   (1.6)

где  - частота вращения ротора, - частота скольжения.

Определим скольжение:

                                                                                         (1.7)

При использовании векторного управления достигаются следующие преимущества:

высокая точность регулирования скорости даже при отсутствии датчика скорости;

плавное, без рывков, вращение двигателя в области малых частот;

возможность обеспечения номинального момента на валу при нулевой скорости (при наличии датчика скорости);

быстрая реакция на изменение нагрузки: при резких скачках нагрузки практически не происходит скачков скорости;

обеспечение такого режима работы двигателя, при котором снижаются потери на нагрев и намагничивание, а следовательно, повышается КПД двигателя.

Наряду с очевидными преимуществами, методу векторного управления присущи и некоторые недостатки, такие, как большая вычислительная сложность и необходимость знания параметров двигателя. Кроме того, при векторном управлении колебания скорости на постоянной нагрузке больше, чем при скалярном управлении. Следует отметить, что существуют области, в которых возможно использование только скалярного управления, например в групповом электроприводе, где от одного преобразователя питаются несколько двигателей.[11]

Векторное управление может быть реализовано в электроприводах, как на основе автономных инверторов тока, так и на основе автономных инверторов напряжения с широтно-импульсным управлением ШИМ. Электропривод на основе автономных инверторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) являются более универсальным, чем на основе автономных инверторов тока.

Достоинством системы с ШИМ является:

·      практически неограниченный диапазон регулирования частоты и скорости;

·        не критичность к мощности (в границах допустимой)

·        возможность работы в режиме холостого хода, при отключенных асинхронных двигателях;

·        высокое, близкое к 1 значение коэффициента мощности сети (cos φ) во всех режимах работы;

·        синусоидальность исходного тока, плавное без скачковое вращение асинхронных двигателей на скоростях близких к нулевого;

·        высокие динамические показатели электропривода, обусловленные высоким быстродействием ШИМ управления.

.5 Выводы и постановка задачи

В данной главе были рассмотрены существующие стенды для динамических испытаний пневматических шин, изучена элементная база и техническая реализация современных систем управления испытательными стендами.

Так как основным звеном в испытательном стенде является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, то был сделан обзор современной технической базы для реализации методов частотного управления электродвигателем, произведено сравнение методов частотного управления электроприводами. Как результат векторное управление является наиболее оптимальным для реализации требуемой системы управления электроприводом, так как имеет ряд преимуществ над скалярным:

·      высокая точность регулирования скорости даже при отсутствии датчика скорости;

·        плавное, без рывков, вращение двигателя в области малых частот;

·        возможность обеспечения номинального момента на валу при нулевой скорости (при наличии датчика скорости);

·        быстрая реакция на изменение нагрузки: при резких скачках нагрузки практически не происходит скачков скорости;

·        обеспечение такого режима работы двигателя, при котором снижаются потери на нагрев и намагничивание, а следовательно, повышается КПД двигателя.

Таким образом, в данном дипломном проекте необходимо выполнить следующее:

1.      Разработать систему управления скоростью вращения асинхронного электродвигателя.

2.      Разработать систему управления нагружением на испытываемую шину.

.        Разработать программное обеспечение, позволяющее автоматизировать процесс испытаний пневматических шин.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

2.1 Математическое описание обобщенной асинхронной машины

Обобщенная асинхронная машина показана на рисунке 2.1. Она содержит трехфазную обмотку на статоре и трехфазную обмотку на роторе. Обмотки статора и ротора подключены к симметричным трехфазным источникам напряжения.

Рисунок 2.1 - Обобщенная асинхронная машина

Математическое описание такой машины базируется на известных законах:

Уравнения равновесия э.д.с. на обмотках статора и ротора базируется на втором законе Кирхгофа.

для статора:                                             для ротора:

                                                         (2.1)

Обычно обмотки выполняются симметричными, и поэтому RA = RB = RC = RS - активное сопротивление статорной обмотки, Ra = Rb = Rc = RR - активное сопротивление роторной обмотки.

Вторым используемым законом является закон Ампера, который связывает потокосцепления обмоток с токами, протекающими по обмоткам:

Для статора:

                                           (2.2)

Для ротора:

Симметричные уравнения для определения потокосцепления показывают, что потокосцепление каждой обмотки зависит от токов во всех обмотках; эти зависимости проявляются через взаимоиндукцию. В уравнениях (2.2) LAA, LBB, LCC, Laa, Lbb, Lcc являются собственными индуктивностями соответствующих обмоток, все остальные - взаимоиндуктивностями между соответствующими обмотками.

Третьим законом, лежащим в основе анализа, является второй закон Ньютона - закон равновесия моментов на валу машины: