wirnika (w skrócie CPW). Jako czujniki położenia wirnika najczęściej stosuje się czujniki hallotronowe.[1]

Transkrypt

1 Zeszyy Probleowe aszyy Elekrycze Nr 7/5 149 Jausz Heańczyk, Krzyszof Krykowski Poliechika Śląska, Gliwice BADANIA SYULACYJNE I LABORAORYJNE SILNIKA P BLDC WYKORZYSUJĄCEGO CZUJNIK POŁOŻENIA WIRNIKA W OBWODZIE REGULACJI PRĘDKOŚCI SIULAION AND LABORAORY ESS OF A P BLDC OOR WIH ROOR POSIION SENSOR IN VELOCIY CONROL CIRCUI Absrac: I he paper he corol syse for perae age brushless DC oor is cosidered. he siulaio research resuls as well as he resuls of he experie resul carried ou usig he corol syse are preseed. here were he followig codiios of he experie: speed easuree was perfored wih he posiio sesor, he frequecy of posiio sesor sigals were proporioal o oor velociy. Due o he easuree delay ie variabiliy ad depedece o he roaioal speed of he oor, adapaio regulaor was used as a par of he corol syse. he algorih of he adapaio regulaor seig paraeers selecio is referred i [3].As a resuls of siulaio ad experie es, he auhors show wavefors of speed ad orque of P BLDC oor. he laboraory es was perfored o laboraory sad for evaluaio of drives wih P BLDC oor properies. he laboraory sad was desiged for rapid prooypig of BLDC oor corol syses. he DS 114 coroller board was used as he ai coroller of BLDC oor. 1. Wprowadzeie Układy apędowe z silikai P BLDC saowią dużą grupę urządzeń ałej i średiej ocy. Charakerysyki echaicze silików z agesai rwałyi są akie sae jak charakerysyki echaicze silików obcowzbudych kouaorowych prądu sałego. Rówocześie siliki bezszczokowe posiadają szereg zale z kórych ajważiejsze o: prossza kosrukcja i brak kouaora; wyższa sprawość spowodowaa iższyi sraai (od 15 do 5%); dobre właściwości dyaicze, częso ie wykorzysywae. Niekorzysą ich cechą jes wyższa cea w porówaiu do iych silików w y zakresie ocy. Silik bezszczokowy prądu sałego jes zasilay ze źródła apięcia sałego (ajczęściej akuulaor) poprzez kouaor elekroiczy pełiącego rolę falowika. Przekszałcaie o odbywa się cyklicze poprzez przełączaie zacisków odbiorika do różych bieguów źródła apięcia sałego. Poieważ w siliku bezszczokowy uzwojeie jes ieruchoe a wiruje ageśica wywarzająca pole ageycze, dlaego do układu serowaia silika usi być dosarczoa iforacja o położeiu wirika względe uzwojeia worika. Do ideyfikacji położeia wirika wykorzysuję się zesaw rzech czujików dyskreych azywaych w dalszych rozważaiach czujikai położeia wirika (w skrócie CPW). Jako czujiki położeia wirika ajczęściej sosuje się czujiki halloroowe.[1] R w U DC Układ logiczy wypracowywujący fukcję załączaia razysorów CPW L 1 L L 3 Rys.1. Schea układu zasilaia bezszczokowego silika prądu sałego Częsoliwości sygału wyjściowego z czujika Halla jes proporcjoala do akualej prędkości silika. Sygał e oża wykorzysać w pęli sprzężeia zwroego prędkości. Wykorzysaie ej eody poiaru prędkości pozwala a korzysaie z silików ie wyposażoych w prądice achoerycze w układach z regulaore prędkości. W arykule przedsawioo wyiki badań syulacyjych i eksperyealych dla układu z poiare ipulsowy. Algory doboru asaw regulaora adapacyjego prędkości zosał przedsawioy w arykule [3]. i i 1 i 3 θ

2 15 Zeszyy Probleowe aszyy Elekrycze Nr 7/5 ω Z 1 K R 1 + sr K 1 K p f 1+ sτ p 1+ s + S s ω (s) K e sτ ω Kω 1+ sτ ω Rys.. Schea blokowy układ regulacji silika P BLDC. Obiek badań Obieke badań jes układ regulacji silika bezszczokowego prądu sałego ypu R c produkcji ELKAR Warszawa, o paraerach zaioowych U = 4 V, I = 18,5 A, ω = 314 rad/s, R =,13Ω, L =,5 H, o sałej elekroechaiczej =3,4 s i liczbie par bieguów rówej p = 3. Silik był zasilay z baerii akuulaorów poprzez przekszałik (kouaor elekroiczy) z razysorai OSFE ypu IRF 87. Częsoliwość przełączeń zaworów wyosiła 5 khz. Na rysuku przedsawioo schea blokowy układu regulacji prędkości silika P BLDC, w kórych wyszczególioo dwa rodzaje układów poiarowych prędkości. Przypadek odpowiada poiarowi z wykorzysaie achoprądicy, aoias przypadek sybolizuje poiar prędkości z wykorzysaie przeworika ipulsowego. rasiacja operaorowa owarego układu regulacji prędkości, kiedy do poiaru wykorzysa się prądiczkę achoeryczą o ałej sałej czasowej τ ω i wzocieiu K ω po przekszałceiach a posać: Kω Go( s) = (1) (1 + sτ z )(1 + s )(1 + ss ) gdzie: τ z = τ p + τ ω - zasępcza ała sała czasowa KP Kω K ω = - wzocieie w owarej pęli K f sprzężeia zwroego Zgodie z zasadai obowiązującyi przy doborze regulaora dla obieku o rasiacji (1) według kryeriu opiu odułu gdy (, S ) >>τ z dla regulaora ypu PI asawy wyzaczoo z wzorów [3,4]: K R 1 = K ω S + S =,8 () S = + = 3, s (3) 1+ + S S R 7 W przypadku wykorzysaia do poiaru prędkości przeworika ipulsowego zasosowao kryeriu zalecae dla obieków z czase arwy. Szczegółowy opis doboru zosał zaieszczoy w arykule [3]. Wzocieie regulaora adapacyjego jes zależe od prędkości silika, czyli: K R ω = K A ω (4) gdzie:,6 p K A = - współczyik wzocieia π Kω regulaora dla zaioowej prędkości obroowej. Zakładając, że prędkość silika będzie zieiała się w graicach od 1 rad/s do prędkości zaioowej ω, o graicze warości wzocieia regulaora adapacyjego będą wyosić: ab. 1. Nasawy regulaora adapacyjego prędkości τ [s] ω [rad/s] K Rω τ i =3,3 1-3 ω =314 K Rω =,48 τ ax =1 ω i = 1 K Rωi =.1 Sała regulaora adapacyjego jes rówa elekroechaiczej sałej czasowej Rω =. 3. Badaia syulacyje Syulacja kopuerowa jes owoczesą eodą badawczą pozwalającą w isoy sposób skrócić czas i obiżyć koszy prac badawczych

3 Zeszyy Probleowe aszyy Elekrycze Nr 7/5 151 przy aalizie i projekowaiu apędów przekszałikowych. Puke wyjścia do badań syulacyjych jes przygoowaie odelu aeayczego a asępie odelu kopuerowego w wybray prograie syulacyjy. 3.1 odel kopuerowy silika P BLDC odel kopuerowy bezszczokowego silika prądu sałego zosał zbudoway a podsawie rówań aeayczych opisujących działaie ego silika. W odelu y przyjęo asępujące założeia upraszczające: obwód ageyczy ieasycoy i jedozaczy, obwody elekrycze syerycze, idukcja ageycza w szczeliie pod agesai a warość sałą, zaś w srefie poiędzy agesai jes rówa zero, oe relukacyjy rówy zero, agesy rwałe obejują,7 obwodu wirika, ką pracy zaworów wyosi 1 el. Obwód główy k-ej fazy (gałęzi) silika (rys.1) jes opisay zależością: dik u k = RSk ik + LSk + ek (5) d W powyższej zależości przez e k ozaczoo składową fazowej SE pochodzącą od agesu rwałego, zaś przez R Sk oraz L Sk ozaczoo zasępcze fazowe: rezysację i idukcyjość sojaa. Zasępcza fazowa idukcyjość zależy od idukcyjości główej sojaa L S oraz od idukcyjości rozproszeia L Sσ zgodie z relacją: 3 L = L + L (6) Sk zaś fazowa SE roacji pochodząca od agesu rwałego wyosi: e = ω θ ) (7) S Sσ k K fk ( k W silikach P BLDC dąży się do ego, by fazowa SE iała kszał rapezu o górej podsawie rówej 1 el. oe elekroageyczy wyworzoy w wyiku współdziałaia k-ego uzwojeia fazowego i sruieia agesu rwałego jes opisay zależością: ekik = = i K θ ) (8) k k fk ( k ω Całkowiy oe elekroageyczy jes aoias suą składowych oeów elekroageyczych i wyosi: e = ek k = 1 (9) W przypadku silika o jedej parze bieguów, współczyik wzbudzeia K fk wysępujący w zależościach (7) oraz (8), jes rówy sruieiowi skojarzoeu z k-y uzwojeie sojaa. O właściwościach dyaiczych silika decyduje oe dyaiczy określoy zależością: dω d = e = J (1) d aką saą jak w przypadku iych rodzajów silików elekryczych. Na rysuku 3 przedsawioo odel obwodowy silika P BLDC z wyszczególioy kouaore elekroiczy, obwode elekryczy i echaiczy oraz układe logiczy. Rys. 3. odel obwodowy bezszczokowego silika prądu sałego w Siuliku Naoias a rys. 4 przedsawioo układ regulaora adapacyjego, kórego warość sygału wyjściowego jes fukcją prędkości zadaej i akualej. W układzie y ożliwe jes rówież badaie klasyczej kosrukcji regulaora. Rys. 4. odel regulaora adapacyjego 3. Wyiki syulacji Zarówo dla badań syulacyjych jak i laboraoryjych jako kryeriu określające właściwości badaego układu regulacji silika przy-

4 15 Zeszyy Probleowe aszyy Elekrycze Nr 7/5 jęo porówaie charakerysyczych przebiegów prędkości i oeu silika. W y celu, układ serowaia silika P BLDC poddao działaiu skokowo zieiających się wielkości serującej ω Z jak i wielkości zakłócającej o pracę apędu. Na poiższych rysukach przedsawioo przebiegi prędkości i oeu silika bezszczokowego prądu sałego w układzie, w kóry wykorzysao ciągły poiar prędkości Rys.5. Przebieg prędkości i oeu silika dla układu z ciągły poiare prędkości Jak widać a przebiegach (rys. 5a i w układzie wykorzysujący achogeeraor odpowiedź układu a zakłóceie jes zawsze aka saa iezależie od prędkości obroowej. W przypadku układu regulacji wykorzysującego ipulsowy poiar prędkości dyaika odpowiedzi zależy od prędkości silika. Widocze jes o a przebiegach prędkości (rys. 6a i 7 gdzie odbudowywaie prędkości po wysąpieiu zakłóceia (.1s) asępuje z Rys.6. Przebieg prędkości i oeu silika z ipulsowy poiare prędkości Rys.7. Przebieg prędkości i oeu silika z ipulsowy poiare prędkości

5 Zeszyy Probleowe aszyy Elekrycze Nr 7/5 153 N rp Silik BLDC Haowica HC 4,6 DS 114 dspace PCI BUS KPCI 314 Keihley Rys. 8. Srukura saowiska badawczego do badań apędów z silikai BLDC różyi czasai po wysąpieiu zakłóceia. Podoba syuacja wysępuje po ziaie wielkości zadaej (.s). Odpowiedź układu po skokowej ziaie prędkości zadaej (z wyższej a iższą) rwa dłużej, w porówaiu z przypadkie gdy ziaa zadaej prędkości asępuje w kieruku wyższych prędkości. 4. Badaia laboraoryje Srukura saowiska laboraoryjego do badań apędów z bezszczokowyi silikai zosała przedsawioa a rysuku 1. Saowisko zosało dokładie oówioe []. Układ serowaia silika z rys.1 pełi kara z procesore sygałowy, kóra zasąpiła dedykoway układ serowaia silika BLDC. Zasosowaie akiego układu serowaia pozwala w sposób dowoly i wielokroy odyfikować układ serowaia silika. Obciążeie dla badaego silika jes haowica. Zadawaie oeu obciążeia co do warości i rodzaju rówież realizowae przez układ serowaia (kara DS 114).Uzyskae dae poiarowe oraz wszyskie iforacje określające własości badaego apędu są rejesrowae jes poprzez karę poiarową. Nadrzędą jedoską saowiska jes kopuer, kóry uożliwia kouikowaia się z układe serowaia jak i poiarowy. 4.1 Wyiki eksperyeu Na poiższych rysukach przedsawioo przebiegi prędkości oraz oeu silika zarejesrowae w układzie poiarowy (rys. 8). Do poiaru prędkości wykorzysao jede z sygałów z czujika położeia wirika. Na rysuku (rys. 9) przedsawioo przebieg prędkości silika (bieg jałowy) zarejesroway dla skokowej ziay prędkości zadaej z,6ω do zera i odwroie. Rys. 9. Przebieg prędkości silika dla skokowej ziay prędkości zadaej (bieg jałowy) Na pozosałych dwóch rysukach przedsawioo przebiegi zarejesrowae dla sau obciążeia. Dla skokowej ziay wielkości zadaej (rys. 1) widocza jes różica w działaiu regulaora adapacyjego. Dla ałych prędkości działaie regulaora jes gorsze (warość wzocieia proporcjoalego jes fukcją prędkości) iż dla dużych prędkości obroowych. Rys. 1. Przebieg prędkości i oeu silika dla skokowej ziay prędkości zadaej Naoias a rysuku 11 przedsawioo przebieg prędkości i oeu rozwijaego przez

6 154 Zeszyy Probleowe aszyy Elekrycze Nr 7/5 silik gdy w układzie wysąpiła skokowa ziaa oeu obciążeia. [5]. uia K., Kaźierkowski.: Auoayka apędu przekszałikowego. PWN. Warszawa Auorzy Poliechika Śląska w Gliwicach, Wydział Elekryczy, Kaedra Eergoelekroiki, Napędu Elekryczego i Roboyki, ul. B. Krzywousego, 44-1 Gliwice. gr iż. Jausz Heańczyk el.: (3) e-ail: jausz.heaczyk@polsl.pl Rys. 1. Przebieg prędkości i oeu silika dla skokowej ziay oeu obciążeia dr hab. iż. Krzyszof Krykowski, prof. Pol. Śl. el.: (3) , fax.: (3) ; e-ail: krzyszof.krykowski@polsl.pl 6. Podsuowaie. Wioski końcowe Z przeprowadzoych badań syulacyjych i eksperyealych wyika, że jes ożliwe zasosowaia czujika(ów) położeia wirika w układach regulacji prędkości. Wyaga o jedak zasosowaia regulaora adapacyjego, kórego sygał wyjściowy uzależioy jes od prędkości obroowej. Wadą akiej eody poiaru prędkości jes wzros ęień apięcia wyjściowego przeworika częsoliwość apięcie (PCN) dla ałych prędkości obroowych. ożliwa jes rówież syuacja, w kórej dla bardzo ałych prędkości obroowych układ regulaora adapacyjego ie będzie działał, ze względu a bardzo ałe wzocieie. Dla prędkości większych od, prędkości zaioowej działaie układu regulacji jes zadawalające. 7. Lieraura [1]. Heańczyk J., Dooracki A., Krykowski K.: 3,6 kw DC brushless oor corol syse - he ifluece of posiio sesors faul o oio properies. Elecrical Drives ad Power Elecroics - EDEP, he High aras, Słowacja 3. []. Heańczyk J., Dooracki A., Krykowski K.: Nowoczese saowisko laboraoryje do badań apędów z bezszczokowyi silikai prądu sałego. Zeszyy probleowe - BOBRE Koel - aszyy elekrycze Nr 66, Kaowice 3. [3]. Krykowski K., Heańczyk J.: Wykorzysaie czujików położeia wirika w obwodzie regulacji prędkości silika P BLDC. XIV Seiariu echicze BOBRE - Koel 5. [4]. Pułaczewski J.: Dobór asaw regulaorów przeysłowych. WN, Warszawa 1966.