Система векторного бездатчикового управления многофазным электродвигателем

Полезная модель относится к векторному управлению вентильным электроприводом, при котором фазовые статорные обмотки электродвигателя питают от многофазного вентильного преобразователя с учетом углового положения ротора, определяемого без использования соответствующего датчика. Заявляемая система позволяет получить более точную оценку наблюдаемой переменной Y и менее зашумленный выходной сигнал в установившемся режиме работы. Это, в свою очередь, позволяет обеспечить бездатчиковое векторное управление электродвигателем в расширенном диапазоне скоростей вращения и с лучшим КПД. Система векторного бездатчикового управления многофазным электродвигателем (2) содержит многофазный преобразователь (3, 4) частоты, измерительные датчики тока (6) и напряжения (5), по меньшей мере, двух фаз преобразователя и управляющий блок (7), выполненный на основе программируемого контроллера с возможностью аналого-цифрового преобразования измеренных значений тока и напряжения в текущие параметры вращающихся векторов Y тока и U напряжения статора, обработки векторных данных на цифровых моделях (13) и (14) статорной обмотки и синусно-косинусного фильтра Калмана, вычисления выходного значения цифровой модели (13) статорной обмотки при входном значении, равном разности вектора U и вектора текущей оценки ЭДС статора, вычисленного по формуле , где k - коэффициент обратной связи, - выходной вектор цифрового синусно-косинусного фильтра Калмана, полученный при входном векторе, вычисленном по указанной формуле на предыдущем шаге цифровой обработки, определения текущего аргумента вектора и соответствующей этому аргументу оценки углового положения ротора. 1 ил.

Область техники

Полезная модель относится к векторному управлению вентильным электроприводом, при котором фазовые статорные обмотки электродвигателя питают от многофазного вентильного преобразователя, управляемого в функции контролируемого технологического параметра с учетом углового положения ротора, определяемого без использования соответствующего датчика.

Уровень техники

Известны системы векторного бездатчикового управления многофазным электродвигателем, содержащие многофазный преобразователь частоты, измерительные датчики тока и напряжения его фаз и управляющий блок, выполненный на основе программируемого контроллера с возможностью аналого-цифрового преобразования измеренных значений тока и напряжения в текущие параметры вращающихся векторов Y тока и U напряжения статора, обработки векторных данных на цифровой модели статорной обмотки [RU 2182743, RU 2207700, RU 2262181, RU 2279757].

В современных системах электропривода, использующих цифровую обработку данных, применяются бездатчиковая оценка углового положения ротора, основанная на математической модели наблюдателя переменных состояния [S.Bejerke. Digital Signal Processing Solutions for Motor Control Using the TMS320F240 DSP-Controller, ESIEE, Paris September 1996].

Наблюдатель характеризуется соответствующей функциональной структурой, в общем случае включающей цифровые модели статорной обмотки электродвигателя и цепи обратной связи наблюдателя. Используя значения векторов тока Y и напряжения U, полученные непосредственно из результатов измерений, и принцип обратной связи, наблюдатель подбирает вектор оценки ЭДС статора, минимизируя отклонение вектора оценки тока от вектора Y.

Вектор оценки тока получается как выходное значение цифровой модели статорной обмотки в результате подачи на ее вход разности вектора U напряжения и вектора оценки ЭДС статора. Последний вектор, в свою очередь, формируется цифровой моделью цепи обратной связи наблюдателя из ошибки оценивания тока.

При этом свойства наблюдателя и основанной на нем системы управления с бездатчиковой оценкой углового положения ротора в первую очередь определяются функциональной структурой цепи обратной связи.

В качестве прототипа выбрана система, основанная на функциональной структуре наблюдателя, приведенной в работе [Козаченко В.Ф., Шеломкова Л.В. Система векторного бездатчикового управления асинхронным двигателем // Труды XIV Международной научн.-техн. конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика»: Тез. Докл. В 3-х т., Издательство МЭИ, 2008, т.2, с.133-134].

Система-прототип, основана на структуре наблюдателя, использующего релейный элемент в цепи обратной связи (наблюдатель скользящего режима), а также предназначенный для фильтрации вектора потокосцепления ротора фильтр Калмана [Синицын И.Н. Фильтры Калмана и Пугачева. Учебное пособие. Университетская книга, Логос, 2006.].

Недостаток прототипа состоит в том, что в установившемся режиме он сохраняет ненулевую ошибку в оценке тока и требует высокой частоты дискретизации аналоговых измерений для корректного выполнения цифровой обработки. Получаемый при этом выходной сигнал оценки положения ротора зашумлен, а роль фильтра Калмана сводится к фильтрации зашумленного сигнала.

Раскрытие полезной модели

Предметом полезной модели является система векторного бездатчикового управления многофазным электродвигателем, содержащая многофазный преобразователь частоты, измерительные датчики тока и напряжения, по меньшей мере, двух фаз преобразователя и управляющий блок, выполненный на основе программируемого контроллера с возможностью аналого-цифрового преобразования измеренных значений тока и напряжения в текущие параметры вращающихся векторов Y тока и U напряжения статора, обработки векторных данных на цифровых моделях статорной обмотки и синусно-косинусного фильтра Калмана, вычисления выходного значения цифровой модели статорной обмотки при входном значении, равном разности вектора U и вектора текущей оценки ЭДС статора, вычисленного по формуле

,

где k - коэффициент обратной связи, - выходной вектор цифрового синусно-косинусного фильтра Калмана, полученный при входном векторе, вычисленном по указанной формуле на предыдущем шаге цифровой обработки, определения текущего аргумента вектора и соответствующей этому аргументу оценки углового положения ротора.

Отличие заявляемого устройства состоит в том, что в нем управляющий блок выполнен с возможностью вычисления вектора текущей оценки ЭДС статора, включающего в качестве второго слагаемого выходной вектор цифрового синусно-косинусного фильтра Калмана, полученный при входном векторе, вычисленном по указанной формуле на предыдущем шаге цифровой обработки.

Заявляемая система по сравнению с прототипом позволяет получить более точную оценку наблюдаемой переменной Y и менее зашумленный выходной сигнал в установившемся режиме работы. Это, в свою очередь, позволяет обеспечить бездатчиковое векторное управление электродвигателем в расширенном диапазоне скоростей вращения и с лучшим КПД.

Краткое описание фигур

На фиг.1 приведена функциональная блок-схема системы, иллюстрирующая пример осуществления заявляемого устройства.

Осуществление полезной модели

На блок-схеме фиг.1 показаны:

- механизм 1, приводимый во вращение электродвигателем 2;

- трехфазный преобразователь частоты, включающий звено 3 постоянного тока (состоящее из выпрямителя и сглаживающего LC-фильтра) и инвертор 4 напряжения с широтно-импульсной модуляцией;

- датчик 5 напряжения звена 3 постоянного тока и датчики 6 фазных токов электродвигателя 2;

- управляющий блок 7, выполненный на базе программируемого микроконтроллера.

Блок 7 воздействуя на инвертор 4, осуществляет под воздействием программы бездатчиковое векторное управление электродвигателем 2 с использованием результатов измерений.

Для пояснения работы на фиг.1 условно показаны блоки 8-18, иллюстрирующие осуществление функциональных возможностей блока 7, обеспечивающих получение оценки углового положения ротора для векторного управления фазами инвертора.

Блок 8 иллюстрирует функции блока 7 по преобразованию мгновенных значений аналоговых сигналов от датчиков 5 и 6 в цифровые данные, а также по косвенному измерению фазных напряжений путем расчета их значений по величине измеренного напряжения звена 3 и текущей скважности выходного напряжения соответствующей фазы инвертора 4. (Возможно использование результатов прямых измерений фазных напряжений).

Из блока 8 на входы блока 9 поступают в цифровом виде мгновенные значения напряжений u_A(t) u_B(t) и токов i_A (t), i_B(t) двух фаз статорной обмотки электродвигателя. В блоке 9 эти данные преобразуются в параметры вращающихся векторов тока Y и напряжения U в двухмерной декартовой системе координат, неподвижной относительно статора.

Последующая цифровая обработка двухкоординатных векторов Y и U осуществляется в функциональном блоке 10, иллюстрирующем структуру наблюдателя, на котором основана заявляемая система управления.

Блок 10 представляет собой замкнутую систему оценки вектора ЭДС статора с обратной связью по ошибке оценки тока статора. Функциональная структура блока 10 включает сумматор 11, вычисляющий текущую ошибку оценки тока, сумматор 12, вычисляющий текущую разность вектора U и вектора оценки ЭДС статора, а также блоки 13 и 14, представляющие собой двухкоординатные цифровые модели. Структура блока 13 иллюстрирует цифровую модель активно-индуктивной цепи, отражающей характеристики статорной обмотки электродвигателя 2, а структура блока 14 - цифровую модель цепи обратной связи, определяющей характеристики наблюдателя.

Текущая ошибка подается на вход блока 14, разность - на вход блока 13. Выходным параметром блока 13 является вектор оценки тока статора, а выходным параметром блока 14 - вектор оценки ЭДС статора.

Функциональную структуру блока 13 образуют интегратор (1/p), охваченный обратной связью через матрицу С преобразований, и матрица В проводимостей. Элементы матриц В и С определяются параметрами статорных обмоток электродвигателя 2.

Функциональную структуру блока 14 образуют масштабирующий элемент 15, сумматор 16 и синусно-косинусный фильтр 17. Выход фильтра 17 замкнут на его вход через сумматор 16, добавляющий к выходной величине фильтра 17 слагаемое , кратное ошибке оценки тока.

В соответствии с заявляемой полезной моделью вектор вычисляется сумматором 16 как сумма двух слагаемых: слагаемого , кратного ошибке оценки тока, и слагаемого , равного выходному вектору фильтра 17, вычисленному на предыдущем шаге цифровой обработки.

Блок 18 отражает определение текущего аргумента вектора и соответствующей этому аргументу оценки углового положения ротора. Оценка используется блоком 7 для векторного управления электродвигателем в соответствии с технологическими требованиями к работе механизма 1.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Пусть, например, в начальный момент времени (т.е. на первом шаге цифровой обработки, выполняемой по заданной программе), хотя бы одно измеряемое напряжение u_A(t), u_B (t) и, хотя бы один измеремый ток i_A(t), i_B (t) не равны нулю (тогда векторы U и Y также не равны нулю), а выходной сигнал фильтра 17 отсутствует (т.е. равен нулю). В отсутствие сигнала с выхода фильтра 17 наблюдатель, структуру которого иллюстрирует блок 10, имеет цепь обратной связи с фиксированным коэффициентом передачи. При этом на один вход сумматора 12 поступает сигнал U, полученный из результатов измерений, а на другой - неравный нулю сигнал обратной связи , где в начальный момент принимает случайное (или принудительно заданное, например, нулевое) значение.

Тогда выдаваемый сумматором 16 вектор текущей оценки ЭДС статора, поступающий на входы сумматора 12 и фильтра 17, равен ненулевому вектору , поступающему на вход сумматора 16.

Ненулевой вектор , поступая на вход фильтра 17, обеспечивает появление ненулевой величины на выходе этого фильтра и на втором входе сумматора 16.

На каждом шаге цифровой обработки к выходному вектору , фильтра 17 сумматором 16 добавляется вектор обратной связи, образуя входной вектор для обработки фильтром 17 на следующем шаге. Такая «замкнутость на себя» фильтра 7 приводит к пошаговому возрастанию вектора текущей оценки ЭДС статора. Поскольку наблюдатель (блок 10) представляет собой систему с отрицательной обратной связью, разность , формируемая сумматором 12, изменяется так, что ошибка оценки тока уменьшается.

Со временем доля вектора на выходе сумматора 16 уменьшается, а доля вектора - увеличивается. Такая эволюция будет происходить до тех пор, пока ошибка не обратится в ноль. После этого в фильтре 7 будет «циркулировать» вектор , который обеспечивает равенство . Это может произойти только в том случае, когда полученная оценка ЭДС точно совпала с реальной ЭДС двигателя. Поскольку фильтр 7 это фильтр Калмана, выходной сигнал которого представляет собой оценку с минимальной ошибкой основной гармоники его входного сигнала, в установившемся режиме вектор практически не содержит шумовых составляющих.

Производя необходимые вычислительные действия с параметрами (декартовыми координатами) вектора блок 18 определяет текущий аргумент вектора и соответствующую этому аргументу (например, отличающуюся на заданный угол) текущую оценку углового положения ротора.

Изложенное поясняет и подтверждает получение технического результата полезной модели, указанного выше.

Система векторного бездатчикового управления многофазным электродвигателем, содержащая многофазный преобразователь частоты, измерительные датчики тока и напряжения, по меньшей мере, двух фаз преобразователя и управляющий блок, выполненный на основе программируемого контроллера с возможностью аналого-цифрового преобразования измеренных значений тока и напряжения в текущие параметры вращающихся векторов Y тока и U напряжения статора, обработки векторных данных на цифровых моделях статорной обмотки и синусно-косинусного фильтра Калмана, вычисления выходного значения цифровой модели статорной обмотки при входном значении, равном разности вектора U и вектора текущей оценки ЭДС статора, вычисленного по формуле

,

где k - коэффициент обратной связи, - выходной вектор цифрового синусно-косинусного фильтра Калмана, полученный при входном векторе, вычисленном по указанной формуле на предыдущем шаге цифровой обработки, определения текущего аргумента вектора и соответствующей этому аргументу оценки углового положения ротора.