Проектирование наблюдателя полного порядка в составе векторной системы rnуправления синхронным приводом с постоянными магнитами

Целью работы является изучение принципов управления синхронной машиной и разработка системы бездатчикового управления, которая обеспечивала бы необходимые показатели качества. Основным критерием энергоэффективности выбрана минимизация тока статора.
В процессе исследования разработана методика моделирования бездатчиковой системы управления синхронным двигателем с постоянными магнитами.
Степень внедрения: пройдены испытания на площадке ООО “ВЕЗА”.
Результатом работы являются модель системы в среде MATLAB, модель наблюдателя состояния, а так же испытания разработанной системы на площадке компании ООО “НПФ Мехатроника – ПРО” с использованием опытного образца контроллера EC-F 2200.

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ ………………………………………………………… 15
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………… 16
1 Методы управления синхронной машиной …………………………………………….. 18
1.1 Современные методы управления СДПМ …………………………………….. 18
1.2 Математическая модель СДПМ …………………………………………………… 22
2 Разработка системы векторного управления синхронным двигателем с
постоянными магнитами ………………………………………………………………………….. 28
2.1 Метод векторной ШИМ ………………………………………………………………. 28
2.2 Векторная диаграмма СДПМ ……………………………………………………….. 35
2.3 Синтез систем векторного управления СДПМ ……………………………… 39
2.3.1 Синтез системы векторного управления СДПМ с ДПР ………. 39
2.3.2 Синтез системы бездатчикового управления СДПМ …………… 43
2.4 Наблюдатель состояния……………………………………………………………….. 44
3 Моделирование и исследование эффективности систем векторного
управления синхронным двигателем с постоянными магнитами……………….. 51
3.1 Моделирование СДПМ………………………………………………………………… 51
3.2 Моделирование векторного модулятора ………………………………………. 51
3.3 Моделирование систем управления с ДПР …………………………………… 54
3.4 Моделирование системы управления с ДПР и АИН ……………………… 57
3.5 Моделирование системы с наблюдателем состояния и АИН ………… 59
4 Разработка ПО для адаптации наблюдателя в системе бездатчикового
управления СДПМ …………………………………………………………………………………… 64
4.1 Описание опытного образца ………………………………………………………… 64
4.2 Модернизация алгоритма бездатчикового управления …………………. 64
4.3 Алгоритм вычисление сопротивления статора для температурной
компенсации сопротивления с целью стабилизации частоты вращения при
нагреве двигателя …………………………………………………………………………………….. 68
5 Разработка методики испытаний ПЧ для мощности 3 кВт………………………. 74
6 Проведение испытаний ПЧ 3 кВт …………………………………………………………… 75
6.1 Определение полосы пропускания……………………………………………….. 75
6.2 Определение диапазона регулирования по скорости при
бездатчиковом регулировании ………………………………………………………………….. 76
6.3 Определение диапазона регулирования по скорости при датчиковом
управлении ………………………………………………………………………………………………. 78
6.4 Энергетические испытания ………………………………………………………….. 80
6.5 Корректировка технической документации ПЧ 3 кВт …………………… 83
6.6 Отладка программного обеспечения ПЧ 3 кВт……………………………… 84
7 Социальная ответственность …………………………………………………………………. 85
7.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности . 86
7.1.1 Специальные правовые нормы трудового законодательства.. 86
7.1.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны
………………………………………………………………………………………………………………… 87
7.1.2.1 Эргономические требования к рабочему месту ………… 87
7.1.2.2 Окраска и коэффициенты отражения ……………………….. 89
7.2 Профессиональная социальная безопасность ……………………………….. 89
7.2.1 Анализ факторов рабочей среды и производственного
процесса…………………………………………………………………………………………………… 89
7.2.1.1 Отклонение показателей микроклимата …………………… 91
7.2.1.2 Недостаточная освещённость рабочей зоны……………… 92
7.2.1.3 Превышение уровня шума и вибраций …………………….. 94
7.2.1.4 Электромагнитное и электростатическое излучения …. 96
7.3 Экологическая безопасность………………………………………………………… 98
7.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях……………………………………… 99
8 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение . 103
8.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований с позиции ресурсоэффективности……………………….. 103
8.1.2 Потенциальные потребители результатов исследования …… 103
8.1.3 Анализ конкуретных технических решений ……………………… 104
8.1.4 SWOT-анализ…………………………………………………………………… 106
8.2 Планирование научно-исследовательских работ ………………………… 107
8.2.1 Структура работ в рамках научного исследования ……………. 107
8.2.2 Разработкаграфикапроведениянаучногоисследования ………. 108
8.3 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) ……………………. 113
8.3.1 Расчет материальных затрат НТИ …………………………………….. 113
8.3.2 Расчет стоимости основных средств для научного
исследования ………………………………………………………………………………………….. 114
8.3.3 Основная заработная плата исполнителей темы ……………….. 115
8.3.4 Дополнительная заработная плата ……………………………………. 117
8.3.5 Отчисления во внебюджетные фонды ………………………………. 117
8.3.6 Научные и производственные командировки ……………………. 118
8.3.7 Накладные расходы …………………………………………………………. 119
8.3.8 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского
проекта…………………………………………………………………………………………………… 120
8.3.9 Определение ресурсной, финансовой и экономической
эффективности исследования …………………………………………………………………. 121
8.3.10 Оценка абсолютной эффективности исследования …………. 124
8.3.11 Расчет чистой текущей стоимости ………………………………….. 125
8.3.12 Дисконтированный срок окупаемости ……………………………. 126
8.3.13 Внутренняя ставка доходности (IRR) ……………………………… 127
8.3.14 Индекс доходности (рентабельности) инвестиций ………….. 128
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………………………… 130
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ……………………………………….. 131
Приложение А. Функциональная схема системы векторного управления
СДПМ ……………………………………………………………………………………………………. 136
Приложение Б. Структурная схема контура тока по оси d ……………………….. 137
Приложение В. Структурная схема контура скорости……………………………… 138
Приложение Г. Функциональная схема системы бездатчикового управления
СДПМ ……………………………………………………………………………………………………. 139
Приложение Д. Структура моделей статора и адаптивного наблюдателя…. 140
Приложение Е. Модель СДПМ ……………………………………………………………….. 141
Приложение Ж. Подсистема для определения параметров вектора
эквивалентного напряжения …………………………………………………………………… 142
Приложение И. Подсистема для выбора текущего сектора ……………………… 143
Приложение К. Подсистема для определения угла поворота вектора
относительно сектора……………………………………………………………………………… 144
Приложение Л. Подсистема для расчёта продолжительностей включения
базовых векторов ……………………………………………………………………………………. 145
Приложение М. Подсистема для получения импульсных сигналов
управления …………………………………………………………………………………………….. 146
Приложение Н. Подсистема для распределения сигналов управления по
ключам АИН ………………………………………………………………………………………….. 147
Приложение П. Модель системы управления СДПМ с ДПР ……………………. 148
Приложение Р. Модель АИН ………………………………………………………………….. 149
Приложение С. Модель системы векторного управления СДПМ с ДПР и
АИН ………………………………………………………………………………………………………. 150
Приложение Т. Модель адаптивного наблюдателя скорости …………………… 151
Приложение У. Модель системы бездатчикового управления CДПМ ……… 152
Приложение Ф. Функциональная схема силовой части …………………………… 153
Приложение Х. Функциональная часть силовой и процессорной части …… 154
Приложение Ц. Первый процессор …………………………………………………………. 155
Приложение Ш. Второй процессор …………………………………………………………. 156
Приложение Щ. Чертёж оснастки для крепления двигателя с крыльчаткой 157
Приложение Э. Methods of controlling a synchronous machine. The development
of a system of vector control synchronous motor with permanent magnets …….. 158
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

В данной работе используются следующие сокращения:
АД – асинхронный двигатель
АИН – автономный инвертор напряжения
ДПР – датчик положения ротора
ДПТ – двигатель постоянного тока
КПД – коэффициент полезного действия
П-регулятор – пропорциональный регулятор
ПИ-регулятор – пропорционально-интегральный регулятор
ПИД-регулятор – пропорционально-интегрально-дифференциальный
регулятор
ПЧ – преобразователь частоты
СДПМ – синхронный двигатель с постоянными магнитами
ШИМ – широтно-импульсная модуляция
ЭДС – электродвижущая сила
IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor (биполярный транзистор с
изолированным затвором)
PWM – Pulse Width Modulation (широтно-импульсная модуляция)

В данной работе были решены следующие задачи:
– составлена математическая модель СДПМ;
– разработана модель векторного модулятора;
– разработана модель адаптивного наблюдателя скорости СДПМ;
– разработаны модели в соответствии с принятой методикой
проектирования системы бездатчикогово управления СДПМ;
– выполнено исследование эффективности разработанных систем
векторного управления.
– проведены испытания на площадке компании ООО «НПФ
Мехатроника-Про» с использованием опытного образца контроллера EC-F
2200.
На основании сравнения переходных процессов скорости можно
сделать вывод, что итоговая система бездатчикового управления не уступает
системам с ДПР по динамическим характеристикам.
Таким образом, полученные результаты подтверждают достоверность
и эффективность рассмотренной методики построения бездатчиковой
системы векторного управления СДПМ.
Была выполнена переработка макетного образца EC-F для повышения
технологичности и дополнительных улучшений. Выполнено изготовление
опытного образцов ПЧ мощностью 3 кВт.
Проведены испытания ПЧ EC-F, по результатам которых были
выявлена необходимость корректировки технической документации и
программного обеспечения. Испытания показали, что разработанный ПЧ
формирует заданную скорость вращения для синхронного двигателя серии
ДСМ, производства Инициатора, при различных режимах работы и
воздействия различных возмущающих факторов.