РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С УЛУЧШЕННЫМИ ДИНАМИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ НА БАЗЕ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

Оглавление 3
Введение 5
1. Анализ состояния теоретических исследований и практических
разработок современных электроприводов на базе синхронных двигателей с постоянными магнитами 11
1.1. Особенности использования электроприводов на базе
синхронных электродвигателей с постоянными магнитами 11
1.2. Методы управления синхронными двигателями с
постоянными магнитами 18
1.3. Выводы по главе 26
2. Математическое описание синхронного электропривода 29
2.1. Методы математического описания 29
2.2. Математическое описание синхронного электродвигателя с
постоянными магнитами 33
2.3. Существующие системы управления электроприводом на
базе синхронного двигателя с постоянными магнитами 41
2.3.1. Полеориентированное управление электроприводом на
базе синхронного двигателя с постоянными магнитами 41
2.3.2. Прямое управление моментом электроприводом на базе
синхронного двигателя с постоянными магнитами 45
2.4. Выводы по глав е 49
3. Разработка алгоритмов управления синхронным двигателем с
постоянными магнитами 50
3.1. Постановка задачи 50
3.2. Управление с использованием широтно-импульсной
модуляции 56
3.3. Управление с непосредственным управлением состоянием
ключей 62
3.4. Выводы по главе 66
4. Исследование алгоритмов управления синхронным двигателем с
постоянными магнитами 67
4.1. Исследование алгоритмов управления на базе ШИМ
инвертора 67
4.2. Исследование алгоритма управления на базе инвертора с
непосредственным управлением ключами 83
4.3. Сравнительный анализ различных способов управления. 91
4.4. Выводы по главе 97
5. Эспериментальные исследования на лабораторном стенде
электропривода на базе синхронного двигателя с постоянными магнитами 99
5.1. Общие сведения о лабораторной экспериментальной
установке 99
5.2. Экспериментальные исследования 111
5.2.1. Исследование адекватности имитационной модели ...111
5.2.2. Исследование влияния «мёртвого времени» при
различной частоте ШИМ 112
5.2.3. Исследование оптимизации регулятора тока в
электроприводе с ШИМ 1 18
5.2.4. Выводы по главе: 122
Заключение 123
Список литературы 125
Приложение 143

Купить

Использование синхронных двигателей с постоянными магнитами является одним из перспективных направлений развития электропривода. Данные двигатели уже сейчас выпускаются в очень большом диапазоне мощностей, от единиц ватт до десятков мегаватт. Преимуществом этих двигателей перед другими типами двигателей является: малые габариты, возможность работать с высокой угловой скоростью, малый момент инерции ротора, малые электромеханическая и электромагнитная постоянные времени, что позволяет реализовать на их базе высокодинамичные регулируемые электропривода.
Перечисленные достоинства синхронных двигателей с постоянными магнитами делают их применение привлекательными в различных областях, в том числе и в робототехнике, где требуется сочетание таких качеств, как высокий момент, малые масса и габариты, высокое быстродействие.
Если массогабаритные показатели синхронных двигателей с постоянными магнитами формируются на стадии проектирования двигателя, то динамические характеристики определяются в большой степени системой управления. Существенный вклад в создание и усовершенствование СДПМ и электрических приводов на их основе занимались и занимаются многие российские и зарубежные ученые А. К. Аракелян, А. А. Дубенский, О. Г. Вегнер, И. А. Вевюрко, Д. А. Завалишин, А. А. Глотов, Д. В. Корельский, И. Е. Овчинников, В. В. Панкратов, Г. Г. Соколовский, В. А. Флоренцев, Т. Д. Батзел, С. Боючикер, Г. А. Саролино, Н. Габраил, А. Глюмианю, Д. Греинер, Ф. Е. Хюссин, Е. Кадиаппан, Ж. Х. Кан, Д. Х. Ким, Р. Мохамед, Ю. А. Мохамед, Ж. С. Мореира, П. Пиллаю, М. Рахман, Д. Тодд, М. Н. Уддин, П. Вас, Л. Зонг, и многие другие.
Как показывает анализ имеющихся работ, при разработке систем управления СДПМ возникает противоречие между быстродействием электропривода и уровнем пульсаций электромагнитного момента.
Большой объем научных работ в данном направлении и тот факт, что интенсивность публикаций до настоящего времени не снижается, говорит о том, что вопрос разработки алгоритмов управления синхронным двигателем с постоянными магнитами до сих пор окончательно не решен и является актуальным.
Объектом исследования является электропривод на базе синхронного двигателя с постоянными магнитами для высокодинамичного технологического оборудования.
Предметом исследования являются алгоритмы управления электроприводом с СДПМ и его динамические характеристики
Целью диссертационной работы является улучшение динамических характеристик контур а регулирования момента электропривода на базе синхронного двигателя с постоянными магнитами для повышения быстродействия электропривода.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать алгоритмы управления электроприводом с СДПМ, обеспечивающие высокое быстродействие и низкий уровень пульсаций электромагнитного момента.
2. Создать имитационную модель регулируемого электропривода на базе синхронного двигателя с постоянными магнитами, для исследования электропривода в динамических режимах с разработанными алгоритмами управления.
3. Провести анализ влияния времени дискретизации системы управления электроприводом на величину пульсаций электромагнитного момента.
4. Создать экспериментальную установку, провести
экспериментальные исследования электропривода на базе СДПМ с различными алгоритмами управления в динамических режимах и оценить полученные результаты.
Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись теоретические и экспериментальные методы исследований. При теоретических исследованиях использованы: математическая модель двигателя, базирующаяся на преобразованиях Парка - Горева, теория электрических машин и электрического привода, методы обобщенной электрической машины, математического анализа, компьютерного и математического моделирования.
Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждается корректностью поставленных задач, обоснованностью принятых допущений и адекватностью используемой при исследовании математической модели, применением широко известной среды моделирования Simulink пакета Matlab, проверкой результатов на экспериментальной установке, качественным и количественным сопоставлением данных теоретических исследований с экспериментальными данными.
Научная новизна диссертационной работы заключается в
следующем:
1. Выявлены закономерности формирования знаков производных электромагнитного момента и модуля вектора потокосцепления статора синхронного электродвигателя с постоянными магнитами, позволяющие обеспечить эффективное управление электроприводом с СДПМ.
2. Получен алгоритм при непосредственном управлении ключами инвертора электроприводом на базе синхронного двигателя с постоянными магнитами, отличающийся тем, что он обеспечивает высокое быстродействие при относительно низком уровне пульсаций электромагнитного момента.
3. Установлена взаимосвязь между максимально возможной амплитудой пульсаций электромагнитного момента СДПМ, временем дискретизации системы управления и параметрами двигателя, определяющая условия применения алгоритмов управления в реальном времени.
Практическая ценность работы:
На основании предложенных в работе алгоритмов для системы управления электроприводом на базе синхронного двигателя с постоянными магнитами разработаны:
• Компьютерная программа моделирования в среде Matlab, позволяющая проводить исследования динамических и статических режимов электропривода;
• Программное обеспечение для системы управления, реализованной на серийно выпускаемом современном цифровом сигнальном микроконтроллере, электроприводом на базе синхронного двигателя с постоянными магнитами. 

качественную и количественную оценку результатов теоретических исследований.
Реализация результатов работы.
Результаты исследований внедрены в ООО НПФ «Мехатроника - Про» и в учебный процесс кафедры электропривода и электрооборудования (ЭПЭО) ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», а также использовались в научно-исследовательских работах кафедры ЭПЭО ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» при создании и разработке перспективных регулируемых электроприводов для робототехнических комплексов и высокодинамичного технологического оборудования, что подтверждено соответствующими актами.
На защиту выносятся:
1. Аналитические выражения, позволяющие построить алгоритмы формирования вектора напряжения статора, необходимые для р егулир ов ания модуля вектора потокосцепления статор а и электромагнитного момента синхронного электродвигателя с постоянными магнитами;
2. Алгоритмы управления состоянием синхронного двигателя с постоянными магнитами, обеспечивающие формирование максимально возможных величин производных момента и потокосцепления, с учетом ограничений по напряжению для получения максимального быстродействия;
3. Результаты сравнения статических и динамических характеристик электропривода на базе синхронного двигателя с постоянными магнитами управляемого при помощи разработанных алгоритмов с классическими алгоритмами управления - полеориентированного и прямого управления моментом по быстродействию и пульсациям момента.
4. Функциональная зависимость между временем дискретизации системы управления электропривода на базе синхронного электродвигателя с постоянными магнитами, его параметрами и возможным уровнем пульсаций электромагнитного момента.

Купить