Диссертация (Транзисторный регулятор бездатчикового бесколлекторного двигателя постоянного тока на базе вычислителя потокосцеплений), страница 4

Они могутобеспечить большую кратность выходного сигнала и достаточно крутой фронт.Недостаток этих датчиков состоит в необходимости вынесения их в отдельный узелв конструкции машины и использование в схеме коммутатора отдельноговысокочастотного генератора для питания датчика.1.2.3. АлгоритмуправленияБДПТсп рименениемДПРдискретного типа.Предположим, что необходимо управлять трехфазным БДПТ с обмотками,соединенными по схеме «звезда» без вывода средней точки. В качестве датчиковположения используется дискретный датчик Холла, который выдает двалогических уровня – «0» и «1» в зависимости от того, какой полюс магнита роторавоздействует на него.

Предположим, что высокий уровень сигнала на выходесоответствует северному полюсу магнита ротора, а низкий – южному. Датчикирасположены симметрично относительно фаз. На Рисунке 1.2 показан полныйоборот вала двигателя, а на Рисунке 1.3 – диаграммы сигналов датчиков и сигналовуправления транзисторами, соответствующие указанному направлению вращения.21НА, НВ, НС – дискретные датчики Холла; Fa – результирующая МДС якоря; Ff –МДС возбуждения; FА,В,С – МДС фаз.Рисунок 1.2 – Положение векторов МДС возбуждения и якоря при реализации120-градусной коммутации по сигналам с датчиков Холла (цветом обозначеныактивные фазы).При вращении БДПТ момент создается за счет взаимодействия магнитныхпотоков ротора и статора.

По датчикам Холла отслеживается положение впространстве полюсов ротора. При этом одному полному обороту соответствуетшесть, последовательно меняющихся состояний выходов датчиков. Эти состоянияпредставлены на Рисунке 1.3. Управление силовыми транзисторами инвертора,питающего фазы электродвигателя, осуществляется по переднему фронту сигналадатчиков. При этом осуществляется дискретное вращение поля статора.22Схематичное изображение инвертора и фаз статора приведено на Рисунке 1.4.Состояние ключей соответствует положению b на Рисунке 1.2.НА,В,С – сигналы с датчиков Холла; SA,B,C в – сигналы на открытие верхних ключейстоек; SA,B,C н – сигналы на открытие нижних ключей стоек.Рисунок 1.3 – Сигналы датчиков положения ротора и сигналы управлениясиловыми транзисторными ключами инвертора при 120-градусной коммутации.23Рисунок 1.4 – Путь прохождения тока в инверторе и фазах якоря,соответствующий моменту времени с) на Рисунке 1.2.Большинство современных приводов на базе БДПТ имеют в своем составеузел ДПР.

Это приводит к значительному усложнению конструкции двигателя,однако использование датчиков позволяет определять моменты коммутации нанизких и сверхнизких частотах вращения, а также упрощает процесс пуска.1.2.4. Основы бездатчикового управления БДПТ.По своей сути большинство известных подходов к бездатчиковомууправлению БДПТ [30] можно разделить на две больших группы:1.

Методы, использующие ряд измеряемых или вычисляемых электрическихи магнитных параметров двигателя, которые имеют прямую зависимость отположения ротора, то есть от конфигурации электромагнитной системы машины,изменяющейся циклически во времени.2. Методы, основанные на использовании математической моделисинхронного двигателя, которая работает параллельно с реальным двигателем. Прирассогласовании измеряемых параметров двигателя с вычисляемыми параметрамимодели вносятся коррективы в режим питания двигателя.24Простейшая схема замещения одной фазы БДПТ показана на Рисунке 1.5.Она состоит из источника напряжения питания, который имеет импульсныйхарактер, сопротивления и индуктивности, определяемых параметрами реальногоэлектродвигателя, и источника напряжения, имитирующего противо-ЭДС.

НаРисунке 1.6 представлены кривая противо-ЭДС фазы в зависимости от положенияротора.Сучетомпредположениеоботсутствииэффектанасыщениямагнитопровода и синусоидального распределения магнитной индукции в зазоре,она также представляет собой синус. В действительности форма распределенияиндукции в большинстве случаев имеет несинусоидальную форму и содержитвысшие гармоники. Однако важным фактом в данном случае является то, чтоуказанные величины являются функциями угла поворота вала. Путем анализа этойзависимости можно однозначно определять угол поворота ротора и осуществлятьуправление фазами для создания электромагнитного момента.UФ – напряжение питания фазы; LФ – индуктивность фазы; RФ – активноесопротивление фазы; eФ – противо-ЭДС фазы.Рисунок 1.5 – Схема замещения фазы БДПТ.25Рисунок 1.6 – Противо-ЭДС фазы в зависимости от положения ротора с учетомсинусоидального распределения магнитной индукции в рабочем зазоре.Электромагнитная энергия преобразуется в двигателе в механическую, когдапо фазам протекает ток.

Ток зависит от индуктивности и противо-ЭДС фаз, а,следовательно, также несет в себе информацию о положении ротора БДПТ. Такимобразом можно сделать вывод, что анализируя форму и параметры таких величин,как фазные напряжения, токи, противо-ЭДС фаз и их потокосцепления, можнополучить информацию для осуществления управления электроприводом. Эта идеядала жизнь группе целой группе методов бездатчикового управления БДПТ.1.3.Обзор неадаптивных методов бездатчикового управления БДПТНеадаптивные методы используют в качестве входных данных измеренныетоки и напряжения.

Это самые простые с точки зрения вычислений методыопределения положения ротора. Они основаны на использовании простейших26систем уравнений, описывающих процессы, протекающие в электрических имагнитных цепях.1.3.1. Методы определения положения ротора на основе анализапротиво-ЭДС фаз.1.3.1.1.Пересечение нуля.Для того чтобы питать СДПМ, можно использовать только две фазы из трех.Таким образом, третья фаза может использоваться как своеобразный «датчик».Измеряя напряжение на неподключенной к источнику питания фазе, мы можемизмерить противо-ЭДС, наводимую в обмотках электродвигателя. С помощью этойинформации можно определить моменты переключения силовых транзисторовинвертора.

На Рисунке 1.7 показано, что если моменты перехода противо-ЭДСчерез нуль сместить на 90 электрических градусов, то мы получим информацию оположении полюсов ротора относительно расточки статора.Для определения моментов перехода сигнала через нуль в [53] авторыпредлагают сравнивать напряжения фаз с напряжением в нейтральной точке спомощью компараторов. В момент перехода через нуль одно из напряжений фазстановится равным напряжению в нейтральной точке. В сигнал с компараторанеобходимо ввести задержку в 90 электрических градусов для генерации сигналовуправления инвертором.Недостатки метода: возникает ошибка между реальным и измереннымположением ротора двигателя вследствие изменения частоты вращения (сдвиг пофазе); метод не работает на низких частотах; необходима дополнительнаясхемотехника для создания аналога напряжения в нейтральной точке.27Рисунок 1.7 – К методу определения положения ротора по моментам переходасигнала противо-ЭДС через нуль.281.3.1.2. Третья гармоническая.Ряд зарубежных авторов в своих статьях [43,45,61] предлагают еще одинметод бездатчикового определения положения ротора СДПМ с помощьюизмеренной противо-ЭДС.

Они предлагают получать интересующую насинформацию из третьей гармонической составляющей сигнала. Однако, этасоставляющая должна содержаться в магнитном потоке рабочего зазора, поэтомутребуется специальная конструкция электрической машины. Для того, чтобыопределить нужный нам сигнал, авторами предлагается электрическая схема,изображенная на Рисунке 1.8. Moreria в [61] показал, что + + = 0(1.1) + + = 0(1.2) + + = 0(1.3)При сложении этих трех соотношений получим:( + + ) + 3 + ( + + ) = 0(1.4)Для симметричных магнитной и электрической цепей сумма напряжений фазстатора и сумма токов фаз равны нулю.

Из этого следует, что:1 = (=3 + п ),3(1.5)где =3 – третья гармоника противо-ЭДС;п – напряжение питания.Поток ротора может быть оценен путем интегрирования =3 : ~ ∫ =3 .(1.6)Далее сигнал, полученный путем интегрирования, подается на схемудетектора перехода через нуль. Последовательность переключения транзисторовинвертора определяется из информации, получаемой с детектора.29Рисунок 1.8 – Схема для определения положения ротора по третьей гармоникепротиво-ЭДС.Данный метод не так чувствителен к задержке по фазе, как предыдущий. Кнедостаткам следует отнести невозможность управлять СДПМ на низких исверхнизких частотах вращения, а также то, что схема управления содержит тридатчика напряжения и два датчика тока.1.3.1.3.

Метод интегрирования.В данном методе предлагается ввести три интегратора, входными сигналамидля которых являются противо-ЭДС фаз. Как только сигнал противо-ЭДСнеподключенной фазы переходит через нуль, начинается его интегрирование. Оно30продолжается до момента, когда полученная величина достигнет заранееопределенного порогового значения. Тогда интегрирование прекращается игенерируется сигнал переключения фаз. Интегратор держится в сбросе до тех пор,пока ток в следующей отключенной фазе не спадет до нуля (Рисунок 1.9).Рисунок 1.9 – К методу интегрирования.Пороговое значение устанавливается в зависимости от машины и остаетсяпостоянным на всем диапазоне частот вращения.

Для улучшения формы тока егоможно корректировать.Недостаткамиметодаявляются:невозможностьуправленияэлектродвигателем на низких и сверхнизких частотах; большое количество31датчиков: три датчика напряжения и три датчика тока. Также необходимо заранеезадать порог интегрирования.1.3.1.4.Анализ тока через обратные диоды инвертора.Информация о положении ротора может быть получена из анализа состоянияобратных диодов, защищающих силовые ключи инвертора. В течение короткогоинтервала времени в отключенной фазе продолжает течь ток.

Этот ток протекает ив защитных диодах. Причем момент времени, когда он падает до нуля,соответствует моменту коммутации. Это происходит из-за того, что в этот жемомент противо-ЭДС отключенной фазы также пересекает нуль. Таким образом,данный метод можно отнести к методам определения положения ротора поизмеренной противо-ЭДС в отключенной фазе.Обратимся к Рисунку 1.10. Когда ключи SA в и SB н включены, ток протекаетчерез фазы А и В. Фаза С отключена.