Н.В. Клиначев, Н.Ю. Кулёва, Н.Ю. Сидоренко

Решение задачи синтеза параметров моментного двигателя для векторного электропривода стабилизированной платформы

Составлена совокупность моделей, исполняемая программой Jigrein, позволяющая решать задачу выбора оптимальных параметров синхронного двигателя с постоянными магнитами для безредукторного следящего электропривода.

Ключевые слова: электропривод моментный; векторное управление; вентильный двигатель; СДПМ; оптимизация параметрическая; моделирование движения; Jigrein4WEB; motor control; FOC-control; PMSM; web-based simulation.

Задача повышения качества электроприводов для стабилизированных платформ актуальна в связи с высокими техническими требованиями и жесткими условиями их эксплуатации. Развивается элементная база, появляются новые инструменты разработчика, повышаются требования – необходимо пересматривать существующие решения. Опыт эксплуатации ставит главную цель совершенствующей разработки – отказ от редуктора. В отдельных случаях это возможно. Однако моментный двигатель – изделие дорогое, и, как правило, несерийное. Поэтому допустимы компромиссные решения, допускающие применение двигателей с неоптимальными параметрами. Если же стоит задача ответственной разработки, параметрическая оптимизация необходима – лишь в этом случае разработчик электрической машины получит однозначное техническое задание, а при принятии компромиссного решения будет ясна его цена.

Решать задачу разработки моментной электрической машины для электропривода стабилизированной платформы необходимо в три этапа. На первом этапе фиксируются номинальное напряжение источника питания и механические параметры платформы – момент инерции, активный момент, момент вязкого трения, параметры механического возмущения, отрабатываемый угол, номинальное ускорение инерционной массы. На втором этапе – разрабатывается система управления следящего привода, и синтезируются паспортные параметры моментного двигателя с вариацией для составляющих произведения конструктивного коэффициента и потока ($k∙Φ$), т.е. для вариации числа пар полюсов. На третьем этапе, в соответствии с паспортом и при использовании суперкомпьютера, разрабатывается электрическая машина (СДПМ). Составляется заключение о возможности ее изготовления или предлагается вариант машины с неоптимальными параметрами. Завершает разработку специалист по системам управления. Выполняет поверочный расчет привода с неоптимальной машиной (этап 2) и фиксирует цену её использования (превышения по энергопотреблению и массогабаритным показателям).

Порядок разработки определен техническим уровнем развития инструментов. Вычислительные ресурсы суперкомпьютеров дороги. Расчеты продолжительны. Визуализация полей в трехмерных сетках помогает оптимизировать машину. Но погрешность, связанная со свойствами материалов (для идентификации которых существуют лишь эмпирические методы) остается существенной. Поэтому на третьем этапе разумно выполнять лишь конструктивную оптимизацию машины, а параметрическую – оставить за специалистом по системам управления. Чей инструментарий – математические программы для моделирования поведения сложных технических систем – доступен, хорошо зарекомендовал себя и не требует особых вычислительных ресурсов.

Для выполнения многократной повторной настройки сложной, трехконтурной системы управления (с вариацией параметров объекта) авторами была разработана совокупность моделей [1] и методические рекомендации (позволяющие решить, обозначенную задачу за приемлемый временной интервал). В качестве инструмента – выбрана версия программы Jigrein [2] для веб-платформы (визуализирующая и исполняющая модели в окне браузера). Модели встроены в html-документ, совместно с документирующей составляющей. Задача инженера – в соответствии с техническим заданием, в копии документа, изменить параметры машины, рабочего органа, настроить регуляторы и проанализировать результат. Сценарий настройки системы – шаговый. Инженер последовательно модифицирует каждую модель, перенося результаты настройки предшествующей в последующую.

На первом этапе уточняются энергетические затраты необходимые для разгона инерционных масс с заданным ускорением. Для решения этой задачи предложена модель (чертёж 2), в которой прототип машины (ДПТ) запитан от источника тока и организован релейный реверс. Инженер должен выбрать конструктивный коэффициент ($k∙Φ$), обеспечивающий при номинальной скорости величину противо-эдс в машине равную половине питающего напряжения (согласованный режим работы). И уточняет сопротивление обмотки за вычетом внутреннего сопротивления источника. Номинальное напряжение фазы машины определяется первичным источником (АКБ) с учетом ввода третьей гармоники в трехфазную систему питающих напряжений. Т.е. с учетом применения пространственной векторной модуляции позволяющей увеличить фазное напряжение на 15 % (чертёж 1).

Последующие три этапа (три модели) предполагают последовательную настройку [3] регуляторов контуров тока, скорости и положения (чертёжи 3, 4, 6, соответственно). Рекомендовано использовать частотный метод (ЛАЧХ и ЛФЧХ), позволяющий исключить процедуру распределения контурного коэффициента по модулям системы и сократить время разработки.

Предварительная разработка модели системы управления завершается переходом от эквивалентного ДПТ в приводе к СДПМ (чертёжи 5, 7). Параметры регуляторов подчиненных контуров переносятся без модификаций. Переход сопровождается созданием двух или трех копий модели отражающих возможное количеством пар полюсов СДПМ (чертёж 7), которое должен уточнить разработчик электрической машины (достигая заданный $k∙Φ$).

Отдельное затруднение заключается в том, что разработчик прототипа системы управления для следящего привода должен решить две дополнительные задачи. Во-первых, не путаясь в версиях, контролировать растущее количество файлов моделей. Во-вторых, обеспечить наглядность представления результатов коллегам. Этот вопрос закрывает программа Jigrein – ее модели встраиваются в html-документы. Последние могут быть размещены на веб-сервере. Привычный пользователям механизм гиперссылок позволяет организовать необходимые иерархические связи между ними. А для запуска моделей на рабочих местах предприятия, кроме штатного браузера поддерживающего международный стандарт HTML5, дополнительное программное обеспечение не требуется. Вопрос архивного хранения документов так же имеет решение – html-документы могут быть упакованы в один chm-файл справочной системы ОС Windows, по примеру документации [2] программы Jigrein.

Библиографический список

  1. Клиначев Н.В. Цифровые управляющие системы для электропривода: фрагменты учебного курса. – Website: http://model.exponenta.ru/k2/Jigrein/dcs_knv.htm
  2. Клиначев Н.В. Моделирующая программа Jigrein: Теория, программа, руководство, модели. – Offline версия 1.1.0.4. – Челябинск, 2012. – файлов 169, ил. – Website: http://model.exponenta.ru/k2/20070810.htm
  3. Воронин С.Г. Электропривод летательных аппаратов: Учебно-методический комплекс. – Offline версия 1.0. – Челябинск, 1995-2011. – файлов 489, ил. – Website: http://epla.susu.ac.ru
  4. Шабуров П.О., Маргацкая Е.А. Электропривод клапана выхода аппарата искусственной вентиляции легких. – Электротехнические комплексы и системы: международный сборник научных трудов выпуск 20. – Магнитогорск, МГТУ им. Г.И. Носова. 2012 г. 83-90 с.

Приложение. Совокупность моделей к выполнению типового расчета безредукторного следящего электропривода на синхронном двигателе с постоянными магнитами

Таблица 1
Вариант $U_{dc~buss}$,
В
$ε_0$,
рад·с2
$V_{max}$,
рад·с
$J_{пр}$,
кг·м2
0114433
0214435
0314437
0414329
05143211
06143213
07272230
08272250
09272270
10271190
112711110
122711130

Выбор напряжения питания фазы двигателя

Чертёж 1

Синтез параметров эквивалентного ДПТ

Чертёж 2

Настройка контура регулирования тока якоря ДПТ

Чертёж 3

Настройка контура регулирования скорости вала ДПТ

Чертёж 4

Переход от эквивалентного ДПТ к СДПМ

Чертёж 5

Замыкание и настройка контура обратной связи по положению

Чертёж 6

Чертёж 7. Модель следящего привода с моделью СДПМ (PMSM)
не имеющей перекрестных связей для учета составляющей ЭДС
вызванной потоком статора

В следящем электроприводе типовые режимы работы электрической машины последовательно сменяют друг друга. Это удобно если стоит задача отладки модели машины. Модели электроприводов на чертежах 7, 8 и 9 отличаются лишь версией используемой модели СДПМ (PMSM). На чертеже 7 модель СДПМ не учитывает составляющую ЭДС вызванную потоком обмотки статора (что несущественно уменьшает амплитуду питающего напряжения).

Чертёж 8. Модель следящего привода с моделью СДПМ (PMSM)
составленной с применением неподвижной плоскости координат α-β

Классическая модель СДПМ в неподвижных координатах α-β представлена на чертеже 8. Она незаслуженно редко используется в практике моделирования электроприводов. Существует первое правило разработчика моделей технических систем. Шаг симуляции должен быть либо в два раза меньше либо быть равным самой малой постоянной времени системы. Несоблюдение правила приводит к перегрузке мантиссы математического сопроцессора. α-β-модель СДПМ имеет два апериодических звена, которые обрабатывают ортогональные сигналы одинаковой амплитуды и охвачены дополнительными перекрестными обратными связями. Эта отличительная особенность создает условия для предотвращения численной перегрузки мантиссы сопроцессора при больших величинах шага симуляции.

Чертёж 9. Модель следящего привода с моделью СДПМ (PMSM)
составленной с применением вращающейся плоскости координат d-q

На чертеже 9 представлена модель СДПМ составленная с применением вращающейся плоскости координат d-q. Она так же имеет апериодические звенья с перекрестными связями, но обрабатывают они негармонические ассиметричные сигналы. Описанное выше благоприятное исключение из правила о величине шага симуляции в данном случае не действует.

19.06.2013