CC BY
41
УДК 621.313.323
А. Б. Красовский, С. А. Кузнецов, Ю. В. Трунин
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ АЛГОРИТМА БЕЗДАТЧИКОВОГО УПРАВЛЕНИЯ НА УСЛОВИЯ КОММУТАЦИИ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Рассмотрены особенности коммутационных процессов в вентильно-индукторном двигателе при бездатчиковом управлении. С применением имитационного моделирования определен механизм возникновения аномальных процессов по причине неточного задания формы линии переключения. Теоретические исследования сопоставлены с результатами эксперимента.
E-mail: Krasovsky@bmstu.ru
Ключевые слова: вентильно-индукторный электропривод, бездатчи-ковое управление, линия переключения, имитационное моделирование, аномальные режимы.
Статья посвящена развитию исследований аномальных режимов в вентильно-индукторном электроприводе (ВИП) из-за сбоев в алгоритмах управления [1]. Одна из особенностей ВИП состоит в том, что коммутация фазных обмоток вентильно-индукторного электрического двигателя (ВИД) должна происходить в строго определенных положениях ротора 0ком, которые могут определяться по сигналам реального датчика положения ротора или косвенно одним из известных способов. В дальнейшем для краткости первый вариант управления будем называть датчиковым управлением, второй - бездатчиковым.
Наибольшее распространение получил вариант бездатчикового управления ВИП, основанный на расчетах @ком по текущим значениям фазных токов I$(t) и напряжений U§(t) ВИД. Функциональная схема ВИП при таком управлении рассмотрена в [2]. Положение @ком определяется при равенстве потокосцеплений ^асч(1ф, 0ком) с необходимым его значением в момент коммутации фазы {Рком(1ф,0ком). По-токосцепление ^,асч рассчитывается на основе реальных значений ^(t) и ^(t), сопротивления фазы Яф, а также значений настроечных
(масштабирующих) коэффициентов алгоритма: по напряжению Ки, току К и сопротивлению фазы КЯ:
^расч ^[ВДф (t) - ККкЯф1ф (t)]dt. (1)
Таким образом, регулируемыми параметрами алгоритма являются значения масштабирующих коэффициентов Ки, Кк, К и форма кривой намагничивания ВИД ^ом(/ф, 0ком) при заданном угле коммутации 0ком (линии переключения). Очевидно, что отклонение по тем или иным причинам указанных параметров от расчетных будет приводить к изменению условий коммутации ВИД. Если в результате этого нарушается работоспособность привода, соответствующие режимы его работы можно классифицировать как аварийные.
Ввиду достаточно большого многообразия возможных сочетаний отклонений параметров рассматриваемого алгоритма от расчетных значений рассмотрим сначала влияние только отклонений формы линии переключения, а затем некоторые, по мнению авторов, наиболее неблагоприятные сочетания одновременных отклонений формы линии переключения и настроечных коэффициентов алгоритма бездатчикового управления. Исследования проведены с применением имитационного моделирования в среде МЛТЬЛБ-БГМиЬШК [2], а полученные результаты сопоставлены с экспериментальными данными.
Отклонения формы линии переключения. Для обеспечения нормальной работы ВИП в рассматриваемом алгоритме бездатчико-вого управления в качестве линии переключения ?ком(/ф) стремятся использовать кривую намагничивания ВИД, соответствующую углу поворота ротора в момент коммутации 0ком. Эта кривая отличается от аналогичной кривой в согласованном положения зубцов статора и ротора. Наиболее точно ее можно получить непосредственно путем измерений соответствующих электрических сигналов в фазной обмотке ВИД при угле 0 = 0ком.
Однако для этого необходимы специальные механические приспособления, позволяющие точно измерять и изменять положение ротора относительно статора, а также фиксировать ротор в заданном положении. Поэтому на практике обычно кривую переключения для необходимого угла коммутации 0ком получают расчетным путем на основе измерений в одном или нескольких фиксированных положениях ротора, например, как предложено в [2]. Полученная в результате такого расчета кривая переключения может отличаться от реальной кривой намагничивания ВИД при 0 = 0ком.
Далее рассмотрим тенденции изменения положения коммутации фаз ВИД при отклонении формы кривой линии переключения от заданной, ограничившись при этом только его линейным режимом работы т.е. без насыщения. Тогда линия переключения может быть представлена прямой, а изменение формы линии сводится только к изменению ее наклона.
Примем условно, что линия переключения, совпадающая с кривой намагничивания ВИД при 0 = 0ком и имеющая наклон Аком, может отклоняться как в сторону большего (Л'ком), так и в сторону меньшего (Л"ком) наклона (рис. 1).
Рассмотрим тенденции изменения форм кривых ^ом(0) и ^,асч(0), а также положения коммутации фаз 0ком при увеличении и уменьшении наклона линии переключения относительно исходного положения с наклоном Аком. В результате моделирования установлено, что завышение наклона линии переключения ведет к смещению положения коммутации в сторону запаздывания (рис. 2, а), а занижение -соответственно в сторону опережения (рис. 2, б).
На рисунках сплошными линиями показаны кривые (0*) и ^расч (0*) при верно заданной линии переключения, а пунктиром -
при отклонении ее угла наклона на 25 % в обе стороны относительно исходного положения. Рисунки соответствуют относительно малому падению напряжения на сопротивлении фазы (5 % напряжения на фазе). По мере падения напряжения кривые дополнительно трансформируются.
Одновременное отклонение значений настроечных коэффициентов и формы линии переключения. При одновременном отклонении настроечных коэффициентов Ки, Кл, К (либо только значения КЕ -настроечного коэффициента по ЭДС фазы Е), и формы линии переключения каждому их конкретному сочетанию соответствует свое развитие процессов в ВИП. Причем моделирование показывает, что даже при незначительном, но одновременном изменении параметров алгоритма рассматриваемой бездатчиковой коммутации развитие процессов в ВИП может изменяться кардинально.
1.2 1.4 1.6 1.
а
1.4 1.6
б
Рис. 2. Влияние формы линии переключения на положение коммутации
В этих условиях, чтобы придать определенность названным процессам в ВИП, рассмотрим два типичных для практики случая. Предположим, что в первом из них при отладке привода путем подбора параметров алгоритма бездатчиковой коммутации обеспечена идентичность датчиковому управлению только в некоторой одной рабочей точке. Предположим также, что режим работы привода может изменяться в некоторых пределах относительно этой точки при неизменных параметрах алгоритма. Во втором случае параметры алгоритма бездатчиковой коммутации в разном сочета-
нии принудительно изменяются относительно их исходных (например, единичных) значений для расширения регулировочных возможностей ВИП.
Первый случай. Как следует из [2], изменение значения любого из настроечных коэффициентов Ки, К Кя, а также формы линии переключения позволяет сдвигать положение коммутации @ком фаз ВИД в обе стороны по отношению к исходному положению коммутации. Отсюда можно сделать вывод о том, что даже при неверно заданных значениях этих коэффициентов и искаженной форме линии переключения теоретически всегда можно найти такое их сочетание, при котором в заданной рабочей точке ВИП положение @ком определяется без ошибки.
Однако изменение режима работы привода, например скорости ш или интервала включения фаз увкя, ведет к появлению ошибки при определении положения @ком и соответственно отклонению амплитуд фазных токов от их расчетных значений. Как показали исследования на модели, результатом этого может быть не только отклонение от заданной программы движения электропривода, но и даже срыв коммутации ВИД при наиболее неблагоприятном сочетании параметров ВИП.
Для иллюстрации сказанного рассмотрим условный четырехфаз-ный привод, работающий в некотором исходном режиме с базовой скоростью (ш* = 1), базовым интервалом включения фазы (х*вкл = 1) при единичных значениях коэффициентов Ки, К1, Кя и верно заданной линии переключения. Примем также, что ВИД обладает достаточно высокоомными фазными обмотками и в данном исходном режиме падение напряжения на них 1фЯф составляет условно около 20 % прикладываемого к фазам напряжения.
Форма фазного тока для этого исходного состояния ВИП представлена на рис. 3, где показан сигнал условного датчика положения
иДп , моменты изменения амплитуды которого задают положения коммутации фаз ВИД без ошибки. Заметим, что в данном случае по условию моменты переключений Цщ совпадают с моментами коммутации фаз.
Однако эта же форма тока, как отмечалось выше, может быть получена и при других сочетаниях значений коэффициентов Ки, К, Кя и даже при искаженной форме линии переключения. Причем таких сочетаний теоретически может быть бесконечно много. Моделирование показало, что при каждом таком сочетании и изменении режима работы ВИП относительно исходного режима процессы в нем протекают по-разному. В качестве примера рассмотрим два типичных, на наш взгляд, сочетания (варианта) значений коэффициентов и формы линии переключения, приводящих к принципиально разному развитию процессов в приводе.
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 ©
Рис. 3. Форма фазных токов ВИД при единичных значениях коэффициентов Ки, Кь Кк
Примем, что при первом варианте линия переключения искажена в сторону увеличения ее крутизны на 25 % по отношению к исходной линии переключения. При сочетании значений коэффициентов Ки = = 0,7, К = 0,6, Кя = 0,55 (определено подбором) и скорости а* = 1 имеем такую же форму тока, как и в исходном режиме (рис. 4). Однако моделирование показало, что при увеличении скорости в 3 раза положение коммутации сдвигается в сторону опережения на некоторый угол Ау упр. В результате имеем форму тока, изображенную на рис. 4, а сплошной линией. Для сравнения на том же рисунке пунктиром показана кривая фазного тока, которая соответствует этой же скорости, но при верно заданных значениях коэффициентов алгоритма и форме линии переключения. Как видно, в данном случае имеем режим устойчивой коммутации ВИД, но амплитуда фазного тока возросла почти на 70 %.
При уменьшении же скорости в 2 раза по отношению к исходному режиму (а* = 0,5) с той же формой линии переключения и теми же значениями коэффициентов (Ки = 0,7, К = 0,6, Кя = 0,55) режим устойчивой коммутации, как показано на рис. 4, б, нарушается. На этом рисунке, как и ранее, пунктиром выделена кривая фазного тока при указанной скорости, но при единичных значениях коэффициентов Ки, К Кя и верно заданной линии переключения. Как видно, здесь уже положения коммутации фаз определяются таким образом, что ошибка в сторону отставания коммутации имеет место в каждой второй включаемой фазе. В результате эти фазы включаются со значительным запаздыванием, что соответствующим образом сказывается на выходных параметрах ВИП.
^дп!
75 ©
7.5 ©
б
Рис. 4. Первый вариант развития аномального режима ВИП при одновременных отклонениях линии переключения и значений коэффициентов Ки, Кь К
Теперь, во втором варианте, примем, что линия переключения искажена в сторону уменьшения ее крутизны также на 25 %. Подбором коэффициентов, как и прежде, найдено одно из их сочетаний (Ки = = 0,7, К = 1,1, Кя = 0,13), при котором при скорости шШ = 1 форма фазных токов такая, как показано на рис. 3. При увеличении скорости до шШ = 3, как и ранее, имеем режим устойчивой коммутации, но в отличие от ситуации, представленной на рис. 4, положение коммутации всех фаз смещается в строну отставания (рис. 5) с соответствующим уменьшением амплитуды фазных токов. Пунктирная кривая отражает характер изменения тока при «правильной» коммутации фаз на этой скорости, которая совпадает с аналогичной пунктирной кривой на рис. 4, а.
а
Рис. 5. Второй вариант развития аномального режима ВИП при одновременных отклонениях линии переключения и значений коэффициентов Ки, Кь Кк
Таким образом, проведенный анализ подтверждает высказанное ранее предположение о том, что при одинаковых условиях коммутации ВИД в датчиковом и бездатчиковом режимах коммутации его фаз в некоторой одной рабочей точке привода, но при неверно заданных параметрах алгоритма бездатчиковой коммутации с изменением, например скорости, эта идентичность нарушается вплоть до развития аномальных режимов.
Второй случай наиболее сложен для анализа. Здесь при произвольном изменении параметров алгоритма бездатчиковой коммутации имеем наибольшее многообразие принципиально разных вариантов развития процессов в ВИП. Обратим внимание лишь на одно, на наш взгляд, неочевидный факт явного сбоя в алгоритме коммутации ВИД.
Моделирование показало, что среди всевозможных сочетаний параметров коммутации и режимов работы ВИП имеются такие, при которых в определенных рабочих точках привода устойчивость режима бездатчиковой коммутации нарушается. При этом незначительное изменение режима работы привода (например, скорости) или изменение хотя бы одного из параметров алгоритма (например, значения любого коэффициента) приводит к восстановлению устойчивой коммутации ВИД.
В качестве примера на рис. 6 приведены графики фазных токов ВИД в одном из таких аномальных режимов, полученных моделированием четырехфазного привода при а* = 0,68, Ки = 0,8, К) = 1,0 Кк = 1,0 и искажении формы линии переключения в сторону увеличения ее крутизны. Как видно, среди практически однотипных кривых фазного тока в зонах I и III в зоне II графика наблюдается импульс тока со значительно большей амплитудой. Этот рисунок
внешне напоминает аналогичные рисунки, приведенные ранее в работе [2]. Однако соотношение параметров коммутации и соответственно конечная причина появления аномального режима здесь иная.
4 G 8 10 12 14 1G 18 20 22 0
Рис. 6. Аномальный режим работы ВИП при произвольном изменении параметров алгоритма бездатчиковой коммутации
В данном случае так же, как и в работе [2], режим коммутации неустойчив и каждый ее новый цикл последовательно сдвигается в сторону генераторного режима работы ВИД. Всплеск тока возникает также при переходе ВИД в генераторный режим. Однако сдвиг цикла коммутации здесь происходит в области относительно низких, а не высоких скоростей и при большем токе. Поэтому сравнение ^асч(0) и ^сОм(0) и коммутация фаз ВИД происходят не в пределах «мертвой зоны» линии переключения, а на более высоком уровне. Как отмечалось, изменение скорости и любого из параметров алгоритма приводит к восстановлению режима устойчивой коммутации с амплитудой фазного тока, близкой к амплитуде тока в зонах I и III графика на рис. 6.
Выводы. 1. Ошибки при определении формы линии переключения либо неточное ее задание в алгоритме бездатчикового управления ВИП приводят к смещению положений коммутации фаз ВИД в сторону как запаздывания, так и опережения по отношению к расчетному положению коммутации.
2. Наибольшее влияние изменения формы линии переключения на условия коммутации ВИД оказывает в сочетании с отклонением значений настроечных коэффициентов алгоритма Ки, Kr, К от их расчетных значений.
3. При наиболее неблагоприятном сочетании параметров алгоритма возможно развитие аномальных процессов в приводе, проявляющееся либо в срыве процесса коммутации ВИД (например, в
нарушении последовательности чередования коммутируемых фаз), либо в резком, иногда даже многократном, превышении тока в одной из фаз двигателя над его расчетным значением.
Статья поступила в редакцию 10.11.2011
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Красовский А. Б. Аномальные режимы в вентильно-индукторном электроприводе при датчиковом варианте управления // Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. - 2003. № - 2. - С. 85 - 103.
2. Красовский А. Б. Применение имитационного моделирования для исследования вентильно-индукторного электропривода //Электричество. - 2003.-№ 3. - С. 35 - 45.
3. Дроздов П.А. Разработка новых алгоритмов управления вентильно-индукторных электроприводов: Автореферат дис.... канд. техн. наук. - М., 2002.
