Асинхронные электроприводы с векторным управлением

Система частотного привода с управлением от ЭВМ по вектору потокосцепления статора двигателя

Применение микро-ЭВМ для векторного управления частотно-ре­гулируемым приводом позволяет реализовать различные алгоритмы управления.

На рис. 5.6 представлена функ­циональная схема аналогоцифровой системы управления приводом ТПЧ-АД посредством ЭВМ по вектору потокосцепления статора двигателя. В схеме реали­зуются следующие алгоритмы управления амплитудой и часто­той напряжения питающего двигатель:

[ Usm — ku (s) (Tsm — Wim); (0Уі = km (s) (®° — to) + (0°,

гд0 ku(s), fea(s) —передаточные функции по каналам управле­ния амплитудой и частотой напряжения; ш° — заданная угловая скорость двигателя; — заданное потокосцепление двигателя. В данной схеме предварительная обработка информации коор­динат двигателя возложена на интеграторы Иа, И$ и АЦП. Та­кая система обрабатывает входные аналоговые сигналы за 16 мкс и выходные за 10 мкс. Это время не входит в период вре­мени выполнения основной программы. Во время ожидания, до конца преобразования, основная программа продолжает выпол­няться. В словах программа занимает около 250 двухбайтных слов резидентной памяти. После запуска программа начинает циклически опрашивать внешние адреса, которым соответствуют адреса преобразователей, датчика угловой скорости и значения заданных величин. Первыми вводятся данные о потоке и его производные через мультиплексор и интерфейс параллельного обмена. Вычисляются и co^s. Далее вводятся опять через мультиплексор и интерфейс параллельного обмена заданные ве­личины и со0 и величина и в цифровой форме от датчика угловой скорости ДС. Вычисляются значения Usm и coc/s и через интерфейс параллельного обмена поступают в цифро-аналоговые преобразователи, которые воздействуют на тиристорный преоб­разователь частоты ТПЧ. Цикл повторяется с периодом 2,5 мс.

В схеме рис. 5.6 использована микро-ЭВМ типа «Электрони - ка-бОМ», имеющая интерфейс «Общая шина»; преобразователи АЦП и ЦАП характеризуются временем преобразования: для ЦАП — 8 мкс и для АЦП — 10 мкс. Точность измерения угло­вой скорости двигателя не хуже 0,2 % во всем диапазоне регу­лирования скорости.

Сигналы с измерительных проводников ИКа и ИК$ пропор­циональны производным потокосцеплений по осям (а, Р) и их необходимо проинтегрировать. Эта операция выполняется ана­логовыми интеграторами Иа, И$ с компенсацией дрейфа нуля. Вычисляется модуль вектора потокосцепления статора Ч^т = = (Ч'іа + Ч'Ір)0,5, где Wsa и Ч^р — значения составляющих пото­косцепления, находящиеся в регистрах АЦП. Вычисляется так­же частота вращения вектора потокосцепления статора %s —

= ('Р As ~ ?Л)Гр2«- г«е 'С и ^ ~ производные состав­ляющих вектора потокосцепления, находящиеся в регистрах АЦП. Далее вычисляется рассогласование 4% — Ч^т, где Чг3 — заданное значение модуля потокосцепления статора, находящее­ся в одной из ячеек памяти и соответствующее номинальному потокосцеплению двигателя. Алгоритм управления напряжением реализуется по уравнению

где Us — управляющее воздействие по каналу напряжения ТПЧ; D(z)—цифровая корректирующая функция, которая представ­ляет собой набор коэффициентов, рассчитанных заранее и поме­щенных в постоянную память ЭВМ, которые умножаются на со­ответствующие значения, вычисленные на текущем шаге и на предыдущих.

Так как система нелинейная, то каждой области значений угловой скорости ротора соответствует свой набор коэффициен­тов. Значение угловой скорости ротора снимается с цифрового датчика скорости ДС, который включает в себя фотоимпульсный датчик, представляющий собой диск с прорезями, с одной сто­роны которого установлены светоизлучающие диоды, а с дру­гой — фотодиоды. Период следования импульсов заполняется генератором, который стабилизирован кварцевым резонатором. Так как измеряется период, то программно определяется угловая скорость ротора со = klT„, где k — масштабный коэффициент; Т„ — число импульсов, пропорциональное периоду. По вычислен­ной скорости определяется адрес первого и всех остальных ко­эффициентов для данной области. Вычисленное значение Us за­писывается в регистр ЦАП и в виде аналогового сигнала посту­пает на вход ТПЧ.

Сигнал задания по каналу скорости в соответствии с алгорит­мом вычисляется по уравнению

®U. fc = al + kl (S) К “ ®*) + К (S) Ks, А-I - ®£/s, fc-l).

где fti(s)—передаточная функция цифрового ПИ-регулятора отработки рассогласования скорости; k2(s)—передаточная функ­ция цифрового ПИ-регулятора фазового угла вектора напряже­ния относительно вектора потокосцепления; <в^ — заданное зна­чение угловой скорости ротора на /z-м интервале; ю* — мгновен­ное значение скорости ротора на k-м интервале; *-і — зна­чение частоты вращения вектора потокосцепления статора на (k— 1)-м интервале; a>us, k-1 — значение частоты вращения век­тора напряжения на (k — 1)-м интервале.

Вычисленное значение соus записывается в регистр ЦАП и в виде аналогового сигнала поступает в ТПЧ. Дискретный харак­тер работы преобразователя приводит к разрывному характеру функции co^s (t), и для формирования заданных значений по ка­налу значения и частоты напряжения вводится цифровая филь­трация, которая основана на ограничении приращения a^s меж­ду текущим значением и предыдущим, причем это ограничение является функцией ОТ CDus.

Особенностью микро-ЭВМ «Электроника-бОМ» является то, что в ней нет специальных команд ввода и вывода. Адресация к внешним устройствам такая же, как к ячейкам памяти. Таким образом, благодаря предложенному соединению АЦП и ЦАП с микро-ЭВМ, все операнды, находящиеся в регистрах внешних устройств, непосредственно участвуют в вычислениях.

Г5 у№чц-у5П

-б -*

Ъиг^%у%

... О і //..______ ♦ —

-ftf*»;-»», +w

[Запуск Всех АЦП [*~3апуск ЩП

г-19 —*—д—- Д0)=0) - ш

-20-

Выбор Aj, 7г+,7г5 по коду скорости

5.7. Блок-схема программы ЭВМ для управления приводом ТПЧ-АД по век­тору магнитного потокосцепления статора двигателя

Блок-схема вычислений в системе управления с микро-ЭВМ типа «Электроника-бОМ» приведена на рис. 5.7.

Сигналы магнитного потокосцепления двигателя Ч^а, Wsp, снимаемые с измерительных витков, и Ч*^, 'Fsp, вычисленные в интеграторах Иа, Ир, через блоки аналого-цифровых преобразо­вателей (АЦП) поступают в ЭВМ и на первых операциях 1—6

используются для вычисления модуля магнитного потокосцепле­ния статора двигателя |т? т|. Значение в ячейке «если» (операция 7) сравнивается с номинальным значением, с тем что­бы управление двигателем выполнялось при модуле потокосцеп­ления, не превышающем его номинального значения.

Выдача из ЭВМ команд на запуск АЦП производится на операции 17. На операциях 8—9 вычисляется значение частоты вращения вектора магнитного потокосцепления двигателя co^,s. Затем на операции 14 выбираются коэффициенты регулятора модуля напряжения PH — ku k2; ПИ-регулятор здесь представ­ляется следующей передаточной функцией:

На операции 11 воспроизводится задатчик интенсивности из­мерения скорости двигателя при отработке заданного уровня скорости. Для вычисления управляющего сигнала изменения скорости двигателя на операции 11 в ЭВМ вводится значение скорости со0 от блока задания скорости.

Далее на операции 17 от импульсного датчика скорости дви­гателя ДС вводится величина периода измерения скорости Т№ и вычисляется скорость двигателя к». Последующая операция 20 определяет выбор коэффициентов &з, &4 ПИ-регулятора скоро­сти двигателя PC и къ П-регулятора фазы напряжения преобра­зования РФ.

На операции 23 кодовые сигналы управления Usm и частотой to us напряжения преобразователя через блоки цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) поступают в систему управления пре­образователя ТПЧ. Таким образом, управление приводом осу­ществляется по командам из блока задания скорости. Выклю­чение ЭВМ после остановки привода осуществляется командой «Конец».

Порядок вычислений в соответствии с указанным алгоритмом представлен блок-схемой на рис. 5.7 и выполняется последова­тельно:

съем кодов с АЦП составляющих потокосцепления и э. д. с. статора и вычисление ЧгікЛг*р, fsa, 'Pjp'Fja, ТадЧ^р — Ч^рЧ^а, TL = т? а + где W sa, — сигналы измерительных проводников; Ч'щ, Ч*^ — сигналы с интеграторов;

вычисление 4fsm=(4r? a + Ч'ір)0,5 осуществляется итеративным методом по алгоритму 4rsm/4f sm, п— Пр» (Т^пр + Т

sm, п— 0/2=

= ^sm. п> гДе п-1 ~ значение модуля потокосцепления ста - тора на предыдущем шаге вычислений; Ysm пр — первое прибли­жение; так как частота прерываний много больше частоты изме­нения потока, то вполне достаточно одного приближения;

вычисление <йф5 производится ПО формуле С0^ = (^sa^sp *“ — >Psp4rsa)/^sm’ где “V ~ частота вращения вектора потокосцеп­ления статора. Здесь осуществляется фильтрация (о^,, основанная

на ограничении приращения Лю^: (o^n — re_i = Дм, ®ф„== = + Дю, где + Дм, если Дм < є; — Дсо, если — Дю > — е;

+ е, если Доз > е и — е, если — Дсо < — е;

код задания угловой скорости снимается с АЦП и органи­зуется задатчик интенсивности моя = со0, п- + Дм, где -(-Дсо, если (®ол — ®о, я-і) > 0; — Д<о, если (©0„ — м0, n-i) < 0 и 0, если (щп — — ®о, n-i) = 0; Дсо — фиксированное число, определяющее темп нарастания (спадания) скорости; со0 — задание угловой скорости;

рассогласование по потоку ДЧ^т = Ч^т — Ч^т, где Ч^т ~ заданное потокосцепление статора (фиксированное число);

вычисляется co„,s (Ч^ — Ч^) = Хп; возможность пуска обес­печивается начальным заданием oa^s, занесенным в ячейку, отведенную ДЛЯ (Офз (постоянное число);

организация ПИ-регулятора производится по уравнениям: (Хп - Хп-.) = ЛУП = Yn_, + ДУ„; лYa - ku АХп + kvXa, где ki/ — сменный коэффициент пропорциональной части (/ — адрес, связанный с м); k2! — сменный коэффициент интегральной части;

вычисленное значение Yn подается через ЦАП в канал зада­ния напряжения ТПЧ;

для управления каналом частоты вычисляется k/п — м, где k — масштабный коэффициент (постоянное число, зависящее от разрядности преобразователя скорость— код); п — код с преоб­разователя скорость — код; © — угловая скорость двигателя;

вычисляется Дсол = со о — о)п, где coo — заданное значение уг­ловой скорости; после вычисления Дсоя выдается команда на за­пуск всех АЦП;

ПИ-регулятор по каналу частоты организуется по алгоритму, аналогичному алгоритму регулятора канала напряжения: ю№п= = къ (Дм„ — Д©„_!) 4" +A0J/2 + &5(M(j>s, n-l —%s. n-l) + WQ»

Полученный на ЭВМ результат вводится через ЦАП в канал управления частотой ТПЧ. Далее цикл повторяется.

Время выполнения одного цикла программы составляет две миллисекунды.

Электропривод по схеме рис. 5.6 был испытан на установке с двигателем мощностью 4,5 кВт. Привод показал хорошую ста­бильность и высокие динамические качества. На рис. 5.8 для примера приведена осциллограмма пуска. На осциллограммах видно, что угловая скорость нарастает с постоянным ускорением, а потокосцепление двигателя удерживается на постоянном заданном уровне.