Разработка ученых Пермского Политеха позволит легче управлять двигателями насосов, станков, генераторов

Двигатели бывают синхронными и асинхронными. Оба вида имеют статор и ротор – статичную и подвижную часть соответственно. При включении оборудования обмотка статора создает магнитное поле, которое вращается и приводит в движение ротор – так механическая энергия преобразуется в электрическую. В асинхронном двигателе ротор вращается немного медленнее, чем магнитное поле статора, в синхронном же их быстрота одинакова. Благодаря этому последний вид двигателей считается более точным и применяется там, где нужна постоянная скорость – станки, роботы, манипуляторы, генераторы.

Для управления синхронными механизмами традиционные системы полагаются на специальные датчики положения и скорости ротора. Несмотря на свою эффективность, они усложняют систему и могут быть подвержены поломкам, особенно в жестких условиях эксплуатации – при воздействии высоких или низких температур (как в двигателе внутреннего сгорания автомобилей), вибраций и ударов (в экскаваторах, бульдозерах, кранах и другой строительной технике).

Бездатчиковый подход значительно упрощает конструкцию и снижает стоимость оборудования. Однако здесь возникает другая проблема: в таких системах сложно точно определить положение ротора на низких скоростях и на самом старте двигателя. Если система управления некорректно оценивает эти параметры и «думает», что двигатель вращается с одной скоростью, а на самом деле – с другой, то она будет подавать неправильные управляющие сигналы. Могут возникнуть и проблемы со стартом: двигатель может запуститься в неправильном направлении, с рывками, вибрациями, или не запуститься вообще.

Ученые Пермского Политеха разработали новый метод управления синхронными двигателями с постоянными магнитами без использования традиционных датчиков. Его преимущество в том, что он обеспечивает уверенный запуск оборудования, способен управлять двигателем в широком диапазоне скоростей и нагрузок, при этом требуя меньше вычислительных ресурсов. Это не только снижает затраты, но и повышает надежность системы.

Подход политехников позволяет оценивать положение ротора двигателя не используя датчики, а непосредственно по его токам и напряжениям. Сначала эти параметры считывает система управления двигателя. Затем они обрабатываются адаптивным наблюдателем состояния, который оценивает положение ротора. Если полученные данные не совпадают с теми, которые он предсказал, наблюдатель автоматически корректирует свою работу. Эта информация используется для точного управления токами в двигателе даже при изменении нагрузки.

– Одной из ключевых проблем в бездатчиковом управлении является оценка положения ротора на низких скоростях, где традиционные методы часто не работают. Мы решили эту проблему, разработав специальный алгоритм управления. Сначала магниты ставятся в начальное положение (0^о наклона) и двигатель начинает постепенно разгоняться, поддерживая заданный ток – это похоже на плавное нажатие педали газа в машине. Когда скорость достигает нужного уровня, система переключается с начальных настроек на управление с обратной связью, когда система «следит» за своей работой и автоматически подстраивается, чтобы двигатель работал правильно. Это позволяет делать разгон двигателя с нулевой скорости, при этом требуя меньшего количества процессорного времени на реализацию, – рассказывает Евгений Солодкий, доцент кафедры микропроцессорных средств автоматизации, кандидат технических наук.

Для проверки достоверности вычислений систему протестировали с помощью математического моделирования.

– Численный эксперимент продемонстрировал способность модели надежно запускать двигатель и поддерживать точное управление скоростью даже при значительных колебаниях нагрузки. Результаты показали, что статическая ошибка при оценке скорости вращения составляет менее 1%, что означает устойчивость модели к изменениям параметров двигателя, – поясняет Данил Савенко, студент кафедры микропроцессорных средств автоматизации.

Метод бездатчикового управления, разработанный учеными Пермского Политеха, обеспечивает не только возможность запуска синхронного двигателя с постоянными магнитами без использования специальной техники, но и высокое качество управления скоростью при относительно простой реализации. Он также снижает стоимость и сложность систем.