Идентификация параметров асинхронного двигателя с применением генетических алгоритмов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

На жидкокристаллическом индикаторе отображаются значения длительности фаз.

В состав принципиальной электрической схемы входят следующие блоки:

1 — система питания; 2 — силовые полупроводниковые ключи заряда-разряда; 3 — цепь управления ключом заряда; 4 — микроконтроллер; 5 — светодиодный блок индикации; 6 — кнопочный блок задания длительности заряда, разряда, пауз; 7 — жидкокристаллический индикатор (ЖКИ).

Управляющая программа состоит из трех частей (рис. 3):

—основной модуль программы, в котором выполняется опрос клавиатуры;

—обработчик прерываний таймера_0, с помощью которого осуществляется генерирование прямоугольных импульсов частотой 5 кГц;

—обработчик прерываний таймера_1, с помощью которого осуществляется конроль текущих фаз, а также общее время процесса.

В начале программы осуществляется конфигурация портов, после этого выполняется основной модуль, в котором происходят поиск нажатой кнопки и вывод значений времени заряда, разряда и пауз на жидкокристаллический индикатор.

Нажатием кнопки SB 9 (подачей лог.0 на вход микроконтроллера PD2) происходит запуск тайме-ра_1.Одновременно с этим запускается обработчик прерываний, контролирующий продолжительность фаз. С началом первой фазы (заряда ХИТ) включается таймер_0, который управляет выработкой сигналов прямоугольной формы частотой 5 кГц с выходов PC0 и PC2. С истечением времени первой фазы

происходит отключение таймера_0. Во время пауз с выводов микроконтроллера управляющие сигналы на силовые ключи не поступают. Во время периода разряда с вывода микроконтроллера РС4 поступает управляющий сигнал на силовой ключ, подключающий ХИТ к нагрузке R10. При повторной подаче лог.0 на PD2 происходит остановка таймера_1.

Заключение. Предлагаемое устройство может быть использовано технологами, разрабатывающими новые образцы ХИТ, а также при эксплуатации различных типов ХИТ.

Библиографический список

1. Прикладная электрохимия / Н. П. Федотьев [и др.]. — Л. : Химия, 1967. — 618 с.

2. Кривецкий, А. П. Заряд кислотных аккумуляторов /

A. П. Кривецкий // Компоненты и технологии. — 2004. — № 4. — С. 15-18.

3. Заявка 2222090 Российская Федерация. RU (11) (13) С1 Устройство для заряда аккумуляторной батареи / Бабушкин

B. П., Мезенцев С. А. - № 2002112977/09 ; заявл. 05.13.2002 ; опубл. 20.01.2004. - 5 с.

СЫСОЛЯТИН Виктор Юрьевич, аспирант кафедры теоретической и общей электротехники, преподаватель Учебного военного центра при ОмГТУ. Адрес для переписки: e-mail: [email protected]

Статья поступила в редакцию 25.07.2012 г.

© В. Ю. Сысолятин

УДК б^3«.3 Р. Ю. ТКАЧУК

A. С. ГЛАЗЫРИН

B. И. ПОЛИЩУК

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГЕНЕТИЧЕСКИХ АЛГОРИТМОВ

Предложен алгоритм предварительной идентификации параметров асинхронного двигателя на основе генетического алгоритма, позволяющий определить параметры двигателя с точностью, достаточной для реализации быстродействующих электроприводов на основе векторного управления.

Ключевые слова: асинхронный электропривод, параметрическая идентификация, генетический алгоритм.

Введение. На сегодняшний день одним из важнейших методов управления электроприводами переменного тока является векторное управление. Этот метод позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Векторное

управление требует знания точных значений таких параметров схемы замещения асинхронных электродвигателей (АД), как активные и реактивные сопротивления статора, ротора и намагничивающей цепи. Большинство из этих параметров не приводятся в справочниках или справочные параметры не

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012

*

f{av

- \ х-JoМ0-Уі(*.аі.а2--а3)|л

а2,...,а3 J- £---------------——-----------------------

* Jo |y*(f)ldi

где /(•) — целевая функция; а ,а ,...,а — оценки идентифицируемых параметров; t — общее время переходных процессов, используемых для идентификации, с; yj,y2,...,y3 — измеряемые переменные состояния, переходные характеристики которых используются для идентификации; yi,yv.,y2 — оценки переменных состояния, переходные характеристики которых используются для идентификации.

Использовался непрерывный ГА (real-coded GA) [1, 2], при котором хромосома представляет собой вектор вещественных чисел. В этом случае точность переменных зависит только от разрядной сетки ЭВМ, на которой реализуется алгоритм. Диапазон поиска величин параметров был ограничен допустимыми для идентифицируемого объекта значениями. Особи начальной популяции также распределялись во всем диапазоне допустимых значений. Для увеличения производительности ГА и предотвращения преждевременной сходимости применялся ГА с миграцией особей в предыдущую и следующую под-популяции. Количество подпопуляций и особей в них определялось подбором. ГА останавливался при достижении функцией пригодности заданного значения, после чего для поиска локального минимума была применена гибридная функция поиска по образцу.

Идентификация параметров асинхронного двигателя. Для уменьшения количества аргументов целевой функции ГА идентификация электрических и механических параметров АД проводилась отдельно. Для идентификации электрических параметров использовалась математическая модель в стационарной системе координат а, в:

at aL, сті.

. R'2Lm

оІД

^2а (0 + Zp®($j¥2 р (i)

CTL1L2

Рис. 1. Структурная схема процедуры идентификации параметров объекта управления с применением ГА (и — вектор входных воздействий; у — вектор измеряемых переменных состояния, переходные характеристики которых используются для идентификации; у — вектор оценок измеряемых переменных состояний;

{ — значение функции пригодности; а — вектор оценок параметров объекта управления)

обладают достоверной точностью. Таким образом, при проектировании высококачественного электропривода возникает необходимость предварительной идентификации параметров двигателя.

Постановка задачи. Задача заключалась в разработке и иследовании способа идентефикации параметров АД на основе такой процедуры глобальной оптимизации, как генетический алгоритм (ГА).

Методы и средства исследования. Структурная схема процедуры идентификации параметров объекта управления представлена на рис. 1.

Предлагается в качестве целевой функции ГА применить

— Ti- ^ір (0 - Ap (0 +

F^T ^2P (0 + TTFT (f)

dt І2 zav ’

R 2 Lm ~

Lo

Аа(0-2р“(0^2р(0

dt

=-^^(0+

L2

грт(ф2а(і).

- - - Р

где — оценка эквивалентного со-

^ 1 ^ т2

£2 л

противления, Ом; /?1 — оценка активного сопротивления обмотки статора, Ом; к'2 — оценка приведенного к статору сопротивления обмотки ротора, Ом; 1— оценка эквивалентной индуктивности обмотки статора, Гн; 2 — оценка эквивалентной индуктивности обмотки ротора, Гн; Ьш — оценка результирующей индуктивности, обусловленной магнитным потоком в воздушном зазоре машины, Гн;

0 = 1-

^т І1І2

— оценка коэффициента рассеяния;

zp — число пар полюсов машины; и1а(Ґ), и1р(^ — составляющие напряжения статора, В; І1а(^, /1р(^ — оценки составляющих тока статора, А; *Р2а(^, 'f,2p(t) — оценки составляющих потокосцепления ротора, Вб; ю(t) — угловая скорость вращения ротора электродвигателя, рад/с.

Были определены 1, '2, 1, 2 по переход-

ной характеристике модуля вектора тока статора

Л (0 = д/Ла (0+ Лр (О при пуске, набросе нагрузки, сбросе нагрузки и торможении двигателя. Переходные характеристики АД, используемые для оценивания его параметров, приведены на рис. 2. В качестве целевой функции ГА была принята

/(Лі,Л'2 ,І1,І2-¿ш) =

Популяция состояла из 200 особей. ГА останавливался при достижении функцией пригодности 0,4. Для имитации объекта управления использовалась математическая модель АД [3]. Поиск значений

Рис. 2. Переходные характеристики АД, используемые для оценивания его параметров

Рис. 3. Экспериментальные и расчетные переходные характеристики АД

идентифицируемых параметров осуществлялся в диапазонах, границы которых указаны в табл. 1. Также этим диапазонам принадлежали особи начальной популяции.

Механические параметры АД были определены с использованием полученных оценок индуктивностей и потокосцепления ротора. Для этого применялась модель

^=Ммзм(і)-Мс(4

и.1 А V

где — оценка электромагнитного момента двигателя, Н^м; — момент сопротивления нагрузки, Н^м; — оценка суммарного момент инерции, приведенного к валу двигателя, кг^м2.

Были определены , 1, 2 по переходной

характеристике тЩ при пуске, набросе нагрузки, сбросе нагрузки и торможении двигателя. В качестве целевой функции ГА была принята

/(Л.М^Маг) = |^|ш(0-юрЕ.Мй|,Мй2)^

¡оМФ

где Мй1 — оценка момент статического сопротивления до наброса нагрузки, Н^м; Мй2 — оценка момент статического сопротивления после наброса нагрузки, Н^м.

Популяция состояла из 50 особей. ГА останавливался при достижении функцией пригодности 0,4. В табл. 1 приведены значения параметров АД, их оценки и погрешности оценивания.

Экспериментальная проверка. Эффективность идентификации параметров АД с применением ГА проверялась на лабораторном стенде. Были получены переходные характеристики напряжений статора, токов статора и скорости вращения вала двигателя при пуске, набросе, сбросе нагрузки и торможении. Параметры АД, определенные с помощью предложенного метода, сведены в табл. 2.

Оценка точности идентификации проводилась путем сравнения экспериментальных и расчетных, полученных с использованием идентифицированных параметров, переходных характеристик АД. Переходные характеристики АД приведены на рис. 3.

Таблица 1

Минимальные и максимальные значения параметров АД и результаты их идентификации

Параметр Ом Я’2, Ом ¿1, Гн ¿2, Гн

Минимальное значение 10-3 10-3 10-5 10-5

Максимальное значение 103 103 10 10

Фактическое значение 0,316 0,31 0,11 0,111

Оценка 0,316001 0,295 0,109 0,106

Погрешность, % 0,00025 4,76 0,0023 4,76

Параметр Ьт, Гн 3^, кгм2 М^, Нм Мс2, Нм

Минимальное значение 10-5 10-5 0 0

Максимальное значение 10 102 106 106

Фактическое значение 0,107 0,08 35,99 71,97

Оценка 0,104 0,09 32,69 71,73

Погрешность, % 2,41 14,58 9,14 0,33

Таблица 2

Результаты идентификации параметров АД по опытным данным

Параметр Ом Я'2, Ом ¿1, Гн ¿2, Гн

Оценка 46,086 45,699 1,106 0,929

Параметр Ьт, Гн 3^, кгм2 М^, Нм Мс2, Нм

Оценка 0,924 0,012 0,378 1,541

Были найдены относительные интегральные значения модулей невязок фактических и модельных значений скорости вращения вала двигателя и модуля вектора тока статора:

8Ш = ^-----1—100% = 2,42%;

¡оІШ-Ш*

5/ = -> ... 100% = 3,54%.

ІоЧ'іЮіл

Затем определялись относительные отклонения оценок модуля вектора тока статора и скорости вращения вала двигателя от экспериментальных значений в момент времени t1:

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012

*

a¡ = -

“fe)

к(к)-Щ

h(h)

100% = 2,7%;

100% = 3%.

Заключение. Разработан метод предварительной идентификации параметров АД по переходным характеристикам и проведено его экспериментальное подтверждение. Метод позволяет определить параметры АД с точностью порядка 3...5%, что делает возможным его применение при проектировании высококачественных электроприводов.

Библиографический список

1. Herrera, F. Tackling real-coded genetic algorithms: operators and tools for the behaviour analysis / F. Herrera, M. Lozano, J. L. Verdegay // Artificial Intelligence Review. — 1998. — Vol. 12. — № 4. - P. 265-319.

2. Непрерывные генетические алгоритмы — математический аппарат [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http:// www.basegroup.ru/library/optimization/real_coded_ga/ (дата обращения: 03.03.2012).

3. Удут, Л. С. Проектирование и исследование автоматизированных электроприводов. Ч. 8. Асинхронный частотно-регулируемый электропривод : учеб. пособие / Л. С. Удут, О. П. Мальцева, Н. В. Кояин. — Томск : Издательство Томского политехнического университета, 2009. — 354 с.

4. Генетические алгоритмы, искусственные нейронные сети и проблемы виртуальной реальности / Г. К. Вороновский [и др.]. - Х. : ОСНОВА, 1997. - 112 с.

ТКАЧУК Роман Юрьевич, магистрант, группа 7М101, кафедра «Электропривод и электрооборудование».

Адрес для переписки: e-mail: [email protected] ГЛАЗЫРИН Александр Савельевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электропривод и электрооборудование».

Адрес для переписки: e-mail: [email protected] ПОЛИЩУК Владимир Иосифович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрические сети и электротехника».

Адрес для переписки: e-mail: [email protected]

Статья поступила в редакцию 10.04.2012 г.

© Р. Ю. Ткачук, А. С. Глазырин, В. И. Полищук

УДК 62-83 А. В. БУБНОВ

М. В. ГОКОВА В. А. ЕМАШОВ А. Н. ЧУДИНОВ

Омский государственный технический университет

ОЦЕНКА БЫСТРОДЕЙСТВИЯ СИНХРОННО-СИНФАЗНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА В РЕЖИМАХ ФАЗИРОВАНИЯ

В статье проводится оценка быстродействия синхронно-синфазного электропривода в режимах в фазирования.

Ключевые слова: синхронно-синфазный электропривод, фазирование, синхронизация, ошибка по частоте вращения.

Синхронно-синфазные электроприводы (ССЭ) находят широкое применение в обзорно-поисковых и сканирующих системах и устройствах, в системах технического зрения современных робототехнических комплексов, системах автоматического визуального контроля продукции, установках фототелеграфной и видеозаписывающей аппаратуры, копировальных установках, что обусловлено их высокими точностными показателями, широким диапазоном регулирования угловой скорости и высоким быстродействием [1].

Синхронно-синфазный электропривод строится на основе двухконтурной схемы (рис. 1). Астатизм

по частоте вращения и высокая точность регулирования электропривода по углу обеспечиваются внутренним контуром синхронизации, построенным на основе принципа фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) [2]. Контур синхронизации электропривода включает в себя логическое устройство сравнения (ЛУС), корректирующее устройство (КУ), электродвигатель (ЭД) и импульсный датчик частоты вращения (ИДЧ).

Внешний контур фазирования служит для начальной установки углового положения вала электродвигателя, что вызвано необходимостью установки положения призмы узла оптико-механи-