Автоматизация проектирования систем и средств управления кр2

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА (МИИТ)»
(РУТ (МИИТ)

Одобрено кафедрой

«ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНАЯ АВТОМАТИКА ТЕЛЕМЕХАНИКА И СВЯЗЬ»

Протокол № от 201 г.

Автор:

ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ № 2 С МЕТОДИЧЕСКИМИ
УКАЗАНИЯМИ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

Автоматизация проектирования систем и средств управления

Специальность/Направление: 27.03.04 Управление в технических
системах (УТб)

Специализация/Профиль/Магистерская программа: (УТ) Системы и
технические средства автоматизации и управления

Москва

ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ

Название: «Разработка системы управления синхронными
электроприводами»

Требуется в среде MexBIOS Development Studio разработать и отладить
систему управления синхронными электроприводами.

Вариант системы управления определяется четностью шифра. Для нечетного
шифра требуется разработать систему скалярного управления, а для четного
–полеориентированного управления.

В процессе выполнения задания студенту необходимо:

• 1. Изучить краткие теоретические сведения об электроприводе
  соответствующего типа
• 2. Разработать математическую модель электропривода в среде MexBIOS
  Development Studio
• 3. Сформировать отчет

Содержание отчета:

• 1. Название и номер контрольной работы
• 2. Исходные данные.
• 3. Структурная схема электропривода с кратким описанием
• 4. Математическая модель электропривода с кратким описанием
  процесса ее синтеза в среде, а также описанием характеристик
  элементов библиотек, использованных при синтезе модели и
  графиками работы модели электропривода.
• 5. Ответы на контрольные вопросы.
• 6. Выводы по работе.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ
РАБОТЫ

• 1 . Полеориентированное управление СДПМ
  • 1.1. Основные теоретические сведения

Наиболее распространенный класс векторно-управляемых

электроприводов - это приводы, имеющие в своем составе синхронный
двигатель (СД) с постоянными магнитами на роторе. По сравнению с
асинхронными двигателями, такие двигатели дороже, но зато имеют
меньшие габариты, больший КПД и легче управляются. Ротор такого
двигателя представляет собой постоянный магнит.

Ток обмотки статора создает вращающееся магнитное поле статора
(Т₅), магнитные полюса которого притягивают противоположные
магнитные полюса ротора. Вследствие этого возникает момент, вращающий
ротор вслед за полем статора (рис. 5).

Рис. 1. Условие возникновения вращающегося момента в СДПМ

Ротор синхронного двигателя с неявнополюсным ротором устроен так,
что индуктивности статора по осям d и q у него одинаковы.

Так как L_sd = L_{s 9} выражение для момента двигателя упростится и
запишется в следующем виде:

3z_p

• 2 Isq^т f

(0.1)

Глядя на выражение (1.3), можно сделать вывод, что при
фиксированном потоке магнита-ротора момент зависит только от q-
составляющей статорного тока. То есть d-составляющая тока является
паразитной, не создающей момент, и вызывает только дополнительные
потери в двигателе.

Регулирование скорости осуществляется с помощью управления
моментом двигателя. Если ток статора ориентирован по оси q, то он

выражается через момент с помощью соотношения (1.4), вытекающего из
соотношения (1.3):

14 | = Isq =

2M

.

• ³ Zp * f

(0.2)

Векторный регулятор тока строится во вращающейся системе
координат dq и состоит из регуляторов d и q проекций. С помощью q-
составляющей тока обеспечивается, в соответствии с формулой (1.4),
необходимый момент, а d-составляющая поддерживается равной нулю, что
обеспечивает нужную ориентацию вектора тока. В качестве обратной связи
регулятор использует измеренный и преобразованный в систему dq реальный

вектор статорного тока.

Векторный регулятор тока формирует в системе dq вектор напряжения
статора, призванный обеспечить совпадение заданного и реального векторов
тока статора. Затем с помощью координатных преобразований вектор
напряжения статора переводится в неподвижную систему координат,
связанную со статором, где он и реализуется с помощью ШИМ.

Уравнение равновесия статора (1.5) в системе dq имеет следующий
вид:

• и, = Ld + R_si_sd - aLi_sa;
  sd sd s sd sq sq

1 dt (0.3)

dI

U = L —+ + RI -aLJ, + a*_f.

sq sq ^^ s sq sd sd f

Из уравнений (1.5) видно, что между каналами регулирования

составляющих статорного тока, так же как и в асинхронном двигателе,
существует взаимовлияние (перекрестные связи). Для исключения
взаимовлияния каналов перекрестные связи надо компенсировать.

Компенсационная составляющая канала управления I_sd:

Ud aL I . (0.4)

Компенсационная составляющая канала управления I :

a*_f = E. (0.5)

В канале управления составляющей I , кроме составляющей,
зависящей от I , еще присутствует составляющая.

Ее также можно скомпенсировать. Компенсационная составляющая
канала управления составляющей I определяется следующим выражением:

Ukq = a( LJd +* f). (0.6)

В качестве токов для вычисления компенсационных составляющих
берутся измеренные и преобразованные в систему dq сигналы с датчиков
токов фаз.

Для исключения (компенсации) перекрестных связей компенсационные
составляющие надо суммировать с получаемыми на выходе регуляторов тока
составляющими векторов статорного напряжения.

Настройка контура тока

Рис. 2. Контур тока d-составляющей

Рис. 3. Контур тока q-составляющей

Желаемая разомкнутая передаточная функция контура тока:

W ж ( p ) =

1

T p +1

1

.
2T, P

Действительная разомкнутая передаточная функция контура потока

(рис. 6,7):

W1pa3 (P) = WIT

⁽ P )•

1 1 Rs

.
^Тщим P ^{+ 1} Lsq (sd)/ Rs P ^{+ 1}

W ж ( P ) = W раз ( P )

WIsq (sd)
рег

1 1

Tp+1 • 2TP = Lq (sd) ₊ Rs

¹ • ¹ Rs T 2T P'

^Тщим P ^{+ 1} Lsq (sd)/ ^Rs P ^{+ 1}

Настройка контура скорости:

Рис. 4. Контур скорости

Желаемая разомкнутая передаточная функция контура тока:

W ж⁽P) = • ^’

T p ^{+1 2}T p

Действительная разомкнутая передаточная функция контура потока
(рис. 8):

^W1 раз (P ) = ^WZ ( P )'

1

^{2 L}sq ^ f

Тф P +1

3Jp

W ■

рег

11
---------------------------.--------------------

T P +1 2T P ₌ 3 J

^.

¹sq L ⁴¹L ^ f
^ТФ P ^{+1 3 J}P

• 1.2. Порядок выполнения работы

Для закрепления полученных теоретических сведений рассмотрим
реализацию полеориентированного управления в среде MexBIOS 5.15.

Перед началом выполнения работы обучающемуся необходимо ознакомится
с правилами выполнения базовых действий в среде разработки.

ОБЩИЙ ВИД МОДЕЛИ

Реализация наблюдателей магнитного состояния в общем виде
представлена на рис. 9. Использованные элементы приведены в таблице 3.

Рис. 5. Общая схема полеориентированного управления

Таблица 3

Рис. 6. Структурная схема iq_cacl

Таблица 4

Рис. 7. Структурная схема блока компенсации перекрестных
связей

Таблица 5

Рис. 8. Результат моделирования полеориентированного
управление СДПМ

ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

Для создания модели физического эксперимента необходимо создать
проект для используемого процессора руководствуясь. После создания
нового проекта и выполнения базовых настроек прерываний, перейдем в
блок содержащий основную программу управления двигателем – PWM.

Рис. 9. Структурная схема физического эксперимента

Таблица 6

Перед настройкой системы управления необходимо настроить узел
полеориентирования

Настройка узла полеориентирования показана рис.14

Рис. 10. Настройка узла полеориентирования

Чтение

Рис. 11. Результат настройки угла полеориентирования

Рис. 12. Структурная схема iq_cacl

Таблица 7

Рис. 13. Структурная схема BKPS

Таблица 8

Рис. 14. Результаты моделирования

Рис. 15. Результат моделирования

• 2. СКАЛЯРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ

• 2.1. Основные теоретические сведения

Принцип скалярного управления частотно-регулируемого синхронного
электропривода базируется на изменении частоты и текущих значений
модулей переменных СП (напряжений, магнитных потоков, потокосцеплений
и токов цепей двигателя). Управляемость СП при этом может обеспечиваться
совместным регулированием либо частоты и напряжения, либо частоты и
тока статорной обмотки.

Выбор способа и принципа управления определяется совокупностью
статических, динамических и энергетических требований к синхронному
электроприводу.

• 2.2. Порядок выполнения работы

Для закрепления полученных теоретических сведений рассмотрим
разомкнутую систему скалярного управления в среде MexBIOS 5.15.

Перед началом выполнения работы обучающемуся необходимо
ознакомится с правилами выполнения базовых действий в среде разработки.

ОБЩИЙ ВИД МОДЕЛИ

Реализация разомкнутой системы скалярного частотного управления в
общем виде представлена на рис. 1.

Рис. 1. Общий вид модели

Наименование, местонахождение и настройки блоков приведены в
таблице 1.

Таблица 1

Так как процесс пуска СДПМ происходит достаточно быстро
установим время моделирования в пределах 1с.

После сборки модели и подтверждения её работоспособности.
Необходимо произвести исследования влияния различных обратных связей
путем их включения, проведения исследования работоспособности и
отключения.

На рис. 2, приведен график скорости вращения ротора с набросом
нагрузки через 0,5 с после пуска равной 1 Мном .

Для подтверждения работоспособности необходимо провести
моделирование наброса различной нагрузки, равной 0,5■ М_н0М,1М_н0м,1,5■ М_ном для
времени t=0,5c; 0,15c, 0c, при частотах 10/35/50 Гц.

Рис. 2. Скорость вращения ротора СДПМ
ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

Для создания модели физического эксперимента необходимо создать
проект для используемого процессора. После создания нового проекта и
выполнения базовых настроек прерываний, перейдем в блок содержащий
основную программу управления двигателем – PWM, и создадим структуру
аналогичную той что была рассмотрена выше, результат должен быть
аналогичен тому что представлен на рис. 3. Так как в рамках испытаний,
проводимых на отладочном комплекте МСВ, нет возможности произвести
нагрузочные испытания двигателя узел наброса нагрузки из математической
модели не реализуем.

Рис. 3. Общий вид физической модели

Все представленные на модели блоки аналогичны блокам
использовавшихся на предыдущем этапе выполнения работы, за
исключением блока PWM6. Данный блок представляет собой модуль,
отвечающий за сигналы управления ключами инвертора, т.е. за
формирование напряжения на двигателе. Для включения соответствующего
выхода необходимо установить в настройках блока id= 1: PWM7-12/GPIOB0-
5; frequency = 5000

Настройка блока насыщения представляет собой некоторую
особенность. Ограничения, накладываемые блоком, связаны с вектором
напряжения, который можно сформировать с помощью инвертора. На вход
драйвера PWM можно подавать сигналы от -1 до 1 (если будет больше, то
драйвер будет работать не корректно). Отсюда модуль вектора не должен
быть больше единицы, поэтому необходимо выбирать ограничения на

выходе регулятора исходя из этого.

То есть для вращающейся системы координат:

7ud+u = i

40.7071² + 0.7071² = 1

(0.7)

можно взять другие ограничения, например:

U = J1- u2 = 41- 0.3² = 0.9539 (0.8)

соответственно по регулятору на Id ограничения -0.3 +0.3 по регулятору на Iq
-0.9539 +0.9539.

Задание частоты на блоке IN (№0 на рис.24.) должно быть в о.е. в
пределах от 0 до 1, где 1 соответствует 50Гц. Численные параметры настроек
блоков сведены в таблицу 4.

Таблица 2

Для запуска моделирования необходимо добавить на схему блок разрешения
ШИМ сигнала с микропроцессора. Результаты моделирования представлено
на рис.4

Рис. 4. Результата моделирования