Full Text

Введение. Электродвигатели постоянного тока (ДПТ) независимого возбуждения [1, 2] в настоящее время вытесняются машинами переменного тока, однако в области малых мощностей (с возможностью возбуждения от постоянных магнитов [3]) ДПТ по-прежнему продолжают использоваться. Классические методы регулирования переменных состояния ДПТ [4] не позволяют достичь высокого качества регулирования, поэтому в электроприводе постоянного тока применяется управление с помощью транзисторного преобразователя. Замыкание системы управления электроприводом по одной (или нескольким) из переменных состояния позволяет стабилизировать ее значение благодаря тому, что в системе имеется сигнал о непосредственном значении данной переменной. Необходимость в непосредственном измерении переменных состояния (например, скорости вращения) с развитием систем управления и увеличением их быстродействия оказалась под вопросом. Косвенная оценка этих величин широко применяется в различных типах электропривода. Постановка задачи. Рассмотрим пример с нахождением значения скорости вращения привода. При непосредственном ее измерении требуется применение дополнительных технических средств - тахогенераторов, датчиков с инициаторами, энкодеров. Это не только повышает стоимость всей установки, но и снижает ее надежность. Непрямое измерение переменных состояния привода, или их оценка, позволяет избавиться от указанных выше недостатков. Структура, которая оценивает какую-либо величину по косвенным признакам, называется наблюдателем [5, 6, 7]. Структурная схема наблюдателя показана на рис. 1. Рис. 1. Наблюдатель скорости Оценивающая часть здесь состоит из модели якоря двигателя и ПИ-регулятора. При таком подходе необходимо достаточно точно знать параметры модели двигателя, что не всегда представляется возможным. Таким образом, перед нами встает задача определения параметров объекта регулирования - электродвигателя, а именно постоянной времени его якорной цепи. Здесь стоит также отметить, что подобная задача возникает и при управлении приводом переменного тока во время нахождения параметров статорной цепи. Цель исследования. Из описанного выше можно сделать вывод, что целью разработки методики идентификации постоянной времени якорной цепи двигателя является уточнение параметров его модели в системе управления. Поскольку идентификация должна проводиться при вводе в эксплуатацию привода, либо при его включении, скорость этого процесса не столь принципиальна. Тем не менее простота и скорость метода будут его значительным преимуществом. Следовательно, необходимо также стремиться к минимизации ресурсов, требуемых для расчета. Варианты методов идентификации. В настоящее время известны различные методы идентификации параметров электродвигателей. В [8] идентификация параметров двигателя проводится с помощью поисковых методов путем минимизации суммарного квадратичного отклонения тока. Данный метод требует большого количества вычислений, а также дает значительную погрешность измерения индуктивности (и вычисляемой из нее постоянной времени). В [9] в целях получения значений параметров модели двигателя используется метод роя частиц. По сравнению с [8] погрешность оценки здесь значительно ниже, однако метод не отличается высоким быстродействием. В [10] в ходе исследования беспоискового метода активной предварительной идентификации параметров асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором при линейном изменении напряжения статора было выявлено, что величину индуктивности статора возможно оценить только после продолжительного интервала времени, что, в свою очередь, приводит к выходу на ограничение по ресурсу преобразователя или к недопустимым значениям тока статора. Приведенная в [11] методика идентификации индуктивности статорной обмотки вентильного двигателя производится по временной зависимости тока с импульсным тестовым сигналом. В процессе определения индуктивности ротор двигателя ориентируется по оси d, что может быть нежелательно при работе с двигателем в составе какого-либо механизма (возможно обратное вращение, способное привести к поломке присоединенных механизмов). Различные методики идентификации параметров электрических машин и других динамических систем приведены также в [12-16]. Суть предлагаемого метода. По приведенной в [10] классификации предлагаемый метод можно отнести к активной предварительной идентификации параметров электродвигателя. Это означает, что система настраивается в начале работы (предварительно) и для настройки применяется специальное тестовое воздействие. Суть разработанного метода идентификации постоянной времени состоит в следующем. Если представить якорную цепь двигателя постоянного тока как RL-цепь, то можно определить постоянную времени этой цепи по касательной к графику переходного процесса тока [17, 18], проходящей из точки 0; 0 (рис. 2). Если измерить ток Iизм в известный момент времени Tизм, то, применяя свойства подобных треугольников 0A´Tизм и 0ATa (рис. 2), можно определить постоянную времени якорной цепи по выражению (1) где Ta - постоянная времени якоря, Iуст - установившееся значение тока RL-цепи, Tизм - момент времени, в который происходит измерение тока, Iизм - измеренный ток. Отсюда имеем: (2) В уравнении (2) величина Tизм является моментом времени, в который происходит измерение тока двигателя. В случае, когда двигатель приводится в действие транзисторным преобразователем, она не может быть меньше некомпенсируемой постоянной времени Tµ, равной периоду ШИМ. Но практически она будет зависеть от времени цикла системы регулирования. Тестовое задающее воздействие на электродвигатель (задание скорости) должно быть такой величины, чтобы ток достигал максимального значения. При работе двигателя в системе подчиненного регулирования [19] в случае слишком низкого значения задания скорости этого может не произойти, вследствие чего постоянная времени по (2) будет определена неверно. Тестовый сигнал также может быть объединен с рабочим заданием в случае его удовлетворительного значения для указанных выше условий. Кроме того, необходимо наличие в системе положительной обратной связи по ЭДС для компенсации ее влияния на величину и динамику тока якоря. Моделирование системы идентификации. Проведем моделирование системы идентификации постоянной времени якоря в Simulink [20]. Пуск двигателя осуществляется в системе подчиненного регулирования (рис. 3) с наличием положительной обратной связи по ЭДС [5], коэффициент которой (3) где kФ - конструктивный коэффициент двигателя, UDC - напряжение питания. Рис. 2. Переходный процесс тока в RL-цепи Передаточные функции регуляторов тока и скорости и преобразователя [5, 21]: (4) (5) (6) где Tµ - некомпенсируемая постоянная времени, Tn - постоянная времени преобразователя. Параметры двигателя и преобразователя: (7) где J - момент инерции двигателя. Рис. 3. Система управления двигателем Рис. 4. Запись тока якоря в момент времени измерения На рис. 4 показана структура, записывающая величину тока в заданный момент времени Tизм. Запись происходит в поименованную область памяти i_read, откуда впоследствии читается значение Iизм. Кроме измеренного значения тока якоря нам необходимо также знать величину установившегося тока, которую при наличии незначительного перерегулирования можно принять равной максимальному значению. Ниже на рис. 5 представлена модель, записывающая значения тока в массив в определенные промежутки времени (в данном случае каждые 0,1 с). Затем этот массив записывается в область памяти i_max. Далее массив с записанными значениями тока якоря проходит через блок вычисления максимального значения (рис. 6). И, наконец, производится вычисление постоянной времени Ta. Принимая, что Tµ = 10-4 с, можно провести оптимизацию системы по параметру Tизм в (2), минимизируя при этом ошибку расчета постоянной времени (блок Ta_err_% на рис. 6). Рис. 5. Нахождение установившегося значения тока Рис. 6. Вычисление постоянной времени Рис. 7. Зависимость ошибки от времени измерения Измерение значений тока якоря для нахождения его максимального значения производилось каждые 0,1 с. Запись массива этих значений происходила спустя 1 с после запуска. Таким образом, количество выборок значений тока равно 10. Увеличение количества выборок, согласно экспериментальным данным, не дает существенного снижения ошибки вычисления постоянной времени. Поэтому в целях увеличения быстродействия при нахождении максимального значения массива увеличивать количество выборок нецелесообразно. На представленном на рис. 7 графике заметно оптимальное значение времени измерения тока. Здесь это время показано в «количестве Tµ». При времени измерения, равном девятикратному значению некомпенсируемой постоянной времени, ошибка минимальна и равна 0,2666 % (см. рис. 6). Выводы. Предложенная методика идентификации постоянной времени электродвигателя дает достаточно точную оценку требуемой величины. Это, в свою очередь, позволяет улучшить качество системы управления приводом. При незначительной ошибке оценки и достаточно высоком быстродействии система идентификации требует измерения максимального (установившегося) значения тока якоря, что, в свою очередь, может быть затруднительно при наличии ограничения по току в системе управления двигателем. Кроме того, точность определения постоянной времени зависит от точности измерения токов и, как следствие, разрядности АЦП и других параметров цифровой обработки сигналов [22]. Описанные проблемы могут быть решены применением специальных алгоритмов начальной идентификации привода (где, например, будет кратковременно отключаться ограничение по току), а также использованием современных электронных компонентов, обладающих требуемыми характеристиками (быстрые микроконтроллеры и цифровые сигнальные процессоры, высокоточные АЦП). Представленная методика рассмотрена в применении к двигателю постоянного тока, однако в дальнейшем планируется ее распространение на приводы переменного тока с более сложными системами управления. Также имеются перспективы практической реализации смоделированного алгоритма идентификации на микроконтроллере. Библиографический список

About the authors

S. A Popov

Kuban State Technological University

V. I Krivchenkov

Kuban State Technological University

References

Statistics

Views

Abstract - 42

PDF (Russian) - 83

Refbacks

• There are currently no refbacks.