Диссертация (Транзисторный регулятор бездатчикового бесколлекторного двигателя постоянного тока на базе вычислителя потокосцеплений), страница 14

Как только уровень вычисленного сигнала превышает пороговый уровень(то есть уровень сигнала достаточен для определения моментов коммутации), на117выходе XU108 появляется низкий уровень напряжения, разрешающий работусистемы по вычисленным псевдо-ЭДС. XU109 предназначен для инвертированиясигнала на Z1.Модель блока ограничения тока фазы А представлена на Рисунке 4.3.Рисунок 4.3 – Модель ограничителя тока фазы А.Абсолютное значение тока фазы А преобразуется в напряжение с помощьюрезистора R16. Полученный сигнал подается на вход триггера Шмиттаобразованного элементами XU7, R11, R12, R14. При превышении напряжениясрабатывания на выходе XU7 появляется низкий уровень напряжения.

Этот сигналинвертируется с помощью XU8 и подается на БСУ.4.2.Разгон БДПТРазгон БДПТ с помощью ПБ до частоты вращения, на которойвозможнакоммутацияповычисленнымсигналам,представляетсобойсамостоятельную серьезную задачу. Привод можно считать работоспособнымтолько в случае, если обеспечивается стабильный пуск. При этом к системе могутпредъявляться требования, согласно которым пуск должен происходить не толькона холостом ходу, но и под нагрузкой. Момент нагрузки электропривода можетбыть следующих типов:реактивный (сухого трения);118активный;демпферный (вязкого трения);вентиляторная нагрузка.В данной работе рассматривается только действие момента сухого трения иактивного момента. В связи с этим, необходимо проанализировать их влияние навыбор закона изменения частоты вращения электромагнитного поля, и,соответственно, следования управляющих импульсов ПБ.

Необходимо согласоватьчастоту коммутации фаз с возрастающей частотой вращения в отсутствиеинформации о положении, которое занимает ротор.4.2.1. Идеальный холостой ход.Еслипредположитьотсутствиедействиякаких-либомоментовсопротивления на вал электродвигателя, то есть случай идеального холостого хода,то в данном случае на скорость увеличения частоты вращения будет влиять толькомомент инерции ротора Jр. Запишем уравнение равновесия моментов:JdM ,p dtэм(4.1)причемMэмKeI ,(4.2)где I - среднее значение тока.

Частота вращения электромагнитного поля ω(рад·c-1) связана с частотой вращения вала Ω (рад·с-1) следующим образом:  p ,(4.3)где p – количество пар полюсов.Преобразуя выражение (4.1), с учетом (4.2) и (4.3), можно выразитьзависимость частоты вращения электромагнитного поля от времени следующимобразом:119 (t ) pK Ie t.Jp(4.4)Из (4.4) следует, что скорость нарастания частоты вращения поля в случаечисто инерционной нагрузки должна иметь линейную зависимость от времени.4.2.2.

Момент сухого трения и активный момент.Будем считать, что активный момент противодействует вращению двигателя.Тогда момент сухого трения и активный момент будут оказывать одинаковоевлияние на динамику привода при условии, что двигатель не меняет направлениявращения. Обозначим их сумму, как Mн. Запишем уравнение равновесия моментов.JdMMp dtэмн(4.5)Тогда из (4.5) с учетом (4.2) и (4.3) можно вывести зависимость ω(t): (t ) pK I Meн tJp(4.6)В этом случае, как и в случае чисто инерционной нагрузки, зависимостьчастоты вращения поля от времени – линейна.4.2.3. Экспериментальное исследование режима разгона БДПТ.Модель БДПТ позволяет исследовать режим разгона БДПТ при разныхусловиях.

Для этого необходимо запретить системе переходить в режимсамокоммутации и коммутировать фазы только по сигналам с ПБ. При этомпредставляется важным выяснить параметры ПБ, при которых конкретныйдвигательстабильноразгоняетсяопределяемой напряжением питания.домаксимальнойчастотывращения,1204.2.3.1. Разгон с входом в синхронный режим на ХХ на частотахвращения меньше 100 рад·с - 1 .В результате моделирования удалось реализовать разгон БДПТ с входом всинхронный режим на ХХ на малых частотах вращения. В качестве нагрузкиимитировалось действие сухого трения в подшипниках. Варьируемым параметромявлялось напряжение питания фаз. Частота импульсов ПБ (соответствуетпеременной FREQ модели) соответствовала синхронной частоте вращения.

Втаблице 4.1 приведены полученные параметры модели.Таблица 4.1Параметры модели БДПТ, при которых реализуется разгон с входом всинхронный режим работы.Мст, (Н·м)Uп, (В)ω, (рад·с-1)n, (мин-1)0,000010,07310,0095,50,000010,1723,50224,50,000010,7100,00955,4На Рисунке 4.4 представлены результаты моделирования одной изконфигураций. Приведены графики стартовых сигналов, тока и противо-ЭДС фазыА, угловой частоты вращения. Из приведенных результатов видно, что частотавращения достигает частоты сигналов коммутации и далее не меняется.

Пульсациичастоты вращения можно объяснить импульсным характером тока фаз, которыйопределяет электромагнитный момент электродвигателя.121Рисунок 4.4 – Разгон и вход в синхронный режим БДПТ при Мст = 0.00001 Н·м;Uп = 0.073 В; Ω = 10 рад·с-1.4.2.3.2. Разгон с входом в синхронный режим на ХХ на частотахвращения больше 100 рад·с - 1 .В результате экспериментов было установлено, что для того, чтобы достичьвысоких частот вращения при разгоне (больше 1000 мин-1) необходимо задаватьчастоту следования импульсов ПБ не фиксированной, а плавно изменяющейся доопределенного значения. Это значение определяется величиной напряженияпитания фаз БДПТ. При моделировании угловая частота пусковых импульсовизменялась по экспоненте по закону:t (t )  с 1  e   ,(4.7)где ωс – синхронная частота вращения, соответствующая величинепитающего напряжения, τ – постоянная времени.

Обе эти величины подбиралисьэкспериментально. В Таблице 4.2 приведены параметры, при которых модельБДПТ разгоняется до синхронной частоты вращения.122Таблица 4.2Параметры модели БДПТ, при которых реализуется разгон с входом всинхронный режим работы.Мст,Uп,ωс,τ,(Н·м)(В)(рад·с-1)(с)0,000011012000,0050,000012024000,0050,000012737300,008На Рисунке 4.5 представлены результаты моделирования при Uп = 10 В.Приведены графики частоты импульсов ПБ и угловой частоты вращения ротора.Рисунок 4.5 – Разгон и вход в синхронный режим БДПТ при Мст = 0.00001 Н·м;Uп = 10 В; Ωс = 1200 рад·с-1.4.2.3.3. Разгон под нагрузкой.При воздействии на вал электродвигателя активного момента необходимогенерировать импульсы управления в соответствии с выражением: (t )  k M t ,(4.8)123гдеkM pK I Meн .Jp(4.9)Были проведены эксперименты, в которых исследовался разгон БДПТ порасчетным зависимостям.

Было установлено, что расчет по формулам (4.8), (4.9)дает большую ошибку в определении коэффициента kМ. В Таблице 4.3 приведенырасчетные и экспериментальные результаты для ω(t) в зависимости отдействующего момента нагрузки.Таблица 4.3Параметры модели при реализации режима разгона БДПТ под нагрузкой.Мст,Uп,ω(t),ω(t),δ, %(Н·м)(В)0,0000127516000·t330000·t560,0127416000·t285000·t460,0227316000·t236000·t340,0327216000·t180000·t20(рад·с-1) (расчет) (рад·с-1) (эксперимент)Очень большая погрешность аналитического метода объясняется тем, что ввыражении (4.6) среднее значение тока фазы принималось равным пусковому.Пусковой ток определяется как средний ток в режиме токоограничения.

Однако,моделирование показало, что при разгоне ток фазы уменьшается с увеличениемчастоты вращения. В связи с этим, скорость нарастания частоты коммутации примоделировании оказалась меньше расчетной. Причем, как видно из Таблицы 4.3,чем больше момент нагрузки, тем меньше ошибка расчетной характеристики. Этообъясняется увеличением среднего тока БДПТ.На Рисунке 4.6 приведены результаты моделирования при Мн = 0.01 Н·м.Приведены графики стартовых сигналов, тока и противо-ЭДС фазы, частотывращения вала.124Рисунок 4.6 – Разгон БДПТ при Мст = 0.01 Н·м; Uп = 27 В.На основе полученных данных построена зависимость коэффициента kM отмомента нагрузки, изображенная на Рисунке 4.7.Рисунок 4.7 – Зависимость kM(МН).1254.3.Пуск БДПТ на ХХ4.3.1.

Пуск БДПТ на ХХ с выходом на частоты вращения меньше100 рад·с - 1 .Под пуском БДПТ имеется в виду разгон до частоты вращения, на которойвозможна коммутация по вычисленным сигналам, и переход к ней состабилизацией частоты вращения при условии постоянства момента нагрузки. Примоделировании пуска на малых частотах на ХХ БДПТ переходил в режимсамокоммутации на частоте вращения 5 рад·с-1 и уровне сигнала псевдо-ЭДС 100мкВ. На Рисунке 4.8 представлены результаты моделирования пуска БДПТ при Uп= 0,073 В. На рисунке приведены следующие графики в зависимости от времени:сигнал о переходе на самокоммутацию, ток и противо-ЭДС фаз, частота вращенияБДПТ.Рисунок 4.8 – Пуск БДПТ на ХХ при Uп = 0,073В.Результаты моделирования показывают, что разработанный бездатчиковыйметод управления работоспособен на частоте вращения 95 мин-1 (10 рад·с-1).Амплитуда псевдо-ЭДС, с помощью которых определяются моменты коммутации,составила 28 мВ.

В соответствии с данными, приведенными в п. 3.5, современные126операционные усилители обладают параметрами, позволяющими работать ссигналами порядка 100 мкВ. В связи с этим можно сделать вывод, что минимальнаярабочая частота вращения может быть еще меньше. При этом могут возникнутьпроблемы с равномерностью вращения из-за пульсаций электромагнитногомомента. Эта проблема может быть решена путем подбора соответствующегорежима ШИМ напряжения питания.4.3.2.