Функциональная схема электропривода

Управление асинхронным двигателем предполагает регулирование скорости магнитного поля статора, а также магнитного потока. Вторая задача может быть решена различными методами. В соответствии с заданием разработана векторная система управления.

Раздельное управление скоростью и потокосцеплением асинхронного короткозамкнутого электродвигателя можно эффективно производить, используя принцип векторного управления. Координаты электропривода, измеренные в неподвижной системе координат, могут быть преобразованы к вращающейся системе координат, и из них могут быть выделены постоянные значения, пропорциональные составляющим векторов во вращающейся системе координат. По этим координатам и производится управление.

Исходной информацией для построения системы векторного управления является информация о мгновенных значениях и пространственном положении вектора потокосцепления в воздушном зазоре, мгновенных значениях токов или напряжений статора и скорости ротора двигателя. Вращающаяся система координат принимается определенным образом ориентированной относительно вектора потокосцепления двигателя. Удобные алгоритмы управления имеют место при ориентации координатной системы относительно вектора потокосцепления ротора [1, с. 119].

Контроль магнитного потока осуществляется с помощью двух, сдвинутых относительно друг друга по фазе датчиков Холла. Они предоставляют информацию о проекциях вектора магнитного потока на оси Х и Y. Совместно с мгновенными значениями токов каждой фазы значения датчиков Холла позволяют рассчитать величину потокосцепления для возможности ее стабилизации.

На Рис.  2 .1 представлена функциональная схема разработанного электропривода.

Рис.  2.1 Функциональная схема электропривода

Электропривод подачи станка включает в себя два основных блока:

• интерфейс связи с задатчиком режимов работы;

• силовой регулируемый преобразователь для управления двигателем.

Главным элементом системы является микроконтроллер, выполняющий функции управления перечисленными узлами. Применение микроконтроллера позволило максимально упростить аппаратную часть электропривода.

Аналоговые сигналы с датчиков (тока – ДТ1..ДТ3, Холла – ДХ1, ДХ2, скорости – тахогенератор BR) поступают на входы аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера. Напряжение тахогенератора подается на дифференциальный вход АЦП.

На основании заданной скорости и сигналов с датчиков обратно связи в соответствии с законами регулирования микроконтроллер определяет параметры управления двигателем и подает управляющие сигналы на инвертор.

Сетевое напряжение поступает через индуктивный фильтр, который не пропускает возникающие при работе инвертора помехи в сеть, выпрямляется и поступает на силовые ключи (К1..К6).

Для возможности регулирования подаваемого на двигатель тока использовано широтно-импульсная модуляция. Ширина импульсов определяет действующее значение напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя, а поочередная коммутация силовых ключей формирует трехфазное переменный ток необходимого направления вращения двигателя. Широтно-импульсное управление непосредственно коммутирующих обмотки двигателя ключей позволило исключить дополнительный ключ в цепи питания. Также это решение распределяет выделяемую тепловую энергию по всем ключам трехфазного моста. Кроме того, это позволяет применять готовый модуль силовых ключей.

Наиболее простым методом реализации описанного управления является использование таблицы коммутации. Диапазон периода питающего напряжения статора (0..2π) разбивается на сегменты, для каждого из которых задаются свои уровни токов для обмоток, а также набор открываемых ключей. Данная информация сводится в таблицу. Она может быть размещена во FLASH-памяти микроконтроллера.

Один из таймеров/счетчиков микроконтроллера настраивается на периодические прерывания, по которым микроконтроллер считывает данные из очередной строки таблицы и устанавливает соответствующие значения (выбор ключей, установка значения тока). Формирование синусоидального напряжения для питания двигателя производится за счет выбора коммутируемых ключей, а также установки уровня тока через них за счет задания скважности ШИМ-сигнала для полумоста каждой фазы. Выбранный микроконтроллер позволяет реализовать широтно-импульсную модуляцию трех сигналов PWMa, PWMb и PWMc на базе одного таймера/счетчика 1, имеющего три регистра сравнения, у каждого из которых имеется выход. Таким образом частота пересчета ТС1 задается жестко – коэффициентом деления, а скважность каждого из выходов – значением соответствующего регистра сравнения.

Частота прерываний от вспомогательного таймера определяет скорость вращения двигателя. При этом в зависимости от заданного направления движения переход по строкам таблицы коммутации производится либо вверх, либо вниз.

В связи с ограниченным объемом памяти в таблице указывается значение регистра сравнения только для одной фазы в первом квадранте (0..π/2). Значения в других квадрантах могут быть рассчитаны, а значения для двух других фаз определяются со смещением (2π/3 и 4π/3). Далее Segm означает строку таблицы, соответствующую углу периода.

0.. 90 Amp=Table(Segm) Key=Plus

90..180 Amp=Table(90-Segm) Key=Plus

180..270 Amp=Table(Segm-180) Key=Minus

270..360 Amp=Table(360-Segm) Key=Minus

где:

Amp - значение для регистра сравнения таймера/счетчика

Segm - номер строки таблицы, соответствующий текущему углу фазы

Key - набор разрядов, управляющих полумостом

Plus, Minus - комбинации разрядов, определяющие полярность напряжения АИН

Table() - значение ячейки таблицы для указанного угла

AmpB=AmpA(Segm+2π/3)

AmpC=AmpA(Segm+4π/3)

Так как для регулирования напряжения необходимо задание различных уровней действующего напряжения в пределах сегмента, после извлечения из таблицы скважности, соответствующей максимальной амплитуде, производится расчет скважности, соответствующей заданной амплитуде.

Рис.  2.2 Таблица скважности

Логическая схема на основе ШИМ-сигналов и кода выбора ключей от микроконтроллера вырабатывает соответствующие ШИМ-модулированные сигналы.

Драйвер служит для формирования из логических сигналов от логической схемы сигналов управления силовыми ключами, обеспечивая их согласование, усиление и гальваническую развязку.

Ключи К1...К6 производят коммутацию обмоток двигателя, формируя на нем напряжение, первая гармоника которого соответствует трехфазному синусоидальному напряжению.

Рис.  2.3 Формирования напряжения питания

Рис.  2.4 Таблица коммутации обмоток АД

Далее представлена таблица скважности, располагающаяся в EEPROM микроконтроллера. Так как для кодирования диапазона углов (от 0 до 360 град.) выбран один байт (максимальное значение 255), то введен коэффициент 0,7 для кодирования значения угла. Таким образом, шаг отсчета угла - ~1,4 град. Максимальное значение скважности – также 255. Код угла используется как смещение адреса при выборе значения скважности, то есть в EEPROM последовательно располагаются только значения скважности.

Для приема команд, параметров движения, а также передачи данных о состоянии электропривода использован интерфейс USART, встроенный в микроконтроллер. Так как данный интерфейс в микроконтроллере реализован аппаратно, данное решение позволяет не тратить машинные ресурсы МК на программную реализацию интерфейса. Преобразователь интерфейса формирует сигналы требуемой величины (в соответствии со стандартом передачи данных RS‑422) и обеспечивает защиту входных и выходных цепей микроконтроллера со стороны интерфейса.