Полосков А.С.

БЕЗДАТЧИКОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ СИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

Новосибирский государственный технический университет

Тезисы посвящены разработке и исследованию алгоритмов бездатчикового управления синхронными двигателями с постоянными магнитами.

Ключевые слова: синхронный двигатель с постоянными магнитами, электропривод, бездатчиковое управление.

These thesеs are devoted to developments and research algorithms of sensorless control of Permanent Magnet Synchronous Machines.

Key words: Permanent Magnet Synchronous Motor, electric drive, sensorless control.

Синхронные двигатели с возбуждением от высокоэнергетических постоянных магнитов (СДПМ) в настоящее время являются наиболее перспективными из всех типов электродвигателей, применяемых в современных регулируемых электроприводах малой и средней мощности. Это объясняется целым рядом конструктивных и технико-эксплуатационных преимуществ двигателя по сравнению с существующими типами электрических машин [1]:

• § Бесконтактность и отсутствие узлов, требующих обслуживания. Отсутствие у СДПМ скользящих электрических контактов существенно повышает их ресурс и надежность по сравнение с электрическими машинами постоянного тока или асинхронными двигателями с фазным ротором, расширяет диапазон достижимых частот вращения. Обмотка якоря СДПМ может быть запитана более высоким номинальным напряжением, что позволяет при подключении электроприводов на основе СДПМ использовать кабели меньшего сечения и преобразователи электрической энергии на меньшие токи;
• § Большая перегрузочная способность по моменту (кратковременно допустимый момент и ток СДПМ могут превышать номинальные значения в 5 и более раз);
• § Высокое быстродействие в переходных процессах по моменту;
• § Абсолютно жесткая механическая характеристика и практически неограниченный диапазон регулирования частоты вращения (1:10000 и более). Возможно регулирование частоты вращения как вниз от номинальной (с постоянством длительно допустимого и максимального моментов), так и вверх (с постоянством мощности);
• § Наилучшие энергетические показатели (КПД и коэффициент мощности). КПД СДПМ превышает 90% и незначительно отклоняется от номинального при вариациях нагрузки;
• § Минимальные токи холостого хода;
• § Минимальные массогабаритные показатели при прочих равных условиях.

Бездатчиковое управление электрическими машинами стало темой исследований не более двух десятилетий назад. Термин «бездатчиковое управление» означает отказ от использования в системе управления электродвигателем датчиков скорости и положения ротора двигателя. К датчикам скорости и положения необходимо подключать соединительные кабели, что затрудняет их эксплуатацию в промышленных условиях. К тому же для электроприводов малой мощности датчики вносят значительный вклад в общую цену. Абсолютное большинство решений бездатчикового векторного управления СДПМ основано на косвенном определении электрического положения ротора двигателя по направлению изображающего вектора составляющей магнитного потокосцепления якоря, обусловленной постоянными магнитами. Для вычисления этого вектора или непосредственно связанного с ним положения ротора двигателя на практике наиболее часто используются классические методы оценивания: наблюдатели состояния (наблюдатели Люенбергера) полного или пониженного порядка (Full Order and Reduced Order State Observers), расширенный фильтр Калмана (Extended Kalman Filter (EKF)), адаптивные системы с задающей моделью (Model Reference Adaptive System (MRAS)) [2]. Все эти методы связаны с большим объемом вычислений, что вызывает определенные трудности при их реализации в реальном масштабе времени даже на базе современных предметно-ориентированных цифровых сигнальных процессоров (DSP). Бездатчиковое управление делится на 2 скоростные зоны: высокоскоростная зона и низкоскоростная зона. В высокоскоростной зоне для оценки положения ротора используется обратная ЭДС двигателя. В низкоскоростной зоне и зоне нулевой скорости обратная ЭДС становится слишком малой для определения скорости. В этой зоне для оценки положения ротора используются эффекты второго порядка. В последние годы синхронные двигатели с постоянными магнитами стали еще более популярными, так как цена постоянных магнитов уменьшается, а качество магнитов улучшается. Активность бездатчикового управления возрастает, так как диапазон применения СДПМ расширяется [3].

Практическим применением результатов научной работы станет электростартер для электрического запуска газовых турбин с двигателем АЛ-31СТ на базе высокочастотного электропривода с высокооборотным СДПМ, созданным на кафедре электромеханики Новосибирского государственного технического университета.

Литература:

1. Панкратов В.В. Вентильный электропривод: от стиральной машины до металлорежущего станка и электровоза // Электронные компоненты. – 2007. – № 2. – С. 68 – 77

2. Корельский Д.В., Потапенко Е.М., Васильева Е.В. Обзор современных методов управления синхронными двигателями с постоянными магнитами. // Науковий журнал "Радiоелектронiка. Iнформатика. Управлiння", 2001. – С. 155–159.

3. Ovrebo S., “Sensorless control of permanent magnet synchronous machines” (dissertation), Norwegian University of Science and Technology, December 2004, 182 p.