Д.В. Коробатов
г. Челябинск, ФГБОУ ВПО ЮУрГУ

Управляемый Синхронный режим
в энергосберегающем вентильном электроприводе

Как правило, в безредукторном электроприводе предъявляются повышенные требования к пульсациям электромагнитного момента и частоты вращения электродвигателя, особенно, при низкой частоте вращения рабочего органа. Как показано в [1], для снижения пульсаций момента и частоты вращения в вентильном электроприводе, необходимо перейти от дискретной позиционной коммутации, обеспечивающей конечный набор положений вектора МДС статора, к позиционной модуляции вектора МДС статора. В современном электроприводе эта задача решается с помощью организации так называемого векторного управления, обеспечивающего не только плавный поворот вектора МДС, но и решение целого ряда других задач управления [2]. Однако, для решения всего комплекса задач векторного управления, требуется достаточно сложная, а значит, и достаточно дорогая аппаратно-программная платформа. Желание максимально упростить и удешевить реализацию электропривода, сохранив при этом высокую энергоэффективность, привело к созданию рассматриваемого способа управления с использованием особенностей синхронного режима вентильного электродвигателя (ВД) при наличии только трех дискретных датчиков Холла, обеспечивающих позиционную коммутацию.

Электромеханический преобразователь (ЭМП) вентильного электродвигателя является, по своей сути, синхронной электрической машиной, поэтому, синхронный режим работы является для него наиболее естественным. В этом режиме электромагнитный момент, развиваемый ЭМП, определяется выражением:

(1)

$M=KΦ\cosΘ$,

где $K$ – конструктивный коэффициент; $Φ$ – магнитный поток в воздушном зазоре ЭМП; $Θ=Θ_с-Θ_р$ – угол нагрузки, определяемый положением ротора относительно вращающегося поля статора; $Θ_р$ – угол поворота ротора; $Θ_с$ – угол поворота вектора поля статора. Анализируя (1), несложно убедиться, что при отклонении угла нагрузки относительно нулевого значения (в пределах $\pm 0,5π$), возникает приращение электромагнитного момента ЭМП, стремящееся вернуть ротор в исходное положение, соответствующее $Θ=0$. Другими словами, внутри ЭМП уже имеется контур регулирования угла $Θ$, причем жесткость регулирования пропорциональна конструктивному коэффициенту $K$ и величине потока $Φ$, которая, в свою очередь, пропорциональна величине тока в обмотках ЭМП – обмотке статора и обмотке возбуждения при ее наличии. Таким образом, если сформировать вращающееся поле статора по закону

(2)

$Θ_с=ω_{зад}+Θ_0$,

где $ω_{зад}$ – заданная частота вращения ротора; $Θ_0$ – начальное значение угла на МКИ, и обеспечить выполнение условия:

(3)

$-π/2≤Θ≤π/2$,

то получим стабилизированный по частоте вращения электропривод с астатизмом по скорости. При этом величина пульсаций мгновенной скорости зависит от колебаний момента сопротивления вращению и может быть уменьшена путем увеличения тока в обмотках ЭМП.

С другой стороны, увеличение тока будет снижать энергетическую эффективность привода. Поэтому, при уменьшении момента нагрузки необходимо уменьшать ток статора для сохранения эффективности ЭМП и наоборот, увеличивать ток при увеличении момента нагрузки во избежание выхода ЭМП из синхронизма. Для решения этой задачи предлагается включить в систему управления контур регулирования тока статора. С точки зрения реализации очень удобен тот факт, что постоянная времени контура регулирования тока может быть достаточно большой, это даже необходимо, чтобы процесс регулирования тока не отражался на колебаниях мгновенной скорости. Следовательно, интервал временной дискретности в контуре регулирования тока вполне может быть привязан к интервалу между сигналами от дискретных датчиков Холла. Основная задача контура регулирования тока – поддержание такого тока в обмотке статора, который бы обеспечивал среднее значение угла нагрузки равным 90 эл. град.:

(4)

$Θ_{ср} ≈ π/2$,

при этом мгновенное значение, может существенно колебаться, как следует из (3). Следует отметить, что классический алгоритм позиционной коммутации [3] также обеспечивает выполнение равенства (4), но только другим путем – подстройкой вектора поля статора под положение ротора, а это не обеспечивает стабилизации скорости.

Основная проблема при организации управления ВД по дискретным датчикам Холла – слишком большая дискретность поступления информации. Однако, как будет показано далее, этот недостаток вполне преодолим. Рассмотрим реализацию предлагаемого алгоритма в пределах одного межкоммутационного интервала (МКИ). Начальное положение вектора поля статора для подстановки в (2) может быть сформировано в соответствии с известными законами позиционной коммутации [3], т.е. выбрано из ряда {$F_0, F_{60}, F_{120}, F_{180}, F_{240}, F_{300}$}, где индекс соответствует угловому положению вектора МДС статора. Далее будем вращать вектор статора с заданной скоростью, и предположим, что ротор ВД вращается вслед за полем статора с той же скоростью (установившийся режим). Следующая «контрольная точка» алгоритма наступит либо когда переключится датчик Холла, либо при выполнении условия: $Θ_с ≥ π/3$,
т.е. когда наступит ожидаемый конец МКИ, назовем этот момент концом «первого контрольного интервала». Очевидно, что в первом случае также выполняется условие $Θ < π/2$ и ток статора необходимо уменьшать, а во втором – выполняется условие $Θ ≥ π/2$ и ток статора необходимо увеличивать для достижения условия (4). Алгоритм может быть записан так:

(5)

где $I_с^{пред}$ – значение тока статора на предыдущем интервале управления; $k_{I1}$ – коэффициент усиления контура регулирования тока в синхронном режиме. Подчеркнем, что информация для управления при таком алгоритме будет получена даже в том случае, если ни один из датчиков Холла не переключился на первом контрольном интервале. Также отметим, что изменяя значение заданного угла нагрузки, можно реализовать режим «ослабления поля» в двигателях с магнитоэлектрическим возбуждением, скорректировать неточности установки датчиков Холла, а также подобрать оптимальный угол нагрузки с учетом индуктивности обмотки статора.

Теперь предположим, что ротор ВД вращается со скоростью, отличающейся от синхронной (переходный режим, возникший в результате колебаний нагрузки или изменения заданной скорости), или вообще не вращается (пусковой режим). Для классического синхронного привода такой режим соответствует выходу из синхронизма и потере работоспособности. В предлагаемом алгоритме эта проблема решается переходом в режим, близкий к позиционной коммутации, который может быть назван режимом синхронизации. Допустим, что скорость ротора меньше синхронной, и увеличение тока статора в соответствии с (5) не привело к синхронизации с вращающимся полем статора. Тогда с течением времени угол нагрузки будет увеличиваться и его можно оценить по известному положению вектора поля статора и факту отсутствия переключений датчиков Холла к моменту окончания «второго контрольного интервала», достигаемого при некотором критическом значении угла нагрузки $Θ_{кр}$. При дальнейшем увеличении угла нагрузки (при выходе за границы второго контрольного интервала) возможно нарушение условия (3), т.е. выход из синхронизма, поэтому в этом случае будем принудительно синхронизировать поле статора с положением ротора, т.е. принудительно устанавливать начальное значение угла для выражения (2), дополнительно увеличивая значение тока статора при этом. То же самое можно сделать и в том случае, когда скорость ротора больше заданной (режим торможения). Однако это нерационально с точки зрения энергетической эффективности привода. В этом случае гораздо эффективнее использовать режим динамического торможения, вообще не потребляя при этом энергию источника питания. Тогда, чтобы не произошло выхода ЭМП из синхронизма, алгоритм (5) должен быть дополнен:

(6)

где $U_с$ – напряжение на обмотке статора; $k_{I2}$ – коэффициент усиления контура тока в режиме синхронизации, определяющий время синхронизации. Таким образом, даже если датчики Холла не переключились и на втором контрольном интервале, то информация, необходимая для управления все равно будет получена и ЭМП не выйдет из синхронизма.

Описанный алгоритм внедрен в электроприводе компрессора аппарата искусственной вентиляции легких (ИВЛ), обеспечивая относительные пульсации частоты вращения менее 1,5% в диапазоне частот от 10 мин-1 до 1000 мин-1. Следует особо отметить, что применение нового алгоритма позволило удовлетворить жесткие требования по стабилизации частоты вращения и энергопотреблению (электропривод ИВЛ питается от автономного источника), недостижимые со старым алгоритмом, без какой-либо доработки аппаратной части, рассчитанной лишь на позиционную коммутацию обмоток статора ВД. Более того, из электропривода удалось исключить энкодер, используемый ранее как датчик обратной связи по частоте вращения в контуре стабилизации.

Источники информации

  1. Коробатов, Д.В. Методика уменьшения пульсаций момента вентильного двигателя при несинусоидальном распределении поля. / Д.В. Коробатов, С.Г. Воронин // Механика и процессы управления: труды XXXVI уральского семинара. – Екатеринбург: УрО РАН, 2006. – Т. 1. – С. 284–291.
  2. Коробатов, Д.В. Способы реализации векторного управления вентильным электродвигателем / Д.В. Коробатов, Н.Ю. Сидоренко // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». – 2004. – вып. 5. – № 4(33). – С. 84-88.
  3. Воронин С.Г. Электропривод летательных аппаратов: Конспект лекций. – Челябинск: Издательство ЮУрГУ, 2006 – Ч.1 – 171с.

20.02.2012