СИНТЕЗ РЕГУЛЯТОРОВ И МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ БЕСКОНТАКТНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА

DOI: 10.47026/1810-1909-2025-2-43-61

УДК 681.5.017

ББК 31.261.5

А.И. ЕКАНТЬЕВ, Г.В. МАЛИНИН

Ключевые слова

бесконтактный двигатель постоянного тока, система векторного управления, математическая модель, Simulink модель, структура подчиненного регулирования, синтез регуляторов.

Аннотация

В работе рассматривается система векторного управления угловой скоростью бесконтактного двигателя постоянного тока, его математическая модель и программная реализация. В качестве основного преимущества такой системы можно выделить ограничение токов, проходящих через фазы статора бесконтактного двигателя постоянного тока, что, в свою очередь, приводит к меньшему нагреву двигателя, уменьшая риски возникновения дефектов из-за температурного воздействия. В рассматриваемой системе также возможно реализовать более точное и плавное регулирование угловой скорости вращения ротора, чем при управлении коммутацией по датчику углового положения ротора. Но для обеспечения качественного управления требуется оптимальный подбор параметров регуляторов внешнего и внутренних контуров системы.

Цель исследования – определение параметров регуляторов внутренних и внешних контуров системы векторного управления бесконтактным двигателем постоянного тока.

Материалы и методы. В работе используется математическая модель бесконтактного двигателя постоянного тока, производится расчет параметров регуляторов для внутренних контуров при векторном управлении. Программное моделирование системы осуществляется в среде MATLAB Simulink, на основе программной модели осуществляется поиск параметров регулятора внешнего контура управления.

Результаты. Рассчитаны обеспечивающие отсутствие перерегулирования значения параметров регуляторов внутренних контуров управления, разработана программная модель системы векторного управления бесконтактного двигателя постоянного тока, на основе которой выявлены параметры регулятора контура угловой скорости. Моделирование трехфазного мостового инвертора осуществляется с применением электротехнических блоков Simulink с добавлением фильтра для имитации реальной динамической вольтамперной характеристики транзистора, а моделирование остальных блоков системы осуществляется по их структурным схемам, алгебраическим, дифференциальным и логическим уравнениям. Для оценки качества регулирования построены графики переходных процессов регулируемых параметров.

Выводы. Система векторного управления обеспечивает возможность регулирования токов фаз и угловой скорости выходного вала бесконтактного двигателя постоянного тока. Математическая модель ее электрической части реализуется на основе электрической, функциональной и структурной схем, а переход из электрической части в механическую – за счет уравнения баланса мощностей. Расчет прямой передачи контуров управления системы осуществляется в соответствии с принципом суперпозиции, параметры регуляторов определяются при помощи представления передаточных функций контуров в стандартной форме. Отсутствие перерегулирования обеспечивается приравниванием коэффициента демпфирования к единичному значению. Наличие ошибок и временных задержек датчиков обратной связи и вычислителя, квантованность измеренного значения угловой скорости и влияние трехфазного мостового инвертора приводят к ограничению минимального значения заданной угловой скорости и увеличению времени переходного процесса.

Литература

1. Автоматизированный электропривод промышленных установок / Г.Б. Онищенко, М.И. Аксенов, В.П. Грехов и др. М.: Изд-во РАСХН, 2001. 435 с.
2. Анучин А.С. Системы управления электроприводов. М.: Изд-во МЭИ, 2015. 373 с.
3. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока. Иваново: Иван. гос. энерг. ун-т имени В.И. Ленина, 2008. 297 с.
4. Гаврилов Р.С., Мустафаев Ю.Н. Управление синхронными машинами с постоянными магнитами. СПб.: Балт. гос. тех. ун-т «Военмех» имени Д.Ф. Устинова, 2019. 78 с.
5. Ильинский Н.Ф. Основы электропривода. М.: Изд-во МЭИ, 2003. 173 с.
6. Калачёв Ю.Н., Самохвалов Д.В. Основы регулируемого электропривода. М.: ДМК-Пресс, 2023. 254 с.
7. Охоткин Г.П. Разработка методики прямого метода синтеза регулируемого электропривода постоянного тока // Вестник Чувашского университета. 2023. № 2. С. 128–137.
8. Преобразователи информации в системах управления / В.И. Бойков, С.В. Быстров, С.М. Власов и др. СПб.: Ун-т ИТМО, 2020. Ч. 1. 65 с.
9. Самосейко В.Ф. Теоретические основы управления электроприводом. СПб.: Элмор, 2007. 464 с.
10. Lajic R., Matic P. Digital position control system with a BLDC motor using field oriented control. In: 22^nd International Symposium INFOTEH–JAHORINA, 2023, pp. 1–6.
11. Li X. Model–Based Design of Brushless DC Motor Control and Motion Control Modelling for RoboCup SSL Robots. Vaasan ammattikorkeakoulu. Inc., 2015, 113 p.
12. Lorincz R.I., Basch M.E., Bogdanov I. et al. Hardware implementation of BLDC motor and control system diagnosis. International Journal of Circuits, Systems and Signal Processing, 2011, vol. 5, pp. 660–671.
13. Mahmud M., Motakabber S.A., Zahirul Alam H.M. et al. Control BLDC motor speed using PID controller. International Journal of Advanced Computer Science and Applications, 2020, vol. 11(3), pp. 477–481.
14. Mohanraj D., Aruldavid R., Verma R. et al. A review of BLDC motor: state of art, advanced control techniques, and applications. IEEE Access, 2022, vol. 10(7), pp. 54833–54869.
15. Moses S. Control Strategies for Brushless DC motors. Department of Instrumentation and Control Engineering, Faculty of Mechanical Engineering – Czech Technical University in Prague Inc., 2019, 94 p.
16. Sujanarko B. BLDC Motor Control for Electric Vehicle Based On Digital Circuit and Proportional–Integral Controller. International Journal of Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering, 2014, vol. 3(9), pp. 11674–
17. Sustek P. BLDC Motor Control with Hall Sensors Driven by DSC. Systems Application Engineer, Microcontroller Solutions Group Inc., 2011, 28 p.

Сведения об авторах

Екантьев Андрей Игоревич – аспирант кафедры промышленной электроники, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (andrey‑yekantyev@yandex.ru; ORCID: https://orcid.org/0009-0004-8947-6319).

Малинин Григорий Вячеславович – кандидат технических наук, заведующий кафедрой промышленной электроники, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (malgrig6@mail.ru; ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3993-0435).

Формат цитирования

Екантьев А.И., Малинин Г.В. Синтез регуляторов и моделирование системы векторного управления бесконтактным двигателем постоянного тока // Вестник Чувашского университета. 2025. № 2. С. 43–61. DOI: 10.47026/1810-1909-2025-2-43-61.

Загрузить полный текст статьи