Поліпшення динаміки систем електроприводу на базі синхронного двигуна з постійними магнітами при використанні оптимальних стратегій керування
Для синхронних двигунів із вбудованими у ротор постійними магнітами виконано порівняння динамічних властивостей типових систем векторного керування (з підтримкою потокоутворюючої складової струму статора на нульовому рівні) і систем з використанням стратегій оптимального керування. Теоретично обґр...
Збережено в:
| Дата: | 2016 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Інститут електродинаміки НАН України
2016
|
| Назва видання: | Технічна електродинаміка |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/135798 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | mproving dynamic of the system based on permanent magnet synchronous motor using optimal control strategies / О.І. Толочко А.А. Бугровий // Технічна електродинаміка. — 2016. — № 5. — С. 35-37. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-135798 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1357982018-06-16T03:05:50Z Поліпшення динаміки систем електроприводу на базі синхронного двигуна з постійними магнітами при використанні оптимальних стратегій керування Толочко, О.І. Бугровий, А.А. Електромеханічне перетворення енергії Для синхронних двигунів із вбудованими у ротор постійними магнітами виконано порівняння динамічних властивостей типових систем векторного керування (з підтримкою потокоутворюючої складової струму статора на нульовому рівні) і систем з використанням стратегій оптимального керування. Теоретично обґрунтовано методику поліпшення динамічних властивостей систем з оптимальними енергетичними показниками шляхом коригування алгоритму роботи регулятора швидкості. Для синхронных двигателей со встроенными в ротор постоянными магнитами выполнено сравнение динамических свойств типовых систем векторного управления (с поддержанием потокообразующей составляющей тока статора на нулевом уровне) и систем с использованием стратегий оптимального управления. Теоретически обосновано методику улучшения динамических свойств систем с оптимальными энергетическими показателями путем коррекции алгоритма работы регулятора скорости. For synchronous motors with permanent magnet built-in rotor made comparison of the dynamic properties of typical vector control systems (maintaining flux-component of the stator current at zero) and systems using optimal control strategies. Theoretically was proved methods of improving dynamic properties of the systems with optimum energy performance by adjusting the algorithm of the speed controller. 2016 Article mproving dynamic of the system based on permanent magnet synchronous motor using optimal control strategies / О.І. Толочко А.А. Бугровий // Технічна електродинаміка. — 2016. — № 5. — С. 35-37. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. 1607-7970 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/135798 621-83 uk Технічна електродинаміка Інститут електродинаміки НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| topic |
Електромеханічне перетворення енергії Електромеханічне перетворення енергії |
| spellingShingle |
Електромеханічне перетворення енергії Електромеханічне перетворення енергії Толочко, О.І. Бугровий, А.А. Поліпшення динаміки систем електроприводу на базі синхронного двигуна з постійними магнітами при використанні оптимальних стратегій керування Технічна електродинаміка |
| description |
Для синхронних двигунів із вбудованими у ротор постійними магнітами виконано порівняння динамічних властивостей
типових систем векторного керування (з підтримкою потокоутворюючої складової струму статора
на нульовому рівні) і систем з використанням стратегій оптимального керування. Теоретично обґрунтовано
методику поліпшення динамічних властивостей систем з оптимальними енергетичними показниками шляхом
коригування алгоритму роботи регулятора швидкості. |
| format |
Article |
| author |
Толочко, О.І. Бугровий, А.А. |
| author_facet |
Толочко, О.І. Бугровий, А.А. |
| author_sort |
Толочко, О.І. |
| title |
Поліпшення динаміки систем електроприводу на базі синхронного двигуна з постійними магнітами при використанні оптимальних стратегій керування |
| title_short |
Поліпшення динаміки систем електроприводу на базі синхронного двигуна з постійними магнітами при використанні оптимальних стратегій керування |
| title_full |
Поліпшення динаміки систем електроприводу на базі синхронного двигуна з постійними магнітами при використанні оптимальних стратегій керування |
| title_fullStr |
Поліпшення динаміки систем електроприводу на базі синхронного двигуна з постійними магнітами при використанні оптимальних стратегій керування |
| title_full_unstemmed |
Поліпшення динаміки систем електроприводу на базі синхронного двигуна з постійними магнітами при використанні оптимальних стратегій керування |
| title_sort |
поліпшення динаміки систем електроприводу на базі синхронного двигуна з постійними магнітами при використанні оптимальних стратегій керування |
| publisher |
Інститут електродинаміки НАН України |
| publishDate |
2016 |
| topic_facet |
Електромеханічне перетворення енергії |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/135798 |
| citation_txt |
mproving dynamic of the system based on permanent magnet synchronous
motor using optimal control strategies / О.І. Толочко А.А. Бугровий // Технічна електродинаміка. — 2016. — № 5. — С. 35-37. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. |
| series |
Технічна електродинаміка |
| work_keys_str_mv |
AT toločkooí polípšennâdinamíkisistemelektroprivodunabazísinhronnogodvigunazpostíjnimimagnítamiprivikoristanníoptimalʹnihstrategíjkeruvannâ AT bugrovijaa polípšennâdinamíkisistemelektroprivodunabazísinhronnogodvigunazpostíjnimimagnítamiprivikoristanníoptimalʹnihstrategíjkeruvannâ |
| first_indexed |
2025-07-10T00:08:30Z |
| last_indexed |
2025-07-10T00:08:30Z |
| _version_ |
1837216418628632576 |
| fulltext |
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 5 35
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНЕ ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕНЕРГІЇ
УДК 621-83
ПОЛІПШЕННЯ ДИНАМІКИ СИСТЕМ ЕЛЕКТРОПРИВОДУ НА БАЗІ СИНХРОННОГО ДВИГУНА
З ПОСТІЙНИМИ МАГНІТАМИ ПРИ ВИКОРИСТАННІ ОПТИМАЛЬНИХ СТРАТЕГІЙ КЕРУВАННЯ
О.І. Толочко, докт.техн.наук, А.А. Бугровий
Національний технічний університет України «КПІ»,
пр. Перемоги, 37, Київ, 03056, Україна, e-mail: tolochko_oi@mail.ru
Для синхронних двигунів із вбудованими у ротор постійними магнітами виконано порівняння динамічних влас-
тивостей типових систем векторного керування (з підтримкою потокоутворюючої складової струму стато-
ра на нульовому рівні) і систем з використанням стратегій оптимального керування. Теоретично обґрунтова-
но методику поліпшення динамічних властивостей систем з оптимальними енергетичними показниками шля-
хом коригування алгоритму роботи регулятора швидкості. Бібл 4, рис. 3.
Ключові слова: електропривод, синхронний двигун, постійні магніти, оптимальне керування, максимальний
момент на ампер, енергоефективність, динаміка.
Постановка проблеми. У цей час все більшого поширення набувають векторно-керовані електро-
приводи на основі синхронного двигуна з постійними магнітами, встановленими в середині ротора (IPMSM –
Interior Permanent Magnet Synchronous Machine). Для IPMSM розроблено так звані оптимальні стратегії ке-
рування, наприклад, [2-4], які підвищують енергоефективність систем електроприводу в усталених режимах за
рахунок оптимального розподілу функції утворення електромагнітного моменту між ортогональними складо-
вими струму статора в обертальній системі координат ротора dq. Однак поліпшення енергетичних характерис-
тик супроводжується погіршенням динамічних властивостей у порівнянні з класичними системами векторного
керування із підтримкою d-складової струму статора на нульовому рівні [1].
Мета роботи полягає в удосконаленні систем векторного керування IPMSM з використанням опти-
мальних стратегій у напрямку поліпшення їхніх динамічних властивостей.
Матеріали і результати досліджень. Математичний опис IPMSM в обертальній системі координат d-
q, що застосовується при синтезі систем векторного керування (СВК), має вигляд [4]
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
−=
ω
+=−==
ω+ω++=
ω=ωω−+=
,
;;)(;
;
;;
c
raqdqdmrqma
edqe
q
qqq
peqqe
d
ddd
MM
dt
dJ
MMMiiLLkMicM
ciL
dt
di
LRiu
ziL
dt
diLRiu
(1)
де ud, uq, id, iq – проекції напруги і струму статора на осі d і q; Ld, Lq – поздовжня і поперечна індуктивності
статора (Ld < Lq); R – активний опір статора; ω, ωe=zp ω – механічна та електрична кутові швидкості ротора; zp –
кількість пар полюсів; ψpm – потокозчеплення постійних магнітів; J – момент інерції двигуна; M, Ma, Mr –
електромагнітний момент двигуна та його активна і реактивна складові; ce=zpψpm; km=3zp/2; cm=kmψpm.
Структурна модель такого двигуна показана на рис. 1.
Синтез системи векторного керування виконується за наведеною на рис. 1 моделлю без врахування
зворотного зв‘язку з ЕРС обертання Ed=ceω і перехресних зв‘язків, позначених пунктирними лініями, та наяв-
ності реактивної складової електромагнітного моменту, позначеної жирною лінією. При використанні пропор-
ційно-інтегральних регуляторів струму, синтезованих методом послідовної корекції, пунктирні зв‘язки звичай-
но компенсують додаванням відповідних
зв‘язків з протилежними знаками до вихід-
них сигналів регуляторів. При нехтуванні
асиметрією магнітної системи двигуна кое-
фіцієнт підсилення пропорційного регуля-
тора швидкості (РШ) при коефіцієнтах зво-
ротних зв‘язків за струмом iq та за швид-
кістю, що дорівнюють одиниці, розрахову-
ють за формулою
)/( шрш TcJk m= , (2)
© Толочко О.І., Бугровий А.А., 2016
Рис. 1
36 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 5
де Tш=2Tс – стала часу інтегрування розімкненого контуру швидкості; Tс – стала часу розімкненого контуру
струму. Однією з оптимальних стратегій керування, що найчастіше використовують при роботі систем
регулювання швидкості у першій зоні (тобто без послаблення поля) є стратегія «Максимальний момент на
Ампер» − MTPA (Maximum Torque Per Ampere). У багатьох джерелах, наприклад, у [4], наведені рівняння, що
визначають оптимальне, з точки зору виконання критерію MTPA, співвідношення ортогональних складових
струму статора
2
2
2
)(4)(2
)( q
qd
pm
qd
pm
qdo i
LLLL
ii +
−
−
−
−=
ψψ
. (3)
Якщо у типових СВК на вхід регулятора d-складової струму статора (РСd) подають нульовий сигнал
завдання (i*
d0=0), то при одному із найпростіших методів реалізації стратегії MTPA завдання на d-складову
струму формується із сигналу завдання на q-складову, що виробляє регулятор швидкості за формулою (3) для
керування регулятором струму РСq. Фрагмент структурної схеми СВК, що пояснює можливі варіанти її
виконання, зображено на рис. 2.
Рис. 2
Виконаємо дослідження статичних і динамічних властивостей порівнюваних систем на прикладі
IMPSM з параметрами nn=4000 об/хв, Mn=1,8 Нм, ψpm=0,0844 Вб, J=0,45×10-3 кг·м2, zp=3, R=2,21 Ом, Ld=9,77
мГн, Lq=14,94 мГн. Малу інерційність перетворювачів частоти врахуємо включенням у канали d і q на виходах
відповідних регуляторів струму (РСd та РСq) аперіодичних ланок зі сталими часу Tµ=0,2 мс, звідки Tс=2Tµ=0,4
мс, Tш=2Tс=0,8 мс.
Графіки перехідних процесів при розгоні з задатчиком інтенсивності (ЗІ) та стрибкоподібному накиді
навантаження у відносних одиницях (в.о.) показані на рис. 3: а) − при i*
d =0; б) − при i*
d = i*
do = f(i*
q); в) − при
i*
d=i*
do=f(i*
q) і скоригованому РШ. За базові величини прийнято: номінальний момент ( nMMM /= ), амплітудне
значення номінального струму mnsn cMi /= ( sniii /= ) та синхронна швидкість ( 0/ ωω=ω ). Із порівняння графі-
ків видно, що у типовій СВК (i*
d=i*
d0=0, рис. 3, а) перехідні процеси моменту та струму 22
qds iii += практично
співпадають і мають (2÷3)-процентне перерегулювання при наростанні сигналів та 10% при спаданні моменту;
динамічне відхилення d-складової струму від 0 не перевищує 12% від номінального. При застосуванні стратегії
MTPA без зміни настроювання РШ (рис. 3, б) збільшується відношення M/|is| в усталених режимах, але зростає
перерегулювання та коливальність струму і моменту до 25% при розгоні та до 35% − при накиді навантаження.
З аналізу моделі рис. 2 випливає, що цей недолік зумовлений неповною компенсацією об‘єкту керування
регулятором швидкості. При врахуванні наявності реактивної складової електромагнітного моменту регулятор
швидкості треба синтезувати за формулою
⎥⎦
⎤
⎢⎣
⎡ −+=−+= ))(((
2
3)])(([
шш
рш qddpmpqddmm LLtiz
T
JLLtikc
T
Jk ψ , (4)
що потребує встановлення на виході лінійної частини РШ блоку ділення на змінну величину, залежну від id(t).
Перехідні процеси у досліджуваній СВК після запропонованої корекції РШ показані на рис. 3, в. Вони
свідчать про ефективність використаної методики.
а б в
Рис. 3
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 5 37
Якість перехідних процесів покращується ще більше, якщо в рівнянні (4) замінити сигнал зворотного зв‘язку за
струмом (id) сигналом завдання на струм (i*d), але при цьому в структурній схемі утворюється алгебраїчний контур,
розв‘язання якого ускладнює реалізацію регулятора. Ще одним шляхом подальшого зменшення перерегулювання та
коливальності є включення на вході функції, що формує знаменник виразу (4), реальної форсуючої ланки, проте це
може призвести до підвищення рівня завад у досліджуваних сигналах.
Висновки. При використанні для синхронних двигунів із вбудованими постійними магнітами оптимальної
стратегії «Максимальний момент на Ампер», що реалізується шляхом формування завдання на потоко-
утворюючу складову струму статора за допомогою відповідного функціонального перетворення вихідного
сигналу регулятора швидкості, покращуються енергетичні характеристики системи за рахунок зменшення
повного струму статора і відповідно теплових втрат у міді, але погіршується якість перехідних процесів
(збільшується перерегулювання та коливальність кривих моменту та струму). Для поліпшення якості
перехідних процесів при використанні розглянутої системи треба регулятор швидкості доповнити блоком
ділення на змінну величину, залежну від )(tid згідно з рівнянням (4), яке утворене при врахуванні наявності в
об‘єкті керування реактивної складової електромагнітного моменту, зумовленої магнітною асиметрією IMPSM.
1. Толочко О.І., Божко В.В. Дослідження електроприводів на основі синхронного двигуна з постійними магнітами
при оптимальному керуванні за максимумом моменту на ампер. − Взрывозащищенное электрооборудование. –
Донецк: ООО «АИР», 2010. – С. 242–247.
2. Krishnan, R. Permanent magnet synchronous and brushless DC motor drives. – CRC Press, 2010. – 564 p.
3. Roos, J.G., Enslin J.H.R. Analysis, simulation and practical evaluation of torque vector control strategies for medium
power highly responsive PMSM drives / Power Electronics and Variable-Speed Drives. – 1991. – Pр. 34–39.
4. Schröder, Dierk. Elektrische Antriebe – Regelung von Antriebssystemen. – Berlin, Heidelberg: Springer, 2009. – 1336 p.
УДК 621-83
УЛУЧШЕНИЕ ДИНАМИКИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА БАЗЕ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С
ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ОПТИМАЛЬНЫХ СТРАТЕГИЙ УПРАВЛЕНИЯ
О.И. Толочко, докт.техн.наук, А.А. Бугровой,
Национальный технический университет Украины «КПИ»,
пр. Победы 37, Киев, 03056, Украина.
e-mail: tolochko_oi@mail.ru
Для синхронных двигателей со встроенными в ротор постоянными магнитами выполнено сравнение динами-
ческих свойств типовых систем векторного управления (с поддержанием потокообразующей составляющей
тока статора на нулевом уровне) и систем с использованием стратегий оптимального управления. Теорети-
чески обосновано методику улучшения динамических свойств систем с оптимальными энергетическими пока-
зателями путем коррекции алгоритма работы регулятора скорости. Библ. 4, рис. 3.
Ключевые слова: электропривод, синхронный двигатель, постоянные магниты, оптимальное управление, мак-
симальный момент на ампер, энергоэффективность, динамика.
IMPROVING DYNAMIC OF THE SYSTEM BASED ON PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS
MOTOR USING OPTIMAL CONTROL STRATEGIES
O.I. Tolochko, A.A. Buhrovyi
National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute»,
pr. Peremohy, 37, Kyiv, 03056, Ukraine.
e-mail: tolochko_oi@mail.ru
For synchronous motors with permanent magnet built-in rotor made comparison of the dynamic properties of typical
vector control systems (maintaining flux-component of the stator current at zero) and systems using optimal control
strategies. Theoretically was proved methods of improving dynamic properties of the systems with optimum energy
performance by adjusting the algorithm of the speed controller. References 4, figures 3.
Keywords: electric drive, synchronous motor, permanent magnets, optimal control, maximum torque per ampere,
energy efficiency, dynamic.
1. Tolochko O.I., Bozhko V.V. Research-based permanent magnet synchronous motor with optimal control strategies “Maximum
Torque Per Ampere” // Vzryvozashchishchennoe elektrooborudovanie. – Donetsk: OOO «AYR», 2010. – Pp. 242–247. (Ukr)
2. Krishnan, R. Permanent magnet synchronous and brushless DC motor drives. – CRC Press, 2010. – 564 p.
3. Roos, J.G., Enslin J.H.R. Analysis, simulation and practical evaluation of torque vector control strategies for medium power highly
responsive PMSM drives / Power Electronics and Variable-Speed Drives. – 1991. – Pp. 34–39.
4. Schröder, Dierk. Elektrische Antriebe – Regelung von Antriebssystemen. – Berlin, Heidelberg: Springer, 2009. – 1336 p.
Надійшла 03.02.2016
Остаточний варіант 07.04.2016
|