Д.В.Корельский, Е.М.Потапенко, Е.В.Васильева
ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

Науковий журнал "Радiоелектронiка. Iнформатика. Управлiння", 2001. - С. 155-159

Источник: http://www.zstu.zaporizhzhe.ua/base/news2005/99-2002/01_2_3.pdf

        Синхронный двигатель с постоянными магнитами (СДПМ), благодаря своим высоким эксплуатационным характеристикам, является наиболее перспективной машиной в диапазоне малых и средних мощностей. СДПМ простой по конструкции, не имеет потерь на возбуждение и обладает высокой стабильностью скорости ротора. Эти качества выделяют его из ряда всех остальных машин и обеспе- чивают ему применение в системах автоматики, приводах подачи станков, прецизионных системах слежения, а также системах, где стабильность скорости является первостепенным требованием, предъявляемым к технологическому процессу.
        Постоянное удешевление магнитных материалов, в частности, внедрение сплавов редкоземельных металлов, совершенствование аппаратной базы управления делают возможным использование этого типа двигателей в тех областях, где традиционно применялись двигатели постоянного тока (ДПТ) или асинхронные двигатели (АД). Использование СДПМ как альтернативы ДПТ в регулируемом приводе стало возможным с появлением соответствующей преобразовательной и цифровой вычислительной техники. Прежде всего, это связано с внедрением преобразователей на транзисторах с изолированным затвором (Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)), использованием принципов широтно-импульсной модуляции (ШИМ, Pulse Width Modulation (PWM)), преобразования переменного тока в переменный (АС-АС) [1-2, 23].
        Направление развития принципов управления обуславливается развитием аппаратной базы привода: параметрами самого двигателя и его качествами, наличием дат- чиков угла поворота и (или) скорости, типом преобразователя, вычислительной мощностью контроллера. Реализация управления СДПМ с учетом этих требований позволяет судить об эффективности используемых алгоритмов. В литературе часто встречается понятие вентильного двигателя (ВД) или бесколлекторного двигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов (Brushless Direct Current Motor with Permanent Magnets). Эта машина по своей конструкции ничем не отличается от классического СДПМ, изменен лишь принцип питания. СДПМ питается от источника переменного тока или напряжения, как правило, формируемого при помощи ШИМ, а ВД - трапециидальным напряжением, питающим соответствующие фазы двигателя, и переключаемым по мере поворота ротора.
        На протяжении последних 20 лет представление уравнений СДПМ в роторной системе координат стало основным способом описания его работы. Уравнения машины во вращающихся координатах обеспечивают большую наглядность протекающих в обмотках статора процессах. Действительные токи и напряжения статора в приведенной двухфазной неподвижной системе координат связаны с роторными величинами однозначным преобразованием. Эти преобразования основаны на предположении о симметрич- ности электрических и магнитных цепей всех обмоток. Кроме роторной системы координат иногда применяется статорная, при этом значение индуктивности обмоток статора связано тригонометрическими зависимостями с углом поворота ротора, что не так удобно.
        Для реализации управления СДПМ по стандартным схемам (с использованием ПИ-регулятора) необходим тахогенератор и (или) датчик положения ротора. Вычисляя производную от положения, можно определить скорость. Эта величина используется в уравнениях двигателя во вращающейся системе координат, а также в уравнениях перехода из статорной системы в роторную систему. При питании вентильного двигателя угол поворота необходим для определения времени коммутации транзисторов или тиристоров. В современной литературе в ряде работ [3-6, 11, 12, 22, 28, 29] отчетливо просматривается тенденция к отказу от использования датчиков механических величин (Sensorless Control) и восстановления вектора состояния системы с помощью различных оценивающих моделей. Это обусловлено тем, что эти датчики снижают надежность всей системы, увеличивают стоимость привода, ухудшают массогабаритные показатели. Кроме этого, при определении скорости путем дифференцирования угла поворота помехи могут существенно повлиять на процесс управления.
        Несмотря на то, что современные коммерчески распространяемые приводы выпускаются со встроенными датчиками положения ротора, перспектива управления без дат- чиков механических величин остается очень заманчивой. В работе [3] предлагается интересный алгоритм в дискретной форме, который производит оценку положения, скорости и константы ЭДС двигателя (потока постоянного магнита). Контроллер вычисляет ток, положение и скорость модели, а затем использует погрешность действительного тока и тока модели для оценки действительной скорости. Для этого производится ряд упрощений в уравнениях модели: для небольших углов ошибки синус берется равным своему аргументу, а косинус - единице. Это дает возможность рассматривать уравнения контуров как независимые и путем подстановки в них измеряемых значений токов идентифицировать параметры системы. По сути, строиться наблюдатель константы ЭДС.
        Оценка угла поворота с помощью расширенного фильтра Калмана (РФК, Extended Kalman Filter (EKF)) применяется в работах [4, 5, 6, 20]. РФК позволяет посредством оптимальной фильтрации сигналов выполнить оценку параметров стохастической системы и ее переменных. Однако расчет алгоритма фильтра Калмана связан с большим объемом вычислений, что вызывает определенные трудности с реализацией его в режиме реального времени. При реализации этого алгоритма за счет большого времени расчета растет фазовая задержка управления. Адаптивные системы являются другим направлением развития алгоритмов управления, при этом реализованы как алгоритмы с датчиками, так и без них [6,8-10, 34]. Основным способом адаптации является использование адаптивной системы с настраиваемой моделью (Model Reference Adaptive System (MRAS)). Способ реализуется путем изменения параметров модели. Недостатком этих систем также является большая вычислительная нагрузка на контроллер.
        Применение наблюдателей состояния (State Observers) [7, 11, 12] является естественным способом восстановления значения вектора состояния с использованием матричного представления системы. Так, в [7] выполняется разложение вектора объекта на наблюдаемую и измеряемую части, и соответствующее ему разложение матрицы состояния объекта с целью построения наблюдателя О'Рейли. В работе [11] наблюдатель используется для предсказания значения токов на 1 цикл вперед, что решает проблему устранения запаздывания управления. Однако предлагаемая система построена без учета магнитного насыщения, потерь в меди и стали, анизотропности ротора двигателя (индуктивности по осям d и q приняты равными), что снижает оптимальность предлагаемого метода.
        Другим способом управления является применение систем со скользящими режимами (Sliding Mode Systems) [13-15]. Особенность этих систем, принадлежащих к системам с переменной структурой, состоит в том, что знак управления меняется при пересечении так называемой поверхности скольжения, представляющей собой специальным образом составленное уравнение, в которое в качестве переменных входят переменные состояния объекта. Недостатками такого метода являются возможная потеря устойчивости на участке достижения поверхности переключения; высокочастотные переключения, которые ведут к быстрому износу механических и электрических частей привода; высокие требования к преобразователю.
        Прямое управление моментом (Direct Torque Control (DTC)) [16, 17, 18, 19, 21, 33] может быть осуществлено при питании синхронного двигателя от инвертора тока. Такие системы обладают рядом преимуществ: достигается робастность по отношению к разбросу параметров, упрощается алгоритм управления за счет отсутствия токового контура регулирования, обеспечивается высокое быстродействие системы. Однако метод не избавлен от серьезного недостатка: при малых углах нагрузки возникают пульсации момента и колебания скорости ротора.
        Нейронные сети (Neuron Network), использованные для построения алгоритма управления СДПМ от инвертора переменный ток - переменный ток (АС-АС) [23] представляют собой самообучающиеся сети, включающие в себя три слоя нейронов - входной, скрытый и выходной. Обучение влияет на значение весовых коэффициентов в передаточ- ных функциях нейронов. Алгоритмы расчета не относятся к простым алгоритмам по вычислительной нагрузке. Качественно новым методом управления СДПМ является использование наблюдателя неопределенностей (Uncertainties Observer). Это направление в данной области полу чило развитие в самое последнее время [24, 25, 26]. Суть систем, построенных по такому принципу, состоит в сведении неопределенностей параметров и внешних возмущений в единый вектор неопределенностей, его оценка и компенсация с помощью наблюдателя, а также задание степени робастности путем его настройки.
        Привлекательность метода состоит в том, что в качестве неопределеностей могут рассматриваться нелинейности системы, обусловленные насыщением магнитной цепи, которые прямо не отражены в уравнениях машины, но оказывают влияние на динамические процессы в приводе. Кроме того, предлагаемые алгоритмы отличаются относительной вы- числительной простотой. Интересная методика предлагается в [32]; процессы в двигателе разбиваются на две группы: быстрые и медленные. К медленным процессам относятся электромеханические, к быстрым - электромагнитные. Разделение системы на две подсистемы и решение их с помощью итерационных алгоритмов позволяет построить бездатчиковый алгоритм, более выгодный с точки зрения вычислительной нагрузки, чем алгоритмы с фильтром Калмана.
        Кроме описанных подходов, построенных для качественной отработки программного задания, существует ряд методов, построенных на основе оптимизации энергопотребления с учетом параметров двигателя. В большинстве работ, авторы преследуют стратегию поддержания тока с целью избавления от "вредного" возмущающего слагаемого в уравнении момента двигателя. Однако такой режим работы привода не является оптимальным с точки зрения потерь в меди, т.к. развиваемый двигателем момент можно достичь при меньших реальных токах. По сути дела, СДПМ с радиальным расположением магнитов является комбинацией "чистого" СДПМ и синхронного реактивного двигателя. Ясно, что оптимум работы такого двигателя не может быть реализован стратегией . Исследования поведения СДПМ при ненулевых размагничивающих токах проведено в работах [35, 36, 37]. Полученные результаты свидетельствуют о возможности значительного снижения энергопотребления СДПМ (на 30% в [36]).
        Подход, целью которого является выявление неисправностей ВДПМ во время работы, предложен в [38]. Этот метод основан на определении значений сигнальных функций. При неисправности двигателя с помощью разности показаний оценивателей (уравнений модели системы, где по нескольким данным параметрам вычисляются остальные) и датчиков строится таблица идентификации поломок. Выполненный обзор литературы позволяет выделить следующие основные приоритеты развития алгоритмов управления.
        1. Точность отработки программного задания (скорости или положения ротора). В отношении СДПМ это требование актуально в смысле возможных подсинхронных колебаний скорости ротора. Кроме этого, существуют ограничения на динамические режимы машины - с использованием существующих робастных методов можно сформировать практически любой переходный процесс, но скачки токов могут не пройти безвредно для магнитной системы ротора. Определение допустимой границы динамических режимов является большим полем для развития методов управления.
        2. Нечувствительность к неопределенностям параметров СДПМ и помехам. При наличии больших коэффициентов усиления регуляторов, обеспечивающих робастность системы, последняя становится чувствительной к высокочастотным помехам.
        3. Минимизация электропотребления. Разработка алгоритмов, оптимизирующих потребляемую приводом мощность как в статических, так и в динамических режимах, может быть осуществлена за счет размагничивающих токов продольной оси.
        4. Расширение диапазона регулирования в сторону малых скоростей. Проблема связана с влиянием пульсаций момента на малых скоростях. При больших скоростях пульсации момента не оказывают существенного влияния, т.к. они фильтруются за счет инерционности ротора [34].
        5. Уменьшение количества датчиков. Очевидно, что дат- чики механических величин значительно ухудшают эксплуатационные и стоимостные параметры привода. Устранение датчиков повышает надежность электропривода. Использование встроенных оптических датчиков положения в современных приводах и получение скорости путем дифференцирования положения является приемлемым путем решения данной проблемы. Однако, следует отметить, что бездатчиковые алгоритмы более чувствительны к разбросу параметров.
        6. Простота алгоритмов в аспекте вычислительной нагрузки. Несмотря на стремительный рост мощности процессоров, более простые алгоритмы обеспечивают меньшее время расчета, а значит, и фазовую задержку управления. Кроме того, более простые алгоритмы позволяют использовать более дешевые микропроцессоры.
        7. Исследование работоспособности СДПМ с многомассовыми объектами управления. СДПМ часто применяется как серводвигатель в роботизированных системах, динамика которых очень сложна. Такие объекты относятся к классу неопределенных. В то же время, требования к точности управления роботами очень высоки, что ставит соответствующую задачу.
        Обилие публикаций, разнообразие применяемых методик, их новизна и качественное отличие друг от друга свидетельствуют об интенсивности исследований в данной области, подчеркивают перспективность данного класса электрических машин, совместивших в себе простоту двигателя переменного тока, а по возможностям управления превзошедших ДПТ. Из наблюдаемой динамики роста популярности СДПМ можно сделать вывод о необходимости разработки алгоритмов управления, связанных с использованием прямого управления моментом, наблюдателей состояния и неопределенностей, адаптивных алгоритмов и нейронных сетей, алгоритмов управления, обеспечивающих оптимизацию потребляемой мощности и показателей качества.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК