Автореферат (Методы и программные средства поддержки выбора решений на основе прямого и обратного нечеткого оценивания)

2Актуальность научной работыВ настоящее время в практике современного электропривода снижается доляэлектроприводов постоянного тока. Это можно связать с ненадежностью механического коллекторного узла и более высокой стоимостью двигателей постоянноготока по сравнению с двигателями переменного тока.Основной альтернативой приводам постоянного тока являются асинхронныеэлектроприводы. В то же время, развивается теория и практика электроприводов свентильно-индукторными машинами (ВИМ). Машины этого типа обладают высокими техническими и экономическими показателями. Это обусловлено их конструктивной простотой и надежностью, низкими стоимостью и эксплуатационнымизатратами, возможностью широкого регулирования частоты вращения, высокогоКПД и простоты управления при применении современной базы электроники.Так как моменты включения и отключения обмоток ВИМ являются функцией углового положения ротора ВИМ, то в классическом исполнении вентильноиндукторный электропривод (ВИП) имеет датчик положения ротора.Стремление упростить конструкцию,снизить стоимость привода и повыситьнадежность привело к отказу от датчика углового положения ротора и переходу ксистемам бездатчикового управления для оценки углового положения.В связи с этим разработка бездатчикового управления ВИМ является актуальной.Степень разработанности темы.

В настоящее время существуетбольшое количество методов бездатчикового управления ВИМ. Исследованиями в областибездатчикового управления вентильно-индукторным электроприводом занимались ученые Ильинский Н.Ф., Бычков М.Г., Красовский А.Б., Глухенький Т.Г.,Алямкин Д.И. и др. Общим недостатком этих методов является отсутствие возможности выделить сигнал, который через функциональную зависимость однозначно связан с угловым положением ротора, что не позволяет использоватьинформацию об угловом положении системам управления разного уровня.Кроме того, в большинстве существующих методов для анализа углового положения определяются напряжения и токи в обмотках, формирующие электромагнитный момент, что накладывает ряд ограничений на режимы работы электропривода.Целью диссертационной работы является разработка, исследование и апробация метода идентификации углового положения ротора ВИМ, основанного наизменении магнитных проводимостей под полюсами машины в зависимости отуглового положения ротора ВИМ, отличающегося от существующих тем, что дляидентификации угла ротора создаются дополнительные измерительные магнитные потоки, связанные квадратурными соотношения, и измеряется фаза электродвижущей силы (ЭДС), наводимой в отключенных катушках, что позволяет обеспечить работу ВИМ в режиме «датчика угловых положений» и двигателя одновременно, тем самым получить сигнал рассогласования зубцов статора и ротора вявной форме, что позволяет повысить точность измерений и обеспечить контрольуглового положения на нулевых скоростях и торможении на выбеге.Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:3• разработки метода бездатчиковой идентификации углового положения ротора ВИМ, позволяющего ВИМ работать в режимах двигателя и «датчика углового положения» одновременно;• анализа принципов коммутации обмоток ВИМ, позволяющих реализоватьсовмещение режимов двигателя и «датчика углового положения»;• разработки математической и компьютерной имитационной моделей бездатчикового ВИП и макетного образца бездатчикового ВИП;• исследования метода идентификации углового положения и системы бездатчикового управления ВИМ.Научная новизна работы заключается в том, что1.

Предложен метод идентификации углового положения ротора ВИМ, основанный на изменении магнитных проводимостей под полюсами машины в зависимости от углового положения ротора ВИМ, отличающийся от существующихтем, что для идентификации угла ротора создаются дополнительные измерительные магнитные потоки, связанные квадратурными соотношения, и измеряется фаза ЭДС, наводимой в отключенных катушках, что позволяет обеспечить работуВИМ в режиме «датчика угловых положений», тем самым получить сигнал рассогласования зубцов статора и ротора в явной форме, что позволяет повысить точность измерений и обеспечить контроль углового положения на нулевых скоростях и торможении на выбеге2.

Показаны принципы коммутации обмоток ВИМ, отличающиеся от используемых ранее тем, что совмещены во времени, но разделены пространственно вкатушках машины моменты формирования силовых токов, создающих электромагнитный момент, и измерительных, необходимых для идентификации угловогоположения, что позволяет совместить работу ВИМ в режимах двигателя и «датчика угловых положений».3.

Показана функциональная схема ВИП, реализующая предлагаемый методидентификации углового положения ротора ВИМ и позволяющая совместить впределах одной машины двигательный режим работы и режим «датчика угловыхположений».Теоретическая и практическая значимость. Теоретическая значимость работы заключается в разработке и теоретическом обосновании метода идентификации углового положения ротора ВИМ, основанного на изменении магнитныхпроводимостей под полюсами машины в зависимости от углового положения ротора ВИМ, для чего в магнитной системе машины создаются дополнительные измерительные магнитные потоки, связанные квадратурными соотношениями, иизмеряется фаза ЭДС, наводимой в отключенных катушках, что позволяет обеспечить работу ВИМ в режиме «датчика угловых положений» и двигателя одновременно.Практическую значимость представляет разработанная имитационная компьютерная модель системы с бездатчиковым управлением ВИМ и разработанныймакетный образец, на котором возможно проводить экспериментальные исследо4вания как метода бездатчикового управления ВИМ, так и самой машины в различных режимах работы.В ООО ИТЦ «ПРОМИКС» внедрен макетный образец разработанной системы электропривода с предложенным методом идентификации углового положения ВИМ.Методология и методы исследования.

Для решения поставленных в работезадач использовались:1) Теория электропривода и теория автоматического управления;2) Методы имитационного моделирования в системе компьютерной математики MATLAB и ее расширении Simulink;3) Элементы теории цифровой обработки сигналов;4) Компьютерные методы отладки микропроцессорных систем управления сиспользованием интегрированной среды разработки MPLABIDE;5) Экспериментальные исследования вентильно-индукторного электропривода.Положения, выносимые на защиту:1. Метод бездатчиковой идентификации углового положения ротора ВИМ,отличающийся от существующих тем, что для идентификации угла ротора создаются дополнительные измерительные магнитные потоки, связанные квадратурными соотношения, и измеряется фаза ЭДС, наводимой в отключенных катушках,что позволяет обеспечить работу ВИМ в режиме «датчика угловых положений».2.

Принципы коммутации обмоток ВИМ, отличающиеся от используемыхранее тем, что совмещены во времени, но разделены пространственно в катушкахмашины моменты формирования силовых токов, создающих электромагнитныймомент, и измерительных, необходимых для идентификации углового положения,что позволяет совместить работу ВИМ в режимах двигателя и «датчика угловыхположений».3. Функциональная схема системы бездатчикового управления ВИМ, отличающаяся от существующих тем, что позволяет в ВИМ совместить режимы двигателя и «датчика углового положения», тем самым повысить точность измерений.4. Структура компьютерной имитационной модели системы ВИП с предложенным методом идентификации углового положения ВИМ.5. Макетный образец, с помощью которого проведены исследования работыВИМ в режиме «датчика угловых положений» и двигательном режиме.

Результаты могут быть распространены на ВИМ с числом фаз три и более.Апробация работы.Основные результаты диссертационных исследованийдокладывались и обсуждались на 7-й, 8-й, 9-й, 10-й, 11-й научно-техническихконференциях студентов и аспирантов (г. Смоленск, филиал МЭИ в г. Смоленске,2010, 2011, 2012, 2013, 2014 гг.), 19-й научно-технической конференции студентов и аспирантов (г. Москва, МЭИ, 2013 г.), 8-й научно-технической конференциистудентов, аспирантов и молодых ученых (г. Иваново, ИГЭУ, 2013г.). Научная5работа заняла 2-е место в областном конкурсе студенческих научных работ(г.Смоленск, 2011 г.), отмечена дипломом «за оригинальность и творческий подход» на областном конкурсе молодых ученых (г. Смоленск, 2013 г.).Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 16 научных работ, из них 3 опубликовано в журналах, входящих в перечень ВАК.Структура и объемДиссертация состоит из введения, четырех основных глав, заключения, списка литературы, включающего 126 наименований, и приложений.

Диссертациясодержит 157 стр. машинописного текста, 70 рисунков, 2 таблицы и 5 приложений.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введенииобоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи, отражена научная новизна и практическая ценностьполученных результатов.В первой главеосуществлен обзор предметной области. Произведена классификация методов определения углового положения ротора ВИМ, которая приведена в табл.1.ПрямыеИспользование энкодеровИспользование оптических датчиковИспользование вращающихся трансформаторовКосвенныеМетоды определения углового положенияТаблица 1.

Классификация методов углового положения ротора ВИМ.Анализ ЭДС машиныАнализ потокосцепленияАнализ токовПоказано, что существующие методы бездатчикового определения угловогоположения ротора ВИМ не позволяют выделить сигнал текущего углового положения в явной форме, либо связанный фиксированной функциональной зависимостью, что ограничивает область применения бездатчиковых ВИП. Отмечено,что большинство существующих методов бездатчикового определения угловогоположения ротора для идентификации положения производят измерения параметров электрического сигнала во включенной обмотке, что накладывает ограничения на режимы работы ВИМ и ее цепей питания.Во второй главе представлен метод идентификации углового положения ротора ВИМ, основанный на изменении магнитных проводимостей под полюсамимашины в зависимости от углового положения ротора.

Работа ВИМ в режиме«датчика угловых положений»обеспечивается следующим образом:- для идентификации углового положения ротора в магнитной системе дополнительно формируются измерительные потоки, связанные между собой квадратурными соотношениями;6- анализируется фаза ЭДС,наведенной измерительными потоками.Рассмотрена реализация метода на примере трехфазной ВИМ конфигурации12/8.Для управления формированием электромагнитного момента ВИМ используется одиночная коммутация фаз.

Таким образом, в каждый момент времени только через одну фазную обмотку ВИМ протекают силовые токи, при этом катушки вданной фазе соединены последовательно и согласно. Для того чтобы ВИМ выполнял одновременно функции двигателя и датчика углового положения, в двухкатушках, незадействованных в данный момент времени для формирования электромагнитного момента и расположенных в разных фазных обмотках, создаютсяизмерительные токи, связанные квадратурными соотношениями.