• Tutorial

- Что такое векторное управление?
- Держать ток под 90 градусов.

Термин «векторное управление» электродвигателями знаком всем, кто хоть как-то интересовался вопросом, как с помощью микроконтроллера управлять двигателем переменного тока. Однако обычно в любой книге по электроприводу глава про векторное управление находится где-нибудь ближе к концу, состоит из кучи волосатых формул с отсылками ко всем остальным главам книги. Отчего разбираться в этом вопросе совсем не хочется. И даже самые простые объяснения всё равно держат путь через дифференциальные уравнения равновесия, векторные диаграммы и кучу другой математики. Из-за чего появляются примерно вот такие вот попытки как-то закрутить двигатель без использования мат.части. Но на самом деле векторное управление – это очень просто, если понимать принцип его работы «на пальцах». А там уже и с формулами разбираться в случае надобности будет веселее.

Принцип работы синхронной машины

Рассмотрим принцип работы самого простого двигателя переменного тока – синхронной машины с постоянными магнитами. Удобный пример – компас: его магнитная стрелка представляет из себя ротор синхронной машины, а магнитное поле Земли – магнитное поле статора. Без внешней нагрузки (а в компасе её нет, если не считать трение и жидкость, гасящую колебания стрелки) ротор всегда ориентируется по полю статора. Если мы будем держать компас и вращать под ним Землю, то стрелка будет крутиться вслед, совершая работу по перемешиванию жидкости внутри компаса. Но есть и чуть более простой способ – можно взять внешний магнит, например, в виде стержня с полюсами на концах, поле которого значительно сильнее магнитного поля Земли, поднести его к компасу сверху и вращать магнит. Стрелка будет двигаться вслед за вращающимся магнитным полем. В настоящем синхронном двигателе поле статора создается электромагнитами – катушками с током. Схемы обмоток там сложные, но принцип один – они создают статором магнитное поле, направленное в нужную сторону и имеющее нужную амплитуду. Посмотрим на следующий рисунок (Рисунок 1). В центре изображен магнит – ротор синхронного двигателя («стрелка» компаса), а по бокам два электромагнита – катушки, создающие каждая свое магнитное поле, одна в вертикальной оси, другая в горизонтальной.

Рисунок 1. Принцип действия синхронной электрической машины

Магнитный поток катушки пропорционален току в ней (в первом приближении). Нас будет интересовать магнитный поток от статора в том месте, где расположен ротор, т.е. в центре рисунка (краевыми эффектами, рассеянием и всем прочим пренебрегаем). Магнитные потоки двух перпендикулярно расположенных катушек векторно складываются, образуя для взаимодействия с ротором один общий поток. Но так как поток пропорционален току в катушке, удобно рисовать непосредственно вектора токов, сонаправив их с потоком. На рисунке показаны некоторые токи I α и I β , создающие магнитные потоки по осям α и β соответственно. Суммарный вектор тока статора I s создает сонаправленый ему магнитный поток статора. Т.е. по сути I s символизирует внешний магнит, который мы подносили к компасу, но созданный электромагнитами – катушками с током.
На рисунке ротор расположен в произвольном положении, но из этого положения ротор будет стремиться повернуться согласно магнитному потоку статора, т.е. по вектору I s (положение ротора в этом случае показано пунктирной линией). Соответственно, если подать ток только в фазу α , скажем, I α = 1А, ротор встанет горизонтально, а если в β, вертикально, а если приложить I β = -1А то перевернется на 180 градусов. Если запитать ток I α по закону синуса, а I β по закону косинуса от времени, то будет создано вращающееся магнитное поле. Ротор будет следовать за ним и крутиться (как стрелка компаса следует за вращением магнита руками). Это базовый принцип работы синхронной машины, в данном случае двухфазной с одной парой плюсов.
Давайте нарисуем график момента двигателя в зависимости от углового положения вала ротора и вектора тока I s статора – угловую характеристику синхронного двигателя. Эта зависимость синусоидальная (Рисунок 2).

Рисунок 2. Угловая характеристика синхронной машины (здесь есть некоторая историческая путаница со знаками момента и угла, из-за чего часто рисуют характеристику перевернутой относительно горизонтальной оси).

Чтобы получить этот график на практике, можно поставить на вал ротора датчик вращающего момента, затем включить любой вектор тока, например, просто подать ток в фазу α. Ротор повернется в соответствующее положение, которое нужно принять за ноль. Потом через датчик момента «руками» нужно поворачивать ротор, фиксируя на графике в каждой точке угол θ , на который повернули, и момент, который показал датчик. Т.е. нужно растягивать «магнитную пружину» двигателя через датчик момента. Самый большой момент окажется при угле в 90 градусов от вектора тока (от начала). Амплитуда получившегося максимального момента М макс пропорциональна амплитуде приложенного вектора тока. Будет приложен 1А, получим, скажем, М макс = 1 Н∙м (ньютон*метр, единица измерения вращающего момента), если подадим 2А, получим М макс = 2 Н∙м.

Из этой характеристики следует, что двигатель развивает наибольший момент, когда ротор находится под 90° к вектору тока. Так как мы при создании системы управления на микроконтроллере хотим получить от двигателя наибольший момент при минимуме потерь, а потери, в первую очередь, это ток в обмотках, то рациональнее всего ставить вектор тока всегда под 90° к магнитному полю ротора, т.е. перпендикулярно магниту на рисунке 1. Нужно поменять всё наоборот – не ротор едет к задаваемому нами вектору тока, а мы задаем вектор тока всегда под 90° к ротору, как бы он там не вращался, т.е. «прибить» вектор тока к ротору. Регулировать же момент двигателя будем амплитудой тока. Чем больше амплитуда – тем выше момент. А частота вращения, частота тока в обмотках это уже «не наше» дело – какая получится, как ротор будет вращаться, так и будет – мы управляем моментом на валу. Как ни странно, именно это и называется векторным управлением – когда мы управляем вектором тока статора так, чтобы он был под 90° к магнитному полю ротора. Хотя некоторые учебники дают более широкие определения, вплоть до такого, что векторным управлением называют вообще любые законы управления, где задействованы «вектора», но обычно под векторным управлением понимается именно приведенный выше способ управления.

Строим структуру векторного управления

Но как векторное управления достигается на практике? Очевидно, для начала понадобится знать положение ротора, чтобы было относительно чего отмерять 90°. Это проще всего сделать установив, собственно, датчик положения на вал ротора. Потом нужно разобраться, как создать вектор тока, поддерживая желаемые токи в фазах α и β . На двигатель-то мы прикладываем напряжение, а не ток… Но раз мы хотим что-то поддерживать, то нужно это измерять. Поэтому для векторного управления понадобятся датчики токов фаз. Далее нужно собрать структуру векторного управления в виде программы на микроконтроллере, которая будет делать всё остальное. Чтобы такое объяснение не было похоже на инструкцию «как нарисовать сову», давайте продолжим погружение.
Поддерживать ток микроконтроллером можно использовав программный ПИ (пропорционально-интегральный) регулятор тока и ШИМ. Например, структура с регулятором тока для одной фазы α показана ниже (Рисунок 3).

Рисунок 3. Замкнутая по току структура управления для одной фазы

Здесь задание тока i α_зад – некая константа, тот ток, который мы хотим поддерживать для этой фазы, например 1А. Задание поступает на сумматор регулятора тока, раскрытая структура которого показана выше. Если читатель не знает, как работает ПИ-регулятор – то увы и ах. Могу лишь посоветовать что-то из этого . Регулятор тока на выходе задает напряжение фазы U α . Напряжение поступает на блок ШИМ, который рассчитывает задания скважностей (уставок сравнения) для таймеров ШИМ микроконтроллера, формирующих ШИМ на мостовом инверторе из четырех ключей, чтобы сформировать это U α . Алгоритм может быть разный, например, для положительного напряжения ШИМим правой стойкой пропорционально заданию напряжения, на левой замкнут нижний ключ, для отрицательного ШИМим левой, на правой замкнут нижний. Не забываем добавить мёртвое время! В итоге такая структура делает программный «источник тока» за счет источника напряжения: мы задаем нужное нам значение i α_зад , а данная структура с определенным быстродействием его реализует.

Дальше, возможно, некоторые читатели уже подумали, что до векторной структуры управления осталось дело за малым – нужно поставить два регулятора тока, на каждую фазу по регулятору, и формировать на них задание в зависимости от угла с датчика положения ротора (ДПР), т.е. сделать что-то типа такой структуры (Рисунок 4):

Рисунок 4. Неправильная (наивная) структура векторного управления

Так делать нельзя. При вращении ротора переменные i α_зад и i β_зад будут синусоидальными, т.е. задание на регуляторы тока будет всё время меняться. Быстродействие регулятора не бесконечно, поэтому при изменении задания он не мгновенно его отрабатывает. Если задание постоянно менять, то регулятор будет всё время его догонять, никогда не достигая. И с ростом скорости вращения двигателя отставание реального тока от заданного будет всё больше и больше, пока желаемый угол в 90° между током и магнитом ротора совсем не перестанет на него быть похожим, а векторное управление не перестанет быть таковым. Поэтому делают по-другому. Правильная структура следующая (Рисунок 5):

Рисунок 5. Структура векторного датчикового управления для двухфазной синхронной машины

Здесь добавились два блока – БКП_1 и БКП_2: блоки координатных преобразований. Они делают очень простую вещь: поворачивают вектор на входе на заданный угол. Причем БПК_1 поворачивает на +ϴ , а БКП_2 на -ϴ . Это вся разница между ними. В иностранной литературе их называют преобразованиями Парка (Park transformation). БКП_2 делает преобразование координат для токов: от неподвижных осей α и β , привязанных к статору двигателя, к вращающимся осям d и q , привязанных к ротору двигателя (используя для этого угол положения ротора ϴ ). А БКП_1 делает обратное преобразование, от задания напряжения по осям d и q делает переход к осям α и β . Формул для преобразования координат не привожу, но они простые и очень легко ищутся. Собственно, в них нет ничего сложнее школьной геометрии (Рисунок 6):

Рисунок 6. Координатные преобразования из неподвижных осей α и β, привязанных к статору двигателя, к вращающимся осям осям d и q , привязанных к ротору

То есть вместо «вращения» задания регуляторов (как было в прошлой структуре), вращаются их входы и выходы, а сами регуляторы работают в статическом режиме: токи d , q и выходы регуляторов в установившемся режиме постоянны. Оси d и q вращаются вместе с ротором (так их вращает сигнал с датчика положения ротора), при этом регулятор оси q регулирует как раз тот ток, который в начале статьи я называл «перпендикулярным полю ротора», то есть это моментообразующий ток, а ток d сонаправлен с «магнитом ротора», поэтому он нам не нужен и мы задаём его равным нулю. Такая структура избавлена от недостатка первой структуры – регуляторы токов даже не знают, что что-то где-то крутится. Они работают в статическом режиме: отрегулировали каждый свой ток, вышли на заданное напряжение – и всё, как ротор от них не убегай, они про это даже не узнают: всю работу по повороту делают блоки координатных преобразований.

Для объяснения «на пальцах» можно привести какую-нибудь аналогию.

Для линейного движения пусть это будет, например, городской автобус. Он всё время то разгоняется, то тормозит, то едет назад и вообще ведёт себя как хочет: это ротор двигателя. Также есть вы на автомобиле рядом, едете параллельно: ваша задача быть ровно посредине автобуса: «держать 90°», вы – это регуляторы тока. Если автобус все время меняет скорость – вы тоже должны соответственно менять скорость и всё время её отслеживать. Но теперь сделаем для вас «векторное управление». Вы залезли внутрь автобуса, встали посередине и держитесь за поручень – как автобус не убегай, вы легко справляетесь с задачей «быть посередине автобуса». Аналогично и регуляторы токов, «катаясь» во вращающихся осях d, q ротора, живут легкой жизнью.

Приведенная выше структура действительно работает и используется в современных электроприводах. Только в ней не хватает целой кучи мелких «улучшалок», без которых её уже не принято делать, типа компенсации перекрестных связей, разных ограничений, ослабления поля и т.п. Но базовый принцип именно такой.

А если нужно регулировать не момент привода, а всё-таки скорость (по правильному угловую скорость, частоту вращения)? Ну тогда ставим еще один ПИ-регулятор – регулятор скорости (РС). На вход подаем задание скорости, а на выходе имеем задание момента. Так как ток оси q пропорционален моменту, то можно для упрощения выход регулятора скорости подать сразу на вход регулятора тока оси q , вот так (Рисунок 7):

Рисунок 7. Регулятор скорости для векторного управления
Здесь ЗИ – задатчик интенсивности, плавно изменяет свой выход, чтобы двигатель разгонялся с нужным темпом, а не гнал на полном токе до задания скорости. Текущая частота вращения ω взята из обработчика датчика положения ротора, так как ω это производная от углового положения ϴ . Ну или можно просто время между импульсами датчика засекать…

Как сделать тоже самое для трехфазного двигателя? Ну, собственно, ничего особенного, добавляем еще один блок и меняем модуль ШИМ (Рисунок 8).

Рисунок 8. Структура векторного датчикового управления для трехфазной синхронной машины

Трехфазные токи, точно так же как и двухфазные, служат для одной цели – создать вектор тока статора I s , направленный в нужную сторону и имеющий нужную амплитуду. Поэтому трехфазные токи можно просто пересчитать в двухфазные, а дальше оставить ту же систему управления, что уже была собрана для двухфазной машины. В англоязычной литературе такой «пересчёт» называют преобразованиями Кларк – Clarke transformation (Эдит Кларк – это она), у нас - фазными преобразованиями. В структуре на рисунке 8, соответственно, эта операция производится блоком фазных преобразований. Делаются они опять при помощи курса школьной геометрии (Рисунок 9):

Рисунок 9. Фазные преобразования – из трех фаз к двум. Для удобства принимаем равенство амплитуды вектора I s амплитуде тока в фазе

Думаю, комментарии не нужны. Немного слов про ток фазы C. Туда можно не ставить датчик тока, так как три фазы двигателя соединены в звезду, и по закону Кирхгофа всё, что втекло через две фазы, должно вытечь из третьей (если, конечно, у вас в двигателе не пробита изоляция, и половина не утекла куда-то на корпус), поэтому ток фазы C вычисляют как скалярную сумму токов фаз A и B со знаком минус. Хотя третий датчик иногда ставят чтобы снизить погрешность измерений.

Также нужна полная переделка модуля ШИМ. Обычно для трехфазных двигателей используют трехфазный шестиключевой инвертор. На рисунке задание напряжения поступает всё ещё в двухфазных осях. Внутри модуля ШИМ с помощью обратных фазных преобразований можно пересчитать это в напряжения фаз A, B, C, которые надо приложить в этот момент к двигателю. А вот что делать дальше… Возможны варианты. Наивный метод – это задать на каждую стойку инвертора скважность, пропорциональную желаемому напряжению плюс 0.5. Это называется синусоидальной ШИМ. Именно такой метод применил автор в habrahabr.ru/post/128407 . В этом методе всё хорошо, кроме того, что таким методом будет недоиспользован инвертор по напряжению – т.е. максимальное напряжение, которое будет получено, окажется меньше, чем вы могли бы получить, если бы использовали более совершенный метод ШИМ.

Посчитаем. Пусть у вас есть классический преобразователь частоты, питающийся от промышленной трехфазной сети 380В 50Гц. Здесь 380В это линейное (между фазами) действующее напряжение. Так как в преобразователе стоит выпрямитель, он выпрямит это напряжение и на шине постоянного тока окажется напряжение, равное амплитудному линейному напряжению, т.е. 380∙√2=540В постоянного напряжения (по крайней мере без нагрузки). Если мы применим синусоидальный алгоритм расчета в модуле ШИМ, то амплитуда максимального фазного напряжения, которое получится у нас сделать, окажется равной половине от напряжения на шине постоянного тока, т.е. 540/2=270В. Пересчитаем в действующее фазное: 270/√2=191В. А теперь в действующее линейное: 191∙√3=330В. Теперь можем сравнить: вошло нам 380В, а вышло 330В… И больше с этим типом ШИМ никак нельзя. Для исправления этой проблемы используется так называемый векторный тип ШИМ. В нем на выходе будут снова 380В (в идеальном случае без учета всех падений напряжения). Метод векторной ШИМ никакого отношения к векторному управлению электродвигателем не имеет. Просто в его обосновании снова используется немного школьной геометрии, поэтому он и называется векторным. Однако его работу на пальцах не объяснить, поэтому отправлю читателя к книжкам (в конце статьи) или к википедии . Могу еще привести картинку, которая немного намекает на разницу в работе синусоидальной и векторной ШИМ (Рисунок 10):

Рисунок 10. Изменение потенциалов фаз для скалярной и векторной ШИМ

Виды датчиков положения

Кстати, а какие датчики положения используются для векторного управления? Чаще всего используются четыре типа датчиков. Это квадратурный инкрементальный энкодер, датчик на основе элементов Холла, абсолютный датчик положения и сельсинный датчик.
Квадратурный энкодер не выдает абсолютного положения ротора – по своим импульсам он позволяет лишь определить, сколько вы проехали, но не куда и откуда (как начало и конец связаны с расположением магнита ротора). Поэтому для векторного управления синхронной машиной сам по себе он не подходит. Немного спасает ситуацию его реперная метка (индекс) – она одна на механический оборот, если до неё доехать, то абсолютное положение становится известно, а от неё можно уже отсчитывать сколько проехали квадратурным сигналом. Но как до этой метки доехать в начале работы? В общем, это не всегда удобно.
Датчик на основе элементов Холла – это грубый датчик. Он выдает всего несколько импульсов на оборот (в зависимости от кол-ва элементов Холла, для трехфазных двигателей их обычно три, т.е. шесть импульсов), позволяя знать положение в абсолютной величине, но с низкой точностью. Точности обычно хватает, чтобы держать угол вектора тока так, чтобы двигатель по крайней мере ехал вперед, а не назад, но момент и токи будут пульсировать. Если двигатель разогнался, то можно начать программно экстраполировать сигнал с датчика по времени – т.е. строить из грубого дискретного угла линейно изменяющийся угол. Это делается на основе предположения, что двигатель вращается с примерно постоянной скоростью, как-то так (Рисунок 11):

Рисунок 11. Работа датчика положения на элементах Холла для трехфазной машины и экстраполяция его сигнала

Часто для серводвигателей используется сочетание энкодера и датчика Холла. В этом случае можно сделать единый программный модуль их обработки, убирая недостатки обоих: делать экстраполяцию угла, приведенную выше, но не по времени, а по меткам с энкодера. Т.е. внутри от фронта до фронта датчика Холла работает энкодер, а каждый фронт Холла чётко инициализирует текущее абсолютное угловое положение. В этом случае неоптимальным (не под 90°) окажется лишь первое движение привода, пока он не доехал до какого-нибудь фронта датчика Холла. Отдельную проблему в этом случае представляет обработка неидеальности и того и другого датчика - симметрично и равномерно элементы Холла редко кто располагает…

В еще более дорогих применениях используют абсолютный датчик положения с цифровым интерфейсом (абсолютный энкодер), который сразу выдает абсолютное положение и позволяет не испытывать описанных выше проблем.

Если в электродвигателе очень жарко, а также когда требуется повышенная точность измерения угла, используют «аналоговый» сельсинный датчик (резольвер, вращающийся трансформатор). Это маленькая электрическая машина, используемая как датчик. Представьте, что в рассмотренной нами синхронной машине на рисунке 1 вместо магнитов стоит еще одна катушка, на которую мы подаем высокочастотный сигнал. Если ротор стоит горизонтально, то сигнал наведется только в катушку статора фазы α , если вертикально – то только в β , если перевернуть его на 180 – то изменится фаза сигнала, а в промежуточных положениях наводится и туда и сюда по закону синуса/косинуса. Соответственно, измеряя амплитуду сигнала в двух катушках, по соотношению этой амплитуды и по фазовому сдвигу можно также определять положение. Установив такую машину как датчик к основной, можно узнавать положение ротора.
Есть еще много экзотических датчиков положения, особенно для сверхвысокоточных применений, например, для изготовления электронных чипов. Там в ход идут уже любые физические явления, чтобы только узнать положение наиболее точно. Их рассматривать не будем.

Упрощение векторного управления

Как вы поняли, векторное управление достаточно требовательное – и датчиков положения ему наставь, и датчиков тока, и ШИМ ему векторную, и микроконтроллер не абы какой, чтобы всю эту математику обсчитывать. Поэтому для простых применений его упрощают. Для начала можно исключить датчик положения, сделав бездатчиковое векторное управление. Для этого используют немного больше математической магии, находящейся в желтом прямоугольнике (Рисунок 12):

Рисунок 12. Структура бездатчикового векторного управления

Наблюдатель – это такой блок, на который подается информация о приложенном к двигателю напряжении (например, из задания на модуль ШИМ) и о токах в двигателе с датчиков. Внутри наблюдателя работает модель электродвигателя, которая, грубо говоря, пытается подстроить свои токи в статоре под измеренные с реального двигателя. Если у неё это получилось, то можно считать, что и положение моделируемого внутри вала ротора тоже совпадает с реальным и им можно пользоваться для нужд векторного управления. Ну это, конечно, совсем упрощённо. Видов наблюдателей таких – не пересчитать. Каждый аспирант по специальности «электропривод» пытается изобрести именно свой, который чем-то лучше других. Основной принцип – отслеживание ЭДС электродвигателя. Поэтому чаще всего бездатчиковая система управления работоспособна только на относительно высокой частоте вращения, где ЭДС большая. А также имеет еще ряд недостатков по сравнению с наличием датчика: нужно знать параметры двигателя, быстродействие привода ограничено (если частота вращения резко меняется, наблюдатель может не успеть её отследить и какое-то время «врать», а то и «развалиться» совсем), настройка наблюдателя – это целая процедура, для его качественной работы нужно точно знать напряжение на двигателе, точно измерять его токи и т.п.

Есть и другой вариант упрощения. Например, можно сделать так называемую «автокоммутацию». В этом случае для трехфазного двигателя отказываются от сложного метода ШИМ, отказываются от сложной векторной структуры и начинают просто включать фазы двигателя по датчику положения на элементах Холла, даже иногда без всякого токоограничения. Ток в фазах получается не синусоидальный, а трапецеидальный, прямоугольный или еще более искаженный. Но стараются сделать так, чтобы средний вектор тока был всё равно под 90 градусов к «магниту ротора» выбором момента включения фаз. При этом, включая фазу под напряжение, неизвестно, когда же в фазе двигателя нарастет ток. На низкой частоте вращения он это делает быстрее, на высокой, где мешает ЭДС машины, медленнее, еще темп нарастания тока зависит от индуктивности двигателя и т.п. Поэтому, даже включая фазы точно в нужный момент времени, совсем не факт, что средний вектор тока окажется в нужном месте и с нужной фазой – он может как опережать, так и запаздывать относительно оптимальных 90 градусов. Поэтому в таких системах вводят настройку «опережения коммутации» – по сути просто время, насколько раньше нужно на фазу двигателя подавать напряжение, чтобы в итоге фаза вектора тока получилась более близка к 90 градусам. По-простому это называют «настройка таймингов». Так как ток в электродвигателе при автокоммутации не синусоидальный, то, если взять рассмотренную выше синусоидальную машину и управлять ей таким вот образом, момент на валу будет пульсировать. Поэтому в двигателях, предназначенных для автокоммутации, часто специальным образом меняют магнитную геометрию ротора и статора, чтобы они стали более подходящими к такому типу управления: ЭДС таких машин делают трапецеидальной, благодаря чему в режиме автокоммутации они работают лучше. Синхронные машины, оптимизированные для автокоммутации, получили название бесколлекторных двигателей постоянного тока (БДПТ) или по-английски BLDC (Brushless Direct Current Motor). Режим автокоммутации также часто называют вентильным режимом, а двигатели с ним работающие – вентильные. Но это всё просто разные названия, ничем не влияющие на суть (но матёрые электроприводчики часто страдают СПГС в вопросах, связанных с этими названиями). Есть неплохое видео, иллюстрирующее принцип работы таких машин. На нем показан обращенный двигатель, где ротор снаружи, а статор внутри:

А вот есть курс статей по таким двигателям и аппаратной части системы управления.

Можно пойти даже на еще большее упрощение. Коммутировать обмотки так, чтобы одна фаза всё время оказывалась «свободна» и к ней не прикладывался ШИМ. Тогда в ней можно измерять ЭДС (наведенное в катушке фазы напряжение), и, когда это напряжение переходит через ноль, использовать это как сигнал датчика положения ротора, потому что фаза этого наведенного напряжения зависит как раз от положения ротора. Получается бездатчиковая автокоммутация, что широко используется в различных простеньких приводах, например, в «регуляторах» для пропеллеров авиамоделей. При этом надо помнить, что ЭДС машины появляется только на относительно высокой частоте вращения, поэтому для старта такие системы управления просто не спеша перебирают фазы, надеясь, что ротор двигателя будет следовать за подаваемым током. Как только ЭДС появилась, включается режим автокоммутации. Поэтому бездатчиковая система (такая простая, да и сложная чаще всего тоже) не подходит для задач, где двигатель должен уметь развивать момент на околонулевых частотах вращения, например, для тягового привода автомобиля (или его модели), сервопривода какого-то механизма и т.п. Зато бездатчиковая система с успехом подходит для насосов и вентиляторов, где как раз и применяется.

Но иногда делают даже и еще большее упрощение. Можно совсем отказаться от микроконтроллера, ключей, датчиков положения и прочего, осуществляя переключение фаз специальным механическим коммутатором (Рисунок 13):

Рисунок 13. Механический коммутатор для переключения обмоток

При вращении ротор сам переключает свои части обмоток, меняя приложенное к ним напряжение, при этом ток в роторе протекает переменный. Коммутатор располагают таким образом, чтобы магнитный поток ротора и статора снова оказывался близким к 90 градусам, дабы достичь максимума момента. Такие двигатели по наивности называют двигателями постоянного тока, но совершенно незаслуженно: внутри-то, после коллектора, ток всё равно переменный!

Заключение

Все электрические машины работают схожим образом. В теории электропривода даже существует понятие «обобщенная электрическая машина», к которой сводят работу других. Показанные в статье объяснения «на пальцах» никоим образом не могут служить практическим руководством к написанию кода микроконтроллера. В статье рассмотрен хорошо если один процент информации, которая требуется для реализации настоящего векторного управления. Чтобы сделать что-то на практике, нужно, во-первых, знать ТАУ , хотя бы на уровне понимания, как работает ПИ-регулятор. Потом нужно всё-таки изучить математическое описание как синхронной машины, так и синтеза векторного управления. Также изучить векторную ШИМ, узнать, что такое пары полюсов, познакомиться с типами обмоток машин и прочее. Это можно сделать в свежей книге «Анучин А. С. Системы управления электроприводов. МЭИ, 2015 », а также в «Калачев Ю. Н. Векторное регулирование (заметки практика) ». Следует предостеречь читателя от погружения в формулы «старых» учебников по приводу, где основной упор сделан на рассмотрение характеристик электродвигателей при питании напрямую от трехфазной промышленной сети, без всяких микроконтроллеров и датчиков положения. Поведение двигателей в этом случае описывается сложными формулами и зависимостями, но для задачи векторного управления они почти никакой пользы не несут (если только изучить для саморазвития). Особенно следует с осторожностью относиться к рекомендациям старых учебников, где, например, сказано, что синхронная машина не должна работать на максимуме своего момента, так как там работа неустойчива и грозит опрокидыванием – для векторного управления всё это «вредные советы».

На каком микроконтроллере можно сделать полноценное векторное управление, читайте, например, в нашей статье Новый отечественный motor-control микроконтроллер К1921ВК01Т ОАО «НИИЭТ» , а как это отлаживать в статье Способы отладки ПО микроконтроллеров в электроприводе . Также заходите на наш сайт: там, в частности, выложено два занудных видео , где показано на практике, как настроить ПИ-регулятор тока, а также как работает замкнутая по току и векторная бездатчиковая структура управления. Кроме того, можно приобрести отладочный комплект с готовой датчиковой векторной структурой управления на отечественном микроконтроллере.

Продолжение статьи, где рассказано про асинхронные двигатели .

P.S.
У специалистов прошу прощения за не совсем корректное обращение с некоторыми терминами, в частности с терминами «поток», «потокосцепление», «магнитное поле» и другими – простота требует жертв…

Теги: Добавить метки

Векторное управление (ВУ) основано на том, что контролируется не только величина (модуль) управляемой координаты, но и ее пространс-твенное положение (вектор) относительно выбранных осей координат.

Рис. 8.28.Схема частотного ЭП на основе АИТ (а) и зависимостьтока статора от частоты тока в роторе (б)

Для реализации ВУ осуществляется контроль мгновенных величин напряжения, тока и потокосцепления. Путем математических преоб-разований асинхронный двигательАД, характеризуемый большим количеством нелинейных перекрестных связей, можно представить линейной моделью с двумя каналами управления –- моментом и потоком. Подобное удобство управления требует многократных преобразований координат ЭП, что не является препятствием, учитывая современный уровень развития МП техники.

Для понимания сущности ВУ воспользуемся принципиальной схемой двухфазной двухполюсной обобщенной машины (рис. 8.29), к которой может быть приведена симметричная машина, имеющая m-фазную обмотку статора и я-фазную обмотку ротора.

Рис. 8.29. Принципиальная схема двухполюсной двухфазной обобщенной машины: 1 –- статор; 2 –- ротор

Допустим, что система координат вращается в пространстве с произвольными действительнаядействительной,и- мнимой осями, уравнения будут иметь следующий вид:

, (8.27)

где u S , Щ,i S , i 2 ,ψ S , ψ 2 \j7-s>V2 -– соответственно векторы напряжений, токов и потокосцеплений статора 1 и ротора 2; j –- обозначение мнимой оси; Z n - – число пар полюсов; L m –-взаимная индуктивность между обмотками статора и ротора; / 2 - комплексно-со­пряженный вектор i-i; 1т- мнимая часть комплексной перемен­ной;ωю к –- угловая скорость ротора. Потокосцепления равны

, (8.29)

где L s (L sa +L m) и L 2 (L 2 <, +L m) – индуктивности фазных обмоток соответст-венно статора и ротора.

Рис. 8.30.Схема частотного ЭП на основе АИТ (а) и зависимостьтока статора от частоты тока в роторе (б)

Уравнения (8.27) можно записать, используя проекции обобщенных векторов на оси координат и, v, т.е. в скалярной форме:

В зависимости от используемых переменных состояния АД уравне-ния момента могут иметь различную форму. Кроме приведенного урав-нения (8.28), применяют следующие выражения электромагнитного момента:

Уравнения обобщенной машины для системы координат uv(8.27) могут быть записаны в любой системе координат. Выбор координатных осей зависит от типа машины (синхронная, асинхронная) и целей иссле-дования. Применение нашли следующие системы координат: непод-вижная система координат ар (©к = 0); синхронная система координат АУ (сок = соо) и система координатdq,вращающаяся вместе с ротором (со к = со). Взаимное расположение век-торов переменного АД приведено на рис. 8.30.

Переход от уравнений обобщенной машины (8.27), (8.28) к урав-нениям реального трехфазного АД осуществляется с помощью урав-нений координатных преобразованийе.9 М - угол момента, q> - угол между векторами тока и напряжения). О, = в м + ф - угол вектора напряжения (XY); 6« = 9„ + 8 V - угол вектора тока. Формулы координатных преобра-зований получены при условии постоянства мощности обеих машин. Они могут быть получены для любых переменных, записанных в любых осях.

Преобразования реальной машины к обобщенной называются пря-мыми, а преобразования обобщенной машины к реальной – -обратными. Например, формулы прямого преобразования фазных напря-жений ста-тора u sa , Щь, u sc к уравнениям и т, и$ в осях ар векторной диаграммы имеют вид:

Для рассмотрения векторного управления выбирается система координат XY, вращающаяся в пространстве со скоростью поля, т.е. о) к = соо, за последнюю принимается скорость вектора потокосцепления ротора. \j/2- Скорости вращения векторов напряжения, тока и потокосцепления одина­ковы лишь в установившихся режимах, а в переходных процессах они различны. Принцип векторного управления заключается в том, что

Рис. 8.30. Взаимное расположение векторов переменного АДВекторная диаграмма: % = 8 2 + в г - угол потока.

Формулы обратного преобразования

Usb =(~Usa+А/ЗU45)/ 2, U sc =(-М ю -л/ЗUф)/ 2. (8.33)

вектор переменной (тока, напряжения и т.д.) располагают в пространст-ве определенным образом. Наиболее эффективно расположить вектор потокосцепления vj7 2 вдоль вещественной оси Xсинхронной системы коор-динат, вращающейся со скоростью поля тогда . При этом уравнения АД с короткозамкнутым ротором имеют вид

0= -ω 2 + R 2 K 2 i sy ,

M э = 3/2 Z II K 2 ψ 2 i sy . (8.34)

где К 2 = L s - Кг L m ; Кг = Ь т /Ьг, сог = соо - со - частота скольжения или частота тока ротора.Анализируя уравнения (8.34), можно заметить их некоторое сходствос уравнениями ДПТ: момент в (8.34) пропорционален потоко-сцеплению ротора и составляющей вектора тока статора i sy , а потоко-сцепление пропорционально составляющей i sx /и. Это дает возможность, подобно ДПТ, раздельно управлять потоком и моментом, т.е. принцип ВУ приближает АД с его синусоидальными переменными к ДПТ. ВУ позволяет использовать при синтезе методы подчиненного регули-рования, широко распространенные в ЭПх постоянного тока. Различие (не в пользу ВУ) состоит в том, что независимое управление потоком, моментом и скоростью осуществляется не реальными переменными двигателя, а преобразованными к иной системе координат.

2. При частоте вращения 810 мин -1:

Функциональная схема векторного управления АД рис. 8.31: з –- задание; У –- управление; ОС –- обратная связь по скорости; с –- скорость; / I –- ток; х, у – -принадлежность переменных к синхронной системе координат; αа, β р–- принадлежность переменных к неподвижной системе координат; ф – потокосцепление; а, Ьb,с – индексы фаз.

Рис. 8.31.Функциональная схема векторного управления АД

Схема выполнена на основе принципа подчиненного регулирования и содержит три контура:

1) скорости (внешний); содержит датчик скорости BR и регулятор скорости вращения (момента) AR;

2) потокосцепления (магнитного потока) с регулятором потока Av|/Uψ и каналом ОС, имеющим выходную величину щ;

3) активной^и реактивной 4е составляющей вектора тока статора с регу-ляторами АА2 и АА1.

Сигнал ОС по току статора осуществляется датчиком тока UA, который измеряет фазные токи двигателя в двух фазах, например А и В, и вырабатывает сигналы u ia и ы,*. Для преобразования этих сигналов к неподвижной системе координат служит функциональный преобразователь U1, работающий в соответст­вии с формулами (8.32) прямых координатных преобразований cosф = U фо /U ф, которые в преобразователе А2 позволяют перейти от непод-вижных координат а р αβк координатам XYпо noследующим формулам:

u iβ =1/√3 (u iα +u ib).

Измерение потокосцепления может производиться с помощью различных устройств, например измерительной обмоткой укладываемой в теже пазы, что и силовая обмотка. Наибольшее распространение полу-чили датчики Холла, помещаемые в воздушный зазор двигателя. Сигна-лы датчика Uy преобразуются в функциональном преобразователе U2 по формулам (8.32) в сиг­налы и фа и Ыфр неподвижной системы координат. Полу-ченные величины необходимо преобразовать к системе координат XY вращающейся в пространстве со скоростью поля двигателя.

С этой целью в пореоброазователе D выделяется модуль потокосцеп-ления ротора

в виде соответствующего сигнала и ф

Сигналы напряжения и фа, « фр, Uix , u iy пропорциональны соответствующим физичес-ким величинам.

На вход регулятора потокосцепления UψАу подается разность сиг-налов задания потокосцепления м зф и ОС м ф, т.е. «у.Ф = "з.ф - м Ф, а на выходе Ау формируется сигнал задания тока статора по оси X, т.е. u 3 ix . Разность сигналов u 3 ix - Uix, проходя че­рез регулятор тока АА1, превращается в сигнал и* ы.Аналогичные преобразования имеют место в канале управления по оси Y, заза исключением того, что здесь установлен регулятор скорости (момента) AR, выходной сигнал которого делится на сигнал модуля потокосцепления Uψм ф для получения сигнала задания тока и по оси Y. На выходе регулятора АА2 составляющей тока статора по оси Г вырабатывается сигнал и! у, который вместе с сигналом и,* подается на входы Бблока А1, функционируетющего в соответствии с первыми двумя уравнениями (8.34). На выходе блока А1 получаем пре-образованные сигналыи х и щ, в которых отсутствует взаимное влияние кон-туров регулирования составляющих токов по осям XylY. Управляющие сигналы и х и и у, записанные во вращающейся системе координат XY, в координатном преобразователе A3 превращаются в сигналы управления ПЧ в неподвижной системе координат аВ αβпо уравнениям

U ix = u iα cosφ + u iβ sinφ,;

U yα = u x cosφ - u y sinφ,

U yβ = u x cosφ - u y sinφ. (8.36)

Для управления силовыми ключами ПЧ в трехфазной системе координат необходимо с помощью АЧ получить сигналы иу а U Уа, U У b иуь, U У c му с в соответствии с формулами обратного преобразования (8.33):

Благодаря координатным преобразованиям в системе векторного управления ЧЭП выделяют два канала регулирования: потокосцепления (магнитного потока) и скорости вращения (момента). В этом смысле система векторного управления аналогична ЭП постоянного тока с двухзонным регулированием скорости.

Для многократного преобразования координат ЭП в соответствии с приведенными выше формулами служат специализированные микро контроллеры класса DSP, работающие в режиме реального времени. Это позволяет получить глубокорегулируемые ЭП с высоким быстродейст-вием, используя асинхронный короткозамкнутый двигатель.

Существует множество структурных решений векторного управле-ния. Функциональная схема ВУ АД рис. 8.31 относится к классу прямого ВУ, при котором непосредственно измеряется по-токосцепление (магнит-ный поток). При косвенном ВУ измеряют положение ротора АД и электрические параметры (ток, напряжение). Такие системы получили большое распространение по двум причинам:

1) измерение потока трудоемко;

2) датчик положения необходим во многих промышленных ЭП (например,позиционный ЭП станков с ЧПУ и автоматиче­ских манипуляторов).

Если нет необходимости измерять положение ротора, применяют так называемое «бездатчиковое» ВУ (датчик положения ротора отсутст-вует),что требует более сложных вычислительных процедур.

Рис. 8.32.Схема подключения комплектного ЭП.

ЭП с ВУ обеспечивает широкий диапазон регулирования скорости (до 10 000) и во многих случаях заменяет широкорегулируемый ЭП с коллекторными ДПТ.

Схема комплектного ЭП рис. 8.32 изготавливаемого многими предприятями содержит: клеммы силовые: R, S, T (LI, L2, L3) –- клеммы питания; U, V, W (Tl, T2, ТЗ) –- выход преобразователя частоты; PD, Р –- подключение дросселя в промежуточном звене постоянного тока; Р, RB–- внешний тормозной резистор; Р, N –- внешний модуль торможения; G–- защитное заземление.

Клеммы управления: L –- клемма «общий» для аналоговых входов и выходов; Н –- питание потенциометра задания частоты; О –- клемма установки выходной частоты напряжением; 01, 02 –- дополнительная клемма установки выходной частоты соответственно током и напряже-нием; AM –- импульсный выход (напряжение); AMI –- аналоговый выход (ток); Р24 –- клемма питания; СМ1, ПС, 12С, AL0 –- клемма «общий»; PLC –- общая клемма для внешнего источника питания; FW–- прямое вращение; 1, 2, 3, 4, 5 –- программируемые дискретные входы; ПА –- клемма программируемого выхода 11; 12А –- клемма программируемого выхода 12; AL1, AL2 –- реле сигнализации; ТН –- вход термистора.

Клеммы управления: L - клемма «общий» для аналоговых входов и выходов; Н - питание потенциометра задания частоты; О - клемма установки выходной частоты напряжением; 01, 02 - дополнительная клемма установки выходной частоты соответст­венно током и напряжением; AM - импульсный выход (напря­жение); AMI - аналоговый выход (ток); Р24 - клемма питания; СМ1, ПС, 12С, AL0 - клемма «общий»; PLC - общая клемма для внешнего источника питания; FW - прямое вращение; 1, 2, 3, 4, 5 - программируемые дискретные входы; ПА - клемма программируемого выхода 11; 12А - клемма программируемого выхода 12; AL1, AL2 - реле сигнализации; ТН - вход термистора.

Контрольные вопросы

1. Покажите вращающееся магнитное поле при симметричном пи­тании при числе фаз, отличном от трех, например при т = 2, т = 6.

2. Каковы негативные последствия регулирования скорости напря­жением в цепи статора при длительном режиме работы?

3. Для каких механизмов предпочтительно регулирование скорости изменением напряжения?

4. По какой причине частотное регулирование скорости АД является наиболее экономичным?

5. Должно ли регулироваться напряжение при регулировании час­тоты и почему?

6. Какие ограничения имеются при регулировании частоты АД сверх- номинального значения?

7. Какие типы преобразователей частоты для питания АД вы знаете? Приведите формы напряжения на двигателе.

8. Какие способы коммутации тиристоров вы знаете?

9. Какими способами осуществляется регулирование напряжения статических преобразователей?

10. В чем существенное различие инверторов тока и напряжения?

11. Возможно ли рекуперативное торможение в системе частотного ЭП? Что для этого нужно в системе АИН-АД и системе НПЧ-АД?

12. Возможно ли получение частоты питания АД выше частоты сети в системе НПЧ-АД?

13. Какие комплектные частотные ЭП вы знаете?

14. Каково назначение конденсатора в звене постоянного тока в преобразователе частоты на основе автономного инвертора напряжения при работе на АД?

15. Сравните значение коэффициента мощности для частотного ЭП с АД при питании от автономного инвертора напряжения и для АД при питании от сети (при одинаковых значениях частоты и нагрузки).

16. Какие системы координат применяются при векторном управ-лении?

17. Для чего при векторном управлении необходимо преобразование переменных из одной системы координат в другую?

18. Возможно ли векторное управление без датчиков магнитного по­тока АД?

19. Нарисуйте схему системы тиристорный регулятор напряжения – -асинхронный электродвигатель (система ТРН- – АД).

20. Как будут изменяться механические характеристики АД при изменении угла управления ТРН?

21. В каких пределах может изменяться момент сопротивления на валу электродвигателя в системе ТРН- – АД? Нарисуйте примерную об-ласть его допустимых значений на графиках механических характерис-тик.

22. Нарисуйте схему включения дополнительного резистора в роторную цепь АД при импульсном регулировании.

23. Каким образом изменяются потери энергии в АД с импульсным регулированием добавочного резистора при регулировании скорости АД?

24. Нарисуйте примерный вид механических характеристик АД с импульсным регулированием добавочного резистора при разных значе-ниях скважности коммутации тиристоров.

25. Объясните принцип действия асинхронного вентильного каскада (АВК).

26. Покажите на графике, как будут изменяться механические харак-теристики АВК при изменении угла опережения инвертора.

27. Каким образом должно изменяться напряжение на статоре АД при изменении частоты в случае разных законов изменения момента сопротивления от скорости?

28. Покажите примерный вид механических характеристик при частотном регулировании скорости в случае, если момент сопро-тивления не зависит от скорости.

29. Назовите, какие типы ТПЧ применяются при частотном регули-ровании скорости АД. В случае какого ТПЧ возможно регулирование скорости только в области ее малых значений.

30. В чем заключается смысл «векторного управления» АД?

33.Трехфазный 4-полюсный АД, обмотка статора которого соединена в «звезду», имеет следующие номинальные данные: Р 2 =11,2 кВт, п= 1500 мин -1 , U=380 В,f=50 Гц. Заданы параметры двигателя:r=0,66 Ом,; r 2 ’ = 0,38 Ом, х= 1,14 Ом, х" 2= 1,71 Ом, х m = 33,2 Ом. Двигатель регулируется одновременным изменением напряжения и частоты. Отношение напряжения к частоте поддерживается постоянным и равным отношениюих номинальных значений.

34.Рассчитайте максимальный момент М max и соответствующую ему; скорость w m ах для частот 50 и 30 Гц.

35.Повторите п. 1, пренебрегая сопротивлением статора (r = 0).

Всякое изменение или поддержание постоянной скорости электропривода обеспечивает целенаправленное регулирование момента, развиваемого двигателем. Момент формируется в результате взаимодействия потока (потокосцепления), создаваемого одной частью двигателя с током в другой части и определяется векторным произведением этих двух пространственных моментообразующих векторов. Поэтому величину развиваемого двигателем момента определяют модули каждого вектора и пространственный угол между ними.

При построении систем скалярного управления контролировались и регулировались только численные значения (модули) моментообразующих векторов, но не контролировалось их пространственное положение. Принцип векторного управления заключается в том, что система управления контролирует численное значение и положение в пространстве друг относительно друга моментообразующих векторов. Отсюда задача векторного управления состоит в определении и принудительном установлении мгновенных значений токов в обмотках двигателя таким образом, чтобы обобщенные векторы токов и потокосцеплений занимали в пространстве положение, обеспечивающее создание требуемого электромагнитного момента .

Электромагнитный момент, создаваемый двигателем:

где м - конструктивный коэффициент; , 2 - пространственные

векторы токов или потокосцеплений, образующие момент; X - пространственный угол между моментообразующими векторами.

Как следует из (6.53), минимальные значения токов (потокосцеплений), образующих момент, будут для требуемого значения момента, если векторы х и 2 перпендикулярны друг другу, т.е. Х = °.

В системах векторного управления нет необходимости определять абсолютное пространственное положение векторов, и 2 по отношению к осям статора или ротора. Нужно определить положение одного вектора относительно другого. Поэтому один из векторов принимают за базовый, а положение другого контролирует угол X.

Исходя из этого, при построении систем векторного управления целесообразно исходить из математического описания электромагнитных и электромеханических процессов, выраженных в координатах, привязанных к базовому вектору (координаты и- v). Такое математическое описание приведено в § 1.6.

Если принять за базовый вектор и направить ось координат и по этому вектору, то, исходя из (1.46), получим следующую систему уравнений:

В этих уравнениях? v = , так как вектор совпадает с осью координат и.

На рис. 6.31 представлена векторная диаграмма токов и потоко- сцеплений в осях и - v ^ориентацией координаты и по вектору по- токсцепления ротора. Из векторной диаграммы следует, что

Рис. Б.31. Векторная диаграмма потокосцеплений и токов в осях u-v при М

При постоянстве (или медленном изменении) потокосцепления ротора d"V u /dt= в результате чего i и = и Г = yji u +i v = i v

При этом вектор тока ротора Г перпендикулярен потокосцеп- лению ротора. Поскольку поток рассеяния ротора 0 существенно меньше потока в зазоре машины Ч, т то при постоянстве потокосцепления ротора можно считать, что проекция вектора тока статора на ось координат v i v равна |/"| или /

Достоинством принятой системы координат u-v для построения системы векторного регулирования момента и скорости асинхронного двигателя является то, что момент двигателя (6.54) определяется как скалярное произведение двух взаимоперпендикуляр- ных векторов: потокосцепления ротора *Р и активной составляющей тока статора Такое определение момента, характерное, например, для двигателей постоянного тока независимого возбуждения, наиболее удобно для построения системы автоматического регулирования.

Система векторного управления. Структурная схема такого управления строится, исходя из следующих принципов:

• ? двухканальная система регулирования состоит из канала стабилизации потокосцепления ротора и канала регулирования скорости (момента);
• ? оба канала должны быть независимы, т.е. изменение регулируемых величин одного канала не должно влиять на другой;
• ? канал регулирования скорости (момента) управляет составляющей тока статора / v . Алгоритм работы контура регулирования момента как и в системах подчиненного регулирования скорости двигателей постоянного тока (см. § 5.6) - выходной сигнал регулятора скорости является заданием на момент двигателя. Разделив значение этого задания на модуль потокосцепления ротора и получим задание на составляющую тока статора i v (рис. 6.32);
• ? каждый канал содержит внутренний контур токов / v и i и с регуляторами токов, обеспечивающими необходимое качество регулирования;
• ? полученные значения токов i v и i и посредством координатных преобразований переводятся в значения i а и / р двухфазной неподвижной системы координат а - (3 и затем в задание реальных токов в обмотках статора в системе трехфазных координат а-Ь-с;
• ? необходимые для вычислений и формирования обратных связей сигналы скорости, угла поворота ротора, токов в обмотках статора измеряются соответствующими датчиками и затем с помощью обратных координатных преобразований переводятся в значения этих величин, соответствующих координатным осям u-v.

Рис.

Такая система регулирования обеспечивает быстродействующее регулирование момента, а, следовательно, и скорости в максимально широком диапазоне (свыше 10 000:1). При этом мгновенные значения момента асинхронного двигателя могут значительно превосходить паспортное значение критического момента.

Для того, чтобы сделать каналы регулирования независимыми друг от друга нужно ввести на вход каждого канала перекрестные компенсирующие сигналы е К0МПУ и е компм (см. рис. 6.32). Значение этих сигналов найдем из уравнений цепи статора (6.54). Выразив и ЧК 1у через соответствующие токи и индуктивности (1.4) и учитывая, что при ориентации оси и вдоль вектора потокосцепления ротора Ч / |у =0 получим:

Откуда находим

где коэффициент рассеяния.

Подставив (6.55) в (6.54) и учитывая, что в рассматриваемой системе регулирования d x V 2u /dt = 0, получим

или

ные постоянные времени; е и и e v - ЭДС вращения по осям u - v

Для задания независимых величин i и и / v необходимо компенсировать е и и e v введением компенсирующих напряжений:

Для реализации принципов векторного управления необходимо прямое измерение или расчет по математической модели (оценки) модуля и углового положения вектора потокосцепления ротора. Функциональная схема векторного управления асинхронным двигателем с непосредственным измерением потока в воздушном зазоре машины с помощью датчиков Холла представлена на рис. 6.33 .

Рис. Б.ЗЗ. Функциональная схема прямого векторного управления асинхронным двигателем

Схема содержит два канала регулирования: канал регулирования (стабилизации) потокосцепления ротора *Р 2 и канал регулирования скорости. Первый канал содержит внешний контур потокосцепления ротора, содержащий ПИ-регулятор потокосцепления РП и обратную связь по потокосцеплению, сигнал которой формируется с помощью датчиков Холла, измеряющих поток в зазоре машины х? т по осям аи(3. Реальные значения потока затем пересчитываются в блоке ПП в значения потокосцепления ротора по осям а и р и с помощью вектор-фильтра ВФ находят модуль вектора потокосцепления ротора, который подается как сигнал отрицательной обратной связи на регулятор потокосцепления РП и используется в качестве делителя в канале регулирования скорости.

В первом канале контуру потокосцепления подчинен внутренний контур тока i и, содержащий ПИ-регулятор тока РТ1 и обратную связь по действительному значению тока / 1и, вычисляемому по реальным значениям токов фаз статора с помощью преобразователя фаз ПФ2 и координатного преобразователя КП1. Выходом регулятора тока РТ1 является задание напряжения U lu , к которому прибавляется сигнал компенсации второго канала е кшпи (6.57). Полученный сигнал задания напряжения преобразуют посредством координатного КП2 и фазного ПФ2 преобразователей в заданные значения и фазы напряжений на выходе преобразователя частоты.

Канал регулирования потокосцепления ротора обеспечивает поддержание постоянства потокосцепления Ч* 2 во всех режимах работы привода на уровне заданного значения х Р 2зад. При необходимости ослабления поля Ч*^ может изменяться в некоторых пределах с небольшим темпом изменения.

Второй канал предназначен для регулирования скорости (момента) двигателя. Он содержит внешний контур скорости и подчиненный ему внутренний контур тока / 1у. Задание на скорость поступает от задатчика интенсивности ЗИ, определяющего ускорение и требуемое значение скорости. Обратная связь по скорости реализуется посредством датчика скорости ДС или датчика углового положения ротора.

Регулятор скорости PC принимается пропорциональным или пропорционально-интегральным в зависимости от требований к электроприводу. Выходом регулятора скорости является задание на момент, развиваемый двигателем Л/ зад. Поскольку момент равен произведению тока, на потокосцепление ротора Ч / 2 , то, разделив в блоке деления БД значение задания момента М зад на Ч / 2 , получим значение задания тока, которая подается на вход регулятора тока РТ2. Дальнейшая обработка сигналов аналогична первому каналу. В результате получаем задание на напряжение питания двигателя по фазам, определяющее значение и пространственное положение в каждый момент времени обобщенного вектора напряжения статора!? Отметим, что сигналы, относящиеся к переменным в координатах - , являются сигналами постоянного тока, а сигналы, отражающие токи и напряжения в координатах аир, являются сигналами переменного тока, определяющими не только модуль, но частоту и фазу соответствующего напряжения и тока.

Рассмотренная система векторного управления реализуется в настоящее время в цифровом виде на базе микропроцессоров. Разработаны и широко используются различные структурные схемы векторного управления, отличные в деталях от рассматриваемой. Так, в настоящее время действительные значения потокосцеплений не измеряют датчиками магнитного потока, а рассчитывают по математической модели двигателя, исходя из замеренных фазных токов и напряжений.

В целом векторное управление можно оценить как наиболее эффективный способ управления двигателями переменного тока, обеспечивающий высокую точность и быстродействие управления.

Технические различия между векторными и скалярными частотными

преобразователями

Вопрос: На рынке представлены векторные и скалярные частотные преобразователи, причем

векторные ощутимо дороже. Каковы технические различия между ними?

Вопрос не так прост, чтобы ответить на него односложным образом. Сами по себе термины

"векторный" и "скалярный" являются неточными применительно к характеристике

частотных преобразователей. Поскольку речь идет по существу о параметре переменного

тока, то использование термина "скалярный" вообще недопустимо. Из курса элементарной

физики хорошо известно, что скалярная величина - это такая величина, каждое значение которой (в отличие от вектора) может быть выражено одним (действительным) числом,

вследствие чего совокупность значений скаляра можно изобразить на линейной шкале (скале - отсюда название). Длина, площадь, время, температура и т. д. - скалярные величины. Векторными величинами, или векторами, называют величины, имеющие и численное

значение, и направление. В этой связи разделение частотных преобразователей на скалярные

и векторные в принципе некорректно, и отражает стремление менеджеров торговых

компаний обосновать более высокие цены на один из типов преобразователей, якобы имеющий превосходство над другим.

Что касается технической стороны дела, она заключается в следующем.

Основным способом корректировки вращающего момента на валу электродвигателя является

изменение частоты и величины тока обмоток статора, что приводит к изменению силы его

вращающегося магнитного поля. Большинство частотных преобразователей устроены таким

образом, что дают возможность пользователю настроить характеристику выходных

электрических параметров под конкретный вид оборудования. Например, в зависимости от

величины момента инерции приводимого в движение оборудования можно придать

характеристике выходного тока преобразователя линейный, параболический или гиперболический вид.

Так, если необходимо стронуть с места тяжелую массу на приводимом в движение

транспортере, характеристике выходного тока следует придать гиперболический вид. Водяные насосы и вентиляторы желательно приводить в движение по параболической

кривой, что дает экономию электроэнергии. По этому алгоритму работают практически все

частотные преобразователи, называемые неправильным термином "скалярные", более точным названием которых было бы: "частотные преобразователи с предварительной настройкой частоты и величины выходного тока".

Другим эффективным средством повышения момента на валу электродвигателя является

использование 3-й гармоники выходного тока, вектор которой, как и кратных ей более

высоких гармоник, вращается в ту же сторону, что и вектор тока основной гармоники (50

Гц), т.е., имеет прямую последовательность. Другие же вращаются в обратном направлении

и имеют обратную последовательность. Общий ток нейтрали, вычисляемый по формуле:

управления параметрами выходного тока, а именно:

1) Преобразователи с предварительной настройкой параметров выходного тока .

Используются в большинстве общепромышленных приводов как с обратной связью по

контролю технологического параметра так и без нее, включая приводы насосов,

вентиляторов, конвейеров, транспортеров, экструдеров, в том числе одно- и многодвигательные системы.

2) Преобразователи с динамической настройкой параметров выходного тока . Используются в однодвигательных приводах высокоточного технологического

оборудования. Могут быть с обратной связью по контролю положения ротора двигателя и без нее. По точности и глубине регулирования скорости вращения несколько превосходят преобразователи первого типа, но значительно уступают сервоприводам.

Что касается проблемы в целом, следует иметь ввиду, что для решения конкретных задач в области управляемого привода применяются соответствующие электродвигатели со своими

системами управления - шаговые моторы с контроллерами, серводвигатели с контроллерами,

двигатели постоянного тока с контроллерами и, наконец, асинхронные и синхронные

электродвигатели с частотными преобразователями. Попытки создать универсальный привод

заведомо обречены на провал, поскольку конструктивные различия между приводами

слишком велики, а решаемые приводами задачи просто несопоставимы. Невозможно создать из асинхронного двигателя серводвигатель, а из синхронного шаговый, даже если встроить в него полсотни полюсов.

Что же делать? Все гениальное просто - достаточно правильно спроектировать привод с

учетом необходимого момента на валу в самом неблагоприятном диапазоне частот

вращения, а управление технологическим параметром поручить ПИД-регулятору, который имеется в большинстве скалярных преобразователей. автор статьи

большинстве современных т.н. "скалярных" преобразователей.

Согласно последним данным статистики примерно 70% всей выработанной электроэнергии в мире потребляет электропривод. И с каждым годом этот процент растет.

При правильно подобранном способе управления электродвигателем возможно получение максимального КПД, максимального крутящего момента на валу электромашины, и при этом повысится общая производительность механизма. Эффективно работающие электродвигатели потребляют минимум электроэнергии и обеспечивают максимальную экономичность.

Для электродвигателей, работающих от преобразователя частоты ПЧ, эффективность во многом будет зависеть от выбранного способа управления электрической машиной. Только поняв достоинства каждого способа, инженеры и проектировщики систем электроприводов смогут получить максимальную производительность от каждого способа управления.
Содержание:

Способы контроля

Многие люди, работающие в сфере автоматизации, но не сталкивающиеся вплотную с процессами разработки и внедрения систем электроприводов полагают, что управление электродвигателем состоит из последовательности команд, вводимых с помощью интерфейса от пульта управления или ПК. Да, с точки зрения общей иерархии управления автоматизированной системой это правильно, однако есть еще способы управления самим электродвигателем. Именно эти способы и будут оказывать максимальное влияние на производительность всей системы.

Для асинхронных электродвигателей, подключенных к преобразователю частоты, существует четыре основных способа управления:

• U/f – вольт на герц;
• U/f с энкодером;
• Векторное управление с разомкнутым контуром;
• Векторное управление с замкнутым контуром;

Все четыре метода используют широтно-импульсную модуляцию ШИМ, которая изменяет ширину фиксированного сигнала путем изменения длительности импульсов для создания аналогового сигнала.

Широтно-импульсная модуляция применяется к преобразователю частоты путем использования фиксированного напряжения шины постоянного тока. путем быстрого открытия и закрытия (правильней сказать коммутации) генерируют выходные импульсы. Варьируя ширину этих импульсов на выходе получают «синусоиду» нужной частоты. Даже если форма выходного напряжения транзисторов импульсная, то ток все равно получается в виде синусоиды, так как электродвигатель имеет индуктивность, которая влияет на форму тока. Все методы управления основываются на ШИМ модуляции. Разница между методами управления заключается лишь в методе вычисления подаваемого напряжения на электродвигатель.

В данном случае несущая частота (показана красным) представляет собой максимальную частоту коммутации транзисторов. Несущая частота для инверторов, как правило, лежит в пределах 2 кГц – 15 кГц. Опорная частота (показана синим) представляет собой сигнал задания выходной частоты. Для инверторов применимых в обычных системах электроприводов, как правило, лежит в пределах 0 Гц – 60 Гц. При накладывании сигналов двух частот друг на друга, будет выдаваться сигнал открывания транзистора (обозначен черным цветом), который подводит силовое напряжение к электродвигателю.

Способ управления U/F

Управление вольт-на-герц, наиболее часто называемое как U/F, пожалуй, самый простой способ регулирования. Он часто используется в несложных системах электропривода из-за своей простоты и минимального количества необходимых для работы параметров. Такой способ управления не требует обязательной установки энкодера и обязательных настроек для частотно-регулируемого электропривода (но рекомендовано). Это приводит к меньшим затратам на вспомогательное оборудование (датчики, провода обратных связей, реле и так далее). Управление U/F довольно часто применяют в высокочастотном оборудовании, например, его часто используют в станках с ЧПУ для привода вращения шпинделя.

Модель с постоянным моментом вращения имеет постоянный вращающий момент во всем диапазоне скоростей при одинаковом соотношении U/F. Модель с переменным соотношением вращающего момента имеет более низкое напряжение питания на низких скоростях. Это необходимо для предотвращения насыщения электрической машины.

U/F — это единственный способ регулирования скорости асинхронного электродвигателя, который позволяет регулирование нескольких электроприводов от одного преобразователя частоты. Соответственно все машины запускаются и останавливаются одновременно и работают с одной частотой.

Но данный способ управления имеет несколько ограничений. Например, при использовании способа регулирования U/F без энкодера нет абсолютно никакой уверенности, что вал асинхронной машины вращается. Кроме того, пусковой момент электрической машины при частоте 3 Гц ограничивается 150%. Да, ограниченного крутящего момента более чем достаточно для применения в большинстве существующего оборудования. Например, практически все вентиляторы и насосы используют способ регулирования U/F.

Данный метод относительно прост из-за его более «свободной» спецификации. Регулирование скорости, как правило, лежит в диапазоне 2% — 3% максимальной выходной частоты. Отклик по скорости рассчитывается на частоту свыше 3 Гц. Скорость реагирования частотного преобразователя определяется быстротой его реакции на изменение опорной частоты. Чем выше скорость реагирования – тем быстрее будет реакция электропривода на изменение задания скорости.

Диапазон регулирования скорости при использовании способа U/F составляет 1:40. Умножив это соотношение на максимальную рабочую частоту электропривода, получим значение минимальной частоты, на которой сможет работать электрическая машина. Например, если максимальное значение частоты 60 Гц, а диапазон составляет 1:40, то минимальное значение частоты составит 1,5 Гц.

Паттерн U/F определяет соотношение частоты и напряжения в процессе работы частотно-регулируемого электропривода. Согласно ему, кривая задания скорости вращения (частота электродвигателя) будет определять помимо значения частоты еще и значения напряжения, подводимого к клеммам электрической машины.

Операторы и технические специалисты могут выбрать необходимый шаблон регулирования U/F одним параметром в современном частотном преобразователе. Предустановленные шаблоны уже оптимизированы под конкретные применения. Также существуют возможности создания своих шаблонов, которые будут оптимизироваться под конкретную систему частотно-регулируемого электропривода или электродвигателя.

Такие устройства как вентиляторы или насосы имеют момент нагрузки, который зависит от скорости их вращения. Переменный крутящий момент (рисунок выше) шаблона U/F предотвращает ошибки регулирования и повышает эффективность. Эта модель регулирования уменьшает токи намагничивания на низких частотах за счет снижения напряжения на электрической машине.

Механизмы с постоянным крутящим моментом, такие как конвейеры, экструдеры и другое оборудование используют способ регулирования с постоянным моментом. При постоянной нагрузке необходим полный ток намагничивания на всех скоростях. Соответственно характеристика имеет прямой наклон во всем диапазоне скоростей.

Способ управления U/F с энкодером

Если необходимо повысить точность регулирования скорости вращения в систему управления добавляют энкодер. Введение обратной связи по скорости с помощью энкодера позволяет повысить точность регулирования до 0,03%. Выходное напряжение по-прежнему будет определятся заданным шаблоном U/F.

Данный способ управления не получил широкого применения, так как представляемые им преимущества по сравнению со стандартными функциями U/F минимальны. Пусковой момент, скорость отклика и диапазон регулирования скорости – все идентично со стандартным U/F. Кроме того, при повышении рабочих частот могут возникнуть проблемы с работой энкодера, так как он имеет ограниченное количество оборотов.

Векторное управление без обратной связи

Векторное управление (ВУ) без обратной связи используется для более широкого и динамичного регулирования скорости электрической машины. При пуске от преобразователя частоты электродвигатели могут развивать пусковой момент в 200% от номинального при частоте всего 0,3 Гц. Это значительно расширяет перечень механизмов, где может быть применен асинхронный электропривод с векторным управлением. Этот метод также позволяет управлять моментом машины во всех четырех квадрантах.

Ограничение вращающего момента осуществляется двигателем. Это необходимо для предотвращения повреждения оборудования, машин или продукции. Значение моментов разбивают на четыре различных квадранта, в зависимости направления вращения электрической машины (вперед или назад) и в зависимости от того, реализует ли электродвигатель . Ограничения могут устанавливаться для каждого квадранта отдельно или же пользователь может задать общий вращающий момент в преобразователе частоты.

Двигательный режим асинхронной машины будет при условии, что магнитное поле ротора отстает от магнитного поля статора. Если магнитное поле ротора начнет опережать магнитное поле статора, то тогда машина войдет в режим рекуперативного торможения с отдачей энергии, проще говоря – асинхронный двигатель перейдет в генераторный режим.

Например, машина по закупорке бутылок может использовать ограничение момента в квадранте 1 (направление вперед с положительным моментом) для предотвращения чрезмерного затягивания крышки бутылки. Механизм производит движение вперед и использует положительный момент для того, чтобы закрутить крышку бутылки. А вот устройство, такое как лифт, с противовесом тяжелее, чем пустая кабина, будет использовать квадрант 2 (обратное вращение и положительный момент). Если кабина подымается на верхний этаж, то крутящий момент будет противоположен скорости. Это необходимо для ограничения скорости подъема и недопущения свободного падения противовеса, так как он тяжелее, чем кабина.

Обратная связь по току в данных преобразователях частоты ПЧ позволяет устанавливать ограничения по моменту и току электродвигателя, поскольку при увеличении тока растет и момент. Выходное напряжение ПЧ может изменятся в сторону увеличения, если механизм требует приложения большего крутящего момента, или уменьшатся, если достигнуто его предельно допустимое значение. Это делает принцип векторного управления асинхронной машиной более гибким и динамичным по сравнению с принципом U/F.

Также частотные преобразователи с векторным управлением и разомкнутым контуром имеют более быстрый отклик по скорости – 10 Гц, что делает возможным его применение в механизмах с ударными нагрузками. Например, в дробилках горной породы нагрузка постоянно меняется и зависит от объема и габаритов обрабатываемой породы.

В отличии от шаблона управления U/F векторное управление использует векторный алгоритм, для определения максимально эффективного напряжения работы электродвигателя.

Векторное управления ВУ решает данную задачу благодаря наличию обратной связи по току двигателя. Как правило, обратная связь по току формируется внутренними трансформаторами тока самого преобразователя частоты ПЧ. Благодаря полученному значению тока преобразователь частоты проводит вычисления вращающего момента и потока электрической машины. Базовый вектор тока двигателя математически расщепляется на вектор тока намагничивания (I d) и крутящего момента (I q).

Используя данные и параметры электрической машины ПЧ вычисляет векторы тока намагничивания (I d) и крутящего момента (I q). Для достижения максимальной производительности, преобразователь частоты должен держать I d и I q разведенными на угол 90 0 . Это существенно, так как sin 90 0 = 1, а значение 1 представляет собой максимальное значение крутящего момента.

В целом векторное управление асинхронным электродвигателем осуществляет более жесткий контроль. Регулирование скорости составляет примерно ±0,2% от максимальной частоты, а диапазон регулирования достигает 1:200, что позволяет сохранять вращающий момент при работе на низких скоростях.

Векторное управление с обратной связью

Векторное управление с обратной связью использует тот же алгоритм управления, что и ВУ без обратной связи. Основное различие заключается в наличии энкодера, что дает возможность частотно-регулируемому электроприводу развивать 200% пусковой момент при скорости 0 об/мин. Этот пункт просто необходим для создания начального момента при трогании с места лифтов, кранов и других подъемных машин, чтоб не допустить просадки груза.

Наличие датчика обратной связи по скорости позволяет увеличить время отклика системы более 50 Гц, а также расширить диапазон регулирования скорости до 1:1500. Также наличие обратной связи позволяет управлять не скоростью электрической машиной, а моментом. В некоторых механизмах именно значение момента имеет большую важность. Например, мотальная машина, механизмы закупорки и другие. В таких устройствах необходимо регулировать момент машины.