Векторное управление асинхронным двигателем

Революционная технология бессенсорного векторного управления электродвигателями компании Texas Instruments

Метод управления ориентацией поля или векторное управление не является какой-то новой технологией, он известен довольно давно, но до последнего времени его было трудно реализовать на практике. По существу, система должна регулировать мощность двигателя в зависимости от положения ротора. Положение ротора можно определить с помощью датчиков или используя обратную связь от электронной схемы управления (бессенсорное управление). Изменяя фазы электродвигателя, можно реализовать управление скоростью вращения и крутящим моментом (Рисунок 1).

Рисунок 1. Метод векторного управления трехфазным электродвигателем может быть реализован как с применением датчиков, так и без них. В последнем случае используется обратная связь от электронного блока привода. Это, как правило, требует вычислительных мощностей.

Векторное управление с применением датчиков, как правило, проще в реализации, но требует использования дополнительных компонентов, проводных интерфейсов и схем согласования, что приводит к росту стоимости конечной системы. Кроме того, при использовании датчиков в электродвигателях и приводах надежность системы резко снижается, особенно в жестких условиях эксплуатации, где датчики могут выйти из строя или сместиться. Бессенсорное управление характеризуется более высокой надежностью, но требует значительных вычислительных мощностей, поэтому очень часто такие системы управления дополняются вычислительной техникой. Преимуществом является более низкая стоимость и высокая надежность (Рисунок 2).

Рисунок 2. Основные недостатки при реализации векторного управления трехфазным электродвигателем с применением датчиков.

Задача разработчиков систем управления электродвигателями сводится к разработке программного кода, который определяет положение ротора электродвигателя и определяет направление изменения питающего напряжения, подаваемого на двигатель, соответствующего требуемым параметрам вращения. Это звучит просто, но на самом деле это очень сложная задача, потому что механизм обратной связи, как правило, нелинейный и является функцией нагрузки и скорости вращения. Производители электродвигателей в спецификациях указывают сотни параметров, которые должны учитываться при разработке схемы управления. Огромное число переменных часто просто отпугивает разработчиков, а ведь правильное использование информации – это ключ к разработке программного кода, который будет работать во всем диапазоне скоростей, крутящих моментов и ускорений, требуемых во многих приложениях.

Программно-аппаратный комплекс InstaSPIN компании TI решает указанные проблемы сразу по двум направлениям:

  • Программный компонент в ПЗУ некоторых микроконтроллеров TI, включая цифровые сигнальные контроллеры из семейства Piccolo F2806x. Это и есть «секретный соус» компании, который предназначен для обработки параметров электродвигателя. Программный алгоритм получил название FAST (Flux, Angle, Speed, Torque – поток, угол, скорость, крутящий момент);
  • Программная библиотека поддержки для программного кода, который будет выполняться из Flash-памяти микроконтроллера, а также специализированное ПО для Host устройства, предназначенное для выбора конфигурации и настройки системы.

Для разработки систем управления электродвигателями компания предлагает несколько отладочных наборов: DRV8312-69M-KIT, DRV8301-69M-KIT, TMDSHVMTRINSPIN. Для разработчиков, которые ранее приобрели отладочные наборы для приложений управления электродвигателями, доступен для заказа процессорный модуль TMDSCNCD28069MISO, поддерживающий технологию InstaSPIN-FOC.

Чтобы приступить к разработке приложения разработчик должен подключить электродвигатель к системе InstaSPIN (отладочный набор + программный комплекс MotorWare). В микроконтроллер загружается специальное приложение, которое совместно с Host-приложением выполнит анализ параметров подключенного электродвигателя. По завершению автоматического определения параметров будет сгенерирован профиль, который затем будет использоваться приложением для управления электродвигателем (Рисунок 3) . Процесс анализа занимает около 5 минут, а от пользователя потребуется ввести в программе только значения максимального напряжения и тока для конкретного электродвигателя. В результате мы получаем систему, которая может управлять электродвигателем в диапазоне от статического положения до вращения с любой скоростью в пределах спецификации.

Рисунок 3. Приложение для персонального компьютера InstaSPIN-FOC потребует знания лишь максимальных значений нескольких параметров электродвигателя, чтобы во время создания профиля не выходить за пределы спецификации.

После создания профиля разработчик может управлять электродвигателем с помощью логического интерфейса, исключая непосредственное взаимодействие с низкоуровневой аппаратной частью системы. Кроме того, разработчик может использовать информацию, получаемую системой от двигателя, для определения условий остановки и перегрузки, что позволяет повысить безопасность и надежность системы. Характеристики системы и подключенного к ней электродвигателя могут быть протестированы разработчиком (Рисунок 4).

Рисунок 4. InstaSPIN дает пользователю полное представление о работе системы и профиле электродвигателя.

Двигатель может управляться и в режиме контроля крутящего момента (Рисунок 5), который полезен для многих приложений. При измерении крутящего момента, как и других параметров, не используются какие-либо датчики: фактически крутящий момент оценивается по обратной связи от двигателя, учитывая напряжение питания и порядок его подачи на обмотки двигателя.

Рисунок 5. В отличие от других систем управления электродвигателями, которые контролируют только скорость вращения, технология InstaSPIN поддерживает режим контроля крутящего момента.

Разработчик при желании может изменить или подкорректировать результаты работы процедуры автоматического определения параметров (Рисунок 6). Это позволяет настроить систему управления с учетом условий работы двигателя, которые могут возникнуть при эксплуатации или при решении такой важной проблемы, как механическая инерция. Дополнительно, разработчики самостоятельно могут модифицировать любое программное приложение в структуре InstaSPIN, за исключением программных компонентов в ПЗУ микроконтроллера.

Рисунок 6. Инженеры и разработчики могут воспользоваться расширенными настройками алгоритмов и параметров InstaSPIN.

Кроме того, компания TI предлагает программное обеспечение PowerWarp, предназначенное для повышения эффективности системы. В ПО используются преимущества программного алгоритма энкодера FAST для отслеживания угла потока ротора. Этот режим работы подразумевает регулировку тока асинхронного электродвигателя, позволяет снизить энергопотребление и повысить КПД асинхронных электродвигателей при минимальных нагрузках. Это один из случаев, когда алгоритм FAST применяется для снижения потерь электродвигателя на меди, как в статоре, так и в роторе.

В последнее время разработчики перешли на применение в своих проектах бесколлекторных электродвигателей (BLDC) ввиду простоты управления ими с помощью современных микроконтроллеров. С точки зрения управления они могут оказаться более эффективными, но все же эффективность трехфазных электродвигателей значительно выше. Для управления бесколлекторными двигателями могут применяться специализированные контроллеры, если это экономически оправдано. С технологией InstaSPIN стоимость таких систем резко снижается, а потребляемую мощность в сравнении с базовыми тиристорными регуляторами можно снизить до 80%.

Одна из причин разработки компанией TI технологии InstaSPIN – поддержка своих микроконтроллеров. Объектно-ориентированные программные API библиотеки входят в состав программного комплекса MotorWare, и в дальнейшем, помимо микроконтроллеров Piccolo, планируется поддержка и других семейств.

Представленное в статье решение может радикально изменить взгляды разработчиков, как на электродвигатели, так и в целом на системы управления ими. InstaSPIN-FOC позволяет разработчикам с различным уровнем знаний в этой области использовать более эффективные двигатели для широкого спектра приложений.

РадиоКот >Схемы >Питание >Преобразователи и UPS >

Теги статьи: Добавить тег

Простой преобразователь частоты для асинхронного электродвигателя.

Сергей М., pnp_mechanic@mail.ru
Опубликовано 11.12.2012.
Создано при помощи КотоРед.

Первым был ресторан – зимой холодный воздух должен строго дозировано дуть на разгорячённых посетителей, а летом наоборот –замерзших от холодного мороженого плавно согревать жарким воздухом с улицы. Без инвертора никак не обойтись.
Второй хочет стричь лохматых овец , но вот беда машинка трехфазная. А в поле только одна да и та не 220в. Опять нужен инвертор.
Третий вообще наждачный камень , сверлильный станок и намоточный –захотел прицепить к двигателю.
В конце концов оглядевшись по сторонам я увидел – все…все делают инверторы японцы, французы, немцы …. , только я ещё не имею своего точила для отверток. И мало того все приличные фирмы уже написали , как это делать.

Итак коль уж асинхронный двигатель так распространён и трехфазная система напряжения созданная М. О. Доливо-Добровольским так удобна. А современная элементная база так хороша. То сделать преобразователь частоты –это лишь вопрос личного желания и некоторых финансовых возможностей. Возможно кто то скажет » Ну, зачем мне инвертор , я поставлю фазосдвигающий конденсатор и все решено» . Но при этом обороты не покрутишь и в мощности потеряешь и потом это не интересно.

Возьмём за основу – в быту есть однофазная сеть 220в, народный размер двигателя до 1 кВт. Значить соединяем обмотки двигателя треугольником. Дальше –проще, понадобится драйвер трехфазного моста IR2135(IR2133) выбираем такой потому, что он применяется в промышленной технике имеет вывод SD и удобное расположение выводов. Подойдёт и IR2132 , но у неё dead time больше и выхода SD нет. В качестве генератора PWM выберем микроконтроллер AT90SPWM3B — доступен, всем понятен, имеет массу возможностей и недорого стоит, есть простой программатор -https://real.kiev.ua/avreal/. Силовые транзисторы 6 штук IRG4BC30W выберем с некоторым запасом по току — пусковые токи АД могут превышать номинальные в 5-6 раз. И пока не ставим «тормозной» ключ и резистор, будем тормозить и намагничивать перед пуском ротор постоянным током, но об этом позже …. Весь процесс работы отображается на 2-х строчном ЖКИ индикаторе. Для управления достаточно 6 кнопок (частота +, частота -, пуск, стоп, реверс, меню).
Получилась вот такая схема.

Я вовсе не претендую на законченность конструкции и предлагаю брать данную конструкцию за некую основу для энтузиастов домашнего электропривода. Приведённые здесь платы были сделаны под имеющиеся в моём распоряжении детали.
Конструктивно инвертор выполнен на двух платах – силовая часть ( блок питания , драйвер и транзисторы моста , силовые клеммы) и цифровая часть (микроконтроллер + индикатор ). Электрически платы соединены гибким шлейфом. Такая конструкция выбрана для перехода в будущем на контроллер TMS320 или STM32 или STM8.
Блок питания собран по классической схеме и в комментариях не нуждается. Микросхема IL300 линейная опто развязка для управления током 4-20Ма. Оптроны ОС2-4 просто дублируют кнопки «старт, стоп, реверс» для гальванически развязанного управления. Выход оптрона ОС-1 «функция пользователя» (сигнализация и пр.)
Силовые транзисторы и диодный мост закреплены на общий радиатор. Шунт 4 витка манганинового провода диаметром 0.5мм на оправке 3 мм.
Сразу замечу некоторые узлы и элементы вовсе не обязательны. Для того что бы просто крутить двигатель , не нужно внешнее управление током 4-20 Ма. Нет необходимости в трансформаторе тока, для оценочного измерения подойдёт и токовый шунт. Не нужна внешняя сигнализация. При мощности двигателя 400 Вт и площади радиатора 100см2 нет нужды в термодатчике.

ВАЖНО! – имеющиеся на плате кнопки управления изолированы от сети питания только пластмассовыми толкателями. Для безопасного управления необходимо использовать опторазвязку.

Возможные изменения в схеме в зависимости от микропрограммы.
Усилитель DA-1 можно подключать к трансформатору тока или к шунту. Усилитель DA-1-2 может быть использован для измерения напряжения сети или для измерения сопротивления терморезистора если не используется термодатчик PD-1.
В случае длинных соединительных проводов необходимо на каждый провод хотя бы надеть помехоподавляющие кольцо. Имеют место помехи. Так например –пока я этого не сделал у меня «мышь» зависала.
Так же считаю важным отметить проверку надёжности изоляции АД –т.к. при коммутации силовых транзисторов выбросы напряжение на обмотках могут достигать значений 1,3 Uпит.
Общий вид.

Немного про управление.

Начитавшись книжек с длинными формулами в основном описывающих как делать синусоиду при помощи PWM. И как стабилизировать скорость вращения вала двигателя посредством таходатчика и ПИД регулятора. Я пришёл к выводу –АД имеет достаточно жёсткую характеристику во всём диапазоне допустимых нагрузок на валу.
Поэтому для личных нужд вполне подойдет управление описанное законом Костенко М.П. или как его ещё называют скаляроное. Достаточное для большинства практических случаев применения частотно регулируемого электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя до 1:40. Т.е. грубо говоря мы в самом простом случае делаем обычную 3-х фазную розетку с переменной частотой и напряжением меняющимися в прямой зависимости. С небольшими «но» на начальных участках характеристики необходимо выполнять IR компенсацию т.е. на малых частотах нужно фиксированное напряжение . Втрое «но» в питающие двигатель напряжение замешать 3 гармонику. Всё остальное сделают за нас физические принципы АД. Более подробно про это можно прочесть в документе AVR494.PDF
Основываясь на моих личных наблюдениях и скромном опыте именно эти методы без особых изысков чаще всего применяются в приводах мощностью до 15 кВт.
Далее не буду углубляться в теорию и описание мат моделей АД. Это и без меня достаточно хорошо изложили профессора ещё в 60-х.
Но ни в коем случае не стоит недооценивать сложности управления АД. Все мои упрощения оправданны только некоммерческим применением инвертора.
Плата силовых элементов.

В программе V-1.0 для AT90SPWM3B реализовано
1- Частотное управление АД .Форма напряжения синусоида с 3 гармоникой.
2- Частота задания 5 Гц -50 Гц с шагом 1 Гц. Частота ШИМ 4 кГц.
3- Фиксированное время разгона –торможения
4- Реверс (только через кнопку СТОП)
5- Разгон до заданной частоты с шагом 1 Гц
6 – Индикация показаний канала АЦП 6 (разрядность 8 бит., оконный фильтр апертура 4 бита)
я использую этот канал для замера тока шунта.
7 – Индикация режима работы START,STOP,RUN,RAMP, и Частота в Гц.
8- Обработка сигнала авария от мс IR2135

Торможение двигателя принудительное – без выбега. При этом нужно помнить – если на валу будет висеть огромный вентилятор или маховик то напряжение на звене постоянного тока может достичь опасных значений. Но я думаю вертолёты с приводом от АД строить никто не будет

Функции микропрограммы в будущих версиях

1 -намагничивание ротора перед пуском
2- торможение постоянным током
3 –прямой реверс
4 – частота задания 1 -400 Гц.
5 – ограничение, контроль тока двигателя.
6 — переключаемые зависимости U/F
7 – контроль звена постоянного тока.
8 – некоторые макросы управления –это вообще в далёких планах.

Испытания.
Данная конструкции была проверена с двигателем 0.18кВт и 0.4 кВт и 0.8 кВт. Все двигатели остались довольны.
Только при малых оборотах и долговременной работе необходимо принудительное охлаждение АД.

Строка для программатора
av_28r4.exe -aft2232 -az +90pwm3b -e -w -v -fckdiv=1,psc2rb=0,psc1rb=0,psc0rb=0,pscrv=0,bodlevel=5 -c01.hex
Небольшое «вечернее» видео испытаний

Файлы:
плата микроконтроллера -layout5.0
силовой модуль -layout5.0
Программа для МК
Схема
схема S_plan7 -архив rar

Все вопросы в Форум.

Как вам эта статья?

Заработало ли это устройство у вас?

54 6 2
1 0 0

AVR494: Управление асинхронным электродвигателем переменного тока по принципу постоянства V/f и обычного ШИМ-управления

Отличительные особенности:

  • Управление недорогим и универсальным 3-фазным асинхронным электродвигателем
  • Управление по прерываниям
  • Небольшие требования к объему памяти и вычислительным способностям

1. Введение

Электрическая энергия уже давно используется для формирования механического движения (вращение или перемещение) с помощью электромеханических приводов. По оценкам, 50% электрической энергии, генерированной в США, потребляется электродвигателями. Более 50 электродвигателей обычно можно найти в бытовом хозяйстве и примерно столько же в автомобиле.

В целях охраны окружающей среды и снижения эффекта излучения парниковых газов правительства по всему миру вводят правила, требующие от производителей бытового электрооборудования и промышленных предприятий выпускать продукцию более экономично расходующих электроэнергию. Наиболее часто этого можно достичь за счет эффективного управления скоростью электродвигателя. Это является причинной, почему разработчики бытовых приборов и поставщики полупроводников в настоящее время заинтересованы в разработке недорогих и экономичных регулируемых приводов.

За счет высокой выносливости, надежности, низкой стоимости и высокого к.п.д. (80%) асинхронные электродвигатели используются во многих промышленных приложениях, в т.ч.:

  • бытовые электроприборы (стиральные машины, вытяжки, холодильники, вентиляторы, пылесосы, компрессоры и др.);
  • системы нагрева, вентиляции и кондиционирования воздуха;
  • промышленные электропривода (управление движением, центробежные насосы, робототехника и др.);
  • автомобили (электромобили)

Однако недостатком асинхронных двигателей является работа только на номинальной скорости при подключении к сети. Это является причиной, почему преобразователи частоты необходимы для регулировки частоты вращения асинхронных электродвигателей. Наиболее популярным алгоритмом управления трехфазным асинхронным электродвигателем является алгоритм с поддержанием постоянства отношения напряжение/частота (правило Костенко) и использованием обычного широтно-импульсно модулированного (ШИМ) управления инвертором напряжения, как показано на рисунке 1.1. Целью данных рекомендаций по применению является демонстрация реализации данного способа на основе AVR RISC-микроконтроллере AT90PWM3, разработанного специально для применения в силовой электронике.


Рисунок 1.1 — Типичная структура инверторного асинхронного привода

2. Ключевые особенности AT90PWM3

Алгоритмы управления реализованы на основе недорого и экономичного однокристального микроконтроллера AT90PWM3, который достигает производительности 16 миллионов инструкций в секунду и ориентирован на применение в качестве устройства управления в повышающих/понижающих преобразователях постоянного напряжения, синхронных электрических машинах на основе постоянных магнитов, трехфазных асинхронных двигателей и бесколлекторных электродвигателей постоянного тока. Микроконтроллер содержит:

  • ядро, выполненное на основе 8-разрядной AVR RISC-архитектуры (похожее на ATmega 88);
  • 8 кбайт внутрисистемно-программируемой флэш-памяти программ, которая позволяет хранить до 4096 инструкций и разделена на секторы прикладной программы и загрузочного кода;
  • 512 байт статического ОЗУ для хранения переменных и таблицы преобразования, которые используются в прикладной программе;
  • 512 байт ЭСППЗУ для хранения конфигурационных данных и таблиц преобразования;
  • один 8-разрядный таймер и один 16-разрядный таймер;
  • программируемый сторожевой таймер с внутренним генератором;
  • 11-канальный 10-разрядный АЦП и 10-разрядный ЦАП.

Основной особенностью, которая делает данный микроконтроллер привлекательным для применения в устройствах управления электроприводами, является интегрирование трех контроллеров управления силовым каскадом. В состав данных периферийных устройств входят 12-разрядные реверсивные счетчики с двумя компараторами, выходы которых могут управлять силовыми транзисторами инвертора. Эти элементы позволяют генерировать любую трехфазную форму, используя широтно-импульсную модуляцию, и поддерживают простое управление паузами неперекрытия.

3. Принцип действия

3.1 Асинхронный электродвигатель

В противоположность коллекторным и бесколлекторным электродвигателям постоянного тока асинхронные электродвигатели не содержат постоянных магнитов. Ротор выполнен в виде короткозамкнутой обмотки («беличья клетка»), в которой вращающееся электрическое поле создает магнитный поток. Благодаря различиям в скорости между электрическим полем статора и магнитным потоком в роторе электродвигатель способен создавать вращающий момент и совершать вращательное движение.

3.2 Принцип постоянства отношения напряжение/частота (правило Костенко)

Принцип постоянства отношения напряжение/частота наиболее широко распространен в современных регулируемых асинхронных приводах . Он может использоваться в приложениях, которые не требуют высоких динамических характеристик, а необходимо только эффективно варьировать частотой вращения в полном диапазоне. Это позволяет использовать синусоидальную установившуюся модель асинхронного электродвигателя, в которой величина магнитного потока статора пропорциональна отношению амплитуды и частоты напряжения статорной обмотки. Если данное отношение поддерживать на постоянном уровне, то постоянство будет сохранять и магнитный поток статора и, таким образом, вращающий момент будет зависеть только от частоты скольжения.

Более точно, исходя из обычной модели асинхронного электродвигателя:

где — напряжение статора, магнитные потоки статора и ротора, токи статора и ротора, соответственно, а — общее сопротивление статора, сопротивление ротора, индуктивность статора, индуктивность ротора, общая индуктивность рассеяния и угловая частота вращения, соответственно. При питании электродвигателя 3-фазным синусоидальным напряжением с частотой , установившиеся токи в роторе и статоре будут также иметь синусоидальную форму с частотой и . Преобразуем предыдущие выражения к виду , где , а . Однако, амплитудное значение может оставаться постоянным при сохранении постоянства отношения . На высоких скоростях , а амплитудное значение магнитного потока ротора остается постоянным при постоянстве отношения : .

Тогда, вращающий момент электродвигателя пропорционален частоте скольжения: . Данные выражения показывают, что желаемые значения вращающего момента и частоты вращения электродвигателя могут быть достигнуты, если . На низких скоростях , а . Когда частота статора снижается меньше определенной пороговой частоты, амплитуду напряжения необходимо поддерживать на определенном уровне для поддержания постоянства магнитного потока ротора. В противоположность этому, когда частота становится выше номинального значения, амплитуда напряжения останется на номинальном уровне ввиду насыщения ключей инвертора. В этом случае поток ротора будет непостоянным и вращающий момент снизится.


Рисунок 3.1 — Зависимость амплитуды напряжения статора от частоты статора, следуемая из принципа V/f

Грубо говоря, скалярный принцип управления «V/f» заключается в подаче на обмотки электродвигателя 3-фазного синусоидального напряжения, амплитуда которого пропорциональна частоте, за исключением частот ниже порогового значения и выше номинального, как показано на рисунке 3.1. На практике, наклон, который определяет отношение амплитуды напряжения к частоте напряжения, определяется по номинальным значениям напряжения питания и частоты питающей сети, которые приводятся в паспорте на электродвигатель, а пороговая частота выбирается по проценту (например, 5%) от номинальной частоты.

Данный принцип может использоваться для построения контуров автоматического управления скоростью (рисунок 3.2), в которых отклонение желаемой скорости от фактического измеренного значения скорости поступает в ПИ-регулятор, где вычисляется значение частоты напряжения статора. В целях снижения сложности регулятора в качестве исходных данных для правила V/f и векторного ШИМ-алгоритма используется абсолютное значение частоты статорного напряжения. Если на выходе ПИ-регулятора присутствует отрицательное значение, то для реверсирования электродвигателя обменивается содержимое двух переменных, управляющие силовыми транзисторами инвертора. Необходимо заметить, что принцип управления, рассмотренный здесь, может использоваться только в приложениях, где поддерживается постоянный уровень скорости при любом допустимом моменте сопротивления. В приложениях, где необходимо поддерживать постоянство момента сопротивления при любых значениях частоты вращения, требуется измерение статорных токов и более сложные принципы управления.


Рисунок 3.2 — Блок-схема системы автоматического управления скоростью по принципу V/f

3.3 Принцип обычной широтно-импульсной модуляции

Одним из способов решения задачи формирования с помощью инвертора трехфазной синусоидальной системы напряжений со сдвигом по фазе 120 градусов на обмотках статора является использование таблицы синусов. В этом случае частота статора s определяет три дискретных времени интеграторов, которые вычисляют мгновенные значения фаз для каждого статорного напряжения:

где , а Ts — период дискретизации для алгоритма управления.

Если одно из этих значений становится больше 2p , то для поддержания области значений в диапазоне от 0 до 2p из результирующего значения вычитается 2p . Таблица синусов используется для вычисления трех напряжений, которые необходимо приложить к статору:

где Vsm(w s) — амплитуда напряжения статора, определенная по принципу постоянства отношения напряжение-частота и sita(q) = sin(q).

Достичь улучшения можно путем добавления к чистой синусоиде в таблице синусов третьей гармоники sita(q) = sin(q)+1/6sin(3q), т.к. она не оказывает влияние на поведение электродвигателя и позволяет генерировать сигнал, первая гармоника которого имеет амплитуду на 15.47% выше (2/n3) по сравнению максимумом сигнала (см. рисунок 3.3).

С учетом данного улучшения имеется возможность генерировать более высокое переменное напряжение при питании от той же самой шины постоянного напряжения. Таким образом, имеется возможность увеличения частоты вращения электродвигателя при сохранении постоянства отношения V/F.


Рисунок 3.3 — Использование несинусоидальной формы напряжения для увеличения отношения между амплитудой первой гармоники максимальным значением

Данные значения сравнивают с выходом реверсивного счетчика (используется в качестве генератора треугольных импульсов). Когда выходное значение реверсивного счетчика перешагивает через данные значения, переключается соответствующий выход компаратора. Как результат, в каждом ШИМ-канале генерируются импульсы, коэффициент заполнения которых пропорционален соответствующему значению напряжения статора. Поскольку данный реверсивный счетчик с тремя компараторами достаточно сложен для программной реализации, то такое устройство должно присутствовать в микроконтроллере в качестве встроенного аппаратного блока. Это и послужило причиной выбора микроконтроллера AT90PWM3, в состав которого входят три контроллера силового каскада (PSC). Если рассмотреть в качестве примера первую фазу, коэффициент заполнения импульсов, задаваемый содержимым регистра сравнения соответствующего PSC, будет пропорционален

, где , а Vs max и d — наибольшее значение амплитуды напряжения статора и длительность паузы неперекрытия силовых ключей, соответственно. Результирующая блок-схема показана на рисунке 3.4.


Рисунок 3.4 — Блок-схема обычного ШИМ-управления

3.4 Количество байт для хранения таблицы синусов

Как показано в предыдущем разделе обычное ШИМ-управление подразумевает использование таблицы синусов для вычисления sin(q) для всех значений d от 0 до 2p. Используя некоторые свойства тригонометрических функций, имеется возможность сократить размер таблицы преобразования. Наиболее эффективным способом является использование таблицы преобразования со значениями синусов в диапазоне только от 0 до p/3, т.к.

sin(q)=sin(q — p/3)+ sin(2 p/3- q) для q между p/3 и 2p/3; sin(q)=sin(p — q) для q между 2p/3 и p; sin(q)=-sin(q — p) для q между p и 4p/3; sin(q)=-sin(q -4p/3)+ sin(5p/3-q ) для q между 4p/3 и 5p/3; sin(q)=-sin(2p — q) для q между 5p/3 и 2p ;

Однако данное решение не позволяет добавить третью гармонику к функции синуса, необходимость чего обсуждалась в предыдущем разделе. Это является причиной, почему необходимо использовать таблицу преобразования sita(q) со значениями или sin(q) или sin(q)+1/6 sin(q) в диапазоне q между 0 и p/2, а также использовать следующие соотношения для вычисления sita(q) между p/2 и 2p :

sita(q)=sita(p — q) для q между p/2 и p; sita(q)=sita(q — p) для q между p и 3 p/2; sita(q)=-sita(2p — q) для q между 3 p/2 и 2p .

Последнее решение позволяет достаточно легко обмениваться между двумя возможными таблицами преобразования.

3.5 Принцип действия ПИ-регулятора

Алгоритм ПИ-регулятора может быть реализован без обращения к сложной теории автоматического управления. Целью данного алгоритма является определение управляющего сигнала объектом управления (в нашем случае это частота статорного напряжения), при котором контролируемый выходной сигнал объекта управления (в нашем случае это частота вращения ротора) достигнет заданного значения (желаемая частота вращения, заданная пользователем). ПИ это сокращение от «пропорциональный и интегральный». Эти два термина описывают отдельные элементы регулятора:

  • пропорциональная часть, которая выполняет умножение результирующего сигнала рассогласования (разницы измеренного выходного сигнала объекта управления и заданного значения) на постоянную величину, которая носит название коэффициент передачи пропорциональной части. Пропорциональная часть определяет краткосрочное поведение регулятора, т.к. она определяет, как сильно нужно реагировать регулятору на изменение заданных значений;
  • интегральная часть, которая добавляет долговременную точность регулятору. Данная часть регулятора выполняет произведение суммы всех предшествующих сигналов рассогласования на постоянную величину, которая называется коэффициентом передачи интегрирующей части. Предшествующие значения сигнала рассогласования для вычисления суммы хранятся в памяти и обновляются пока значение рассогласования не равно нулю. Это позволяет регулятору убрать различия между измеренным выходным значением и заданным, но, при этом, снижается быстродействие и устойчивость замкнутой системы.

Иногда, помимо пропорциональной и интегрирующей части, добавляется третья- дифференцирующая. В этом случае регулятор называется ПИД (пропорционально-интегрально-дифференцирующий). Применение такого регулятора для управления асинхронным электродвигателем по принципу постоянства V/f нецелесообразно. Его применение позволяет повысить быстродействие контура регулирования, но при этом также пропускаются шумы и снижается стабильность замкнутого контура. Кроме того, Д-компонент сложен в настройке.

3.6 Датчики для управления электродвигателем

Датчики скорости играют важную роль в управлении с обратной связью. Для определения частоты и направления вращения ротора могут использоваться несколько решений.

Наиболее точным, но при этом и самым дорогим, является использование абсолютного шифратора (энкодера) или шифратора (энкодера) приращений. Стоимость данных оптических датчиков высока и соразмерна со стоимостью собственно электродвигателя.

Другим решением, которое использовалось авторами данных рекомендаций при экспериментировании, является использование тахогенератора, механически связанного с ротором электродвигателя. Для подключения данного датчика к микроконтроллеру потребуется один канал аналогово-цифрового преобразования.

Третьим решением является использование датчиков на эффекте Холла. Данные недорогие бесконтактные датчики в настоящее время выпускаются в виде компактных корпусных интегральных схем, в состав которых входят собственно датчик и схема формирования выходного сигнала. Такие микросхемы формируют выходной сигнал, который может быть непосредственно подключен к порту ввода-вывода микроконтроллера.

4. Описание аппаратной части (ATAVRMC200)

Рассматриваемое решение присутствует на оценочной плате ATAVRMC200. Данная плата является инструментом, который позволяет начать ознакомление и провести эксперименты по управлению асинхронным электродвигателем. Основные особенности платы ATAVRMC200:

  • Микроконтроллер AT90PWM3
  • Управление электродвигателем переменного напряжения 110-230В
  • Интеллектуальный силовой модуль (230В/370Вт)
  • Интерфейс внутрисистемного программирования и эмулятора
  • Интерфейс RS232
  • Ввод информации с датчиков с гальванической развязкой
  • Вход 0-10В для команд или датчика

5. Описание программного обеспечения

Все алгоритмы реализованы на языке Си в программных средах для проектирования IAR Embedded Workbench и AVR Studio. ЦПУ тактируется частотой 8МГц, используя внутренний калиброванный RC-генератор. В этом приложении 3 компонента микроконтроллера играют важную роль:

8-разрядный таймер 0 используется для генерации прерываний каждые 1 мс, что определяет частоту преобразования для АЦП и контроллера порта ввода-вывода. Данный таймер используется в режиме CTC (сброс таймера при совпадении) и тактируется частотой 32 кГц. 16-разрядный таймер 1 свободен для решения прочих задач.

Контроллеры силового каскада (PSC) тактируются повышенной частотой 64 МГц, которая формируется с помощью встроенной схемы ФАПЧ, и используются в качестве трех синхронизированных счетчиков, один из которых (PSC2) выступает в роли «ведущего», а остальные (PSC0 и PSC1) — в роли «подчиненных». В данной конфигурации изменения значений в регистрах сравнения PSC0 и PSC1 вступают в силу только при изменении значений регистров сравнения PSC2. Этим обеспечивается одновременность развертки трех PSC. Они настроены на работу в центрированном режиме с частотой преобразования 12 кГц (значение 2666 хранится в регистрах RB, чтобы частота ШИМ приблизительно равнялась 64 МГц/(2* 2666)=12 кГц).

Аналогово-цифровой преобразователь также настроен на генерацию прерывания по завершении преобразования. Это позволяет иметь постоянную задержку между двумя выборками измеренной скорости. В качестве опорного напряжения преобразователя выбрано напряжение Vcc.

Цифро-аналоговый преобразователь может также использоваться в процессе тестирования для отслеживания изменения внутренних переменных. Для обычного ШИМ-алгоритма используется таблица ближайших значений 127sin(2 k/180) или 127(sin(2 k/480)+1/6 sin(6 k/480)) для значений k=0…120. Размер данной таблицы (121 байт) является оптимальным с точки зрения размера доступной внутренней памяти и периодичности оцифровки частоты вращения ротора. В случае двунаправленного управления скоростью значения, хранящиеся в обоих компараторах, обмениваются, когда на выходе ПИ-регулятора присутствует отрицательное значение.

На рисунках 5.1 и 5.2 приведены переходные процессы для частоты вращения и статорных напряжений, полученных под управлением микроконтроллера при скачкообразном изменении заданных скоростей вращения между +700 и -700 оборотов в минуту. Данные результаты получены при управлении асинхронным электродвигателем мощностью 750 Вт (с нагрузкой не более 370Вт). Данными рисунками демонстрируется, что желаемая скорость достигается по завершении 1 секундного переходного процесса и что при достижении частотой статора на выходе ПИ-регулятора значения близкого к нулю амплитуда напряжения статора становится равной пороговому напряжению («boost voltage»). Данные рисунки также подтверждают, что одни и те же значения скоростей вращения и вращающих моментов могут быть достигнуты при более низких размахах амплитудных значений напряжения на обмотках статора за счет использования третьей гармонической составляющей.


Рисунок 5.1 — Экспериментальные результаты, полученные с помощью таблицы преобразования идеальной синусоиды


Рисунок 5.2 — Экспериментальные результаты, полученные с помощью таблицы преобразования, включающей третью гармонику

6. Задействованные ресурсы

  • Размер программного кода: 1947 байт
  • Размер ОЗУ: 246 байт (в т.ч. таблица синусов)
  • Загрузка ЦПУ: 30% (без ПИ-регулятора) / 55% (с учетом ПИ-регулятора)

7. Перечень ссылок

Причины появления

Основной причиной появления векторного управления является то, что асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (АДКЗ) — самый массовый и дешёвый в производстве двигатель, надёжный и наименее требовательный в эксплуатации (в конструкции нет механических коллекторов, контактных колец) плохо поддаётся регулированию скорости, поэтому он первоначально применялся для нерегулируемых приводов, либо для приводов с механической регулировкой (с помощью коробки передач); специальные многоскоростные АДКЗ позволяли только ступенчато изменять скорость (от двух до пяти ступеней), но их стоимость была гораздо выше, чем обычных, кроме того, требовалась станция управления для таких двигателей, которая дополнительно сильно удорожала систему управления, при этом было невозможно автоматически поддерживать скорость двигателя при изменении нагрузки. Позже были разработаны методы управления скоростью АДКЗ (скалярное управление), но в переходных процессах при скалярном регулировании потокосцепление ротора изменяется (при изменении токов статора и ротора), что приводит к снижению темпа изменения электромагнитного момента и ухудшению характеристик в динамике.

С другой стороны двигатель постоянного тока (ДПТ) при большей его стоимости и эксплуатационных затратах и меньшей надёжности (имеется механический коллектор) просто поддаётся управлению, при этом регулировка может осуществляться как изменением напряжения на якоре с постоянным номинальным потоком возбуждения (первая зона регулирования) так и изменением напряжения на обмотке возбуждения (ослабление потока возбуждения) с постоянным номинальным напряжением на якоре (вторая зона регулирования). При этом обычно регулирование ведётся сначала в первой зоне , а при необходимости дальнейшего регулирования во второй зоне (с постоянной мощностью).

Идеей векторного управления было создание такой системы управления АДКЗ, в которой, подобно ДПТ можно раздельно управлять моментом и магнитным потоком, при этом поддерживается на постоянном уровне потокосцепление ротора и значит изменение электромагнитного момента будет максимальным.

Математический аппарат векторного управления

Для СД и АД принцип векторного управления можно сформулировать следующим образом: Первоначально система дифференциальных линейных уравнений трёхфазного двигателя преобразуется в систему уравнений обобщённой двухфазной машины, которая имеет две фазы (расположенные пространственно под 90° относительно друг друга) на статоре и две фазы на роторе, также взаимно расположенных. Затем все вектора, описываемые данной системой проецируются на произвольно вращающуюся ортогональную систему координат, с началом на оси ротора, при этом наибольшая простота уравнений получается при вращении системы координат со скоростью поля машины, кроме того при таком представлении уравнения вырождаются и становятся похожими на уравнения ДПТ, проецирование всех векторов на направление поля машины отражается в названии этого метода — «ориентирование по полю». Фактически вторым этапом формирования величин, ориентированных по полю — это замена обмоток двухфазной обобщённой машины (две на статоре и две на роторе) одной парой взаимно перпендикулярных обмоток, вращающихся синхронно с полем. Кроме характеристик, близких к характеристикам ДПТ, АДКЗ с ориентированием по полю имеет предельно допустимое быстродействие при управлении моментом в режиме поддержания постоянства потокосцепления.

Уравнения электромагнитых процессов, записанные относительно токов статора и потокосцеплений ротора в синхронной ортогональной системе координат, ориентированной по вектору потокосцепления ротора имеют вид:

{ σ L s d I d d t = − R s I d + U d + σ L s ω ψ I q − L m L r d ψ r d t σ L s d I q d t = − R s I q + U d − σ L s ω ψ I d − L m L r ω ψ ψ r T r d ψ r d t = − ψ r + L m I d ω ψ = ω r e + ω c k = ω r e + L m T r I d ψ r M = 3 2 Z r L m L r ψ r I q {\displaystyle \left\{{\begin{matrix}\sigma L_{s}{\frac {dI_{d}}{dt}}=-R_{s}I_{d}+U_{d}+\sigma L_{s}\omega _{\psi }I_{q}-{\frac {L_{m}}{L_{r}}}{\frac {d\psi _{r}}{dt}}\\\sigma L_{s}{\frac {dI_{q}}{dt}}=-R_{s}I_{q}+U_{d}-\sigma L_{s}\omega _{\psi }I_{d}-{\frac {L_{m}}{L_{r}}}\omega _{\psi }\psi _{r}\\T_{r}{\frac {d\psi _{r}}{dt}}=-\psi _{r}+L_{m}I_{d}\\\omega _{\psi }=\omega _{r}e+\omega _{c}k=\omega _{r}e+{\frac {L_{m}}{T_{r}}}{\frac {I_{d}}{\psi _{r}}}\\M={\frac {3}{2}}Z_{r}{\frac {L_{m}}{L_{r}}}\psi _{r}I_{q}\end{matrix}}\right.}

где:

σ {\displaystyle \sigma } — коэффициент рассеяния; L s L r L m {\displaystyle L_{s}L_{r}L_{m}} — соответственно индуктивности статора, ротора и взаимная; R s R r {\displaystyle R_{s}R_{r}} — соответственно активные сопротивления статора и ротора; ψ r {\displaystyle \psi _{r}} — потокосцепление ротора; ω ψ {\displaystyle \omega _{\psi }} — частота вращения вектора потокоцепления ротора; ω r e {\displaystyle \omega _{r}e} — электрическая частота вращения ротора; I d I q {\displaystyle I_{d}I_{q}} — проекции токов на оси d и q; T r {\displaystyle T_{r}} — постоянная времени роторной цепи.

При этом могут быть два варианта метода:

  • ориентирование по полю ротора
  • ориентирование по полю главного потокосцепления

При практической реализации первого метода необходимо определить направление и угловое положение вектора потокосцепления ротора двигателя. Ортогональные оси d, q (в отечественной литературе для асинхронных машин применяют оси x, y) направляют так, что ось d совпадает с направлением вектора потокосцепления ротора. Вектор напряжения статора двигателя регулируют в осях d, q. Составляющая напряжения по оси d регулирует величину тока статора по оси d.

Изменяя ток статора по оси d следует добиваться требуемого значения амплитуды вектора потокосцепления ротора. Ток статора по оси q, контролируемый напряжением по этой оси, определит момент развиваемый двигателем. В таком режиме работы характеристики СД и АД подобны двигателю постоянного тока, так по оси d формируется поле машины (обмотка возбуждения для двигателя постоянного тока, то есть индуктор), а ток по оси q задаёт момент (якорная обмотка двигателя постоянного тока). Управление двигателем по данному методу теоретически обеспечивает большую перегрузочную способность АДКЗ, но при этом невозможно напрямую определить вектор потокосцепления ротора.

Данный метод векторного управления был первоначально реализован в системе «Transvektor» фирмы «Сименс».

Устройства с управлением по вектору главного потокосцепления двигателя, на русском языке стали именоваться векторными системами. При использовании устройства управления по вектору главного потокосцепления и стабилизации модуля главного потокосцепления двигателя во всех режимах работы исключается чрезмерное насыщение магнитной системы, упрощается структура управления АД. Для составляющих вектора главного потокосцепления (по осям α, β статора) возможно прямое измерение, например, с помощью датчиков Холла, устанавливаемых в воздушном зазоре двигателя.

Питание АД и СД в режиме векторного управления осуществляется от инвертора, который может обеспечить в любой момент времени требуемые амплитуду и угловое положение вектора напряжения (или тока) статора. Измерение амплитуды и положение вектора потокосцепления ротора производится с помощью наблюдателя (математический аппарат позволяющий восстанавливать неизмеряемые параметры системы).

Варианты режимов работы векторного управления

Векторное управление подразумевает наличие в звене управления математической модели (далее — ММ) регулируемого электродвигателя. В зависимости от условий эксплуатации электропривода возможно управление электродвигателем как в режимах с обычной точностью, так и в режимах с повышенной точностью отработки задания на скорость или момент.

Точность математической модели электродвигателя

В связи с вышесказанным представляется возможным произвести классификационное разделение режимов управления по точности ММ электродвигателя, используемой в звене управления:

  • использование ММ без дополнительных уточняющих измерений устройством управления параметров электродвигателя (используются лишь типовые данные двигателя, введенные пользователем)
  • использование ММ с дополнительными уточняющими измерениями устройством управления параметров электродвигателя (то есть активных и реактивных сопротивлений статора/ротора, напряжения и тока двигателя)

Использование датчика скорости электродвигателя

В зависимости от наличия или отсутствия датчика обратной связи по скорости (датчика скорости) векторное управление можно разделить на:

  • управление двигателем без датчика скорости — при этом устройством управления используются данные ММ двигателя и значения, полученные при измерении тока статора и/или ротора
  • управление двигателем с датчиком скорости — при этом устройством используются не только значения, полученные при измерении тока статора и/или ротора электродвигателя (как в предыдущем случае), но и данные о скорости (положении) ротора от датчика, что в некоторых задачах управления позволяет повысить точности отработки электроприводом задания скорости (положения).

См. также

  • Магнитное поле
  • Теория управления
  • Широтно-импульсная модуляция
  • Векторная широтно-импульсная модуляция
  • Электрический двигатель
  • Электрический привод

Главная / Статьи / Скалярное и векторное управление в частотных преобразователях

Использование частотного преобразователя направлено на решение важных задач. Они заключаются в осуществлении управления моментом и скоростью электродвигателя. Данные требования указывают на необходимость ограничивать ток двигателя, а также момент значениями, которые являются допустимыми. Это выполняется в процессах пуска, торможения, а также при изменениях нагрузки.

Делать это требуется для того, чтобы ограничивать динамические ударные нагрузки в механизме преобразователя частоты. При этом отмечаются перегрузки при работе и потребность в регулировке момента двигателя, которая выполняется непрерывно. Также выполнение таких действий требуется, когда необходимо точно поддержать усилия на мехнизме, который является рабочим. Примером в данном случае становятся приводы, используемые в станках для обработки металла.

Сущестуют различные методы частотного управления, которые позволяют решить различные задачи при регулировке скорости и измененения момента, среди которых- два основных метода – векторный и скалярный. Каждый из них имеет свои характерные особенности, на которых следует остановиться более подробно.

Первый метод управления – скалярный. Особенность скалярного управления заключается в его распространенности, а область применения связана с приводами насосов и вентиляторов. Кроме этого, частотные преобразователи со скалярным методом управления используют там, где важно поддерживать определенный технологический параметр. Им может быть, например, давление в трубопроводе. Изменение амплитуды, а также частоты питающего напряжения выступает в качестве основного принципа, на котором основывается данный метод. При этом используется закон U/f. Наибольший диапазон для регулирования скорости составляет 1:10.
Дополнительные особенности скалярного метода заключаются в свойственной ему легкости при реализации. Существует также и недостаток, который заключается в том, что нет возможности точно регулировать скорость вращения вала. Еще одна особенность – на валу двигателя частотный преобразователь со скалярным управлением не дает возможности контролировать момент.

Второй метод, используемый в частотных преобразователях – векторный. Это такой метод управления синхронными и асинхронными двигателями, при котором формируются не только гармонические токи (напряжения) фаз, но и обеспечивается управление магнитным потоком ротора,а именно, моментом на валу электродвигателя. Векторное управление применяется в случае, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной и той же частоте, т.е. нет четкой зависимости между моментом нагрузки и скоростью вращения, а также в случаях, когда необходимо получить расширенный диапазон регулирования частоты при номинальных моментах.

Системы векторного управления разделяются на два класса – это бездатчиковые и с обратной связью. Область применения позволяет определить применение определенного метода. Применение бездатчиковых систем возможно, когда скорость изменяется не больше чем 1:100, а точность поддержания составляет не больше чем ±0,5 %. При аналогичных показателях, составляющих 1:1000 и ±0,01 % соответственно принято использовать системы с обратной связью.

Преимуществами векторного метода управления является быстрота реакции относительно изменения нагрузки, а в области малых частот вращение двигателя характеризуется плавностью, отсутствием рывков. Внимание привлекает обеспечение на валу при условии нулевой скорости номинального момента, если имеется датчик скорости. Регулировка скорости выполняется при достижении высокой точности. Все эти преимущества становятся важными на практике.

ВЫВОДЫ:

1. Если в скалярных преобразователях частоты объектом контроля и управления является только магнитное поле статора, то в векторных моделях объектом контроля и управления является и магнитное поле статора, и ротора, а точнее — их взаимодействие с целью оптимизации момента вращения на различных скоростях. Что касается методов контроля и управления, то когда применяется скалярный метод управления- используется выходная частота и ток частотного преобразователя, а в случае с векторным управлением — выходная частота, ток и его фаза.

2. Векторные модели точнее в работе, но при этом требуется наличие более точных измерений, однако, они имеют более высокую стоимость.

3. Если Вам необходимо выбрать частотный преобразователь, в первую очередь, необходимо смотреть на область применения привода, и, исходя из условий его эксплуатации, определится с выбором метода управления в частотном преобразователе.

Если Вам сложно определится с выбором, Вы можете оставить заявку на помощь в подборе преобразователя частоты, либо позвонить нашим специалистам для получения консультации.

По вопросам приобретения преобразователей частоты звоните по телефонам: