Статья начинает цикл материалов по разработке электроприводов, подходов и технических нюансов, которые используются при их проектировании. Охватим большую часть силовой электроники для электропривода, промышленные сети (PROFINET, EtherCAT, CC-Link, EtherNet/IP (CIP) и др.), энкодеры (абсолютные: Hiperface DSL, SSI, BISS и др., а также инкрементные). Датчиковое и бездатчиковое векторное ориентированное управление  (sensored/sensorless FOC - EKF/MRAS/SMO/HFI), рассмотрим электродвигатели PMSM (СДПМ), ACIM (асинхронный ЭД), BLDC (бесколлекторный двигатель постоянного тока) и другие их виды. 

Вступление

Лучший способ объяснить – это самому сделать..

«Алиса в Стране чудес» Льюис Кэрролл

Коллеги приветствую, надеюсь статья, найдет единомышленников и сообщество разработчиков электроприводов и силовой электроники стран СНГ будет расти в нашем телеграмм канале.

Настоящая статья родилась на стыке трех ключевых факторов: длительного опыта в разработке систем управления электродвигателями, активного взаимодействия с иностранными заказчиками в сфере разработки силовой электроники и электроприводов на заказ, а также искреннего желания сделать эти сложные технологии более открытыми и доступными для широкого круга инженеров.  

Она открыла дверцу и увидела за ней нору, совсем узкую, не шире крысиной.

Глава 1. Вниз по кроличьей норе

1.Терминологическая часть электропривода

Начну статью “разработка электропривода” именно с терминологической части, а именно с лингвистико-инженерного абсурда, который существует между иностранной (США, Япония, страны ЕС) и русской технической терминологией, а также находит это место в технической литературе и в стандартах. Сравнительный анализ будет сделан исключительно технический, опираясь на основные электронные устройства, которые разрабатываются для управления электродвигателями топовыми компаниями в мире (Siemens, Rockwell Automation, ABB, Danfoss, Yaskawa, Mitsubishi, Omron, FANUC, Bosch, Schneider, Kollmorgen, Honeywell) и термины которые используют эти компании. В сравнении будет использоваться стандарт safety (безопасности) в которых участвует электродвигатель (промышленность IEC 61800-5-2 - electrical power drive systems и его перевод ГОСТ Р МЭК 61800-5-2 - системы силовых электроприводов с регулируемой скоростью). 

Россия и страны СНГ

В русскоязычной технической литературе «электропривод» — это вся система управления движением: источник питания → преобразователь → электродвигатель → механическая часть → система управления. 

Определение термина электропривод, есть в стандарте ГОСТ Р 50369-92. Электропривод определён как электромеханическая система, состоящая из преобразователей электроэнергии, электромеханических и механических преобразователей, управляющих и информационных устройств и устройств сопряжения с внешними электрическими, механическими, управляющими и информационными системами, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением в целях осуществления технологического процесса.

Чаще всего в русской технической литературе выделяют следующие термины таблица 1.1.

Таблица 1.1 Технические термины принятые в СНГ.

Таким образом, в России и СНГ термин привод/электропривод означает электромеханическую систему целиком, а не только электронику.

США

В американской технической литературе выделяют следующие термины таблица 1.2, в таблице 1.3 приводится сопоставление производителей силовой электроники для управления электродвигателями с терминологией которую использует производитель для продукта.

Таблица 1.2. Технические термины принятые в США

Таблица 1.3. Одни из ведущих производителей электроники для управления ЭД в США.

В американской технической литературе терминология иная: Drive (привод/электропривод)  — это электроника, а не вся система целиком как в технической литературе СНГ. Для обозначения всей системы используется термин Drive System (Система электропривода) или Motion System (Cистема движения), то есть совокупность узлов ЭД+Привод+Датчик создает систему.

Европейский союз (ЕС)

Техническая терминология в литературе и у компаний, которые занимаются разработкой электроники для ЭД, схожая таблице 1.2, в таблице 1.4 приводится сопоставление производителей силовой электроники для управления электродвигателями с терминологией которую использует отраслевые лидеры для продукта.

Таблица 1.4. Одни из ведущих производителей электроники для управления ЭД в ЕС. 

Важная особенность системы электропривода, что на самом деле, силовая часть может быть сама по себе. Например, отдельно модули half-bridge, которые объединяются и формируют узел инвертора, или наоборот half-bridge объединяются, чтобы сформировать AC/DC блок (PFC, ККМ - корректор коэффициента мощности, активный фильтр - active rectifier), отдельно часть управления (motor control board), отдельно электродвигатель и отдельно энкодер (датчик угла поворота). Термин применяемый конвертер (converter) чаще в терминологии продукта VFD, показывает пути прохождения напряжения, AC/DC - узел, +DC-DC-узел иногда в промежутках, DC-AC узел, если свести топологии получается конвертер AC/AC.

Япония

В японской технической литературе выделяют следующие термины таблица 1.2, в таблице 1.5 приводится сопоставление производителей силовой электроники для управления электродвигателями с терминологией которую использует производитель для продукта. Терминология компаний которые занимаются разработкой электроники для ЭД, похожа на терминологию США и ЕС.

Таблица 1.5. Устройства и принятые термины компаниями разрабатывающую силовую электронику для электродвигателей в Японии.

Использование термина “инвертор” подчёркивает, что производитель делает акцент на блоке DC/AC-преобразования. Наличие клемм постоянного тока на приводе также не случайно — при работе с большими мощностями обычно применяется внешний корректор коэффициента мощности (ККМ / PFC), который формирует и подает на привод стабильное постоянное напряжение.

Стандарт IEC 61800-5-2

Стандарт IEC 61800-5-2 дает нам основной термин PDS - Power Drive System (Система Силового Привода). Которая состоит из control section (узел управления), power section (силовой узел), sensors (датчиков) и motor (электродвигатель), больше в Систему электропривода ничего не входит. Сравнение с описанием стандарта ГОСТ Р 50369-92 показывает, насколько давно стандарт не обновляли и не приводили в соответствии. Основополагающее слово - это  слово Система, когда речь про ЭД+Датчик+Силовая электроника. Переведенный стандарт ГОСТ Р МЭК 61800-5-2 использует термин системы силовых электроприводов с регулируемой скоростью (СЭРС).

Вероятно для своего времени термины и определения которые были приняты в технической литературе в странах СНГ (бывшего СССР) про электроприводы имели место, но когда ты догоняющий, ты подстраиваешься под остальной мир, термины должны соответствовать действительности и текущему времени, также иметь корректный перевод рисунок 1.2-рисунок 1.3.

Тут как с фильмом “1+1” в переводном варианте,  либо оригинал The Intouchables - Неприкасаемые. Почему при переводе стандарта убрали слово Система? Почему basic drive module - перевели преобразователем, а complete drive module - комплектный преобразователь? Почему convert section переводят, как силовой блок преобразователя, а затем drive снова переводят как преобразователь? Почему в одном переводе Системы силовых Электроприводов с регулируемой скоростью ГОСТ Р МЭК 61800-5-2, в другом переводе Электропривод ГОСТ IEC 61800-2, пропало слово Система? Остаются только вопросы. Поделитесь вашими мыслями в комментариях.

Поэтому далее по тексту электропривод/привод (motor drive/drive) - это электроника необходимая для приведения электродвигателя в движение, а не вся система целиком. Электродвигатель (motor) - это электрическая машина, в которой электрическая энергия, посредством магнитного поля, преобразуется в механическую ACIM, PMSM, BLDC, SRM, SynRM и т.д. Система электропривода/система привода (drive system/motor drive system/PDS) - это силовая электроника + электроника управления + ЭД + датчик угла, см. IEC 61800-5-2/IEC 61800-2 международные стандарты в оригинале.

2.Текущее состояние рынка СНГ и путь становления компаний

Первый шаг. White-label решение

Несколько слов про производителей электроприводов в СНГ. К сожалению выделить лидера сложно, не буду прибегать к черному или белому пиару и точечно переходить на конкретных производителей, чтобы показать их ошибки или наоборот показать, вот - эти молодцы. Но когда заходишь на сайт отечественного производителя, или смотришь технический сайт и видишь, что производитель электропривода (например ПЧ) изображает (рисунок 2.1) синус (SPWM - Sinusoidal Pulse Width Modulation - синусоидальная широтно-импульсная модуляция) в ШИМ по напряжению выхода у ПЧ, который затем подается на электродвигатель, то понимаешь электропривод не разработан этой компанией (прм. от SPWM начали отказываться в 1980/1990-х, появление массово SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation) 2000-e, появление в приводах DPWM (Discontinuous Pulse Width Modulation) - 2010-e, более подробно читай раздел 3). 

Вероятно решение куплено, как white-label решение, по простому, когда клеится этикетка на разработанный сторонней компанией продукт. И таких продуктов с “этикетками” много у нас в СНГ (производители ПЧ, сплит системы, промышленные HVAC системы и много других примеров, где электроника произведена по заказу, но не разработана на заказ, или разработана самостоятельно). White-label - хороший шаг для быстрого роста компании, хорошо для бизнеса. Преимущества для заказчика (бренд-владельца) - быстрый запуск под своим именем без затрат на разработку. Контроль над брендом и клиентской базой. Для разработчика (white-label провайдера) - это масштабирование продаж без маркетинга на конечного клиента. Фокус на технологии, а не на продвижении. Для технологического суверенитета компании - это пропасть, когда компания не покупает технологию (исходные коды, алгоритмы FOC), а просто клеит наклейку, либо только меняет дизайн корпуса. Наклеить наклейку ≠ владеть технологией продукта. Бизнесовый подход, особенно с уходом западных брендов, один из самых популярных путей развития бизнеса в СНГ в индустрии.

 Второй шаг. Свое HW (железо) + библиотека от чип вендора.

Второй вариант (шаг) разработки электропривода в СНГ и не только (США, ЕС). Например вы молодая компания, и вам нужно заместить конкретный электропривод например Siemens для линии производства (у вас массовое производство конвейеров или станков), то чаще всего подход к разработке следующий. Компании заказывают разработку электроники у контрактора (контрактор - компания оказывающая услуги контрактной разработки силовой электроники), контрактор разрабатывает электронику и берет готовую библиотеку от чип вендора уже с реализованными алгоритмами для HFI/EKF/MRAS/SMO наблюдателей для бездатчикового векторного ориентированного управления (sensorless FOC). В таком подходе вы приобретаете КД на само устройство, исходные коды вам контрактор тоже передает, по сути Заказчик владеет IP (intellectual property) на электропривод, но с большим НО. Все библиотеки для sensorless FOC электроприводов закрытые, вам это интеллектуальная собственность не доступна, вы не посмотрите как реализован FOC, не сможете его перенести на российский микроконтроллер, и чаще всего библиотека будет оптимизирована под конкретный микроконтроллер. Так, чип вендора, заманивают контракторов к себе, предоставляя закрытые технологии и возможность продвигать свои услуги быстрее.

Третий шаг.  Свое HW (железо) + своя библиотека для управления ЭД.

В этом варианте кроме наличия КД (конструкторская документация) на разработанный электропривод, у производителя появляется собственная библиотека для управления электродвигателями, со своими HFI/EKF/MRAS/SMO для PMSM и ACIM (прм. реализация HFI/EKF/MRAS/SMO для PMSM и ACIM разная, т.к. модели разные, не старайтесь использовать например sensorless FOC SMO для PMSM и затем без переделки использовать для sensorless FOC SMO для ACIM, разные модели, разная математика. Например, чип вендоры указывают это открыто, для PMSM это поддерживаем, а для ACIM нет, поэтому у некоторых чип вендоров нет реализаций для ACIM), в таком варианте, наличие библиотеки для управления ЭД, достигается технологический суверенитет для компании. 

HFI — High-Frequency Injection. Высокочастотная инжекция (впрыск) сигнала. Метод основан на подаче в обмотки статора высокочастотного тестового сигнала и анализе его отклика. Поскольку магнитные свойства двигателя зависят от положения ротора, этот отклик несёт информацию о его угле. Пример PMSM на низких скоростях и при нулевой частоте вращения, где другие методы не работают. Плюсы HFI работает при 0 об/мин, высокая точность. Минусы HFI шум, дополнительные потери, усложнение алгоритма.

EKF — Extended Kalman Filter. Расширенный фильтр Калмана, его суть адаптивный математический наблюдатель, использующий модель двигателя и данные измерений (токов и напряжений), чтобы оценивать нелинейные состояния — поток, скорость, угол ротора. Работает как фильтр с прогнозом и коррекцией. Находит применение в ACIM, PMSM, BLDC — универсален. Имеет высокую устойчивость к шуму, точная оценка параметров. Минусы EKF требует вычислительных ресурсов и точной модели.

MRAS — Model Reference Adaptive System. Адаптивная система с эталонной моделью. Есть две модели двигателя: эталонная (не зависит от угла или скорости), адаптивная (содержит оцениваемый параметр, например, скорость). Алгоритм подстраивает параметр адаптивной модели так, чтобы выходы обоих совпали — из этого вычисляется скорость или поток. Применение: в основном в sensorless FOC для ACIM и PMSM. Плюсы - это простота реализации, не требует матричных фильтров Минусы - это неустойчив при низких скоростях.

SMO — Sliding Mode Observer. Наблюдатель на скользящих режимах Использует принципы скользящего управления (sliding mode control) — формируется дисконтинуальная функция для оценки потока и ЭДС, устойчиво к возмущениям. Из оцененной ЭДС вычисляется угол ротора. Применяется в PMSM, BLDC, есть модификация для ACIM. Плюсы SMO высокая устойчивость, простая структура. Минусы - это «чириканье» (chattering), требует фильтрации.

Про sensorless FOC более детально будет рассказано в будущем. 

Четвертый шаг. Своя команда R&D.

Наличие полноценной команды R&D (Research and Development — Исследования и Разработка). Ключевым фактором является не просто наличие команды разработчиков, а именно наличие исследовательского направления внутри R&D. Например, Infineon, мировой лидер в области силовых компонентов, активно сотрудничает с ETH Zürich — одним из ведущих исследовательских центров в сфере силовой электроники. Этот союз позволяет Infineon использовать академические наработки ETH при создании новых продуктов (о деятельности ETH я еще неоднократно буду упоминать). Компании уровня Siemens, Yaskawa, Bosch Rexroth имеют собственные команды исследователей, полностью сосредоточенных на научных и алгоритмических задачах. Как подрядчик могу отметить, что такие компании никогда не выносят ключевую экспертизу — особенно в области алгоритмов управления электроприводами — на аутсорс. Этот факт подтверждается как в ходе прямых переговоров, так и по обмену опытом с коллегами из других сервисных компаний.  

3.SVPWM, DPWM

SPWM

Давайте поговорим почему синус (sine wave) ШИМ/SPWM (рисунок 2.1) не используют в производстве электроприводов уже давно, а используется SVPWM, DPWM. На примере 3-х фазного переменного входного напряжения в ~380 В. 

При питании от сети 380 В (линейное напряжение): V_DC = √2 ⋅ 380 ≈ 537 В. Это напряжение на шине постоянного тока после выпрямителя (AC-DC). Задача инвертора (узла привода) — из этого напряжения синтезировать переменные фазы Va, Vb, Vc.  ~537 В напряжение поступает на инвертор (DC/AC), который формирует трехфазное выходное напряжение с ШИМ. 

Ограничение SPWM по амплитуде:

V линейное напряжение (между фазами)​ = √3​ ⋅ M​ ⋅ V_DC / (2 ⋅ √2)​​, где M = 1. 

M — это индекс модуляции (modulation index), безразмерная величина, показывающая, насколько "глубоко" модулируется несущая волна сигналом синусоиды. Физический смысл, когда ? < 1 — инвертор работает в линейной области модуляции. Частоты и формы напряжений точно повторяют управляющую синусоиду. Когда ? = 1 — достигается максимальная амплитуда линейного режима, больше уже нельзя без искажений. Когда ? > 1 — начинается перемодуляция (overmodulation), форма сигнала искажается, но можно увеличить амплитуду.

В итоге V действующее (RMS) ​= (√3 /2) ⋅ V_DC / √2 ​ ≈ 329 В (линейное RMS)

Иными словами, при питании от сети 380 В инвертор с синусоидальной ШИМ не способен выдать полное номинальное линейное напряжение двигателя — напряжение на обмотках оказывается ниже примерно на 15,5%, что приводит к снижению развиваемого момента и общей эффективности привода. Ранние поколения частотных преобразователей (VFD) и сервоусилителей использовали синусоидальный ШИМ (SPWM), потому что он был прост в реализации: генерировалась синусоидальная опорная волна, сравнивалась с треугольной несущей, и в результате получался широтно-модулированный сигнал с синусоидальным спектром (комментарий - раньше вычислительные возможности были слабые для embedded решений, другое дело сейчас, наличие SoC AMD (Zynq) 7000 или MCU STM32N6 (no MMU) кристал выдает 800MHz, где есть вычислительные мощности для перемодуляции, sensorless FOC HFI/EKF/гибридные системы/ANN/RL, servo drive control, и других математически емких задач). 

Переход от синусоидального ШИМ (SPWM) к векторным методам ШИМ (SVPWM, DPWM) стал ключевым шагом в эволюции силовой электроники и электроприводов.

SVPWM

Чтобы преодолеть ограничение SPWM и улучшить характеристики электродвигателя по скорости и крутящему моменту, мы будем использовать SVPWM, которая позволяет полностью использовать напряжение шины DC за счёт непрерывного сдвига напряжения трехфазной системы вверх и вниз. Это смещение называется инжекцией третьей гармоники и позволяет изменять амплитуду первой гармоники фазы на 15,5%, что позволяет перейти в область более высоких скоростей или обеспечить более высокий крутящий момент по сравнению с синусоидальной ШИМ-модуляцией (рисунок 3.1 - 3.2).

Современная теория электропривода хорошо показана на рисунке 3.3, именно SVPWM/DPWM преодолевают ограничения SPWM, при питании от сети 380 В привод с SVPWM способен выдать полное номинальное линейное напряжение двигателя. Для визуального изучения SVPWM/DPWM рекомендую материал от Microchip ZSM Viewer (доступно под VPN).

DPWM

DPWM (Discontinuous Pulse Width Modulation - прерывистая (дискретная) широтно-импульсная модуляция) — вид широтно-импульсной модуляции, при котором одна из трёх фаз инвертора привода на часть периода “залипает” (не переключается). То есть в каждый сектор работы привода одна фаза не переключается, что снижает частоту коммутаций и потери (рисунки 3.4 - 3.9).

DPWM — это энергетически оптимизированный SVPWM, в котором одна фаза «залипает» на часть периода, снижая частоту коммутации и потери. Если говорить про THD (Total harmonic distortion - коэффициент нелинейных искажений) обычно SVPWM даёт ниже THD (лучшее приближение к синусоиде) чем типичный DPWM; но детали зависят от варианта DPWM: некоторые варианты (оптимизированные DPWM) могут иметь сопоставимый THD. Если говорить про КПД DPWM обычно эффективнее за счёт снижения переключательных потерь, но выигрыш в КПД реальный, но умеренный — зависит от мощности, частоты переключения и типа ключей.

Заключение

В следующий раз поговорим про электронную часть привода — ту самую область, где соединяются силовая электроника, точные измерения и интеллектуальное управление приводом. Разберем, из чего состоит современный привод: силовая плата, обеспечивающая преобразование энергии; плата управления, где живёт логика и алгоритмы для управления электродвигателем и т.д. Отдельно коснемся выбора чипов от ведущих вендоров, готовых библиотек управления ЭД и инструментов, которые ускоряют разработку и повышают надежность. Погрузимся в архитектуру, подходы к проектированию и реальные инженерные решения, на которых строятся современные приводы.