[1]Изобретение относится к устройствам управления электродвигателями с помощью векторного управления и может быть использовано в качестве системы управления электроприводом унифицированной машины технологического электротранспорта.
[2]Из уровня техники известна система векторного управления скоростью асинхронного двигателя (RU2422979C1, МПК Н02Р 21/02, Н02Р 27/04, опубл. 27.06.2011). Система содержит блок регулирования переменных, состоящий из двух контуров: контура регулирования намагничивающей составляющей тока статора и контура регулирования активной составляющей тока статора, первый и второй блоки координатных преобразований, блок векторного фильтра, первый, второй и третий блоки фазных преобразований, преобразователь частоты, блок датчиков тока фаз статора, блок датчиков главного потокосцепления двигателя в воздушном зазоре асинхронного двигателя, датчик угловой скорости и асинхронный двигатель. В структуру системы управления системы векторного управления введены модуль вычисления ЭДС и перекрестных связей и модуль вычисления экстремальных значений составляющих тока статора, связанные с контурами регулирования активной составляющей тока статора и регулирования намагничивающей составляющей тока статора.
[3]Недостатком известного технического решения является его низкая технологичность, что обусловлено сложностью системы управления, связанную с наличием в ее конструкции большого числа дискретных элементов. Упомянутое обстоятельство в целом также снижает ее надежность.
[4]Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению и выбранным в качестве прототипа признано устройство управления асинхронным электродвигателем (RU2193814C2, МПК Н02Р 21/00, опубл. 27.11.2001]. Устройство содержит инвертор, преобразующий напряжение постоянного тока в переменный с регулируемой частотой и регулируемым напряжением в режиме широтно-импульсной модуляции, и схему регулирования выходного напряжения инвертора путем изменения глубины модуляции по командам на изменение выходного напряжения, осуществляемое по командам на изменение составляющих намагничивающей и моментообразующей тока статора асинхронного двигателя, на который подается напряжение от инвертора.
[5]Недостатком известного устройства являются ограниченные возможности по изменению параметров его работы, вследствие отсутствия в конструкции устройства ввода данных и средств хранения уставок регулятора.
[6]Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение качества регулирования скорости вращения ротора асинхронного электродвигателя.
[7]Указанная задача решена тем, что система управления содержит асинхронный электродвигатель, к которому подключен инвертор, преобразующий напряжение постоянного тока в переменный с регулируемой частотой и регулируемым напряжением в режиме широтно-импульсной модуляции. При этом система управления выполнена в виде микропроцессорной системы, силовой выход которой подключен к инвертору. Микропроцессорная система содержит первый, второй и третий аналоговые измерительные входы, а также первый, второй, третий и -четвертый цифровые измерительные входы. К первому аналоговому измерительному входу подключен выход амперметра, измеряющего токи фаз на выходе инвертора, ко второму аналоговому измерительному входу подключен выход вольтметра, измеряющего напряжение постоянного тока на силовом выходе, а к третьему аналоговому измерительному входу подключен выход потенциометра акселератора транспортного средства. К первому цифровому измерительному входу подключен первый канал энкодера, установленного на валу электродвигателя, ко второму измерительному входу подключен второй канал энкодера, а к третьему и четвертому цифровым измерительным входам подключены, соответственно, датчики включения основного и стояночного тормозов; дополнительно к микропроцессорной системе подключен блок управления, выполненный в виде LCD-индикатора и блока ввода-данных.
[8]Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытой выше совокупностью конструктивных признаков системы управления, является повышение качества регулирования скорости вращения ротора асинхронного электродвигателя электропривода транспортного средства, за счет применения датчиков обратной связи: амперметра, вольтметра, потенциометра и энкодера, подключенных к микропроцессорной системе, позволяющей реализовать эффективные алгоритмы векторного регулирования. Применение датчиков основного и стояночного тормозов позволяет реализовать автоматическое отключение системы управления, а блок управления - изменять параметры режимов работы системы управления, что обеспечивает возможность ее адаптации к любому асинхронному электродвигателю и добиться наиболее эффективных режимов работы последнего.
[9]Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана структурная схема системы управления, а на фиг. 2 - блок управления.
[10]Система управления электроприводом транспортного средства устроена следующим образом.
[11]Объектом управления системы является асинхронный электродвигатель 1, к которому подключен инвертор 2, преобразующий напряжение постоянного тока в переменный с регулируемой частотой и регулируемым напряжением в режиме широтно-импульсной модуляции. Система управления выполнена в виде микропроцессорной системы 3, силовой выход 4 которой подключен к инвертору 2. Микропроцессорная система 3 содержит первый, второй и третий аналоговые измерительные входы 5, 6 и 7, а также первый, второй, третий и четвертый цифровые измерительные входы 8, 9, 10 и 11. К первому аналоговому измерительному входу 5 подключен выход амперметра, измеряющего токи фаз на выходе инвертора, ко второму аналоговому измерительному входу 6 подключен выход вольтметра, измеряющего напряжение постоянного тока на силовом выходе 4, а к третьему аналоговому измерительному входу 7 подключен выход потенциометра акселератора транспортного средства. К первому цифровому измерительному входу 8 подключен первый канал энкодера, установленного на валу электродвигателя, ко второму измерительному входу 9 подключен второй канал энкодера, а к третьему и четвертому цифровым измерительным входам 10 и 11 подключены, соответственно, датчики включения основного и стояночного тормозов; дополнительно к микропроцессорной системе подключен блок управления, выполненный в виде LCD-индикатора 12 и блока ввода-данных 13.
[12]Более подробный пример возможной реализации системы управления рассмотрим на примере микропроцессорной системы, построенной на базе микроконтроллера, основанного на высокопроизводительном микропроцессорном ядре ARM Cortex-М3 с тактовой частотой до 80 МГц и производительностью 1.25 DMIPS/МГц. В качестве такого микроконтроллера может использоваться, например, микросхема серии 1986 ВЕ9х.
[13]Микроконтроллер содержит микропроцессорное ядро 14, соединенное с помощью системной шины с FLASH-памятью программ 15, SRAM-памятью данных 16, аналого-цифровым преобразователем 17, энергонезависимой электрически перепрограммируемой памятью EEPROM 18, таймерами-счетчиками и входами внешних прерываний, входами/выходами которых являются выводы универсальных шестнадцатиразрядных двунаправленных портов ввода-вывода микроконтроллера, выполняющих основную или альтернативную функцию.
[14]В приводимом примере реализации системы управления линия PA[1](TMR_CH1) микроконтроллера, являющаяся выходом таймера 1, подключена к силовому выходу 4, первый, второй и третий аналоговые измерительные входы 5, 6 и 7 подключены к линиям PD[2](ADC2]-PD[4]ADC4 порта D, при этом линии PD[0] и PD[1] порта D используются для подключения источника опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя. Первый, второй, третий и четвертый цифровые измерительные входы 8, 9, 10 и 11 подключены к линиям PA[0](EXT_INT1}, PB[10](EXT_INT2), PE[15](EXT_INT3) и PC[13](EXT_INT4) портов А, В, Е и С, являющихся входами внешних аппаратных прерываний, позволяющих создавать на их основе надежные счетчики внешних событий. Шестнадцатиразрядный универсальный двунаправленный порт ввода-вывода F используется для подключения блока управления. При этом младшие восемь линий порта PF[0]-PF[7] используются для подключения LCD-индикатора, а старшие восемь PF[8]-PF[15] - для подключения блока ввода данных, выполненного в виде кнопочной клавиатуры, содержащей шестнадцать клавиш. Силовой выход 4 микропроцессорной системы 3 может быть реализован на основе транзисторных ключей. В качестве энкодера применяют промышленный инкрементальный прибор1 (1 Lenord+Bauer. Энкодеры инкрементальные и абсолютные, датчики скорости, EcoController, MiniCoder // Промышленная автоматика. URL: http://www.proavtomatika.ru/products/Lenord+Bauer/lenord.htm (дата обращения: 21.05.2018)), снабженный двумя измерительными каналами (традиционно обозначаемыми А и В), при этом смещение фаз между сигналами каналов составляет 90°. Для дополнительной защиты и обеспечения возможности аварийного останова системы управления при превышении температуры двигателя сверх допустимого значения, к одной из свободных линий порта D, например PD[5](ADC5), может быть через операционный усилитель подключен выход резистивного датчика температуры, установленного на корпусе двигателя (на структурной схеме условно не показан).
[15]Система управления электроприводом транспортного средства работает следующим образом.
[16]Первоначально систему управления устанавливают на платформу унифицированной машины технологического электротранспорта, подключают выход инвертора к электродвигателю, выходы аналоговых датчиков - амперметра, вольтметра и потенциометра акселератора транспортного средства - подключают к аналоговым измерительным входам 5, 6 и 7, а выходы цифровых датчиков - энкодера и датчиков включения тормозов - подключают, соответственно, к цифровым измерительным входам 8, 9, 10 и 11. Далее с помощью блока ввода данных 13 и LCD-индикатора 12 блока управления контролируют и при необходимости корректируют параметры программного регулятора, хранящиеся в энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти EEPROM 18 микроконтроллера. К таким параметрам, в частности, относятся следующие: частота управляющего ШИМ-сигнала, которая может варьироваться в пределах от 1 до 10 кГц, постоянная времени ротора, ограничения по скорости и по току, максимальная величина ускорения и другие.
[17]Затем с помощью блока управления приводят систему управления в действие. В соответствии с управляющей программой, хранимой во FLASH-памяти программ 15 микроконтроллера, выполняемой его микропроцессорным ядром 14, на линию PA1(TMR_CH1) подается ШИМ-сигнал прямоугольной формы с заданной частотой и скважностью, управляющий через силовой выход работой инвертора 2 и реализующий алгоритм векторного управления асинхронным двигателем по принципу косвенной ориентации по полю ротора. Одновременно с этим микроконтроллером реализуется постоянный цикл опроса аналоговых и цифровых датчиков, полученные значения которых сохраняются в SRAM-памяти данных 16. При этом мгновенные значения токов фаз, частоты и направления вращения ротора электродвигателя, а также положение педали акселератора транспортного средства используются для автоматической коррекции управляющего воздействия. В случае срабатывания датчиков включения основного или стояночного тормозов микроконтроллер останавливает работу системы управления.
