Software & Systems

При бездатчиковом управлении вентильным электроприводом (ВЭП) особое внимание следует уделять качеству регулирования в динамических режимах, таких как приложение нагрузки или изменение сигнала задания скорости. При этом для поддержания устойчивой работы системы электроприводов (ЭП) необходимо компенсировать возрастание тока и насыщение магнитной цепи путем гибкого изменения параметров системы управления. Такая задача является трудноформализуемой. Для ее решения целесообразно применить метод, который позволит при неполной информации о положении ротора сформировать качественную траекторию движения привода в целом. Используем нечеткую логику [1–3] для коррекции момента коммутации.

Структурная схема предлагаемой системы представлена на рисунке 1.

Система управления включает в себя следующие элементы:

-      регулятор скорости (определяет скважность импульсов напряжения на выходе силового преобразователя);

-      блок оценки скорости (косвенно определяет частоту вращения ротора двигателя, анализируя последовательности импульсов управления силовым преобразователем);

-      блок расчета момента коммутации (реализует алгоритм определения времени включения очередной фазы двигателя по интегралу сигнала противо-ЭДС) [4];

-      блок коммутации (формирует последовательность импульсов управления силовыми ключами);

-      блок определения противо-ЭДС (выполняет функцию расчета сигналов противо-ЭДС по измеряемым фазным напряжениям);

-      нечеткий регулятор (вводит в систему коррекцию момента коммутации в зависимости от частоты вращения ротора и величины тока двигателя).

В качестве входных параметров системы нечеткого вывода выбраны две лингвистические переменные: нормированные значения частоты вращения и тока двигателя [5]. Выходной переменной является сигнал коррекции момента коммутации – нормированное значение по отношению к текущей продолжительности импульса управления. Так как в данной задаче имеем неопределенности типа «приблизительно равно», при задании функции принадлежности используем треугольную фор- му [6].

В качестве терм-множества входной переменной «частота вращения» используем терм-множество T1={«Низкая», «Средняя», «Высокая»}.

В качестве терм-множества входной переменной «ток двигателя» используем терм-множество T2={«Низкий», «Средний», «Большой»}.

В качестве терм-множества выходной переменной «коррекция момента коммутации» используем терм-множество T3={«Близкая к нулю», «Слабая», «Сильная», «Очень сильная»}.

Так как выходную переменную в нашем случае удобнее задать нечеткими термами, в качестве схемы нечеткого вывода будем использовать алгоритм Мамдани [7], методом активации будет min. В качестве метода агрегирования использована операция min-конъюнкции. Для аккумуляции заключений правил использован метод mах-дизъюнкции, в качестве метода дефаззификации – метод центра тяжести.

База нечетких правил для регулятора формируется исходя из условия, что сигнал коррекции должен увеличиваться с ростом момента сопротивления и уменьшаться с ростом частоты вращения ротора. При этом изменение тока двигателя влияет на уровень коррекции сильнее, чем изменение частоты вращения.

Нечеткий регулятор был синтезирован в пакете Fuzzy Logic Toolbox [8] в соответствии с составленной базой нечетких правил. Затем он был интегрирован в систему управления бездатчиковым ВЭП в среде Simulink. В ходе моделирования исследовалась работа ЭП при задании сложных траекторий движения и приложении нагрузки. Результаты моделирования показали, что разработанный регулятор хорошо справляется с поставленной задачей, а предлагаемая система управления на базе нечеткой логики обеспечивает качественную работу привода в широком диапазоне частот вращения.

Чтобы реализовать базу нечетких правил на микроконтроллере (МК), необходимо определить минимальные требования к его производительности и имеющимся аппаратным средствам. Минимальный набор аппаратных средств, необходимый для работы бездатчиковой системы управления, представлен в таблице.

Распределение аппаратных средств МК

Microcontroller’s hardware distribution

Таким образом, подходящий для решения поставленной задачи МК должен иметь не менее 4 каналов аналого-цифрового преобразователя (АЦП), 2 таймера общего назначения и не менее 10 свободных линий портов ввода-вывода.

Остальные функции системы управления решаются программно.

Распределение аппаратных и программных средств контроллера представлено структурой бездатчикового ВЭП с реализацией системы управления на базе МК (рис. 2).

Из структуры (рис. 2) видно, что значительная часть системы выполнена с использованием аппаратных средств МК. Это позволяет высвободить значительную часть ресурсов ядра МК для выполнения других задач (можно использовать МК с меньшей производительностью) и одновременно сократить число комплектующих системы, тем самым существенно снизив ее стоимость.

На рисунке 3 приведена блок-схема подпрограммы определения момента коммутации с коррекцией нечетким регулятором.

В соответствии с блок-схемой (рис. 3) на языке C реализован нечеткий регулятор. Однотипные фрагменты программы выполняются по шаблону и в тексте не приводятся. В комментариях указаны номера блоков в блок-схеме, соответствующие данной части программы.

Абсолютное большинство современных промышленных МК имеет на борту несколько таймеров и модулей АЦП, поэтому основным ограничивающим фактором выступает тактовая частота МК. В связи с этим определим минимальные требования к производительности МК.

Представленный на рисунке 4 фрагмент программы выполняется за 750 тактов при аппаратной поддержке МК арифметических операций с 32-разрядными данными или за 3 000 тактов на 8-разрядном МК.

Исходя из условия, что коррекция нечеткого регулятора должна быть реализована на участке перемещения ротора не больше 30 эл.град, можно утверждать, что расчет значения на выходе регулятора должен выполняться не дольше, чем за время поворота ротора на 30 эл.град. Определим это время для двигателя с числом пар полюсов p=4 при частоте вращения n=5 000 (об./мин.).

Время поворота ротора на 360 эл.град. и на 30 эл.град:

;

.

Теперь рассчитаем минимальную тактовую частоту для 32- и 8-разрядного МК:

;

.

Если тактовая частота МК будет ниже минимально допустимой, расчет выхода регулятора не успеет завершиться к моменту равенства нулю интеграла противо-ЭДС. Следовательно, угол открытия силового ключа не будет скорректирован. При этом эффективность работы ЭП существенно снижается.

Временная диаграмма работы программы (см. рис. 5) определяет моменты коммутации для трех различных МК (STM32F103VG, AT90PWM1, ATtiny43U) [9–11]. Из диаграммы видно, что производительности первых двух МК достаточно для реализации алгоритма (имеется запас по времени Δt>0), но в случае с ATtiny43U функция расчета выхода нечеткого регулятора не успевает завершиться к моменту равенства сигнала ∫e нулю (Δt<0).

Представленным требованиям соответствуют все современные 32-разрядные промышленные МК и большая часть 8-разрядных МК. Исключение составляют только чипы младших семейств (например, младшие линейки компаний Atmega (ATtiny) и Texas Instruments (MSP430F1x)).

Таким образом, можно сделать вывод, что использование интеллектуализированных методов управления в бездатчиковом ЭП при современном уровне развития вычислительной техники является более чем оправданным. Подобный подход позво- ляет значительно улучшить качество регулирования, при этом существенно не увеличивая стоимость ЭП.

Литература

1.     Круглов В.В., Дли М.И., Голунов Р.Ю. Нечеткая логика и искусственные нейронные сети. М.: Физматлит, 2001. 201 с.

2.     Гончаров А.С., Поваляев В.А., Миронов С.М. Анализ современного состояния в области создания электроприводов с бездатчиковым управлением и методов построения САР в условиях ограниченной информации о векторе состояния // Электротехнические комплексы и системы управления. 2008. № 1. С. 13–16.

3.     Козлов А.В., Тамер О.С. Основные направления создания электронных систем, использующих нечеткие управляющие алгоритмы // Вестн. Волжского ун-та им. В.Н. Татищева. № 17. 2011. С. 69–72.

4.     Горчаков Д.В. Бездатчиковое управление вентильным двигателем с использованием сигнала противо-ЭДС // Фундаментальные и прикладные науки сегодня. 2013. Т. 1. С. 141–144.

5.     Заде Л. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений. М.: Мир, 1976. 166 с.

6.     Тэрано Т., Асаи К., Сугэно М. Прикладные нечеткие системы; [пер. с япон.]. М.: Мир, 1993. 368 с.

7.     Новак В., Перфильева И., Мочкрож И. Математические принципы нечеткой логики; [пер. с англ.]. М.: Физматлит, 2006. 352 с.

8.     Деменков Н.П. Нечеткое управление в технических системах: учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. 200 с.

9.     STMicroelectronics. URL: www.st.com. (дата обращения: 10.09.2015).

10.  Atmel. URL: www.atmel.com. (дата обращения: 10.09.2015).

11.  Texas Instruments. URL: www.ti.com. (дата обращения: 10.09.2015).