Асинхронные электроприводы с векторным управлением

Индикация вектора магнитного потокосцепления

1.3.1. Датчик вектора магнитного потока на элементах Хол­ла. Датчики Холла позволяют осуществить точную фиксацию положения волны магнитного поля в зазоре машины относи­тельно системы координат, неподвижной по отношению к ста­тору. Сигналы, получаемые с датчиков, соответствуют значению магнитного поля в данный момент в месте установки датчиков. При идеальном, синусоидальном, распределении поля в зазоре машины сигнал на датчике имеет синусоидальную форму и пропорционален косинусу угла между положением волны поля и осью, на которой установлен датчик. Однако реальные сиг­налы имеют в своем составе помеху, обусловленную высокочас­тотными зубцовыми гармониками, низкочастотную помеху, обусловленную обмоточными данными, и помеху от несинусои - дальности питающего двигатель напряжения.

В соответствии с выбором системы координат (а, р) один из датчиков необходимо устанавливать на магнитной оси фазы А, совпадающей с осью а. Второй датчик теоретически необходимо установить на оси, сдвинутой по отношению к а на угол л/2, однако практически это осуществить трудно, так как магнитная ось фазы А совпадает с серединой зубца ста­тора, а ось р обычно оказывается расположенной на раскрытии паза. Поэтому вторым вариантом является установка второго датчика Холла на магнитной оси фазы В (фазовый сдвиг меж­ду напряжением датчиков 2л/3) [20]. Оказывается, что уста­новка второго датчика может быть произведена в зоне углов от я/3 до 2л/3 и в результате может быть получен необходимый сигнал, сдвинутый на угол л/2. Действительно,

Ua = a, cos 'па + а2 cos (т]а + ті);

[/p = acos(ria 4- п/2) —a sin г|а, *■ " '

где г] — угол между вторым и первым датчиками, отсюда коэф­фициенты ai и а2 должны быть:

a,=actgr); а2 = — a/sin т], (1.10)

и при фазовом сдвиге 2я/3

at = —a/д/ 3; а2 = 2а/Уз.

Техника установки датчиков на зубце статора зависит от типа применяемого датчика Холла. При установке кристалли­

ческого датчика (германиевого в корпусе иэ эпоксидной смо - 1ы), имеющего толщину, достигающую 2 мм, необходимо в зуб­це выполнить гнездо, что, естественно, осложняет практическое применение датчиков этого типа, кроме того, германиевые дат­чики имеют весьма высокий температурный дрейф. В настоящее г. ремя промышленностью изготовляются пленочные датчики на основе антимонида индия (InSb) и арсенида индия (InAs). До­стоинствами пленочных датчиков, изготовляющихся на жесткой її гибкой подложке, являются очень малая толщина — до 0,15 мм,

• і также наличие встроенного предусилителя, что позволяет по - іучать выходные напряжения с датчиков до 5 В.

1.3.2. Датчик вектора магнитного потока на базе дополни­тельных витков на статоре двигателя. Электродвижущая сила обмотки статора содержит информацию о потокосцеплении ма­шины, ее значение может быть получено косвенными измере­ниями с последующим вычислением, а также непосредственно с помощью измерительной катушки.

Первый способ опирается на известное уравнение статорной цепи:

4f^s = Us-Rsis, (1.11)

где Ws, С/, и /, — векторы потокосцепления, напряжения и тока статора; Rs—активное сопротивление обмотки статора.

Опустив результат этих вычислений, найдем составляющие нектора потокосцепления статора в осях (а, Р) — Wsa и

Применение асинхронного двигателя с измерительными ка­тушками (ИК) позволяет получить информацию о составляю­щих вектора э. д. с. непосредственно на измерительных катуш­ках, одна из которых должна совпадать с осью фазы, а ось другой — сдвинута относительно оси первой катушки на 90° (число градусов в окружности статора равно ЗбОр, где р— число пар полюсов).

Измерительная катушка представляет собой секцию. Наибо­лее целесообразно эту секцию уложить в пазы статора, хотя допустимо наклеивать ее на пазовые клинья (рис. 1.12). Если на поверхность пазового клина нанести проводящий слой и вы­вести концы образованного проводника к измерительному устрой­ству, то такая конструкция эквивалентна одновитковой измери­тельной катушке с диаметральным шагом. Проводящий слой клина может быть выполнен электрохимическим способом либо в виде одиночного проводника, закрепленного в поверхности паза или клина. Если взять два таких специальных клина, один из которых расположить по оси фазы А, а другой сместить от­носительно первого на угол, равный 90°, то эта пара образует систему одинаковых измерительных катушек машины по осям а, р, имеющих диаметральный шаг. Для получения сигнала, пропорционального потокосцеплению, э. д. с. с измерительных катушек необходимо проинтегрировать.

В процессе интегрирования на выходе интегратора накапли­вается (интегрируется) э. д. с., вызывающая дрейф нуля.

Для формирования сигнала компенсации дрейфа нуля выде­ляют в выходном сигнале интегратора составляющую, обуслов­ливающую этот дрейф.

Интегратор сигнала э. д. с. охвачен контуром формирования компенсирующей э. д. с., который состоит из коммутирующих ключей К, К.2, Кз, интегратора дрейфа /о и блока запоминания э, д. с. Е0 — рис. 1.13.

Устройство для измерения потокосцепления работает сле­дующим образом. Измерительной катушкой формируется сиг­нал, пропорциональный производной от потокосцепления: е = = —йФ/dt. Этот сигнал подается на вход интегратора, и на выходе его образуется сигнал, пропорциональный измеряемому потокосцеплению. На сигнал накладывается э. д. с. дрейфа нуля интегратора. Величина этой э. д. с. периодически вычисляется и подается на интегратор /0 на задаваемом интервале 0—пТ с помощью коммутирующего ключа К. Интегратор /0 всегда начинает работать при нулевых начальных условиях, которые обеспечиваются предварительным замыканием коммутирующего ключа Кз-

После формирования сигнала, пропорционального дрейфу, ключ /Сз размыкается и замыкается ключ Кг, подключая выход интегратора /0 к входу /с и к блоку запоминания э. д. с. £0. За­тем ключ Кг размыкается и замыкается ключ Кг, устанавливая нулевые начальные условия интегратора /0. Цепь вычисления

э. д. с. дрейфа нуля Ki — /о — К2 — Кз работает периодически, и значение э. д. с. дрейфа периодически корректируется в уст­ройстве запоминания э. д. с. Eq.

Для снижения влияния несимметрии входного сигнала Jm = ео имеется блок стационарности БС, сигнал с которого при |(Лп+| — е вызывает коррекцию в работе ключей

Ки К2, Кз через блок управления ключами БУК.

Схема может также работать при постоянном времени за­мыкания ключа К независимо от периода полезного сигнала.

При работе с замыканием ключа К на целое число перио­дов сигнала условие устойчивости системы имеет вид

т 12<27Vrb (1.12)

где т — время замыкания ключа К\ при замыкании ключа Ki

и постоянном интервале условие устойчивости системы будет

Т/(Т0Ті) < 2у min { 1/y. 1/(1 — Y)}- (1.13)

1.3.3. Вычислитель вектора главного потокосцепления по на­пряжению, току и угловой скорости асинхронного двигателя.

Полученные оценки переменной, измерение которой затруднено

или невозможно, по значениям измеряемых (наблюдаемых) пе - ременных является задачей идентификации [8].

Вектор главного потокосцепления при наблюдаемых пере­менных /5, Us, со является идентифицируемой переменной, по­этому всегда возможна реализация системы идентификации вектора Простейшими системами идентификации вектора являются системы асимптотической оценки [8], основной частью которых является модель асинхронного двигателя и линейный регулятор С, входом которого является вектор ошибки наблю­даемых переменных и их оценки, полученной на модели. За­метим, что в нашем случае регулятор является комплексным, с коэффициентами, зависящими от мгновенного значения угло­вой скорости ротора.

Аппаратурная реализация подобного вычислителя сводится і построению аналоговой или цифровой модели асинхронного ишгателя с коррекцией матрицей £. Функциональная схема • истемы идентификации приведена на рис. 1.14,я; на рис. 1.14,6 приведен векторный интегратор, содержащий два интегратора; па рис. 1.14,в представлен блок векторного умножения:

КХ = Re (КХ) + / Im (КХ) — (ах, — bpa>x2) + j (ах2 + Ьрах,), (1.14)

і де Х = х, + jx2 К = а + jbpa.

Конкретизация матрицы L может быть выполнена по усло - I ню заданного переходного процесса убывания ошибки, однако і этом случае схема усложнится.

Главным недостатком такого типа вычислителей является ависимость всех коэффициентов вычислителя от параметров машины. Данный тип вычислителей, тем не менее, получил ши­рокое распространение.

Другим подходом к построению идентификаторов является нелинейный подход.

Идентификаторы используют известное соотношение

■jf^o = U, — Rsi, — Las-^-is (1.15)

для вычисления вектора производной главного потокосцеп­ления.

На рис. 1.15 приведена схема, позволяющая применить обычный операционный усилитель в схеме интегрирования (на­пример, 140 серии) [20].

Устройство построено в виде векторной следящей системы, существенно использующей вид обрабатываемых сигналов.

Основным элементом устройства является тригонометриче­ский анализатор ТА, с помощью которого выделяют из входной двухфазной системы напряжений ее модуль и нормированную но амплитуде первую гармонику. В результате на выходе

получаются сигналы

exp Цщ) = cos фф + } sin фф,

где фф — мгновенная фаза двухфазной системы напряжений; I Фо I = (%оі + Фо22)°'5 — сигналы с высокой степенью фильтрации.

Далее векторный умножитель восстанавливает сигнал = | Т |(созфф + / sin фф) и на векторном сумматоре вычисляется разность входного сигнала ТА и выходного, которая подается на вход векторного сумматора. В результате интегратор ока­зывается охваченным отрицательной связью, причем по рабо­чему сигналу коэффициент обратной связи равен нулю, а по дрейфу с высшим гармоническим этот коэффициент может быть сделан достаточно большим.