Pаrametric study of robust sensorless vector induction motor drives with the id kalman

Кобылянский, Борис Борисович

Коломиец, Валерий Витальевич

Лутай, Сергей Николаевич

eNTUKhPIIR Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"; Institutional Repository

 Теоретические вопросы автоматизированного электропривода 122 Лутай С.Н., Украина Коломиец В.В., Артемовск Кобылянский Б.Б. Учебно научный професионально – педагогический институт Украинской инженерно – педагогической академии ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ РОБАСТНОСТИ БЕЗДАТЧИКОВОГО ВЕКТОРНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ИДЕНТИФКАТОРОМ КАЛМАНА Приведены результаты исследования параметрической робастности бездатчикового векторного асинхронно-го электропривода с идентификатором Калмана при изменении таких внутренних параметров электродвигате-ля, как активное сопротивление ротора, индуктивность цепи намагничивания, момент инерции. Установлены границы устойчивости работы электропривода при увеличении каждого из перечисленных параметров. Сегодня нельзя найти отрасль, где не применялись бы частотно-регулируемые электроприводы с приводны-ми асинхронными двигателями (АД). Большинство производственных машин и механизмов общепромышлен-ного применения (вентиляторы, насосы, конвейеры) требуют относительно небольшого диапазона и невысокой точности регулирования скорости, относительно низкого быстродействия. В этом случае используют электро-приводы с системой скалярного управления асинхронными двигателями, то есть с взаимосвязанным регулиро-ванием частоты и значения питающего напряжения. Широкодиапазонные, высокочастотные и быстродейст-вующие электроприводы станков, роботов и транспортных средств требуют применения более сложных систем векторного управления. Главной проблемой построения систем векторного управления АД является получение текущей информа-ции о векторе магнитного потокосцепления. Использование датчиков индукции магнитного поля в воздушном зазоре машины на базе элементов Холла или применение дополнительных статорных обмоток для измерения ЭДС позволяет системе управления получать достоверную информацию о векторе потокосцепления. Однако это влечет за собой изменения конструкции двигателя, его технологического усложнения, а, следовательно, удорожания. При этом разработчики асинхронных векторных электроприводов все чаще стремятся отказаться от механического датчика скорости (тахогенератора), что увеличивает надежность и уменьшает стоимость электропривода. Задачу бездатчикового управления решают при помощи методов динамической идентификации, то есть оп-ределения в реальном времени текущих значений вектора состояния. Более целесообразным является примене-ние для идентификации методов оценивания, основанных на регистрации измеренных величин при действии случайных помех и дальнейшей их статистической обработки [1]. В случае АД с короткозамкнутым ротором измеряемыми величинами выступают напряжения и токи фаз статора. На рис. 1 представлена структура бездатчикового векторного асинхронного электропривода, замкнутого по сигналу идентифика-тора состояния на основе фильтра Калмана. Измеряемые статорные напряжения UsaUsd,Usc и токи Isa,Isd,Isc двигателя АД трансформиру-ются преобразователем координат (ПК) в напряжения UsaUsd и токи Isa,Isd неподвижной системы координат α-β, которые являются вход-ными сигналами для фильтра Калмана (ФК). ФК на основе изме-ренных статорных напряжений и токов асинхронного двигателя АД рассчитывает текущие значения потокосцепления ротора ψ, и ско-рости ω вала двигателя. На систему управления электроприводом (СУЭП), включающую в себя ПИ-регуляторы скорости, потокосце-пления ротора и токов статора, подаются сигналы задания на ско-рость и потокосцепление ротора Uзс.  Также система управления электроприводом СУЭП получает сигналы статорных токов Isa,Isd и рассчитан-ных с использованием фильтра Калмана потокосцепления ротора ψ и скорости ω вала двигателя. В составе сис-темы управления электроприводом СУЭП предусмотрено преобразование статорных токов из неподвижной системы координат α-β во вращающуюся d-q, ориентированную по вектору потокосцепления ротора. Примене-ние данного преобразования обусловлено тем, что регуляторы координат электропривода могут быть реализо-ваны только во вращающейся системе координат. На преобразователь частоты (ПЧ) поступают управляющие сигналы для шести силовых полупроводниковых ключей у,-уь от системы управления электроприводом СУЭП, а также трехфазное напряжение питающей сети Uc. Фильтр Калмана - это линейный адаптивный фильтр рекурсивного типа, который позволяет получить дан-ные о параметрах и переменных состояния АД на основании измерительной информации в условиях действия на двигатель случайных помех и возмущений. Термин «рекурсивный» обозначает то, что для расчета текущих оценок требуется знание о состоянии системы только на предыдущем шаге.  Рис. 1 Структура бездатчикового пикового векторного асинхронного электропривода  Проблемы автоматизированного электропривода 123 Каждый шаг работы фильтра Калмана подразделяется на два эта-па. Первый представляет собой предсказание состояния динамиче-ского объекта и предсказание изме-ряемой величины на основании по-лученных данных о состоянии. Под предсказанием следует понимать оценивание переменных по предва-рительным данным о состоянии объекта на предыдущем шаге рабо-ты фильтра. Второй этап состоит из уточнения предсказанного значения с использованием данных текущих измерений (с датчиков токов или напряжений). Для использования калманов-ской фильтрации необходимо зна-ние адекватной математической мо-дели АД, представленной в про-странстве состояний, а также кова-риационных матриц погрешностей измерения и возмущения. Матема-тическая модель АД является ли-неаризованной в окрестности пре-дыдущей рабочей точки. При этом действующие на двигатель помехи должны представлять собой белый гауссовский шум. Одной из главных проблем без-датчикового электропривода явля-ется низкая робастность при изме-нении внутренних параметров дви-гателя - активных сопротивлений и индуктивностей обмоток, момента инерции. Для адекватной оценки вектора состояния фильтром Кал-мана необходимо знание точных значений параметров двигателя, так как параметры «вшиваются» в про-грамму идентификатора (фильтр Калмана технически реализуется в виде программного кода на каком-либо языке программирования в микроконтроллере), и при несоот-ветствии заданных и реальных па-раметров произойдет неверное оце-нивание переменных состояния двигателя. Это может привести к некачественном регулированию процессов в электроприводе и даже к потере системой устойчивости. Известно, что активные сопротивления статорных и роторных обмоток зависят от температуры, которая из-меняется в процессе работы электродвигателя. Токи статора и ротора, протекая по соответствующим обмоткам, со временем нагревают их (проявляется тепловое действие электрического тока). Это вызывает увеличение ак-тивных сопротивлений обмоток. В свою очередь индуктивности обмоток изменяются в зависимости от степени насыщения магнитной цепи (проявляется нелинейность кривой намагничивания двигателя). Суммарный мо-мент инерции электропривода также может варьироваться при набросе и сбросе нагрузки, например, когда к двигателю, работавшему на холостом ходу, через муфту подключается механизм. В качестве объекта исследований параметрической робастности была использована имитационная модель бездатчикового векторного асинхронного электропривода на базе двигателя типа АИР 90L4 в программной среде Matlab Simulink. Модель учитывала ограничения на допустимых уровнях выходных напряжений регуля-торов. Программа исследований заключалась в поочередном изменении параметров модели двигателя на мак-симальной скорости, при этом те же значения, заданные в программном коде фильтра Калмана, оставались не-изменными.  Рис. 2 Переходные процессы в бездатчиковом электроприводе при: а) номинальных параметрах двигателя; б) увеличении активного сопротивления ротора АД на 20%   Рис. 3 Переходные процессы в бездатчиковом электроприводе при увеличении активного сопротивления ротора АД на: а) 35; б) 40%   Рис. 4 Переходные процессы в бездатчиковом электроприводе при  увеличении индуктивности намагничивания АД на: а) 25; 6)50 %  Теоретические вопросы автоматизированного электропривода 124 Из полученных графиков видно, что при увеличении активного сопротивления ротора двигателя на 20 % от номинального значения зависимость скорости от времени не изменяется. На осциллограмме электромагнитного момента появляются колебания.   Рис. 5 Переходные процессы в бездатчиковом электроприводе при увеличении: а) индуктивности намагничивания АД на 70 %; б) момента инерции АД в 5 раз   Рис. 6 Переходные процессы в бездатчиковом электроприводе при увеличении момента инерции АД в: а) 10; б) 20 раз  При изменении активного сопротивления ротора двигателя на 35 % скорость не принимает заданного значе-ния при набросе и сбросе номинальной нагрузки. При увеличении активного сопротивления ротора на 40 % электромеханическая система теряет устойчивость. При изменении индуктивности цепи намагничивания, влияющей одновременно на индуктивности статора и ротора, на 25 % по сравнению с номинальным значением зависимости скорости и момента от времени не пре-терпевают каких-либо изменений. Увеличение индуктивности цепи намагничивания на 50 % приводит к затя-гиванию времени переходных процессов и негативно влияет на характер зависимостей скорости и момента от времени при наброее нагрузки и реверсе. Изменение индуктивности цепи намагничивания на 70 % ведет к по-тере системой устойчивости. Возрастание момента инерции электропривода во много раз не влияет на его ус-тойчивость. Учет изменения параметров в реальном времени может производиться расширенным фильтром Калмана, который получается путем дополнения вектора состояния вектором параметров двигателя.  Выводы 1. Приведена структура бездатчикового векторного асинхронного электропривода, замкнутого по сигналам идентификатора состояния на основе фильтра Калмана. Обоснована проблема низкой параметрической робаст-ности бездатчиковой системы управления. 2. Установлены значения внутренних параметров двигателя, при которых бездатчиковый асинхронный элек-тропривод с фильтром Калмана может обеспечивать устойчивую работу.  Список использованных источников 1. Каширских В. Г. Динамическая идентификация асинхронных электродвигателей. - Кемерово: Изд-во Куз-ГТУ, 2005. - 139 с. 2. Браммер К.. Зифлинг Г. Фильтр Калмана-Бьюсн. Пер. с нем. - М.: Наука, 1982. - 199 с. 3. Копылов И.Г. Математическое моделирование электрических машин. - 3-е , перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2001. - 327 е.: ил. 

Исследование параметрической робастности бездатчикового векторного асинхронного электропривода с идентифкатором Калмана

http://repository.kpi.kharkov.ua/bitstream/KhPI-Press/4908/1/vestnik_HPI_2013_36_Lutay_Issledovaniye.pdf

Исследование параметрической робастности бездатчикового векторного асинхронного электропривода с идентифкатором Калмана

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

eNTUKhPIIR Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"; Institutional Repository