KOREKTA SYNTEZY KĄTA WEKTORA PRĄDU W UKŁADACH STEROWANIA NAPĘDAMI INDUKCYJNYMI

Transkrypt

1 Zeszyty Poblemowe Maszyny Elektyczne N 90/ Piot Chudzik, Andzej Radecki Politechnika Łódzka, Łódź KOREKTA SYNTEZY KĄTA WEKTORA PRĄDU W UKŁADACH STEROWANIA NAPĘDAMI INDUKCYJNYMI CURRENT VECTOR ANGLE CORRECTION IN INDUCTION DRIVE CONTROL Abstact: Moden induction moto dive systems equies good quality of toque contol. The lack of oto seed and osition measuement ecision esults in a lack of ecise contol of the electomagnetic toque of the moto. In industial dive systems shaft encode esolution sometimes does not exceed 16 ulses e evolution. This causes a low accuacy of measuements at small angula seed, which in classical vecto contol systems lead to a lack of ecise contol of the electomagnetic toque. In this aticle, a simle method to imove toque contol quality due to low encode esolution was shown. It is based on stato cuent angle synthesis decomosition in which a oe infomation about shaft osition is used with estimated shaft angula seed infomation. This solution allow to achieve a oe contol of both electomagnetic toque and oto flux. A simulation and test-stand esults was included to show a efficiency of oosed method. 1. Wstę Wsółczesne układy steowania indukcyjnymi naędami zekształtnikowymi wymagają, do osiągnięcia dobej jakości egulacji, omiau ołoŝenia wału oaz obliczenia jego ędkości kątowej. Bak dostatecznej dokładności w okeśleniu tych zmiennych stanu skutkuje bakiem ecyzyjnej kontoli nad momentem elektomagnetycznym silnika [1]. Ze względu na owszechne wykozystanie dysketnych czujników ołoŝenia wału, dokonanie omiau kąta jego ołoŝenia moŝliwe jest jedynie w chwilach imulsowania. Dokładność takiego omiau jest oganiczona i obciąŝona tym większym błędem im mniejsza jest ędkość kątowa wału oaz im mniejsza jest ozdzielczość imulsatoa. W zemysłowych układach naędowych ozdzielczość imulsatoów niekiedy nie zekacza 16 imulsów na kąt elektyczny maszyny, co w klasycznych układach steowania wektoowego moŝe owadzić do baku ecyzyjnej kontoli momentu elektomagnetycznego. 2. Pośedni układ steowania silnikiem indukcyjnym W tyowym układzie wektoowego steowania ośedniego, kąt ołoŝenia zadanej watości wektoa ądu ealizowany jest w oaciu o oeację całkowania sumy ędkości winika i oślizgu (ys.1) [2]. Podstawową zaletą takiego odejścia jest osta stuktua układu e- gulacji, ozbawiona konieczności estymacji wektoa stumienia skojazonego winika. Rys. 1. Tyowy układ egulacji naędu indukcyjnego z wykozystaniem ośedniego steowania wektoowego Właściwa synteza kąta wektoa ądu stojana waz z ecyzyjnym steowaniem jego składowych jest badzo waŝna z unktu widzenia kontoli momentu elektomagnetycznego oaz stumienia skojazonego winika. Istotnym czynnikiem, ozwalającym na oawne wyznaczenie zadanego ołoŝenia wektoa ądu jest ecyzyjna znajomość ędkości kątowej ω. W sytuacji, gdy ędkość kątowa wału jest obliczana w chwilach dysketnych, ojawia się konieczność estymacji kąta ołoŝenia wału omiędzy chwilami imulsowania w celu osiągnięcia awidłowej kontoli momentu elektomagnetycznego. 3. Estymacja ędkości kątowej wału naędowego Najostszą metodą wyznaczenia ędkości kątowej winika, w chwilach omiędzy kolejnymi omiaami jest jej ekstaolacja. Najo-

2 18 Zeszyty Poblemowe Maszyny Elektyczne N 90/2011 ulaniejsze metody wykozystują ekstaolację zeowego zędu ( t) = ω ( k) dla kt t < ( k 1) T ˆ ω + (1) lub ekstaolację iewszego zędu ˆ ω ( t) = ω ( k) + ( ω ( k) ω ( k 1) ) t kt T dla kt t < ( k + 1) T, (2) któa w zyadku gładkiego zebiegu wejściowego ędkości kątowej winika umoŝliwia lesze zybliŝenie jego ędkości zeczywistej. Badziej skomlikowane metody związane są z wykozystaniem modeli układów naędowych, w oaciu o któe wyznaczana jest estymowana ędkość kątowa wału [3] [4]. Modele te często oate są na ównaniach Kovacza-Racza i wykozystywane do steowania bezczujnikowego. Steowanie to nie zaewnia jednak ecyzyjnej kontoli nad momentem elektomagnetycznym, stąd w licznych alikacjach wymagany jest omia ołoŝenia lub ędkości wału naędowego. 4. Synteza zadanej ędkości kątowej wektoa ądu stojana Poonowana metoda syntezy kąta ądu stojana oiea się na dekomozycji ędkości kątowej ądu stojana na tzy składowe (ys.2). Rys. 2. Dekomozycja kąta wektoa ądu stojana Składową zadanego oślizgu, składową ołoŝenia wału silnika i składową estymowanej ędkości kątowej naędu, któej watość całki zeowana jest zy aktualizacji ołoŝenia wału silnika. W odóŝnieniu od klasycznej metody syntezy kąta wektoa ądu stojana błędy estymacji ędkości kątowej naędu są w ełni komensowane w chwilach aktualizacji infomacji o ołoŝeniu wału silnika. Koekta ta owoduje nieciągłość kąta wektoa ądu stojana, któa skutkuje wystąieniem du- Ŝego zabuzenia w zebiegach egulacji ądów fazowych silnika. Zabuzenie to jest jednak zamiezoną óbą skomensowania błędów w dotychczas ealizowanym ądzie i zywócenia ełnej kontoli nad stumieniem skojazonym winika i momentem elektomagnetycznym silnika. Póba dokonania koekty kąta w sosób badziej łynny, uniemoŝliwiłaby skuteczne skomensowanie błędów w steowaniu zmiennymi stanu silnika. 5. Wyniki badań symulacyjnych W celu weyfikacji oonowanej metody syntezy kąta zadawanego wektoa ądu stojana został stwozony w śodowisku obliczeniowym Matlab-Simulink 2009b model symulacyjny układu naędowego, któy umoŝliwił obsewację wybanych wielkości elektycznych, elektomagnetycznych i mechanicznych. Na zebiegach symulacyjnych zedstawiono wyniki badań oównawczych ocesu egulacji momentu elektomagnetycznego z wykozystaniem watości kąta wektoa ądu stojana obliczanego zgodnie z dwoma ozatywanymi zyadkami (ys.3, ys.4). Linia zeywana eezentuje efekt wykozystania algoytmu syntezy kąta bazujący na całce sumy ędkości kątowej winika z ekstaolatoem zeowego zędu i ulsacji oślizgu. Linia ciągła odowiada syntezie kąta uwzględniającej stosowną koektę. Na ys.3 został zedstawiony zyadek wykozystania enkodea o 64 imulsach zyadających na ełny kąt elektyczny maszyny. Pzy takiej ozdzielczości imulsatoa zabuzenie momentu elektomagnetycznego i stumienia skojazonego winika ozostaje na względnie małym oziomie zy baku koekty kąta i aktycznie nie wystęuje zy uwzględnieniu tej koekty. Zmniejszenie ozdzielczości enkodea do 16 imulsów owoduje istotne ogoszenie jakości ocesu egulacji (ys.4). W chwilach dokonywania koekty kąta wowadzane jest w układzie istotne zabuzenie w ocesie egulacji ądu stojana. Zabuzenie to związane jest z koniecznością zeowadzenia wektoa ądu w nowe ołoŝenie. Waunkiem koniecznym na skuteczne dokonanie koekty kąta jest zatem wykozystanie dobego egulatoa ądu stojana, dla któego zaewniony zostanie właściwy zaas naięcia steującego. PoniewaŜ oisywane zjawiska dotyczą ozuchu układu naędowego lub jego niskiej ędkości kątowej nie wystęuje zagoŝenie baku zaasu naięcia falownika do skutecznej egulacji ądów stojana.

3 Zeszyty Poblemowe Maszyny Elektyczne N 90/ Rys. 3. Pzebiegi symulacyjne steowania momentem elektomagnetycznym z wykozystaniem enkodea ołoŝenia wału o ozdzielczości 64 imulsów na kąt elektyczny z wykozystaniem algoytmu koekty kąta (linia ciągła) i bez koekty kąta ądu stojana (linia zeywana) Θ Is kąt wektoa ądu stojana, ω, ω est zeczywista i estymowana ędkość kątowa winika, e isd, e isq uchyby wektoowego egulatoa ądu, M zel, M el moment elektomagnetyczny, watość zadana i ealizowana, Ψ z, Ψ, moduł stumienia skojazonego winika, watość zadana i ealizowania. Rys. 4. Pzebiegi symulacyjne steowania momentem elektomagnetycznym z wykozystaniem enkodea ołoŝenia wału o ozdzielczości 16 imulsów na kąt elektyczny z wykozystaniem algoytmu koekty kąta (linia ciągła) i bez koekty kąta ądu stojana (linia zeywana) NaleŜy zwócić uwagę, iŝ zabuzenie egulacji momentu elektomagnetycznego i stumienia skojazonego wynika z nieawidłowej syntezy kąta wektoa ądu stojana, odczas gdy egulacja ądu stojana zebiegała w sosób awidłowy. W kaŝdym z zyadków, bak ecyzji wyznaczenia kąta wektoa ądu owodował zabuzenie momentu elektodynamicznego

4 20 Zeszyty Poblemowe Maszyny Elektyczne N 90/2011 o chaakteze zejściowym zanikającym do zea. 6. Wyniki badań ekseymentalnych Algoytm steowania silnikiem indukcyjnym z oonowaną metodą syntezy kąta wektoa stojana został zaimlementowany w steowniku mikoocesoowym z mikokontoleem sygnałowym TMS320F2812 i wykozystany do steowania falownikowego układu naędowego z silnikiem indukcyjnym Sg132-S4 fimy BOBRME Komel o mocy nominalnej 5kW (ys.5). Ze względu na odbiegający od sinusoidalnego kształt ądu stojana ealizowanego w takcie dokonywania koekty jego kąta syntezy, oonowana metoda owinna być oganiczona do klasy zekształtnikowych układów naędowych umoŝliwiających ealizację takich ądów. W szczególności dotyczy to częstotliwości acy kluczy enegoelektonicznych w układach zekształtnikowych, któa nie owinna być niŝsza od kilku kiloheców. a) b) Rys. 5. Stanowisko laboatoyjne z falownikowym układ naędowym wykozystane do badań ekseymentalnych Wyniki badań laboatoyjnych zedstawione na ys.6 zostały uzyskane w ekseymencie laboatoyjnym, w któym wykozystano enkode ołoŝenia wału o 8 imulsach na kąt elektyczny maszyny indukcyjnej. Pomimo tak małej ozdzielczości enkodea została uzyskana wysoka jakość egulacji momentu elektomagnetycznego (ys.6b) w odniesieniu do klasycznego układu steowania nie uwzględniającego koekty kąta ądu stojana. NaleŜy zaznaczyć, Ŝe wowadzenie znaczącej i szybkiej koekty na ądach fazowych stojana wymaga istotnego zaasu naięcia steującego. PoniewaŜ jednak koekta ta dokonywana jest szczególnie intensywnie zy ozuchu silnika i niskich ędkościach kątowych wału, siła elektomotoyczna maszyny nie oganicza zdolności egulacyjnych układu. Rys. 6. Pzebiegi zejściowe w układzie steowania zeczywistym falownikowym układem naędowym z wykozystaniem enkodea oło- Ŝenia wału o ozdzielczości 8 imulsów na kąt elektyczny a) bez zastosowanej koekty syntezy kąta ądu stojana, b) z uwzględnieniem koekty syntezy kąta ądu stojana 7. Podsumowanie Pzedstawiona metoda koekty syntezy kąta ądu bazująca na dekomozycji zadanego ołoŝenia wektoa ądu stojana na składową

5 Zeszyty Poblemowe Maszyny Elektyczne N 90/ całki oślizgu, składową całki ekstaolowanej ędkości kątowej wału oaz wykozystująca koygującą infomacje o ołoŝeniu wału naędowego jest ostym i skutecznym sosobem na oawę jakości egulacji momentu elektomagnetycznego w układach wykozystujących enkodey ołoŝenia wału o małej ozdzielczości. Poawa ta dotyczy w głównej mieze ozuchu silnika oaz jego acy zy niskiej ędkości kątowej. Skuteczność zaezentowanej metody została otwiedzona zaówno wynikami badań symulacyjnych, jak i wynikami aktycznymi, zaejestowanymi w takcie badań ekseymentalnych. 8. Liteatua [1]. Bock S., Desku J.: Poblem omiau i egulacji ędkości w układzie z niedokładnym zetwonikiem omiaowym ołoŝenia, Kajowa Konfeencja Naukowa Steowanie w Enegoelektonice i Naędzie Elektycznym, SENE 2007, Łódź, [2]. Dębowski A.: Pośednie steowanie w naędzie elektycznym zy wykozystaniu stymulatoa stanu. Rozawy Naukowe z.111, Zeszyty Naukowe N 552, Politechnika Łódzka, [3]. Hoi Y.: Robust and adative contol of a sevomoto using low ecision shaft encode, Poceedings of the IECON '93, vol.1, Nov [4]. Taeg-Joon Kweon, Dong-Seok Hyun: Highefomance seed contol of electic machine using low-ecision shaft encode, IEEE Tansactions on Powe Electonics, vol.14, no.5, , vol.14, Se Autozy d inŝ. Andzej Radecki Styendysta ojektu Innowacyjna dydaktyka bez oganiczeń - zintegowany ozwój Politechniki Łódzkiej zaządzanie uczelnią, nowoczesna ofeta edukacyjna i wzmacnianie zdolności do zatudniania, takŝe osób nieełnosawnych wsółfinansowanego zez Unię Euoejską w amach Euoejskiego Funduszu Sołecznego. Politechnika Łódzka, Instytut Automatyki, ul. Stefanowskiego 18/22, Łódź, andzej.adecki@.lodz.l d inŝ. Piot Chudzik, Politechnika Łódzka, Instytut Automatyki, ul. Stefanowskiego 18/22, Łódź, iot.chudzik@.lodz.l