CC BY
15
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
УДК 62-83:681.532.55 Д. В. БУБНОВ
В. Д. ЕМДШОВ Д. Н. ЧУДИНОВ
Омский государственный технический университет
ОБОБЩЕНИЕ КОСВЕННЫХ МЕТОДОВ ВЫЧИСЛЕНИЯ ОШИБКИ РЕГУЛИРОВДНИЯ ПО УГЛОВОЙ СКОРОСТИ СИНХРОННО-СИНФДЗНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА_
В статье предложен улучшенный метод измерения ошибки по ч астоте вращения синхронно-синфазного электропривода, а также структура устройства для его реализации. Метод основан н а обработке импульсов подстроечной ча стоты в целях определения моментов обсчета ошибки по частоте вращения, при этом для определения ошибок используются испульсы высокочастотного кварцевого генератора. Структура устройства построена н а базе трех делителей ч астоты, импульсном ча стотно-фазовом дискриминаторе, к варцевом генераторе и микроконтроллере.
Ключевые слова: ошибка по ч астоте вращения, фазовая автоподстройка частоты вращения, электропривод.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках проекта № 16-08-00325.
Синхронно-синфазные электроприводы (ССЭ) используются для построения сканирующих обзорно-поисковых систем. Это объясняется высокой точностью и быстродействием ССЭ, а также широким диапазоном регулирования по угловой скорости [1].
ССЭ базируется на широко используемом частотном принципе управления [2 — 7]. ССЭ может быть представлен в виде двухконтурной схемы, показанной на рис. 1. Для организации внутреннего контура синхронизации используется принцип фазовой автопод-
стройки частоты (ФАПЧ), широко применяемый при построении систем электропривода [7—15]. Принцип ФАПЧ обеспечивает астатизм по частоте вращения [1].
Контур синхронизации — контур фазовой автоподстройки частоты вращения (ФАПЧВ) — содержит логическое устройство сравнения ЛУС, корректирующее устройство КУ, электродвигатель ЭД и импульсный датчик частоты ИДЧ.
ЛУС обеспечивает три режима управления приводом: ускорение с максимальным ускорением ет при
Рис. 1. Обобщенная функциональная схема синхронно-синфазного электропривода
1 >1 (где f — опорная частота, 1 — частота сле-
ОП ОС V ОП ^ 'ос
дования импульсов в канале обратной связи, поступающая с ИДЧ),режим фазового сравнения (пропорциональный) при 1оп«1ос и режим торможения при /оп</ос. Система управления разомкнута в режимах разгона и торможения и замкнута в пропорциональном режиме. Для сравнения опорной частоты и частоты обратной связи в качестве ЛУС обычно применяют импульсные частотно-фазовые дискриминаторы (ИЧФД) [12—15]. Благодаря простоте реализации, наиболее широко используется алгоритм работы ИЧФД, основанный на изменении режима работы ИЧФД при поступлении двух или более импульсов опорной частоты между двумя соседними импульсами частоты обратной связи или наоборот [16].
Начальная установка угла поворота вала электродвигателя производится с помощью внешнего контура фазирования. Предустановка угла поворота соотносится с импульсами угловой привязки _Роп и служит для установки сканирующего элемента узла оптико-механической развертки в начальное положение — начало строки. Контур фазирования включает в себя блок определения углового рассогласования БОУР, блок регулирования БР, контур ФАПЧВ и датчик положения ДП.
Оба контура управляются с помощью блока задания частоты БЗЧ, который генерирует частоты 1оп и _Роп. БЗЧ содержит кварцевый генератор КГ и два делителя частоты ДЧ1 и ДЧ2. Частота 1оп = 1г/0з задает угловую скорость электропривода согласно выражению
= 4пФо,
(1)
где ф0=2р/г ^ — количество меток ИДЧ), / — частота КГ, а 0з — код задания для ДЧ1. Частота _Роп задается выражением Fоп = mfоп/z, где т — количество граней призмы.
Существует много способов регулирования ССЭ. Большинство основано на последовательной стыковке во времени процессов синхронизации и фазирования, причем сначала осуществляют синхронизацию, потом — фазирование [17—19]. Этот принцип характеризуется низким быстродействием привода, которое является причиной больших потерь информации при сканировании [1]. Другое следствие низкого быстродействия — дополнительные энергетические потери, ещё одна большая проблема электромеханики [20].
Некоторые известные методы регулирования ССЭ основаны на организации процесса фазирования до синхронизации, их основным достоинством является улучшение динамических характеристик ССЭ [18]. Но для таких методов необходимо с вы-
сокой точностью определять ошибку по частоте вращения Аю [21], что можно обеспечивать использованием методов косвенного определения Аю, основанных на определении временного интервала А^ за который угловое рассогласование Аа электропривода изменится на известную заранее величину, путем логической обработки последовательности импульсов сравниваемых ЛУС частот — 1 и 1 [22]. Интервал Аt должен выбираться автоматически в соответствии со скоростью электропривода.
Ещё одной особенностью высокоточного регулирования ССЭ является необходимость поддержания относительной ошибки регулирования угловой скорости в пределах ±0,02 % [23].
В связи с вышеописанными положениями можно выделить две цели данной статьи:
— обобщение известных методов определения ошибки по частоте вращения;
— разработка структуры устройства для реализации улучшенного метода определения ошибки по частоте вращения.
В работе [24] описаны два метода определения ошибки по частоте вращения Аю.
Первый метод заключается на подсчете количества совпадений импульсов 1 и 1 . Для его описания обозначим т длительность импульсов 1 и т —
оп оп ос
длительность импульсов 1ос. Подсчет начинается с момента времени tн до момента ^ первого несовпадения импульсов 1 и 1 . При этом t —t = Аt.. N —
^ 1 оп ос 1 нк1с
количество импульсов на интервале времени Аt1. Аюн, Аюк — значения ошибки по угловой скорости в моменты времени t и t соответственно.
нк
Тогда для режима ускорения ССЭ (е = ет) Аюк находят по выражению [24]
= |(2Ф0
■ е mN Хп
(2)
где <г=(т —т )/Т , Т — период частоты 1 .
оп ос оп оп оп
Следующий метод более точен [1, 24]. Он основан на подсчете количества N импульсов частоты 1
оп оп
между двумя последовательными моментами времени, в которые нуль или два и более импульсов частоты обратной связи приходят между двумя соседними импульсами опорной частоты (ситуации «0/2» и «2/2»). Величина фазового рассогласования импульсов частот в расчетные моменты времени равна Аа = ф0/2 + Лф0. Для данного метода Аюк находят по выражению [1, 24]
|Аюк| = |(2Ф0 - еmN02ХПопТоп)|
(3)
В данном методе для задания опорного сигнала используется поделенная в соответствии с кодом задания частота КГ 1г. Представляется наиболее
ю
ст
рациональным использовать для определения Аюк не преобразованный сигнал /г. Тогда ошибку по частоте вращения можно найти по формуле
|А«К| = |(2Фо -етМХ)1(2КгГТ)|,
(4)
где Гг=1//г, а Мг — количество импульсов /г между двумя последовательными моментами времени, в которые нуль или два и более импульсов частоты обратно связи приходят между двумя соседними импульсами опорной частоты.
Использование частоты КГ для определения ошибки устраняет зависимость метода от текущей угловой скорости, к тому же этот метод более точен, потому что f >>/ .
^ г оп
Как показано в работах [1, 16], на ранних этапах режимов насыщения ИЧФД значение Аю подсчиты-вается недостаточно точно. Но погрешность снижается по мере того, как значение ошибки по скорости приближается к нулю. В работе [16] был сделан вывод о том, что косвенные методы определения ошибки по скорости реализуемы только при условии, что заданная угловая скорость ССЭ близка к реальной ю. Это условие делает невозможным применение косвенных методов измерения ошибки по частоте вращения, описанных в работе [18].
В работе [16] описывается метод вычисления ошибки по угловой скорости ССЭ на ранних стадиях разгона и торможения. Метод заключается в формировании в системе дополнительной подстроечной опорной частоты /д с целью удержания отношения
где ю =2/ р/г, а ю
дд
Рис. 2. Фазовый портрет разгона электропривода
|Аюд| = |(2фо -етМГТГ2)/(2МгГТ)|, где Аюд (рис. 2) — разница между юд и ю:
Аюд = ю - юд .
А А
Тогда Аюк можно найти по формуле Аюк = (ю, - юд) + Аюд
К V з д/ д
С учетом (1), (5 — 7), Аюк можно выразить
Аюк
= Фо^ - 7Г) + (2фо - етМХ%2МХ),
О, О,
(5)
(6)
(7)
(8)
ю/ю > 0,98, / д
измеренное значение угловой скорости.
В то же время в этом методе используется деление частоты КГ на заданный коэффициент с целью генерации импульсов, которые подсчитываются между ситуациями «0/2» и «2/2» для частот /д и /ос.
Исходя из представленного выше анализа, предлагается в данном методе использовать частоту / для подсчета количества импульсов Мг между ситуациями «0/2» и «2/2» для частот /д и /ос. Таким образом, сохранится возможность автоматически определять моменты tн и tк для частот /д и /ос. Кроме того, увеличится точность вычисления ошибки по угловой скорости путем подсчета импульсов /.. В этом случае можно представить выражение (4) в виде
где Од — код задания подстрочной частоты для дополнительного делителя частоты ДЧ3 (рис. 3).
Описанный выше расчет Аюк повторяется каждый раз, когда два или более последовательных импульса одной из сравниваемых частот приходят между двумя соседними импульсами другой частоты до тех пор, пока ю<юд. При этом, значение /д необходимо изменить на значение А/д = /(Аю) в тот момент, когда ю достигнет значения юд, чтобы удерживать относительную погрешность измерения ошибки по частоте вращения в заданных пределах [23].
Для реализации данного метода предлагается структура устройства (рис. 3).
Устройство включает в себя: БЗЧ — блок задания частоты с КГ и делителями ДЧ1 и ДЧ2, делитель частоты ДЧ3, ИЧФД, БПИ — блок подсчета импульсов, МК — микроконтроллер. КГ генерирует частоту /г
Дш
БЗЧ
ДЧ1 ДЧ2
м-
Рис. 3. Функциональная схема устройства косвенного определителя ошибки по угловой скорости заданной точности
которая преобразуется делителями ДЧ1 и ДЧ2 в частоты /оп и Fou. ДЧ1 управляется кодом задания Оз, формируемым с внешнего устройства. Сигнал f формируется на выходе ДЧ3, управляемого кодом Qp, который формируется с помощью МК. ИЧФД анализирует сигналы f и f^ и на основе их обработки формирует импульсы для ситуаций «0/2» или «2/2». БПИ подсчитывает количество Nr импульсов частоты f между двумя соседними ситуациями «0/2» или «2/2» и передает код в МК, где подсчитывается значение Aw^ согласно выражению (8) и формируется новый код задания Qp. Для высокоскоростной обработки этих значений рекомендуется использовать DSP-процессоры, а для постройки ИЧФД — FPGA-устройства [12, 25].
Предложенная структура позволит определять ошибки по частоте вращения ССЭ с высокой точностью на ранних стадиях разгона и торможения, что, в свою очередь, позволит сделать более эффективными способы регулирования ССЭ.
Кроме того, указанный метод расчёта ошибки по частоте вращения видится перспективным для развития адаптивных систем управления и систем, работающих в скользящих режимах [26 — 28].
Библиографический список
1. Bubnov, A. V. Measurement methods for angular acceleration and arrors for angular velocity of synchrophase electric drive / A V. Bubnov, V. A. Emashov, A. N. Chudinov, A N. Alpysova // Measurement Techniques. - 2014. - № 57. - T. 8. -С. 860-865. DOI: 10.1007/s11018-014-0549-2.
2. Meerisuk, W. A PSPWM with variable frequency control for a two-output three-level series resonant inverter / W. Meesrisuk, A Jangwanitlert, W. Suwan-ngam // 12th Int. Conf. on Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI-CON). - Hua Hin, Thailand, 2015. DOI: 10.1109/ECTICon.2015.7207028.
3. Maklakov, A. S. EMC evaluation of three level NPC converter based on space vector PWM / A. S. Maklakov, A. A. Radio-nov // Proceedings of the 2015 IEEE North West Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference. - Saint-Petersburg, 2015. DOI: 10.1109/EIConRusNW. 2015.7102269.
4. Ramirez-Figueroa, F. D. Model based control of a PMSM with variable switching frequency and torque ripple control /
F. D. Ramirez-Figueroa, M. Pacas // Industrial Electronics Society, IECON 2015 - 41st Annual Conference of the IEEE. - Yokohama, Japan, 2015. - С. 1418-1423. DOI: 10.1109/IECON.2015.7392299.
5. Dementyev, Y. N. Control system with sinusoidal PWM three-phase inverter with a frequency scalar control of induction motor / Y. N. Dementyev, N. V. Kojain, A. D. Bragin, L. S. Udut // 2015 International Siberian Conference on Control and Communications. - Omsk, Russia, 2015. DOI: 10.1109/SIBCON.2015.7147008.
6. Radionov, A. A. New control method of back to back converter / A. A. Radionov, A. S. Maklakov, E. A. Karyakina // 2015 International Siberian Conference on Control and Communications. - Omsk, Russia, 2015. DOI: 10.1109/SIBCON.2015. 7147135.
7. Best, R. E. Phase-locked loop design, simulation & applications. - Taipei, Taiwan : McGraw-Hill, 2003. - 293 с. -Режим доступа : https://accessengineeringlibrary.com/browse/ phase-locked-loops-design-simulation-and-applications-sixth-edition (дата обращения: 10.09.2016).
8. Hsieh, G. C. Phase-locked loop techniques. A survey /
G. C. Hsieh, J. C. Hung // IEEE Transactions on Industrial Electronics. - 1996. - № 43. - T. 6. - С. 609-615. DOI: 10.1109/ 41.544547.
9. Sen, P. C. Stability analysis of induction motor drives using phase-locked loop control system / P. C. Sen, M. L. Macdonald //
IEEE Transactions on Industrial Electronics and Control Instrumentation. - 1980. - № IECI-27. - T. 3. - С. 147-155. DOI: 10.1109/TIECI. 1980.351668.
10. Prasad, E. S. N. High-Perfomance DC Motor Drive with Phase-Locked Loop Regulation / E. S. N. Prasad, G. K. Dubey, S. S. Prabhu // IEEE Transactions on Industry Applications. -1985. - № IA-21. - T. 1. - С. 192-201. DOI: 10.1109/ TIA.1985.349680.
11. Pan, C.-T. A Phase-Locked-Loop-Assisted Internal Model Adjustable-Speed Controller for BLDC Motois / C.-T. Pan, E. Fang // IEEE Transactions on Industrial Electronics. - 2008. - № 55. -T. 9. - С. 3415-3425. DOI: 10.1109/TIE.2008.922600.
12. Wu, Y. PLL Control System Based on FPGA for Brushless DC Motor / Y. Wu, H. Zhao, N. Zhao // Proc. of the 33rd Chinese Control Conf. - Nanjing, China, 2014. - С. 7897-7902. DOI: 10.1109/CHiC.2014.6896319. - Режим доступа : http:// oversea.cnki.net/Kcms/detail/detail.aspx?filename = KZLL201407005225 &dbcode = IPFD&dbname = IPFDTEMP (дата обращения: 10.09.2016).
13. Zhang, J. Phase-Locked Loop in Constant Speed Control for the Flywheel Motor / J. Zhang, H. Zhao, K. Ma // Recent Advances in Computer Science and Information Engineering. -2012. - № 129. - С. 323-330. DOI: 10.1007/978-3-642-25778-0_45.
14. Feng, K. Modeling and Bifurcation Research of Phase-Locked Loop Speed Control of Induction Motor Drive / K. Feng, C. C. Chan, Wu Jie, G. Shuying; Q. Shouzhi // Industrial Electronics Society 26th Annual Conference of the IEEE. - Aichi, Japan, 2000. - С. 2327-2333. DOI: 10.1109/IECON.2000.972361.
15. Xue, F. Passivity-Based Control for Phase-Locked Loop Induction Motor Drive / F. Xue // IEEE Int. Symp. on Ind. Electron. Proc. - Pusan, Korea, 2001. DOI: 10.1109/ISIE.2001. 931636. - Режим доступа : http://ieeexplore.ieee.org/document/ 931636/ (дата обращения: 10.09.2016).
16. Bubnov, A. V. Iterative Method of Measurement with a Given Accuracy for Angular Velocity Errors / A. V. Bubnov, V. A. Emashov, A. N. Chudinov // 2015 International Siberian Conference on Control and Communications. - Omsk, Russia, 2015. DOI: 10.1109/SIBCON.2015.7147052.
17. Парамонова, А. А. Особенности построения электропривода сканирующего устройства с цифровым контуром фазовой синхронизации скорости / А А Парамонова, В. С. Ивахно // Известия Tульскoгo государственного ун-та. Tехнические науки. -2012. - № 11-1. - С. 222-228.
18. Bubnov, A. V. The Methods of Preliminary Phasing Adjustment of the Rotor Speed and Position Control Electric Drive / A. V. Bubnov, V. A. Emashov, A. N. Chudinov // Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines. - Omsk, Russia, 2015. DOI:10. 1109/Dynamics.2014.7005648.
19. Bubnov, A. V. Methods of Phasing Electric Drive with Phase Lock / A. V. Bubnov, T. A. Bubnova // Russian Electrical Engeneering. - 2010. - № 81. - T. 5. - С. 221-226. DOI: 10.3103/S106837121005001.
20. Vinin, A. D. Mathematical model of traction electric drive for mine electric train / A. D. Vilnin, S. N. Kladiev, B. I. Pyakillya // The 2nd Int. Youth Forum "Smart Grids", MATEC Web of Conf. -Tomsk, Russia, 2014. DOI: 10.1051/matecconf/20141901040.
21. Brock, S. New approaches to selected problems of precise speed and position control of drives / S. Brock, K. Zawirski // 38th Ann. Conf. on IEEE Ind. Electron. Soc. - Montreal, Canada, 2012. - С. 6291-6296. DOI: 10.1109/IECON.2012.6389020.
22. Incze, I. I. Incremental Encoder Based Position and Speed Identification: Modeling and Simulation / I. I. Incze, A. Negrea, M. Imecs, C. Szabo // Acta Universitatis Sapientae. - Electical and Mechanical Engeneering. - 2010. - № 2. - С. 27-39. -Режим доступа : http://www.acta.sapientia.ro/acta-emeng/C2/ emeng2-3.pdf (дата обращения: 10.09.2016).
23. Veselov, O. V. High-Quality Microprocessor System for Position, Veloscity, and Acceleration Measurements of Electrci Drives / O. V. Veselov, A. V. Eremin, A. O. Veselov, A. N. Ni-
kashkin // Measurement Techniques. — 1999. — № 42. — T. 4. — C. 383-339. DOI: 10.1007/BF02504401.
24. Бубнов, А. В. Эффективный способ регулирования электропривода с фазовой синхронизацией / А. В. Бубнов, А. Н. Чудинов, В. А. Емашов // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. — 2011. — № 5. -C. 46-49.
25. Hong, S. The Research on Adaptive Fuzzy Control Systems of Brushless DC Motors Based on DSP / S. Hong, Z. Xiaohui, L. Ming // Int. Journal of Control and Automation. — 2014. — № 9. — T. 3. — C. 257—364. DOI: 10.14257/ijca.2016.9.3.33.
26. Maklakov, A. S. Integration prospects of electric drives based on back to back converters in industrial smart grid / A. S. Maklakov, A. A. Radionov // 12th Int. Conf. on Actual Problems of Electron. Instrument Eng. — Novosibirsk, Russia, 2014. — C. 770 — 774. DOI: 10.1109/APEIE.2014.7040790.
27. Lanza, P. T. Improved acquisition in a phase-locked loop using sliding mode control techniques / P. T. Lanza, Y. B. Shtessel, J. L. Stensby // Journal of the Franklin Institute. — 2015. — №352 (10). — C. 4188 — 4204. DOI: 10.1016/j.jfranklin.2015.06.001.
28. Radionov, A. A. Smart Grid for main electric drive of plate mill rolling stand / A. A. Radionov, A. S. Maklakov, V. R. Ga-
siyarov // Proc. of 2014 Int. Conf. on Mech. Eng., Automation and Control Syst. - Tomsk, Russia, 2014. DOI: 10.1109/MEACS. 2014.6986842.
БУБНОВ Алексей Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой электрической техники. Адрес для переписки: bubnov-av@bk.ru ЕМАШОВ Василий Алексеевич, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры электрической техники.
Адрес для переписки: emashov@omgtu.ru ЧУДИНОВ Александр Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электрической техники.
Адрес для переписки: chudinov_al@mail.ru
Статья поступила в редакцию 06.10.2016 г. © А. В. Бубнов, В. А. Емашов, А. Н. Чудинов
УДК 62-83:681.532.55
В. Р. ВЕДРУЧЕНКО В. В. КРАЙНОВ Е. С. ЛАЗАРЕВ П. В. ЛИТВИНОВ
Омский государственный университет путей сообщения
О ВЫБОРЕ СПОСОБА ПОВЫШЕНИЯ ЭКОНОМИЧНОСТИ ДИЗЕЛЯ С НАДДУВОМ ПРИ РАБОТЕ НА МАЛЫХ НАГРУЗКАХ И ХОЛОСТОМ ХОДУ_
Выполнен теоретический анализ р асчетных и опытных соотношений по определению характеристик турбокомпрессоров для дизелей транспортного назначения. Приведена методика выбора и расчета основных показателей дизеля и газотурбонагнетателя с учетом режима работы двигателя. Сформированы методы и технические решения, направленные н а экономичную р а боту дизелей с турбонаддувом в режимах ма лых нагрузок и холостом ходу.
Ключевые слова: наддув, холостой ход двигателя, характеристики турбонагнетателя и дизеля, плотность и давление воздушного заряда, цикловая подача топлива, экономичность, тепловая н апряженность деталей двигателя.
Введение. Тепловозные и судовые дизели с наддувом в эксплуатации работают на полной мощности не более 30 — 60 % от всего времени работы [1, 2]. Остальная часть времени работы приходится на малые нагрузки, холостой ход и переменные режимы. Длительность работы на режимах холостого хода и малых нагрузок достигает 90 % у маневровых и 60 % у магистральных тепловозов. А принятая в отрасли среднеэксплуатационная экономичность работы тепловоза зависит от экономичности работы дизеля на всех режимах [1].
Переход в работе дизеля с наддувом с расчетного режима полной мощности к малым нагрузкам ведет
не только к утрате высокой удельной топливной экономичности, но и к появлению дымления вследствие ухудшения организации рабочего процесса. В результате усиливается нагарообразование, засоряется смазочное масло нагаром и несгоревшим топливом, что приводит к ускорению износа деталей двигателя. Устранение или хотя бы ослабление этих недостатков работы дизелей является не менее важной задачей, чем обеспечение высокой топливной экономичности на режиме номинальной мощности. Особенно это важно для дизелей вспомогательного флота и манев-ровых тепловозов, где удельный вес затрат на ремонт и техническое обслуживание зани-
