3. Предварительное задание

3.1. Получить выражения для определения дискретной передаточной функции цифрового регулятора.

3.2. Изучить условия реализуемости желаемой динамики цифрового контура регулирования при заданном объекте.

3.3. Освоить процедуру синтеза требуемой динамики цифрового контура.

4. Рабочее задание

4.1. Запустить программу AWD10_Setup, перейти на вкладку «Графики», установить время обновления 100 мс.

4.2. Перейти на вкладку «Режим» и установить следующие параметры режима работы блока AWD10-24:

1) слежение за внешним сигналом;

2) не использовать сигналы от концевых выключателей;

3) не удерживать двигатель при срабатывании концевого выключателя;

4) удерживать двигатель при остановке вращения;

5) управлять разрешением вращения через интерфейс RS-485;

6) управлять скоростью через интерфейс RS-485;

7) управлять направлением через интерфейс RS-485;

8) использовать аналоговый вход № 2.

Нажать кнопку «Запись».

4.3. Настроить пропорциональный коэффициент ПИД-регулятора:

1) перейти на вкладку «Настройка» и обнулить интегральный и дифференциальный коэффициенты регулятора;

2) установить пропорциональный коэффициент равным 10, перейти на вкладку «Скорость» и установить скорость вращения на уровне 100;

3) повысить пропорциональный коэффициент и проверить переходную характеристику;

4) изменять пропорциональный коэффициент, пока не появится эффект перерегулирования;

5) уменьшить значение пропорционального коэффициента до уровня 0,5 от найденного.

4.4. Настроить интегральный коэффициент ПИД-регулятора:

1) повысить интегральный коэффициент и проверить переходную характеристику;

2) изменять интегральный коэффициент, пока не появится эффект перерегулирования;

3) уменьшить значение интегрального коэффициента до уровня 0,5 от найденного.

4.5. Проверить систему на стабильность, задавая различные значения скорости (300, 500, 700).

4.6. При выполнении пунктов 4.34.5 записывать полученные графики скорости.

4.7. Составить отчет по работе.

5. Содержание отчета

5.1. Цель работы.

5.2. Рабочее задание.

5.3. Схема выбора сигналов и команд управления в режиме Сл.

5.4. Переходные процессы изменения скорости, построенные в соответствии с рабочим заданием.

5.5. Анализ результатов и выводы.

6. Контрольные вопросы

6.1. Условие определения дискретной передаточной функции цифрового регулятора.

6.2. Процедура синтеза цифрового регулятора.

6.3. Условия реализуемости желаемой динамики цифрового контура регулирования.

6.4. Получение передаточной функции цифрового регулятора в соответствии с уравнением реализуемости заданной динамики.

6.5. Возможности подрежима слежения за внешним аналоговым сигналом.

6.6. Описание состояния флага SrcParam.

6.7. описание работы флага IntrfEn.

Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ВЕНТИЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

1. Цель работы

Изучение теоретических сведений об особенностях и структуре управления синхронным двигателем в схеме вентильного двигателя. Исследование двухконтурного электропривода с вентильным двигателем.

2. Теоретические сведения

2.1. Особенности управления синхронным двигателем в схеме вентильного двигателя

Синхронные двигатели большой мощности находят достаточно широкое применение в нерегулируемых электроприводах с длительным режимом работы благодаря своим хорошим энергетическим показателям и, в первую очередь, высокому коэффициенту мощности. При необходимости регулирования скорости синхронного двигателя может быть применен, как и для асинхронных двигателей, управляемый преобразователь частоты [1, 2].

Наряду с традиционным частотным управлением, когда двигатель получает питание от инвертора с независимым заданием частоты, находит широкое применение управление, зависимое от вращения ротора, когда частота выходного напряжения (или тока) инвертора задается частотой вращения ротора с помощью датчика положения ротора. Синхронный двигатель с таким инвертором представляет собой обращенный двигатель постоянного тока, в котором неподвижный статор является якорем, а вращающийся ротор – источником магнитного поля.

Двигатель при данной схеме включения называется вентильным двигателем (ВД) [1, 3]. Синхронные двигатели малой мощности с сильными постоянными магнитами используются преимущественно в регулируемом электроприводе по схеме ВД. По сравнению с коллекторными двигателями постоянного тока они обладают лучшими динамическими, габаритными и стоимостными показателями.

Простота управления двигателем постоянного тока обусловливала до недавнего времени его преимущественное применение в регулируемом электроприводе. Слабым звеном в этом приводе является сам двигатель, дорогой в изготовлении из-за сложности коллектора и потребности в дефицитном материале – меди, обладающий повышенной инерционностью и ограниченной перегрузочной способностью. Лучшие динамические и стоимостные показатели имеют асинхронные и синхронные двигатели, а также двигатели индукторного и вентильно-индукторного типов. Если этим двигателям с помощью управляемых полупроводниковых средств придаются свойства бесколлекторного двигателя постоянного тока, то используются простые структуры управления электропривода постоянного тока, обеспечивающие высокие регулировочные свойства и динамические показатели.

Рассмотрим один из вариантов бесколлекторного двигателя постоянного тока – вентильный двигатель, выполненный на основе трехфазной синхронной машины с постоянным магнитом (рис. 2). Обмотки статора получают питание от источника постоянного тока через мостовой коммутатор с шестью управляемыми полупроводниковыми ключами К1К6. Нумерация ключей соответствует очередности их коммутации с угловым интервалом 60 электрических градусов (эл. град.). Ключи управляются выходными сигналами v₁v₆ распределителя импульсов (РИ).

Направление коммутации – прямое (правое) вращение (ПВ) или обратное (левое) вращение (ЛВ) – определяется выходными сигналами узла направления вращения (УНВ) в зависимости от знака входного управляющего воздействия и_у. За один цикл коммутатора вектор намагничивающей силы статора (НС), пропорциональной произведению тока I на число витков w фазы , делает один оборот на 360 электрических градусов.

Рис. 2. Схема включения вентильного двигателя

Диодный мост с обратной относительно напряжения питания полярностью создает контуры для спадания тока в обмотке при отключении соответствующего ей ключа.

Если при отключенном датчике положения ротора (ДПР) подавать через РИ в функции времени с некоторой неизменной частотой f управляющие импульсы, то коммутатор работает как инвертор преобразователя частоты и двигатель вращается с неизменной частотой вращения 2f. При этом наблюдаются пульсации скорости из-за дискретного характера вращения НС по сравнению с вариантом питания двигателя от трехфазной сети переменного тока. При низкой частоте двигатель входит в шаговый режим, когда пульсации скорости имеют паузы с нулевым значением.

При включенном ДПР коммутация фазовых обмоток синхронного двигателя при вращении ротора аналогична коммутации коллектором секций якоря двигателя постоянного тока. В вентильном двигателе функцию коллектора выполняет коммутатор, а функцию щеток – ДПР. В отличие от двигателя постоянного тока в вентильном двигателе якорь и коллектор (статор и коммутатор) неподвижны, а щетки (ДПР) и магниты, расположенные на роторе, вращаются. Мостовой трехфазный коммутатор осуществляет шесть коммутаций за один электрический оборот (360 электрических градусов), т.е. аналогичен коллектору с шестью пластинами двигателя постоянного тока. Для получения максимального среднего момента ВД с шестью тактами в оборотном цикле устанавливают ДПР на роторе так, чтобы начальный угол рассогласования между НС статора и ротора (угол включения) _нач = ( – )_нач на каждом такте равнялся 2/3, а конечный угол (угол отключения) _кон = ( – )_кон равнялся /3.

При этом _ср = (_нач + _кон)/2 = /2. Процесс коммутации ключей с изменением угла рассогласования от 2/3 до /3 проиллюстрирован на рис. 3.

Рис. 3. Угловая характеристика вентильного двигателя в функции разности углов намагничивающей силы статора () и положения ротора ()

Среднее значение момента при синусоидальной угловой характеристике неявнополюсного двигателя

(15)

К основным узлам системы управления ВД относятся: датчик положения ротора; распределитель импульсов; узел направления вращения; коммутатор, который работает как инвертор тока или инвертор напряжения в зависимости от источника питания.

Датчик положения ротора (ДПР) может быть оптическим, индукционным, электромагнитным. Рассмотрим вариант оптического ДПР (рис. 4). На неподвижном кольцевом статоре ДПР расположены друг против дуга попарно светодиоды и фотодиоды: СД _A – ФД _A, СД _В – ФД _В, СД _С – ФД _С. Пары смещены по окружности друг относительно друга на углы 120°/р_п, где р_п – число пар полюсов двигателя.

На рис. 4 изображен двухполюсный вариант ДПР.

Рис. 4. Конструктивная схема оптического датчика положения ротора

Статор ДПР сочленен со статором двигателя так, что расположение трех пар из свето- и фотодиодов соответствует расположению обмоток фаз А, В, С двигателя. Ротор ДПР – сплошной, в целом непрозрачный диск, имеющий лишь прозрачную сегментную щель, которая занимает по окружности диска угол 180°/р_п. Ротор ДПР сочленяется с ротором двигателя так, чтобы осевая полюсная линия диска составляла с осевой линией магнита ротора двигателя угол 120°.

Тогда при  = 0 для правого вращения активизируется ФД _А, _нач = 120°, _кон = 60° и М_ср максимален. Такая установка ротора ДПР соответствует расположению щеток у двигателя постоянного тока на геометрической нейтрали. При вращении ротора фотодиоды поочередно засвечиваются светодиодами и их усиленные и сформированные соответствующими блоками сигналы и_а, и_b, и_с выделяются на выходе ДПР. Сигналы и_а, и_b, и_с образуют трехфазную систему с угловой продолжительностью включения каждого сигнала 180° на оборот ДПР (рис. 5).

Рис. 5. Выходные сигналы датчика положения ротора

Распределитель импульсов (РИ) вырабатывает управляющие импульсы и распределяет их по ключам коммутатора. На вход РИ поступают сигналы ДПР и_а, и_b, и_с, из которых логическим способом формируются открывающие сигналы (с продолжительностью включения 120°) для ключей

нечетной (анодной) группы

(16)

и четной (катодной) группы

(17)

Из сигналов u_кi формируются два дополнительных сигнала: для запирания ключей нечетной группы

(18)

и четной группы

(19)

Диаграмма сформированных распределителем импульсов управляющих сигналов для правого вращения приведена на рис. 6.

Рис. 6. Диаграмма сигналов распределителя импульсов

Порядок следования импульсов, коммутирующих ключи, задается одним из двух сигналов – правого (ПВ) или левого (ЛB) вращения, поступающих на вход РИ от УНВ. Для смены направления вращения двигателя требуется изменить направление вектора намагничивающей силы статора на 180°. Для этого в ранее включенной паре ключей нечетный ключ нужно отключить и включить четный ключ той же фазы, а для другой фазы отключить четный ключ и включить нечетный.

Э та операция осуществляется сменой сигналов направления вращения с ПВ на ЛB или наоборот. Например, если при включенных ключах К3 и К4 сменить сигнал ПВ на ЛB, то К3 и К4 отключатся, а К6 и К1 включатся и возникающий отрицательный момент при движении ротора станет его тормозить, но коммутация ключей будет прямая (К1 + К2, К2 + К3) до тех пор, пока ротор не начнет движения в обратном направлении, при котором направление коммутации изменяется на обратное.

В состав силовой цепи ВД (рис. 7) входит коммутатор с транзисторными или тиристорными ключами, который совместно с обратным диодным мостом, блоком ограничения напряжения (БОН) и дросселем L образует инвертор напряжения или тока в зависимости от его питания от источника напряжения или тока. С питающей сетью переменного тока инвертор связан через мостовой трехфазный управляемый или неуправляемый выпрямитель. Наиболее простым и распространенным вариантом для ВД является неуправляемый диодный выпрямитель. В схеме на рис. 7 показан вариант измерения модуля входного тока инвертора с помощью электромагнитного датчика тока, работающего в режиме магнитного усилителя, токи входных обмоток которого подмагничивают его сердечник. Когда двигатель оказывается в генераторном режиме, ток направлен встречно напряжению выпрямителя, выпрямленное напряжение U_d растет, что приводит к включению транзисторного ключа VT0 и подключению разрядного резистора R_p.

2.2. Система управления электропривода с вентильным двигателем

Для управления вентильным двигателем применима двухконтурная структура электропривода постоянного тока с контурами тока и скорости (рис. 8).

Задача контура тока – обеспечить постоянство тока инвертора и, следовательно, постоянство среднего момента двигателя в заданном диапазоне скоростей и в пределах допустимого значения тока. Контур скорости должен обеспечить необходимую жесткость механической характеристики вентильного двигателя и требуемые динамические показатели электропривода. При этом задание на ток поступает с выхода регулятора скорости PC.

Для ВД с постоянным магнитом и питанием от сети через неуправляемый выпрямитель, что характерно для электроприводов небольшой мощности, регулятор тока отличается от традиционного ПИ-регулятора, используемого в электроприводе постоянного тока. Достаточно простым и обеспечивающим практически астатическое регулирование тока является релейный регулятор тока РРТ.

В качестве регулятора скорости используется аналоговый П- или ПИ-регулятор, на вход которого поступает разность сигналов задания скорости и_з.с и обратной связи. Сигнал обратной связи подается с датчика скорости BR.

С хема дополнена узлом фазосмещения ФСУ, осуществляющим автоматическое опережающее смещение угла коммутации ключей в области высоких скоростей для уменьшения пульсаций динамического тока в двигателе. Сигналы с выхода распределителя импульсов РИ подаются через ключи D1 и D2 на формирователь импульсов ФИ. Выходные сигналы ФИ поступают на плечи автономного инвертора АИ, подключенного к источнику питания ИП с выпрямленным напряжением U_d.

Регулятор тока РРТ, управляя ключами инвертора, поддерживает релейным способом заданное значение тока в допустимых пределах

(20)

Быстродействие контура тока с РРТ можно приближенно оценить по минимальному периоду отработки циклового сигнала задания тока

Т_к.т.min = 2(_1min + ₁ + ₀ + _ДТ), (21)

где ₀ – время задержки при переключении направления вращения, мс;

_ДТ – временная задержка сигнала датчика тока (ДТ), мс.

Если принять _1min = 0,3 мс, ₁ = ₀ = _ДТ  1 мс (эти значения приемлемы для аналогового выполнения РРТ), то частотная полоса пропускания контура тока составит

Можно сделать вывод, что контур тока с релейным регулятором по динамике близок к безынерционному звену. С учетом небольшой постоянной времени фильтра Т_ф в цепи датчика тока передаточная функция замкнутого контура тока будет иметь вид

(22)

где Т_ф  1,0 ... 1,5 мс.

При постоянном токе инвертора I = u_з.т / k_о.т.= const момент двигателя, имеющий пульсации на каждом обороте ротора, в среднем остается постоянным и равным p_п I_q_в, поскольку средняя величина I_q пропорциональна току инвертора I. Механическая характеристика двигателя представляет собой вертикальную линию в пределах, ограниченных напряжением питания инвертора.

Контур регулирования тока входит в состав контура регулирования скорости, в котором может использоваться типовой П- или ПИ-регулятор скорости. С учетом полученной передаточной функции (22) может быть построена приближенная линеаризованная и не учитывающая ЭДС двигателя структурная схема двухконтурного электропривода с ВД (рис. 9).

Рис. 9. Структурная схема двухконтурного электропривода с вентильным двигателем

Настраивая контур скорости на модульный оптимум, согласно структурной схеме получаем передаточный коэффициент П-РС:

(23)

где Т_ = Т_ф1 + Т_ф2 – сумма постоянных времени фильтров датчиков тока и скорости, с;

с_м – коэффициент пропорциональности между моментом двигателя и током инвертора.

Определяя k_о.т. по допустимому току I_доп или моменту М_доп,

(24)

получаем

(25)

где u_РCmax – напряжение насыщения регулятора скорости, В;

k_тг – передаточный коэффициент тахогенератора, Вс/рад (k_тг = k_о.с).

При настройке контура скорости на симметричный оптимум получается передаточная функция ПИ-РС

(26)