СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИЖИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКОЙ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Изобретение относится к области систем автоматического управления и автоматики и может быть использовано в системах управления электродвижительной установкой транспортного средства.

Известна система управления электроприводом переменного тока [патент JP 2018121393 (A), CONTROL DEVICE FOR ELECTRIC VEHICLE AND ELECTRIC VEHICLE, класс B60L 11/18; B60L 15/20; H01M 8/00; H01M 8/04; H01M 8/04225; H01M 8/04302; H01M 8/04858, дата приоритета 23.01.2017, дата публикации 02.08.2018, автор ] которая реализует управление электроприводом с ограничениями, наложенными на величины электромагнитного момента и мощности. Недостатком известного устройства является то, что предложенная система управления предназначена для управления электроприводом переменного тока, а также отсутствие в системе управления ограничения на величину скорости.

Известен метод контроля и управления величиной скорости и электромагнитного момента [патент US 2018226910 (A1), METHOD FOR CONTROLLING OPERATING SPEED AND TORQUE OF ELECTRIC MOTOR, класс B60L 11/18; B60L 15/20; B60W 10/08; H02P 23/00; H02P 31/00; H02P 6/08; H02P 7/285, дата приоритета 03.04.2018, дата публикации 09.08.2018, автор LAI SHENG-FU] который используя блок схему системы управления осуществляет контроль переменных состояния электропривода и обеспечивает их нахождение в рабочей зоне внутри механической характеристики электропривода. Достоинством предложения является отсутствие привязки системы управления к типу электропривода а, следовательно, она может быть использована для различных типов электропривода как переменного, так и постоянного тока. Недостатком известного изобретения является то, что система управления дискретна, а контроль и перевод переменных состояния электропривода происходит по циклам работы системы управления. К недостаткам может быть отнесено и отсутствие структурной схемы системы управления.

Известна система управления ледоколом [Алгоритм управления гребным электроприводом универсального атомного ледокола проекта 22220. Санкт-Петербург, Труды Крыловского государственного научного центра, 4(382), 2017, авторы Вершинин В.И., Махонин С.В., Паршиков В.А., Хомяк В.А.] в которой в зависимости от задающего воздействия рукоятки реализуются два режима работы: режим регулирования частоты вращения гребного винта либо режим регулирования мощности на гребном винту. Недостатком известной системы управления является ее сложная структура, наличие большого количества нелинейных элементов системы управления и то, что при управлении движительным средством оператор должен выбирать, чем им в данный момент времени нужно управлять скоростью либо мощностью. К недостаткам известной структуры относится и то, что она предназначена для работы с электроприводом переменного тока.

Наиболее близкой по технической сущности является система управления гребной электрической установкой [Синтез системы управления гребной электрической установкой переменно-постоянного тока, журнал "Электроника и электрооборудование транспорта" - 2011, - №2-3. стр. 32-36, авторы Лазаревский Н.А., Хомяк В.А., Гельвер Ф.А.] в которой реализуется двухзонный способ управления электроприводом постоянного тока с ограничениями, наложенными на величину скорости, тока якоря и мощности гребного электродвигателя. В предложенной структуре присутствуют контуры тока якоря, тока обмотки возбуждения, электромагнитного момента и скорости, а управление осуществляется частотой вращения гребного электродвигателя. Достоинством предложенной структуры является получение желаемых статических и динамических характеристик электропривода, а также возможность использования такой структуры системы управления как для электроприводов переменного, так и постоянного тока. Недостатком известной структуры является сложная структура системы управления, поскольку система управления реализована с использованием метода последовательной коррекции с настройкой на технический оптимум. Следовательно, в системе управления имеются внутренние вложенные контура, которые подчинены внешним контурам системы управления. К недостаткам известной системы управления можно отнести и то, что управление осуществляется только скоростью вращения тягового электродвигателя с ограничениями, наложенными на величины электромагнитного момента и мощности.

Предлагаемая система управления электродвижительной установкой транспортного средства позволяет значительно упростить структуру системы управления, а также реализовать автоматизированное управление с ограничениями наложенными на величины заданной мощности, максимального значения электромагнитного момента и максимального значения частоты вращения исполнительного электродвигателя. При этом управляющее воздействие в системе управления может быть задано либо на мощность, либо на частоту вращения гребного винта, либо на величину электромагнитного момента.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в системе управления электродвижительной установкой транспортного средства, содержащей структурную схему электродвигателя, состоящую из электрической части и механической части, контур управления электромагнитным моментом электродвигателя с регулятором момента, блока ограничения момента, обратную связь по скорости с датчиком скорости, причем выход электрической части электродвигателя в виде величины электромагнитного момента поступает на блок вычитания, из которого вычитается величина момента сопротивления, а сигнал с выхода блока сравнения поступает на механическую часть электродвигателя, с выхода которого получается сигнал скорости электродвигателя, который используется в качестве обратной связи по скорости посредством датчика скорости предусмотрены следующие отличия: система управления содержит функциональный преобразователь, блок модуля сигнала, блок с зоной нечувствительности, дополнительный блок вычитания и блок деления, а блок ограничения момента реализован в виде блока ограничения задания, причем сигнал обратной связи по скорости через датчик скорости поступает на входы блока модуля сигнала и блока с зоной нечувствительности, управляющий сигнал системы управления электродвижительной установкой транспортного средства поступает на вход функционального преобразователя, с выхода которого сигнал поступает на дополнительный блок вычитания, из которого вычитается сигнал с блока с зоной нечувствительности, сигнал с выхода дополнительного блока вычитания поступает на вход блока деления, на который делит сигнал с блока модуля, выходной сигнал с блока деления поступает на вход блока ограничения момента, с выхода которого сигнал поступает на контур управления электромагнитным моментом.

Кроме того система управления электродвижительной установкой транспортного средства может быть выполнена так что на вход функционального преобразователя задается сигнал пропорциональный мощности электродвижительной установки.

Кроме того система управления электродвижительной установкой транспортного средства может быть выполнена так что на вход функционального преобразователя задается сигнал пропорциональный скорости исполнительного электродвигателя электродвижительной установки.

Кроме того система управления электродвижительной установкой транспортного средства может быть выполнена так что на вход функционального преобразователя задается сигнал пропорциональный движительному моменту электродвижительной установки.

Сущность изобретения поясняется чертежами - на Фиг. 1 представлена структурная схема системы управления электродвижительной установкой транспортного средства, на Фиг. 2 представлены возможные функциональные зависимости блока функционального преобразователя (прямая А задает сигнал пропорциональный мощности электродвижительной установки x₉^*=X^*; кривая В задает сигнал пропорциональный скорости исполнительного электродвигателя электродвижительной установки x₉^*=(X^*)³; кривая С задает сигнал пропорциональный движительному моменту электродвижительной установки x₉^*=(X^*)^3/2), на Фиг. 3 представлены совместные механические характеристики момента сопротивления движению транспортного средства и семейство механических характеристик, реализуемых системой управления электродвижительной установкой (кривые D и Е представляют собой характеристики моментов сопротивления для легкого и тяжелого режима работы движительного комплекса соответственно), на Фиг. 4 представлены результаты математического моделирования пуска электродвижительной установки в ход при задании мощности равной единице, на Фиг. 5 представлена фазовая траектория ω^*=ƒ(М^*) при пуске электродвижительной установки в ход и при задании мощности равной единице, на Фиг. 6 представлены результаты математического моделирования электродвижительной установки при пуске в ход с относительным моментом сопротивления М_с^*=2 и его снижением до нуля за 5 секунд, на Фиг. 7 представлена фазовая траектория ω^*=ƒ(M^*) при пуске в ход с относительным моментом сопротивления М_с^*=2 и его снижением до нуля за 5 секунд.

Система управления электродвижительной установкой транспортного средства, структурная схема которой представлена на Фиг. 1, содержит структурную схему электродвигателя 1 состоящую из электрической части 2 и механической части 3, контур управления электромагнитным моментом 4 электродвигателя 1 с регулятором момента 5, блока ограничения момента 6, обратную связь по скорости с датчиком скорости 7. Выход электрической части 2 электродвигателя 1 в виде величины электромагнитного момента поступает на блок вычитания 8, из которого вычитается величина момента сопротивления. Сигнал с выхода блока сравнения 8 поступает на механическую часть 3 электродвигателя 1 с выхода, которого получается сигнал скорости электродвигателя 1, который используется в качестве обратной связи по скорости посредством датчика скорости 7. Система управления содержит функциональный преобразователь 9, блок модуля сигнала 10, блок с зоной нечувствительности 11, дополнительный блок вычитания 12 и блок деления 13. Блок ограничения момента 6 реализован в виде блока ограничения задания. Сигнал обратной связи по скорости через датчик скорости 7 поступает на входы блока модуля сигнала 10 и блока с зоной нечувствительности 11. Управляющий сигнал системы управления электродвижительной установкой транспортного средства поступает на вход функционального преобразователя 9, с выхода которого сигнал поступает на дополнительный блок вычитания 12, из которого вычитается сигнал с блока с зоной нечувствительности 11. Сигнал с выхода дополнительного блока вычитания 12 поступает на вход блока деления 13, на который делит сигнал с блока модуля 10. Выходной сигнал с блока деления 13 поступает на вход блока ограничения момента 6, с выхода которого сигнал поступает на контур управления электромагнитным моментом 4.

Система управления электродвижительной установкой транспортного средства, структурная схема которой представлена на Фиг. 1, может быть выполнена так, что на вход функционального преобразователя 9 задается сигнал пропорциональный мощности электродвижительной установки. При этом функциональный преобразователь 9 описывается функциональной зависимостью х₉^*=Х^* представленной на Фиг. 2 прямая А.

Система управления электродвижительной установкой транспортного средства, структурная схема которой представлена на Фиг. 1, может быть выполнена так, что на вход функционального преобразователя 9 задается сигнал пропорциональный скорости исполнительного электродвигателя электродвижительной установки. При этом функциональный преобразователь 9 описывается функциональной зависимостью х₉^*=(X^*)³ представленной на Фиг. 2 кривая В.

Система управления электродвижительной установкой транспортного средства, структурная схема которой представлена на Фиг. 1, может быть выполнена так, что на вход функционального преобразователя 9 задается сигнал пропорциональный движительному моменту электродвижительной установки. При этом функциональный преобразователь 9 описывается функциональной зависимостью х₉^*=(Х^*)^3/2 представленной на Фиг. 2 кривая С.

Работа системы управления электродвижительной установкой транспортного средства происходит следующим образом.

Система управления электродвижительной установкой транспортного средства содержит блок с зоной нечувствительности 11, который реализует задержанную обратную связь по скорости. Данный блок не выдает никакого сигнала, если скорость исполнительного электродвигателя 1 не превышает номинального пограничного значения скорости для электропривода постоянного тока или номинального синхронного значения скорости для электропривода переменного тока. В системе управления формируется задание на мощность, которое выходит из блока функционального преобразователя 9.

Если текущая скорость вращения исполнительного электродвигателя 1 с учетом коэффициента преобразования датчика скорости 7 не превышает уставку блока с зоной нечувствительности 11 то из дополнительного блока вычитания 12 никакой сигнал не вычитается а величина задания, на мощность, выходящая из блока функционального преобразователя 9 с помощью блока деления 13 делится на сигнал с датчика скорости 7 который предварительно прошел через блок модуля сигнала 10. При этом с блока деления 13 получается сигнал задания на величину электромагнитного момента, который поступает на вход блока ограничения момента 6 с выхода, которого сигнал поступает на контур управления электромагнитным моментом 4.

Если текущая скорость вращения исполнительного электродвигателя 1 с учетом коэффициента преобразования датчика скорости 7 превышает уставку блока с зоной нечувствительности 11 то величина задания, на мощность, выходящая из блока функционального преобразователя 9 уменьшается за счет того что из дополнительного блока вычитания 12 вычитается сигнал с датчика скорости 7 усиленный коэффициентом усиления блока с зоной нечувствительности 11, и с помощью блока деления 13 делится на сигнал с датчика скорости 7, который предварительно прошел через блок модуля сигнала 10. При этом с блока деления 13 получается сигнал задания на величину электромагнитного момента, который поступает на вход блока ограничения момента 6 с выхода, которого сигнал поступает на контур управления электромагнитным моментом 4.

Таким образом, ограничение на величину максимального электромагнитного момента исполнительного электродвигателя 1 осуществляется с помощью блока с зоной насыщения 6. Ограничение на величину максимальной скорости вращения исполнительного электродвигателя реализуется с использованием задержанной обратной связи по скорости и использованием блока с зоной нечувствительности 11. Ограничение на величину максимальной мощности задается задающим воздействием системы управления электродвижительной установкой выходящей с блока функционального преобразователя 9. Следует отметить, что структура контура управления электромагнитным моментом 4 зависит от типа исполнительного электродвигателя 1.

Используя описанные блоки системы управления, осуществляется управление электродвижительной установкой транспортного средства при ограничениях, наложенных на величины максимально возможных значении мощности, скорости вращения исполнительного электродвигателя и величины электромагнитного момента.

В представленной структуре (Фиг. 1) в качестве задающего воздействия могут быть использованы величина мощности Р либо электромагнитного момента М, либо скорости вращения исполнительного электродвигателя 1 со в зависимости, от той переменной состояния движительной электрической установки, которой необходимо управлять. Выбор характеристики блока функционального преобразователя 9, должен осуществляется из условия какой переменной состояния необходимо управлять.

Соответственно появляется возможность реализации функционального преобразователя блока 9 (Фиг. 1) в зависимости от того какую переменную состояния необходимо регулировать и для какого из режимов работы.

На Фиг. 2 изображена характеристика (прямая А) функционального преобразователя 9 в котором входной сигнал задается пропорциональным мощности электродвижительной установки х₉^*=Х^*.

На Фиг. 2 изображена характеристика (кривая В) функционального преобразователя 9 в котором входной сигнал задается пропорциональным скорости вращения исполнительного двигателя электродвижительной установки х₉=(X^*)³.

На Фиг. 2 изображена характеристика (кривая С) функционального преобразователя 9 в котором входной сигнал задается пропорциональным движительному моменту электродвижительной установки х₉^*=(Х^*)^3/2.

На Фиг. З изображены совместные механические характеристики момента сопротивления транспортного средства и семейство механических характеристик реализуемых системой управления электродвижительной установки. Кривые D и Е представляют собой характеристики моментов сопротивления для легкого и тяжелого режима работы движительного комплекса соответственно.

Момент сопротивления движению движительного комплекса (ДК) представляет собой вентиляторную характеристику нагрузки и описывается уравнением вида

М_с=k⋅ω²

где k - коэффициент пропорциональности который зависит от характеристики ДК и параметров самого движителя. Все переменные изображены в относительных единицах.

Контур управления электромагнитным моментом 4 должен быть синтезирован так, чтобы система обладала желаемым статическим и динамическим поведением. Для того чтобы обеспечить желаемое статическое и динамическое поведение может быть в качестве примера использована настройка на технический оптимум с передаточной функцией вида

Данная передаточная функция обладает желаемым динамическим поведением, а именно перерегулирование составляет не более 4,3% при минимально возможном для данного перерегулирования времени переходного процесса.

Выбор параметров блока с зоной нечувствительности 11 реализующего задержанную обратную связь по скорости заключается в следующем. Исходя из структурной схемы Фиг. 1 для статического режима работы может быть записано уравнение вида

Откуда коэффициент k₁ блока с зоной нечувствительности может быть записан в виде

Используя предложенную структуру электродвижительной установки осуществим моделирование динамических процессов происходящих в ней.

Параметры структурной схемы для моделирования динамических процессов были выбраны следующими:

- передаточная функция контура момента 4 определяется

где T_мм=0,1.

- коэффицент усиления блока с зоной нечувствительности 11

К₁=2,5

- коэффициент передачи датчика скорости 7

К_ос=1

- постоянная времени механической части 3 электродвигателя 1

Т_мех=2

- максимальная скорость вращения исполнительного электродвигателя 1

ω_max=1,4⋅ω₀

На Фиг. 4 представлены результаты математического моделирования пуска электродвижительной установки транспортного средства в ход при задании мощности равной единице и вентиляторной нагрузкой на валу исполнительного электродвигателя. На Фиг. 5 представлено отображение фазовой траектории ω=ƒ(M) динамической системы электродвижительной установки при пуске в ход и задании мощности равной единице и вентиляторной нагрузкой на валу исполнительного электродвигателя.

Для наглядной работы задержанной обратной связи по скорости выполнено математическое моделирование электродвижительной установки транспортного средства при пуске в ход с постоянным максимальным значением нагрузки и ее снижением до нуля. На Фиг. 6 представлены результаты моделирования при пуске электродвижительной установки с постоянной максимальной величиной момента нагрузки и при снижении нагрузки до нуля.

На Фиг. 7 представлено отображение фазовой траектории ω=ƒ(M) динамической системы электродвижительной установки при пуске электродвижительной установки с постоянной максимальной величиной момента нагрузки и при снижении нагрузки до нуля.

Согласно приведенным результатам моделирования видно, что система обладает желаемым статическим и динамическим поведением при этом структура гребной электродвижительной установки простая и понятная и может быть использована при построении любой электродвижительной установки вне зависимости от типа электрической машины или типа электропривода. Следует отметить что, используя предложенный подход не сложно синтезировать систему управления многодвигательным приводом гребной электрической установки с несколькими гребными винтами.

Следует отметить, что структурная схема, изображенная на Фиг. 1 имеет простую структуру, а соответственно она может довольно просто быть реализована как с омощью аппаратных средств, так и программных средств.

Таким образом, предложенная система управления электродвижительной установкой транспортного средства позволяет просто реализовать автоматизированное управление с ограничениями наложенными на величины заданной мощности, максимального значения электромагнитного момента и максимального значения частоты вращения движительного комплекса. При этом система управления электродвижительной установкой реализует семейства механических характеристик в виде гипербол с ограничениями, наложенными на величины максимального значения электромагнитного момента и величину максимального значения скорости вращения исполнительного электродвигателя. Управляющее воздействие может быть задано на ту переменную состояния движительного комплекса, которой необходимо управлять, то есть либо на мощность, либо на скорость вращения, либо на величину электромагнитного момента. Предложенная структура электродвижительной установки транспортного средства может быть использована при проектировании систем управления электроприводов движительного комплекса как постоянного, так и переменного тока.