Материал: Студент и наука. Драпалюк Н.А., Хахулина Н.Б

________________________________________________________Выпуск № 1 (16), 2021

ротора и статора больше 90 градусов) добиться заданного движения рабочей точки по специальной траектории с реализацией скользящего режима.

Сформированное векторное управление за счет пульсирующих базовых векторов теоретически не должно зависеть от параметров и режимов функционирования объекта управления. Практически, даже частичное приближение к идеальным режимам, может существенно повысить качество следящей системы.

В ПС ЭМС с БДПТ можно сформировать локально-оптимальные режимы работы. Например, вопрос быстродействия можно решить введением релейного режима:

-в режиме увеличения скорости обеспечивается поочередная коммутация базовых векторов, без формирования пульсирующих (отсутствуют нулевые вектора);

-в режиме уменьшения скорости можно использовать несколько различных режимов. Режимы торможения можно формировать на базе одного нулевого вектора или

обеспечить режим противовключения, то есть активизировать такой базовый вектор, который создаст электромагнитный момент, обеспечивающий тормозящий эффект.

Каждый базовый вектор обладает своей пространственной эффективностью в зависимости от пространственного положения полей ротора и статора [6, 7]. Резкое торможение способно вызывать рывки, которые определяются как первая производная от ускорения, в работе системы или причинить вред оборудованию.

Динамическую часть ПС ЭМС с БДПТ можно описать уравнениями:

K - угол сигнального сектора;

i - угол между полями ротора и статора; Ce - коэффициент противо ЭДС;

R - эквивалентное активное сопротивление;

R доп - дополнительное активное сопротивление, которое можно подключить в

режиме динамического торможения БДПТ; к ( 0;1) (в двигательном режиме К равен единице, в режиме динамического

46

________________________________________________________Выпуск № 1 (16), 2021

При проектировании ПС ЭМС с БДПТ применение датчика положения ротора с большим числом меток на один оборот позволяет расширить нижнюю границу диапазона, но с другой стороны усложняет работу на верхней границе из-за высокой частоты импульсов обратной связи.

Применение векторного импульсного управления в БДПТ, базирующегося на квантованиях сигналов, как по времени, так и по уровню, периодичность процессов при переключении базовых векторов открывают новые возможности для создания ПС ЭМС, которые бы удовлетворяли требуемым параметром не только по статическим и динамическим характеристикам, но и массо - габаритным показателям.

Особый интерес представляют позиционно-следящие системы с наблюдателями состояния в цепи обратной связи, которые по математической модели восстанавливают выходные координаты.

Библиографический список

1.Киселёва Д.Д. Чувствительность электромагнитного момента в системе с бесконтактным двигателем постоянного тока/Д.Д. Киселёва, Н.И. Рубцов, С.А. Винокуров//Студент и наука. 2020. № 4 (15). С. 33-36.

2.Винокуров С.А. Применение энергосберегающего управления в электроприводе с бесконтактными двигателями постоянного тока для транспортного средства/С.А. Винокуров, О.А. Киселёва, Д.Д. Киселёва//В сборнике: Прогрессивные технологии и процессы. Сборник научных статей 7-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. Курск, 2020. С. 31-34.

3.Винокуров С.А. Вариации импульсного управления бесконтактным двигателем постоянного тока/С.А. Винокуров, О.А. Киселёва, Т.В. Попова//Энергия - XXI век. 2016. № 1 (93). С. 53-59.

4.Киселёва О.А. Формирование инвертором процесса перехода базовых векторов

вэлектромеханической системе с бесконтактным двигателем постоянного тока /О.А. Киселёва, Н.И. Рубцов, Н.И. Гриненко, Д.Д. Киселёва, К.И. Чеботок// В сборнике: Фундаментальная наука и технологии. Материалы XXIV международной научно-

практичнской конференции. North Charleston, USA, Morrisville, 2020. C.70-72.

5.Винокуров С.А. Применение наблюдателей состояния в электроприводах с бесконтактными двигателями постоянного тока/С.А. Винокуров, О.А. Киселёва, Н.И. Рубцов//В книге: Перспективные научные разработки (ПНР-2020). Труды II Всероссийской научно-технической конференции. 2020. С. 19-21.

6.Винокуров С.А. Идеальное векторное управление бесконтактным двигателем постоянного тока/ С.А. Винокуров, О.А. Киселёва, Т.В. Попова//Моделирование, оптимизация и информационные технологии. 2017. № 1 (16). С. 13.

7.Киселёва О.А. Особенности управления дискретным вращающимся полем в электроприводе с бесконтактным двигателем постоянного тока/О.А. Киселёва, С.А. Винокуров, Т.В. Попова, Д.Д. Киселева//В сборнике: Фундаментальные и прикладные науки сегодня. Материалы XXIII международной научно-практической конференции. North Charleston, USA, Morrisville, 2020. С. 69-71.

47

________________________________________________________Выпуск № 1 (16), 2021

УДК 621.313.292

Д.Д. Киселёва, И.Г. Тузиков, С.А. Винокуров ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ НА НИЗКИХ СКОРОСТЯХ

ВЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ С БЕСКОНТАКТНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Аннотация. В работе рассматривается электромеханическая система с бесконтактным двигателем постоянного тока, работающая на низких частотах. В таких системах возникают дополнительные колебания электромагнитного момента за счет собственных колебаний двигателя. Оптимизация параметров двигателя уменьшает эти колебания, но не решает эту проблему. Информацию о колебаниях можно получить с помощью наблюдателя состояния, который установлен в цепи обратной связи. Значение угла между полем ротора и статора в момент переключения базовых векторов влияет на момент пуска и может привести к эффекту «залипания» ротора в магнитном поле и запуск системы в этом случае невозможено обеспечить.

Ключевые слова: электромеханическая система, бесконтактный двигатель постоянного тока, низкие скорости, наблюдатель состояния.

D.D. Kiseleva, I.G. Tuzikov, S.A. Vinokurov

SPECIAL CONTROL AT LOW SPEEDS IN ELECTROMECHANICAL SYSTEMS WITH

CONTACTLESS DC ANNOTATION

Introduction. The work examines an electromechanical system with a dcless contactless engine operating at low frequencies. In such systems there are additional fluctuations of the electromagnetic moment due to their own engine fluctuations. Optimizing the engine parameters reduces these fluctuations, but does not solve the problem. The vibration information can be obtained with the help of a state observer, which is set in the feedback chain. The angle between the rotor field and the stator at the time of switching the base vectors affects the moment of launch and can lead to the effect of "sticking" the rotor in the magnetic field and the launch of the system in this case is impossible to provide. Keywords: electromechanical system, DC contactless engine, low speed, state observer.

Электромеханические системы с бесконтактными двигателями постоянного тока (БДПТ), которые работают в области низких скоростей, пульсация электромагнитного момента является одним из главных возмущающих воздействий. Тихоходные двигатели обладают большой ЭДС остаточной намагниченности из-за наличия постоянных магнитов в роторе, что приводит к увеличению пусковых токов и нагреву машины. Постоянные магниты ротора в исполнительном двигателе системы имеют неодинаковое магнитное сопротивление,

© Киселёва Д.Д., Тузиков И.Г., Винокуров С.А., 2021

48

________________________________________________________Выпуск № 1 (16), 2021

поэтому при изменении положения ротора относительно обмоток статора при разгоне и низких скоростях возникает дополнительный тормозной момент, который является причиной повышения момента при пуске и неравномерности вращения [1, 2].

Изменение угла θ между полем ротора и статора может привести как к эффекту «залипания» ротора в магнитном поле или невозможности обеспечения режима пуска при условии

уменьшается пусковой момент.

Уравнение равноускоренного пуска в пределах одного сигнального сектора можно записать в виде:

где - число пар полюсов;

-угол поворота ротора;

н- момент нагрузки;

I- момент инерции;

-максимальный электромагнитный момент, развиваемый двигателем; Θ - угол, между полем ротора и статора.

При некоторых значениях угла между полем ротора и статора θ пуск становится

невозможен, поэтому при разработке математической модели необходимо учитывать начальное положение ротора относительно поля статора, как в режиме холостого хода, так и под нагрузкой. Так же изменение параметров индуктивности от положения ротора в пространстве, реакцию якоря и тормозящий реактивный момент. В режиме разгона могут возникнуть колебания ускорения, за счет собственных колебаний двигателя, они также влияют на электромагнитный момент.

Проблема пульсаций электромагнитного момента решается в основном методами, которые основаны на оптимизации конструкции исполнительного двигателя, или на разработке и использовании методов управления, приводящих к снижению этих пульсаций.

Первый метод, применяемый для уменьшения этих пульсаций, осуществляется за счет скоса пазов, сдвига магнитов, применения специальных обмоток, профилирования постоянных магнитов, являются эффективными, но приводят к уменьшению электромагнитного момента и усложнению конструкции.

Метод, основанный на оптимизации работы системы управления ЭМС с БДПТ, базируется на применении различных модификаций векторного управления, которое можно осуществить с помощью локально-оптимального управления. Информацию о колебаниях электромагнитного момента в таких системах можно получить с помощью наблюдателя состояния электродвигателя.

Электрическая машина, которая используется в БДПТ – это синхронный двигатель с постоянными магнитами, спроектированный с учетом особенностей работы в системе с силовым инвертором и датчиками обратной связи в виде датчиком подожения ротора и скорости, но в некоторых системах используется косвенное измерение выходных координат

спомощью наблюдателей состояний.

Всинхронном двигателе с возбуждением от постоянных магнитов на высоких скоростях нелинейные возмущения момента фильтруются инерционностью в ЭМС и не вызывают существенных пульсаций скорости.

При работе БДПТ в электромеханической системе на низких скоростях, в двигателе возникают возмущения за счет пульсации электромагнитного момента. Пульсации

49

________________________________________________________Выпуск № 1 (16), 2021

оказывают большое влияние на точность отработки сигнала, особенно, когда время переключения базовых векторов соизмерима с электромагнитной постоянной времени.

Проектировщики электродвигателей с постоянными магнитами обеспечивают оптимизацию параметров самой машины, поэтому модернизация конструкции, которую необходимо провести для улучшения качества показателей пульсаций электромагнитного момента, влияет на сложность и стоимость изделия.

Для управления БДПТ используют различные модификации векторного управления. В основу этих модификаций заложена коммутация пульсирующих базовых векторов, чаще всего используются схемы с шестью базовыми векторами в трехфазных двигателях. Управление осуществляется пульсирующими базовыми векторами, которые состоят из ненулевого базового вектора определенной длительности, и нулевого вектора [3 - 5].

Нулевым вектором будем считать вектор, который формирует рабочее токовое поле при отключении напряжения питания от базового вектора, за счет накопленной электромагнитной энергии в обмотках электродвигателя и ЭДС, наводимой в этих обмотках. Пространственное положение нулевого вектора определяется базовым вектором. Сигнальным сектором будем считать угол поворота ротора между пространственным положением двух ближайших базовых векторов.

Рассмотрим процессы, протекающие за время прохождения ротором одного сигнального сектора, с условием того, что в системе нет возмущающих воздействий, кроме пульсации электромагнитного момента, создаваемого конструкцией электродвигателя и напряжением, которое формирует силовой инвертор.

Любое управление в этой электромеханической системе с БДПТ должно обеспечивать сведению к нулю ошибки, равной разности между вектором эталонной математической

модели хм и вектором состояния реальной системы, которые формируются датчиками или наблюдателем состояния х :

Пульсации электромагнитного момента создаются рабочим токовым вращающимся полем, которое является периодическим, причем частота периода определяется скоростью вращения, числом фаз и пар полюсов.

Рассмотрим случаи, когда электромагнитная постоянная времени соизмерима со временем прохождения сигнального сектора ротором. Время прохождения ротором сигнального сектора

где - число пар полюсов;

-число фаз;

-скорость вращения.

Электромагнитную постоянную времени можно определить из уравнения

как эм Если величины и эм соизмеримы, то с помощью наблюдателя состояния можно

восстановить зависимость пульсации электромагнитного момента от угла в сигнальном секторе.

Для получения более точной зависимости электромагнитного момента от угла поворота ротора управления необходимо обеспечить за счет напряжения питания силового инвертора.

50