Разработка и аппаратная реализация системы нагружения электропривода на базе платы stm32f4
Научный руководитель: к. т. н., доцент Розкаряка Павел Иванович
Реферат по теме выпускной работы
Содержание
Введение
Современное производство сложно представить без электропривода, так как он используется практически на всех этапах производства. Столь широкое применение электропривод получил благодаря своей многофункциональности и простоте в использовании. Во время работы электродвигателя на него действуют моменты сопротивления, что свидетельствует об его полезной работе, поскольку отсутствие момента сопротивления говорит о том, что привод работает на холостом ходу, а в данном режиме привод не совершает полезной работы и просто потребляет электроэнергию из сети питания. Нагрузка, действующая на двигатель, может быть активного или реактивного характера, может действовать с постоянной величиной либо меняться в процессе работы двигателя, а также может действовать непрерывно, либо накладываться и сниматься скачком.
1. Актуальность темы
Так как на электропривод во время его работы будут действовать моменты сопротивления различного характера, перед проектировщиком стоит задача выбора мощности электродвигателя, величина которой обеспечивала бы преодоление нагрузки, и при этом двигатель не потреблял слишком большое количество электроэнергии. Ведь выбор электродвигателя со слишком большим запасом по моменту приведет к неоправданным затратам электроэнергии. Данную особенность необходимо учитывать при проектировании всех электродвигателей и систем. Для правильного выбора электродвигателя проектировщик проводит исследования двигателя не только в режиме холостого хода, но и во время его нагружения, поэтому необходимы специальные системы, позволяющие воссоздать реальную нагрузку в лабораторных условиях, что говорит об актуальности и важности таких систем. Также задача нагружения двигателя встречается во время определения параметров двигателя после его ремонта (перемотки обмоток), так для решения такой задачи необходимо исследовать двигатель не только в режиме холостого хода, но и с действующей на него нагрузкой.
2. Цель и задачи исследования
Целью данной работы является разработка и реализация системы нагружения электропривода, которая позволит создавать нагрузку максимально приближенную к реальной.
Создаваемая система должна удовлетворять таким требованиям как:
В качестве контроллера будет использоваться современная микропроцессорная техника в виде отладочной платы stm32f4 discovery.
Для решения задачи необходимо подключить датчики тока на эффекте Холла, а также подключить и запрограммировать плату для управления системой в режиме реального времени.
3. Обзор систем нагружения электродвигателя
Системы нагружения использовались уже давно и используются по сей день. К системам нагружения можно отнести:
3.1 Нагрузочное устройство по системе генератор-двигатель (Г-Д)
Данная система была очень популярна раньше, так как позволяет управлять величиной момента сопротивления с достаточной точностью. Такая система используется в лаборатории 8.101 для проведения лабораторных работ и по сей день. Принципиальная схема нагрузочного устройства представлена на рисунке 3.1 [9].
Рисунок 3.1 – Принципиальная схема нагрузочного устройства
Данная система позволяет получить данные для построения необходимых характеристик исследуемой и нагрузочной машины.
В состав такой системы входят:
В качестве ИМ, НМ и ГНМ используются ДПТ с независимым возбуждением, для ПДГНМ используется АД с короткозамкнутым ротором.
Вал ИМ (М3) механически связан с валом нагрузочной машины (М2), которая питается от ГНМ с приводным двигателем (М1).
Для проведения исследований необходимо прежде всего обмотки якоря и возбуждения ИМ, обмотки возбуждения НМ, а также статор ПДГНМ подключить к источникам питания. В данном случае ИМ будет работать в режиме холостого хода, так как НМ не будет создавать момент сопротивления. Чтобы ИМ работала в двигательном режиме, необходимо создать момент сопротивления. Для этого необходимо подключить обмотку возбуждения ГНМ к ИРН, после этого ГНМ перейдет в генераторный режим, и будет питать НМ. С помощью ИРН изменяется величина тока возбуждения ГНМ, что приводит к изменению напряжения питания НМ, которое влияет на величину момента сопротивления ИМ.
Такая система позволяет исследовать ИМ во всех режимах работы, даже в генераторном, для этого достаточно поменять полярность тока возбуждения ГНМ.
К достоинствам данной системы можно отнести:
К недостаткам системы относятся:
Несмотря на свои достоинства, такая система находит ограниченное применение, так как она не позволяет в полной мере исследовать работу ЭП.
3.2 Механическая нагрузка (дисковый или колодочный тормоз)
Самый простой способ нагружения двигателя – использование механического тормоза, который непосредственно подключен к валу двигателя и своими колодками (или дисками) сжимает вал и, тем самым, создает момент сопротивления исследуемого двигателя.
Достоинствами такой системы, является:
Но из-за своих существенных недостатков применение такой системы очень ограничено, в частности:
Учитывая данные недостатки приметь такую систему нагружения нежелательною.
Помимо дисковых и колодчатых тормозов в качестве системы нагружения можно использовать электромагнитные муфты сухого или вязкого трения и муфты скольжения, а также порошковые муфты. Такие устройства имеют свои особенности (низкий коэффициент полезного действия при малых скоростях, малый передаваемый момент, низкая надежность при резком изменении нагрузки и значительная инертность), но обладают теми же недостатками, что и дисковые и колодчатые, поэтому использовать такие устройства для системы нагружения нежелательно [6].
3.3 ДПТ в режиме динамического торможения
Еще одним из способов создания нагрузки на валу исследуемой машины является использование в качестве нагрузочной машины дополнительного ДПТ независимого возбуждения, который работает в режиме динамического торможения.
Схема подключения нагрузочной машины представлена на рисунке 3.2. [10].
Рисунок 3.2 – Схема подключения нагрузочной машины в режиме ДТ
Суть данного способа заключается в том, что якорная цепь нагрузочной машины замыкается на тормозное сопротивление, что приводит к появлению в якорной цепи отрицательного тока (переход в тормозной режим), который создает момент сопротивления для исследуемой машины. Величина момента сопротивления контролируется путем изменения тока возбуждения НМ, увеличивая ток возбуждения увеличивается момент сопротивления и, соответственно, наоборот – уменьшение тока возбуждения приводит к уменьшению момента сопротивления.
К преимуществам такой системы относятся:
Но данная система имеет существенные недостатки:
Из-за того, что такую нагрузочную машину нельзя использовать долгий период времени, применять такую систему нецелесообразно, так как в процессе исследования приходится длительное время наблюдать за процессом работы исследуемого двигателя и неоднократно менять величину момента сопротивления для более качественного анализа.
3.4. Управляемая нагрузочная машина с использованием ДПТ
В последние десятилетия наблюдается тенденция использования автоматизированных электроприводов в качестве систем, имитирующих реальную нагрузку [11].
С развитием микропроцессорной техники появилась возможность построения более сложных и многофункциональных систем управления электропривода. Примером такой системы является нагрузочная машина на основе ДПТ и тиристорного преобразователя (ТП).
Данная система в своем составе имеет: реверсивный тиристорный преобразователь, ДПТ с независимым возбуждением и систему автоматического управления (САУ) с замкнутым контуром тока якоря.
Суть такой системы заключается в том, что программно задается величина момента и закон его изменения, который поступает на замкнутый контур регулирования тока и с помощью ТП формируется задание на двигатель.
Такая система имеет явные преимущества по сравнению с другими системами:
Недостаток такой системы является лишь использованием ДПТ, так как данный двигатель имеет в своем составе коллектор, который является слабым звеном в двигателе постоянного тока.
Благодаря своим преимуществам данная система будет использоваться в магистерской работе.
3.5. Управляемая нагрузочная машина с использованием АД
Наиболее современная система нагружения из всех представленных. Данная система имеет такие же достоинства, как и система с ДПТ, но она имеет более сложную систему управления. Поскольку в системе используется АД, то необходимо использовать преобразователь частоты (ПЧ) с векторным управлением, который имеет более высокую цену, чем тиристорный преобразователь для ДПТ.
Такая система, так же как и система ДПТ, позволяет полностью контролировать величину момента сопротивления и закон его изменения, но из-за своей высокой цены и необходимости использовать модуль рекуперации его применение нецелесообразно.
В системах управления нагрузочной машиной с использованием управляемого АД и ДПТ, которые жестко соединены с валом исследуемой машины, можно имитировать двухмассовую электромеханическую систему (и даже многомассовую), что является серьезным аргументом в их пользу.
4. Система управления нагрузочной машиной
Для управления нагрузочной машины будет использоваться замкнутая система с обратной связью по току.
Определенная сложность использования такой системы заключается в настройке регулятора. Система должна отрабатывать задание с требуемыми быстродействием и точностью.
Структурная схема такой системы представлена на рисунке 4.1.
Рисунок 4.1 – Структурная схема контура регулирования тока
В данной схеме используются такие обозначения:
В данной системе будет использоваться ПИ-регулятор тока, который при его правильной настройке может обеспечить оптимальную по быстродействию и точности работу системы.
Передаточная функция регулятора тока имеет следующий вид:
Так как контур тока будет настраиваться по модульному оптимуму, то постоянная времени регулятора TT равна:
Благодаря такой настройке контур тока будет удовлетворять всем требованиям, предъявляемых к системе управления, в частности:
Время достижения максимума:
Время первого достижения установившегося значения:
На рисунке 4.2 переходная характеристика замкнутого контура отображающая все показатели качества.
Рисунок 4.2 – Переходная характеристика замкнутого контура
Введение в систему управления электропривода отдельного регулятора тока позволяет решить следующие задачи:
5. Нагрузка электродвигателя
Задачей моей работы, является реализация нагрузочной системы электропривода, которая обеспечит возможность создания максимально приближенного к реальности момента сопротивления. К таким моментам относится активный и реактивный момент, а также квадратичная нагрузка.
5.1 Активный момент
Активными силами и моментами называются такие, которые создаются внешними по отношению к двигателю источниками механической энергии и не зависят от движения электропривода (скорости и направления). Такие силы и моменты имеют место при подъеме-спуске грузов, ветровой нагрузке на механизмы поворота и передвижения и т.п [8].
На рисунке 5.1 упрощенно показана кинематическая схема грузоподъемного механизма и его механическая характеристика.
Рисунок 5.1 – Активный момент сопротивления
Величина момента силы тяжести груза G равна:
Сила тяжести, как при подъеме, так и при спуске груза направлена в одну сторону спуска и неизменна по величине. Соответственно механическая характеристика исполнительного механизма ω=f(MC) в этом случае имеет вид прямой MC.акт=const [8].
5.2 Реактивный момент
Реактивными силами и моментами называются силы и моменты сопротивления движению, возникающие как реакция на активный движущий момент, развиваемый двигателем, либо любой другой активный движущий момент, например, обусловленный силой тяжести или силой инерции. Реактивным моментом сопротивления называют момент, который всегда направлен противоположно по отношению к направлению вращения двигателя [8].
К таким моментам нагрузки относят нагрузки сухого, вязкого и вентильного трения. На рисунке 5.2 механическая характеристика электропривода при действии момента сопротивления типа сухого трения.
Рисунок 5.2 – Реактивный момент сопротивления
Моменты сухого трения неизменны по величине, но изменяют свой знак в соответствии с направлением вращения вала двигателя.
Момент сопротивления в таком случаен равен:
5.3 Квадратичный момент
Квадратичным моментом сопротивления называют момент, величина которого изменяется пропорционально квадрату скорости вращения двигателя, поэтому даже небольшое возрастание скорости работы привода ведет к существенному возрастанию нагрузки на двигатель. Такую нагрузку в процессе эксплуатации испытывают насосы, вентиляторы и компрессоры.
Момент сопротивления в общем виде равен:
где: МH – номинальный момент двигателя; ωH – номинальная скорость вращения двигателя; ω – текущая скорости вращения двигателя.
Рисунок 5.3 – Реакция ДПТ на моменты сопротивления различного характера (анимация: 9 кадров, 5 циклов повторения, 123 килобайт, 1 и 3 секунды задержка между слайдами)
6. Выбор микроконтроллера
Для реализации поставленной задачи автоматизации была выбрана плата STM32f4 discovery, которая обеспечит необходимое быстродействие, а также, благодаря наличию АЦП, позволит отцифровывать аналоговые сигналы токов якоря исследуемой и нагрузочной машины.
В процессе работы плата будет формировать два сигнала управления, а также оцифровывать значения сигналов датчиков тока и датчика скорости исследуемой машины с возможностью их дальнейшего наблюдения.
Плата STM32F4 Discovery (рис. 6.1) предназначена для ознакомления с возможностями 32-битного МК на основе ARM-архитектуры, а также для реализации собственных устройств и приложений с использованием аппаратного обеспечения платы [1].
Внешний вид данной платы представлен на рисунке 6.1 [2].
Рисунок 6.1 – Внешний вид платы STM32F4
Плата STM32F4 Discovery оснащена:
Таким образом, отладочная плата оснащена большим количеством периферии, что позволит реализовать на ней систему нагружения [1].
Благодаря своей макетной конструкции, плата stm позволит подключить все необходимые сигналы без использования пайки. Данная плата была выбрана, поскольку может быть запрограммирована с помощью программного пакета Matlab\Simulink, а также обеспечивает достаточное быстродействие. Для программирования используется библиотека Waijung, позволяющая реализовать поставленную задачу.
7. Выбор датчиков тока
В качестве датчиков тока были выбраны датчики тока на эффекте Холла фирмы Allegro, которые позволят измерить токи двигателей с высокой точностью. Его внешний вид представлен на рисунке 7.1.
Рисунок 7.1 – Датчик тока фирмы ALLEGRO серии ACS750
К достоинствам данного типа датчиков можно отнести:
Благодаря наличию гальванической развязки выходной сигнал датчика можно непосредственно подключить к АЦП микроконтроллера для дальнейшей обработки.
На рисунке 7.2 приведена схема подключения датчика [4].
Рисунок 7.2 – Схема подключения датчика тока
Описание входов и выходов датчика следующее:
Принцип работы датчика заключается в следующем: при протекании тока 1А через выводы 4-5 датчика напряжение на выходе VIOUT датчика увеличивается на величину указанную в параметрах датчика.
Принцип работы с датчиком заключается в следующем:
Рисунок 7.3 – Схема подключения датчика тока
где: N – код на выходе АЦП; 4096 – максимальный выходной код.
где: U – напряжение на выходе датчика, В; 1/2VCC – нулевая точка измерения, В; VS – изменение напряжения выхода датчика на 1 А нагрузки, В.
Выводы
В данном реферате были рассмотрены основные системы нагружения электродвигателя. Выявлены их достоинства и недостатки. Среди рассмотренных систем предпочтение было отдано управляемой нагрузочной машине с использованием ДПТ, так как данная система удовлетворяет требованиям. В качестве контроллера будет использоваться отладочная плата stm32f4 discovery, а в качестве датчиков – датчики тока на эффекте Холла фирмы Allegro.
Дальнейшие исследования будет направленно на реализацию данной системы, с целью создания лабораторного стенда для исследования двигателя в нагрузочных режимах.
Особенности подбора электродвигателей для транспортных средств на электрической тяге
Подбор электродвигателя и карта эффективности
При подборе электродвигателей конструктор ориентируется на сведения из каталога производителя, в котором, как правило, содержится только информация о максимальной проектной мощности, номинальной (максимальной) частоте вращения ротора и КПД при этой скорости. Однако в действительности каждый электродвигатель характеризуется картой эффективности, показанной на рис. 1, которая получается расчетным методом, с использованием программ математического моделирования или при помощи комплексных испытаний двигателя с нагрузочными устройствами на базе генераторов или порошковых муфт (рис. 2).
Рис. 1. Карта эффективности электродвигателя
Построение карты эффективности имеет существенное преимущество — это отображение КПД двигателя на каждом режиме эксплуатации: скорости вращения и нагрузки, испытываемой валом.
Рис. 2. Нагрузочный стенд компании ООО «Мотохром» для испытания двигателей мощностью до 1,5 кВт
С учетом темпов развития транспорта на электрической тяге предъявляются повышенные требования к гибкому режиму работы их электродвигателей, в отличие от их использования до настоящего момента, как правило, в «вентиляторном» варианте (в том числе для привода насосов), когда мотор работает при одной определенной нагрузке и скорости вращения.
Электродвигатель для электротранспорта характеризуется:
Таким образом, при создании современных электротранспортных средств, для качественной разработки или подбора двигателя, необходимо иметь его карту эффективности. Карта понадобится и при проектировании движителя, о чем будет рассказано в следующем разделе.
Подбор движителя
Помимо электродвигателя, собственный КПД, зависящий от скорости вращения и нагрузки, имеет и движитель: колесо, подводный гребной винт, авиационный пропеллер.
Если зависимость КПД колеса от скорости носит линейный характер и связана только с трением качения (формой протектора, степенью упругости покрышки и весом пассажира), то винты, работающие в воде или воздухе, имеют сложные зависимости. Рассмотрим кривую «скорость-тяга-сопротивление» для гребного винта китайской компании Kenzen (рис. 3).
Рис. 3. Кривые зависимости «скорость-тяга-сопротивление» для гребных винтов с разным шагом от компании Kenzen
На представленном графике показаны кривые создаваемой тяги и потребляемой мощности для разных скоростей вращения. Видно, что данный винт имеет лучшие удельные характеристики работы на участке скоростей вращения 2000–4000 об/мин с оптимумом при 3000 об/мин (где достигается наилучшее соотношение создаваемой тяги к потребляемой мощности).
Пересчет потребляемой винтом мощности в крутящий момент, передаваемый на вал двигателя, проводится на основе известной формулы P = MN/9,55. Аналогичные зависимости строятся и для авиационных пропеллеров. Совмещая карту эффективности электродвигателя (см. вертикальную ось «Нагрузка на вал» карты эффективности двигателя, рис. 1) с рабочей кривой движителя, можно получить величину эффективности тягового узла, которая может выражаться в «грамм тяги/Вт», «литр/Вт» (перекачиваемой жидкости), «км/ч/Вт».
Рис. 4. Пропеллер для коаксиального спаренного электродвигателя «Дрозд» (ООО «Мотохром») по заказу ООО «Авиановации»
Одной из компаний, работающих в этой сфере, является ООО «Мотохром», которое занимается изготовлением как электродвигателей, так и движителей (рис. 4, 5).
Рис. 5. Гребной винт для подводного электродвигателя Vortex (ООО «Мотохром»)
Подбор движителя осложняется тем, что частота вращения ротора при заданном уровне напряжения питания и скважности проседает под нагрузкой. Если двигатель работает в сенсорном режиме (с датчиками положения ротора), а напряжение на регулятор подается с запасом, то скорость вращения ротора будет поддерживаться на установленном настройками или оператором уровне.
Если же двигатель работает без датчиков положения ротора, а контроллер подает питание с минимальной скважностью (для большинства контроллеров это 95% полноты заполнения широтно-импульсной модуляции), то с ростом нагрузки частота вращения ротора будет падать и при максимальном моменте снижаться до двух раз. Рассмотрим кривую зависимости «нагрузка — скорость вращения ротора» опытного двигателя «Мотохром» МХКБ.11.3.02 (рис. 6).
Рис. 6. График падения частоты вращения ротора под нагрузкой
При верификации рабочих кривых движителей сначала на нагрузочном стенде определяются карты КПД электродвигателей, которые при определении удельной тяги винтов позволяют вычислить фактическую (механическую) мощность на основе КПД и потребляемой мощности, определяемой по вольтметру и амперметру (рис. 7).
Рис. 7. Результаты испытаний работы двигателя с опытным пропеллером
При более тонком проектировании системы «АКБ–электродвигатель-движитель» учитывается и просадка напряжения аккумуляторной батареи, однако, как правило, достаточно подобрать двигатель таким образом, чтобы напряжение питания при максимальной рабочей скорости было меньше напряжения АКБ с учетом просадки. А выравнивание напряжения при полностью заряженной аккумуляторной батарее будет осуществляться при помощи регулятора (контроллера).
Выводы
При проектировании современных образцов электротранспорта для подбора электродвигателя среди готовых решений требуется рассматривать карту эффективности мотора, кривую изменения оборотов под нагрузкой, а также характеристики: КПД, обороты, сопротивления рабочего движителя. В случае когда готовое решение подобрать не удается (не устраивают габариты, масса, избыточная мощность или не подходят обороты), возможно заказное изготовление электродвигателя с заданными характеристиками.
