Контролер двигуна змінного струму

На виході цього регулятора формується однофазна напруга з постійною  частотою (50 Гц) і регульованим середньоквадратичним значенням. Це відбувається за рахунок  регулювання напруги відкривання семистора, тобто змінюється час відкритого стану семистора за період проходження мережевої напруги.

Момент на валу двигуна, при такому регулюванні, буде знижуватися пропорційно  напрузі, критичне ковзання буде незмінним. 

Основні переваги: ​​виняткова простота пристрою керування; можливість зібрати  і полагодити такий пристрій будь-яким радіоаматором; на порядок або навіть кілька порядків нижча ціна в порівнянні з частотними приводами [31].  Основні недоліки це: регулювання оборотів тільки на зниження; діапазон регулювання лише 2:1; стабільність швидкості тільки задовільна; допустиме навантаження різко знижується зі зменшенням швидкості; перегрів двигуна на низьких швидкостях, тому що не вистачає продуктивності вбудованого вентилятора двигуна; необхідність завищення потужності двигуна.  

Виходячи з усього перерахованого вище, необхідно настійно рекомендувати  застосування частотних приводів для  управління асинхронними двигунами. Такі приводи (ШІМ перетворювачі частоти) крім безсумнівних зручностей у керуванні, дозволяють отримати високий ККД установок і досягти зростання коефіцієнту потужності (cos фі) до 0.98, тобто реалізувати програму енергозбереження [32].

Перетворювачі частоти самі по собі не здатні керувати роботою електродвигуна. Необхідний пристрій, який здатний  в реальному часі реагувати на всі зміни в електродвигуні та в електромережі і широко імпульсним сигналом через перетворювач частоти  за певним алгоритмом керувати електродвигуном.

Мікроконтролери завдяки малій  споживаній потужності, дешевизні, швидкодії, габаритам, простоті в розробці і  налагодженні є актуальними рішенням для керування електродвигуном.

 

 

• 1. АНАЛІЗ ОСОБЛИВОСТЕЙ КЕРУВАННЯ ДВИГУНОМ ЗМІННОГО СТРУМУ

• 1.1. Особливості алгоритму управління та принципи роботи двигуна

 

На сьогодніший день при аналізі різних параметрів електродвигунів одним найбільш перспективним, є частотно регульований електропривід асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором.

Новим напрямком  в області розробки високоякісних  систем управління асинхронними приводами є системи з прямим управлінням моментом (DTC – direct torque control). Такі системи простіші в реалізації в порівнянні з класичною системою векторного управління, в якій необхідне пряме і зворотне перетворення координат електродвигуна, застосування регулятора складових струмів статора, формування при керуванні по напрузі сигналів, компенсуючих внутрішні перехресні зворотні зв’язки об’єкта.

Фірма АВВ [3] запропонувала метод прямого управління моментом. Основна ідея керування полягає в тому що на кожному кроці розрахунку визначається оптимальний стан інвертора напруги, яке викликає зміну моменту, так і потокощеплення в необхідному напрямку. В результаті досягається розділення каналів управління моментів і потоком асинхронного двигуна.

В основу роботи системи DTC покладено рівняння електромагнітного  моменту асинхронного двигуна:

 ϑ

де ϑ - просторовий кут між векторами потокощеплення статора ψ₁ і ротора ψ₂. Якщо модулі векторів |ψ₁| = ψ_1m і |ψ₂| = ψ_2m підтримувати постійними, то величиною моменту можна керувати маючи кут ϑ.

Алгоритм роботи системи DTC будується  таким чином. Спочатку якимось чином  визначають вектор потокозчеплення  статора ψ₁ і електромагнітний момент АД m. Потім модуль вектора і моменту порівнюють із заданим значенням, після чого з допомогою компараторів названих релейними регуляторами, формуються логічні сигнали помилки d_ψ і d_m. Опираючись на ці сигнали і знаючи розташування вектора потокощеплення на площині базових векторів можна вибрати, таку комбінацію станів ключів перетворювача частоти, при якій буде сформований базовий вектор напруги мінімізуючий відхилення від заданих значень. Таким чином, в результаті роботи системи модуль потокощеплення статора і електромагнітний момент АД будуть постійно знаходитись в зоні допустимого відхилення від заданого значення, визначеного величиною гістерезису відповідного регулятора. Вибір базового вектору мінімізуючого помилку регульованих величин в залежності від сектора, в якому в даний момент знаходиться вектор ψ₁, проводять за допомогою таблиці перемикань (Optimal Vector Selection Table) [3]. Таблиця перемикань складається із оцифрованих сигналів розбіжностей по потоку (1,0) і моменту (1,0 - 1) і інформації, в якому секторі системи координат, зв’язаної зі статором, знаходиться вектор потоку статора асинхронного двигуна. За допомогою таблиці перемикань вибирається оптимальний вихідний вектор напруги, який треба подати на статорні обмотки асинхронного двигуна щоб забезпечити мінімальне відхилення регульованих величин від заданих значень. Вибір оптимального вектора напруги проводиться із восьми можливих базових векторів напруги.

Основним завданням, від вирішення  якого залежить справність системи  прямого керування кутом, є ідентифікація  потокощеплення статора, оскільки ця величина використовується в усіх наступних  обчисленнях. Вона визначається інтегруванням, а ця операція і принципі призводить до накопичення помилок. В даному випадку джерелом появи помилки  є неточність визначення активного  опору статора r₁ і його зміни під впливом нагрівання в процесі роботи АД.

 

 

 

• 1.2. Побудова математичної моделі

 

Алгоритми прямого управління моментом DTC створювались як альтернатива векторним способам управління (FOC) [4]. Системи DTC дозволили нейтралізувати недоліки характерні для FOC систем: великий об’єм обчислень при прямому і зворотному перетворенні нерухомої і обертової системи координат, наявність запізнень у формуванні електромагнітного моменту. В той же час у класичному виконанні системи DTC базуються на релейному принципі керування. Такі структури відрізняються змінною частотою комутації силових ключів інвертора, наявність пульсацій в електромагнітному моменті і потокозчеплення при малих значеннях навантаження, що знижує точність регулювання, підвищує енергоспоживання і збільшує акустичний шум АД.

Усунути відзначені недоліки системи  прямого управління моментом можна  при використанні методів синусоїдної  широко імпульсної модуляції і просторово векторної широко імпульсної модуляції. Обидва методи дозволяють формувати  імпульси управління ключами інвертора  з постійною частотою комутації. Найбільш просто реалізується синусоїдна ШІМ. В системі Matlab/Simulink модуль PWM Generator виконує одночасно функції формувача і розподілювача імпульсів для трьохфазного мостового інвертора.

На рис. 1.2 наведено сигнали ініціалізації потокощеплення Flux і моменту Torque які сформовані регулятором швидкості і як наведено на рис. 1.3 надходять в блок DTC, який реалізує алгоритм прямого управління моментом.

Рис. 1.1 Функціональна схема модуля DTC в системі Simulink Matlab

На рис. 1.2 наведено визначення потокозчеплення ротора і статора, що проводиться наглядачем в якому використовується інформація про поточні значення струмів і напруг статора.

Рис. 1.2 Функціональна схема наглядача  станів в системі Matlab.

Фазні струми і напруги перетворюються в ортогональні проекції і в нерухомій системі координат по формулам[9]

 

 

Отримані вектори  і є основою для обчислення координат вектора ψ₁ і поточного значення моменту m згідно з формулами[9]:  

 

 

На виході наглядача формуються оцінки електромагнітного моменту  Torque, модуля потокощеплення Flux і поточного кута потокощеплення Angle.

Сигнали які задають момент модуля потокощеплення статора зрівнюються  з біжучими оцінками Torque i Flux. Після обрахування із сигналу завдання Torque*, отриманий сигнал помилки подається на регулятор моменту (Torque PI), на виході якого формується сигнал який задає поперечну складову струму статора i*_q.  Стабілізація потокощеплення здійснюється за допомогою регулятора потоку (Flux PI), який формує сигнал завдання повздовжньої складової струму статора i*_d.

Потрібно зауважити, що сигнали  які задають момент і потік  отримані в нерухомій системі координат. В нерухомій системі координат повздовжна і поперечна складові визначають амплітуду і фазу струму статора АД відносно до магнітного потоку статора. В результаті перетворення синхронної системи координат dq в нерухому αβ і наступного розкладання вектора струму на фазні проекції, утворюються синусоїдальні сигнали, які відповідають фазним струмам.

Рис. 1.3 Часові діаграми фазного струму статора.

Рис. 1.4 Часові діаграми швидкості  обертання ротора.

Рис. 1.5 Часові діаграми електромагнітного  моменту.

Рис. 1.6 Часові діаграми потокощеплення статора.

Отже основною задачею від якої залежить роботоздатність системи, є ідентифікація потокощеплення статора, так як ця величина використовується в усіх наступних обрахуваннях. Вона визначається інтегруванням, а ця операція в принципі призводить до накопичення  помилок. В даному випадку джерелом появи помилки є неточність визначення активного опору статора r₁ і його зміни під впливом нагрівання в процесі роботи АД [12].

Для керування двигунами переважно використовують мікроконтролери провідних фірм. Одним із найбільш універсальних процесорів які використовуються у даній сфері є SH7137 – фірми Renesas Electronics Corporation, він належить до сімейства SuperH™ [1].   Даний мікрокомп’ютер є RISC архітектури з 32-розрядним мікропроцесором SuperH™. На чіпі вбудована пам'ять ROM версії F-ZTAT™ (Flexible Zero Turn Around Time) яка включає флеш пам'ять. Флеш пам'ять можна перепрограмовувати використовуючи програмне забезпечення від компанії виробника.

Рис 1.7. Граф схема мікропроцесора SH7137

В SH7137 розробники вдало поєднали переваги сигнального  процесора і RISC архітектури. Надійність, універсальність ось основні  переваги даного мікроконтролера [1].

Також компанія Freescale виробляє ряд мікроконтролерів в основному призначених для керування електродвигунами. А зокрема, S08MP (8-ми бітний мікроконтролер з 16 К Flash, низька вартість), 56F801X (32 МГц тактова частота, 16 К Flash, 4 Кб RAM), 56F8335_8135 (60 МГц тактова частота, 64 К Flash, 8 Кб RAM), МС56А800x (32 Мгц тактова частота, 16 К Flash, 2 Кб RAM), MCF51AC (Flexis™ 32-біт ColdFire® V1 мікроконтролери, 256 К Flash, контакти максимально сумісні із попередніми мікроконтролерами), PXS20 (архітектура забезпечує електробезпеку, 120 МГц тактова частота, два ядра) [29].

Звідси випливає, що вибраний мікроконтролер відповідати певним вимогам. Це зокрема швидкодія, розрядність, завадостійкість, мала споживана потужність, оптимальні масо-габаритні параметри, вартість.  

 

• 2. ВИБІР ЗАСОБІВ ДЛЯ РЕАЛІЗАЦІЇ КОНТРОЛЕРА

• 2.1. Вибір апаратних засобів

 

На основі описаних критеріїв вибору мікроконтролерів я вважаю, що для поставленого завдання доцільно використати недорогий мікроконтролер  AT89C2051-24PI фірми ATMEL. Це представник сімейства однокристальних мікроконтролерів.  Мікросхема виготовлена в стандартному DIP – корпусі і має 20 виводів. На рисунку 2.1 наведена конфігурація контактів мікропроцесора [7].

Рис 2.1 Конфігурація контактів AT89C2051

Основною  перевагою даного мікроконтролера  є сумісність по системі команд з  широко розповсюдженою мікросхемою  фірми Intel MCS-51 (радянський аналог 1816ВЕ51). Розробники ставили за мету створити мікросхему максимально сумісну зі своїм аналогом, але при цьому вона має менші габарити і більш зручніша в реалізації. Для цього вони відмовились від одного із портів вводу/виводу, відмовились від усіх режимів, вимагаючих зовнішніх мікросхем обв’язки, вбудували тактовий генератор в корпус контролера і застосували в якості команд пам’яті електрично перепрограмоване  ПЗП, що дозволило дуже швидко і легко перепрограмовувати мікросхему.

Застосування  системи команд популярного мікроконтролера дозволяє використовувати для створення і відлагодження програм уже існуючі інструментальні і програмні засоби. Програми для мікропроцесорів розробляються з використанням комп’ютера. При цьому використовуються другі програми які допомагають в розробці перших. Програму яку я розроблятиму називається прикладною програмою. А та програма за допомогою якої я це робитиму називається інструментальною. До переваг мікросхеми АТ89С2051 можна віднести наявність режиму захисту програми в пам’яті програм мікросхеми від несанкціонованого копіювання. На рисунку 2.2 наведена структурна схема мікроконтролера АТ89С2051. Розглянемо основні елементи схеми. Схема дуже нагадує типову схему мікропроцесорної програми. Але і є суттєві відмінності зв’язані з тим, що вся ця схема знаходиться всередині однієї мікросхеми [5].

Рис 2.2 Структурна схема мікроконтролера АТ89С2051

Для того щоб  виключити можливість несанкціонованого  читання інформації і незаконного  дублювання в мікросхемі застосована  дворівневе блокування пам’яті програм. За допомогою того ж програматора в будь-який момент можна перепрошити оди або два біти захисту. Після прошивки першого біта блокується можливість допрограмувати ППЗП програм. При прошивці другого біта робиться неможливим і читання. Повторити схему завжди можна. А ось програму прийдеться писати самому. Прочитати, потім тиражувати її не вдасться. Біти захисту анулюються в процесі стирання ППЗП програм.