Metoda sterowania z korektą kąta załączania silnika bldc bezzałogowego aparatu latającego

Transkrypt

1 Metoda sterowana z korektą kąta załączana slnka bldc bezzałogowego aparatu latającego Potr ogusz, Marusz Korkosz, Jan Prokop, Potr Wygonk MONITOING Napędy hybrydowe I POMIY. Wstęp ezstykowe slnk prądu stałego z magnesam trwałym (LDCM) są zalczane do maszyn z komutacją elektronczną [ 4]. Cechuje je wysoka sprawność, wysok stosunek wytwarzanego momentu z jednostk objętośc, prosty algorytm sterowana pracą, szerok zakres regulacj prędkośc obrotowej. Dlatego slnk te są stosowane w welu aplkacjach wymagających np. ogranczana masy zastosowanego napędu. Grupą takch aplkacj są newątplwe napędy przeznaczone do różnych zastosowań lotnczych. Jedną z koncepcj jest zastosowane w napędach hybrydowych małych bezzałogowych aparatów lotnczych [5 7]. Istotnym problemem, który występuje w napędze hybrydowym bezzałogowego aparatu latającego, jest zmana napęca zaslającego slnk w trakce jego pracy. Wynka to z procesu rozładowana ognwa zaslającego. Slnk LDC jest maszyną prądu stałego jest on wrażlwy na zmanę wartośc napęca zaslającego. Można to przewdzeć zaslać slnk obnżoną wartoścą napęca poprzez zastosowane sterowana PWM. Jednak to wpływa na obnżene sprawnośc ogólnej układu napędowego. utorzy zastosowal metodę bazującą na zmane jednego z parametrów sterowana pracą slnka LDC, która polega na korekce kąta załączena poszczególnych pasm slnka w zależnośc od wymaganej mocy na wale slnka [8 9]. Obektem badań jest slnk LDC zaprojektowany do napędu hybrydowego bezzałogowego aparatu latającego [8]. W badanym slnku zastosowano rozwązane o begunach stojana 4 magnesach trwałych klasy N4SH, umeszczonych na zewnętrznym wrnku. Uzwojena stojana zostały połączo- Streszczene: Punkt komutacj poszczególnych tranzystorów w układze zaslającym slnka LDC uzależnony jest od momentu przecęca sę przebegów napęć ndukowanych przewodowych. Pomędzy punktam komutacj napęce ndukowane pownno meć wartość stałą. Przy takm punkce komutacj tętnena wytwarzanego momentu elektromagnetycznego pownny być najmnejsze. W praktyce określona wartość napęca zaslającego, moment obcążena oraz praca z dużą prędkoścą obrotową mają wpływ na czas narastana zank prądu w uzwojenach slnka, powodując jego wydłużane. W konsekwencj prowadz CONTOL METHOD WITH TUN-ON NGLE COECTION OF LDC MOTO FO UNMNNED EIL VEHICLE bstract: Swtchng pont of partcular transstors n LDC power converter depends on the ntersecton moment of nduced lne voltages. When takng dependence of trapezodal nduced voltage on commutaton pont, then ths voltage should be constant. t ths commutaton pont, rpple of generated electromagnetc torque should be the smallest. In practce, specfed supply voltage, load torque and hgh-speed operaton affect rse tme and decay of current n motor wndngs ne w trójkat, przy czym z uwag na nską wartość napęca zaslającego zastosowano w każdym pasme slnka po dwe to do ogranczana wartośc wytwarzanego momentu elektromagnetycznego. Dodatkowo w nektórych aplkacjach, z uwag na zmenające sę warunk pracy (np. zmnejszające napęce zaslające bater akumulatorów), tak określony kąt załączena może unemożlwć utrzymane zadanej mocy na wale slnka. W pracy dokonano analzy wpływu zmany wartośc kąta załączena na właścwośc slnka. Na baze modelu symulacyjnego pokazano wpływ zmany wartośc kąta załączena na wytwarzaną wartość średną momentu elektromagnetycznego. W warunkach laboratoryjnych dokonano weryfkacj praktycznej. Zameszczono wnosk. Słowa kluczowe: slnk LDC, kąt załączena, bezzałogowy aparat latający causng extenson of rse tme. In consequence, t leads to decrease of generated electromagnetc torque. In some applcatons, defned n such way turn-on angle cannot be able to keep set motor power due to change of workng condtons (e.g. decrease of battery voltage). In the paper the analyss of nfluence of turn-on angle on motor propertes was conducted. The nfluence of turn-on angle on average electromagnetc torque was shown based on the smulaton model. practcal verfcaton was made n the laboratory condtons. Conclusons were placed. Keywords: LDC motor, turn-on angle, unmanned aeral vehcle gałęze równoległe. Wdok rzeczywsty analzowanego trójpasmowego slnka LDC pokazano na rysunku. 88 Nr 5 Maj 06 r.

2 ys.. Wdok badanego slnka LDC. Model matematyczny Dla trójpasmowego slnka LDC pokazanego na rysunku oraz połączeń elektrycznych pokazanych na rysunku opracowano model matematyczny obwodowy, tzw. strumenowy. Zależnośc strumen magnetycznych od kąta obrotu wrnka prądu gałęz pasma wyznaczano metodam polowym D, a następne zbór tych zależnośc wykorzystywano w modelu obwodowym. ównane napęcowo-prądowe, równane momentów oraz wyrażene na moment elektromagnetyczny T e modelu obwodowego slnka LDC z pasmam stojana, o dwóch gałęzach równoległych ( oraz ), można zapsać w postac: Schemat połączeń elektrycznych badanego slnka pokazano na rysunku. W pracy na baze slnka LDC przeznaczonego do napędu hybrydowego bezzałogowego aparatu latającego zaprezentowano wynk badań symulacyjnych wpływu kąta załączena poszczególnych pasm na właścwośc ruchowe slnka. Na baze modelu polowo-obwodowego zostały wyznaczone charakterystyk mechanczne slnka oraz jego sprawnośc z uwzględnenem zmany kąta załączena. Pokazano wybrane przebeg czasowe prądów, napęć oraz momentu elektromagnetycznego. W warunkach laboratoryjnych dokonano weryfkacj praktycznej przeprowadzonych oblczeń, wyznaczając charakterystyk mechanczne, sprawnośc oraz rejestrując przebeg czasowe prądów napęć dla klku kątów załączena. Zameszczono wnosk dotyczące uzyskanych rezultatów wpływu zmany kąta załączena poszczególnych pasm slnka zarówno na baze badań symulacyjnych, jak też laboratoryjnych. u u 0 + d dt 0 ψ ψ +,,,, PM PM ) ) () dω PM J + Dω + TL T e,, ) () dt * PM Wc,, ) Te,, ) () θ gdze: wektory napęć u, u, prądów, oraz macerze rezystancj,, dla obu gałęz równoległych uzwojeń, są zdefnowane: PM MONITOING Napędy hybrydowe I POMIY ys.. Schemat elektryczny analzowanego trójpasmowego slnka LDC Nr 5 Maj 06 r. 89

3 u u, u, u,,,, u u, u, u,, (4) dag( dag(,,,, ) ) Ponadto w równanach ( ) zastosowano następujące oznaczena: ψ (θ,,, PM ), ψ (θ,,, PM ) wektory strumen skojarzonych gałęz uzwojeń wywołanych prądam uzwojeń przez magnesy trwałe; θ kąt położena wrnka; PM zastępczy prąd magnetyzacj magnesów trwałych; W c * (θ,,, PM ) całkowta koenerga pola magnetycznego w szczelne powetrznej; J moment bezwładnośc wszystkch mas sprzęgnętych z wrnkem; D współczynnk tarca lepkego; T L moment obcążena; ω dθ/dt prędkość kątowa wrnka. Dodatkowe węzy na napęca prądy narzuca układ połączeń równoległych uzwojeń pasm slnka w trójkąt (rys. ). W programe do oblczeń numerycznych metodą elementów skończonych zbudowano sparametryzowaną geometrę projektowanego trójpasmowego slnka LDC. ys.. Zależność napęć ndukowanych e z zaznaczenem kątów komutacj poszczególnych elementów przełączających MONITOING Napędy hybrydowe I POMIY. adana symulacyjne Zastosowany model polowo-obwodowy slnka LDC wykorzystany w oblczenach symulacyjnych został zaprezentowany w [8]. Wartość zerową kąta załączena θ on poszczególnych uzwojeń slnka przyjęto w mejscu przecęca sę przebegów przykładowych przewodowych modułów napęć ndukowanych E p (rys. ). Oblczena wykonywano przy założenu zmnejszena sę wartośc napęca U dc do wartośc 4 V. Jest to teoretyczna mnmalna wartość napęca zastosowanego paketu ognw L-Po przeznaczonych do zaslana slnka LDC w napędze hybrydowym. Oblczena symulacyjne wykonywano przy założenu stałej wartośc prędkośc obrotowej (n 8000 obr./mn). Na rysunkach 4 6 pokazano zależnośc prądów przewodowych ph (rys. 4), prądu w jednej z gałęz równoległych pasma (rys. 5), napęć przewodowych u (rys. 6) oraz momentu elektromagnetycznego T e (rys. 7) w funkcj kąta położena wrnka θ uzyskanych przy kące załączena θ on. Przy mnmalnej wartośc napęca zaslającego U dc 4 V slnk wytwarza wartość średną momentu elektromagnetycznego T eav 0. N m. Jest to wartość zbyt mała dla wytworzena sły cągu potrzebnej dla utrzymana sę modelu w powetrzu. Na rysunkach 8 pokazano zależnośc prądów przewodowych ph (rys. 8), prądu w jednej z gałęz równoległych pasma (rys. 9), napęć przewodowych u (rys. 0) oraz momentu elektromagnetycznego T e (rys. ) w funkcj kąta położena wrnka θ uzyskanych przy kące załączena θ on 5,5. Po zwększenu wartośc kąta załączena θ on do 5,5 przy mnmalnej wartośc napęca zaslającego U dc 4 V slnk zwększa wartość średną wytwarzanego momentu elektromagnetycznego T eav,05 N m. ys. 4. Zależność prądów przewodowych ph w funkcj kąta położena wrnka θ ys. 5. Zależność prądu pasma jednej z gałęz równoległych pasma ph w funkcj kąta położena wrnka θ ys. 6. Zależność napęć przewodowych u w funkcj kąta położena wrnka θ 90 Nr 5 Maj 06 r.

4 ys. 7. Zależność momentu elektromagnetycznego T e w funkcj kąta położena wrnka θ ys.. Zależność momentu elektromagnetycznego T e w funkcj kąta położena wrnka θ 5,5 ys. 8. Zależność prądów przewodowych ph w funkcj kąta położena wrnka θ 5,5 ys.. Zależność prędkośc obrotowej n w funkcj mocy wyjścowej P out MONITOING Napędy hybrydowe I POMIY ys. 9. Zależność prądu pasma jednej z gałęz równoległych pasma ph w funkcj kąta położena wrnka θ 5,5 ys.. Zależność wartośc skutecznej prądu pasma I phrms w funkcj mocy wyjścowej P out ys. 0. Zależność napęć przewodowych u w funkcj położena kąta wrnka θ 5,5 ys. 4. Zależność wartośc skutecznej prądu pasma I phrms w funkcj mocy wyjścowej P out Nr 5 Maj 06 r. 9

5 ys. 5. Zależność sprawnośc ogólnej η w funkcj mocy wyjścowej P out Zależność prędkośc obrotowej n, wartośc skutecznej prądu przewodowego I phrms, wartośc skutecznej prądu w jednej z gałęz równoległych pasma I rms, wartośc sprawnośc ogólnej η w funkcj mocy wyjścowej P out pokazano na rysunkach 5. Na rysunkach 6 7 przedstawono zależność mocy wyjścowej P out (rys. 6), wartośc średnej I dcav oraz maksymalnej I dcmax prądu źródła zaslającego I dc (rys. 7) od kąta załączena θ on, uzyskane przy prędkośc obrotowej 8000 obr./mn. Zależność sprawnośc ogólnej układu napędowego η od kąta załączena θ on przy stałym kące przewodzena przedstawono odpowedno na rysunku 8. Zwększene wartośc kąta załączena θ on powoduje wzrost wartośc średnej wytwarzanego momentu elektromagnetycznego T eav. Należy jednak zauważyć, że zwększane kąta załączena powoduje ne tylko wzrost wytwarzanego momentu elektromagnetycznego. Wraz ze zmaną kąta wyprzedzena załączena wzrastają tętnena zarówno wytwarzanego momentu elektromagnetycznego, jak równeż prądu poberanego ze źródła zaslającego. Pogarsza sę równeż sprawność ogólna układu napędowego. MONITOING Napędy hybrydowe I POMIY ys. 6. Zależność mocy wyjścowej P out od kąta załączena θ on dla n 8000 obr./mn ys. 7. Zależność wartośc średnej I dcav oraz maksymalnej I dcmax prądu źródła zaslającego I dc od kąta załączena θ on dla n 8000 obr./mn ys. 8. Zależność sprawnośc ogólnej η układu napędowego od kąta załączena θ on dla n 8000 obr./mn 4. adana laboratoryjne Metoda sterowana z analzą wpływu zmany kąta załączena θ on na wartość mocy wyjścowej została zweryfkowana w warunkach laboratoryjnych. Stanowsko do weryfkacj laboratoryjnej pokazano na rysunku 9. Pomary wykonywano przy jednoczesnej akwzycj wszystkch dostępnych parametrów elektrycznych mechancznych (moment obcążena oraz prędkość obrotowa). Przebeg czasowe prądów napęć rejestrowano analzatorem mocy. Na rysunkach 0 pokazano przykładowe przebeg czasowe prądów przewodowych (rys. 0), prądu w jednej z gałęz pasma (rys. ) napęć pasmowych (rys. ) slnka pracującego z prędkoścą 8000 obr./mn przy kące załączena θ on oraz mnmalnej wartośc napęca zaslającego U dc 4 V. Na rysunkach 5 pokazano przykładowe przebeg czasowe prądów (rys. ), prądu w jednej z gałęz pasma (rys. 4) napęć pasmowych (rys. 4) slnka pracującego z prędkoścą obrotową n 8000 obr./mn oraz przy kące załączena θ on 4, V. Wcześnejsze załączene uzwojeń pozwala na znaczne zwększene wartośc płynących prądów przewodowych. W konsekwencj prowadz to do zwększena wartośc średnej wytwarzanego momentu elektromagnetycznego T eav. W warunkach laboratoryjnych uzyskwano wzrost prędkośc obrotowej przy zadanej wartośc momentu obcążena T L. Na rysunkach 6 8 pokazano zależność prędkośc obrotowej n oraz sprawnośc ogólnej η od mocy wyjścowej P out, dla różnych wartośc kątów załączena (θ on ). Moc wyjścową P out, sprawność ogólną η w funkcj napęca zaslającego dla dwóch różnych wartośc kątów załączena pokazano na rysunkach 8 9. Uzyskane wynk badań laboratoryjnych potwerdzły słuszność przyjętej koncepcj sterowana. Zastosowane zmenającego kąta załączena pozwala na regulację wartośc średnej wytwarzanego momentu elektromagnetycznego. 9 Nr 5 Maj 06 r.

6 ys. 9. Wdok stanowska laboratoryjnego do badana slnka LDC ys.. Przebeg czasowe prądów pasmowych slnka przy napęcu zaslającym U dc 4,5 V, n 8000 obr./mn kące załączena θ on 4, ys. 0. Przebeg czasowe prądów pasmowych slnka dla napęca zaslającego U dc 4 V, n 8000 obr./mn kące załączena θ on ys. 4. Przebeg czasowy prądu w jednej z gałęz pasma slnka dla napęca zaslającego U dc 4 V, n 8000 obr./mn kące załączena θ on MONITOING Napędy hybrydowe I POMIY ys.. Przebeg czasowy prądu phw jednej z gałęz pasma slnka dla napęca zaslającego U dc 4 V, n 8000 obr./mn kące załączena θ on ys. 5. Przebeg czasowe napęć przewodowych u slnka przy napęcu zaslającym U dc 4 V, n 8000 obr./mn kące załączena θ on 4. ys.. Przebeg czasowe napęć przewodowych u slnka przy napęcu zaslającym U dc 5 V, n 8000 obr./mn kące załączena θ on ys. 6. Zależność prędkośc obrotowej n w funkcj mocy wyjścowej P out Nr 5 Maj 06 r. 9

7 MONITOING Napędy hybrydowe I POMIY ys. 7. Zależność sprawnośc ogólnej η w funkcj mocy wyjścowej P out ys. 8. Zależność prędkośc obrotowej n w funkcj napęca zaslającego U dc Lteratura [] Staton D.., Deodhar.P., Soong W.L., Mller T.J.E.: Torque Predcton Usng the Flux-MMF n C, DC, and eluctance Motors. IEEE Transactons on Industry pplcatons, Vol., No., pp.80 88, 996. [] El-efae.M.: Fractonal-slot concentrated wndngs synchronous permanent magnet machnes: opportuntes and challenges. IEEE Transactons on Industral Electroncs, Vol. 4, Issue:, pp. 07, 00. [] Geras J.F., Wng M.: Permanent Magnet Motor Technology Desgn and pplcatons, Second Edton. ISN , 00. [4] Krshnan.: Permanent Magnet Synchronous and rushless DC Motor Drves, CC Press, Taylor & Fracs Group, NY, 009. [5] Ehsan M., Gao Y., Emad.: Modern Electrc, hybrd, and fuel Vehcles. Fundaments, theory, and desgn. CC Press Taylor&Francs Group, ISN: , 00. [6] Glassock.., Hung J.Y., Gonzalez L.F., Walker odney.: Multmodal hybrd Powerplant for Unmanned eral Systems (US) obotcs, Twenty-Fourth rstol Internatonal Unmanned r Vehcle Systems Conference, rstol, Unted Kngdom, 009. [7] Harmon F.G., Frank.., Chattot J.J.: Conceptual Desgn and Smulaton of a Small Hybrd-Electrc Unmanned eral Vehcle, Journal of rcraft, vol. 4, pp , 006. [8] ogusz P., Korkosz M., Prokop J., Wygonk P.: Study on Desgn Process of LDC Motor for rcraft Hybrd Drve, Proceedngs of the 0 IEEE Internatonal Symposum on Industral Electroncs, pp , 0. [9] ogusz P., Korkosz M., Prokop J.: Wpływ zman kąta załączena na właścwośc slnka LDC napędu hybrydowego bezzałogowego aparatu latającego. Zeszyty Problemowe Maszyny elektryczne s. 67 7, 05. Praca wykona w ramach projektu badawczego Technologe hybrydowego zespołu napędowego lekkch lub bezzałogowych statków powetrznych DZP/INNOLOT-/00/0 ys. 9. Zależność sprawnośc ogólnej η w funkcj napęca zaslającego U dc 5. Wnosk W pracy przedstawono wynk badań symulacyjnych laboratoryjnych bezszczotkowego slnka prądu stałego z magnesam trwałym. Przeprowadzono analzę wpływu zmany kąta załączena poszczególnych pasm na właścwośc slnka. Wykazano, że wcześ nejsze załączene pasm zwększa wartość wytwarzanego momentu elektromagnetycznego przy wzrastających tętnenach momentu elektromagnetycznego oraz prądu poberanego ze źródła zaslającego. adana laboratoryjne wykazały, że metoda sterowana z dynamczną korektą kąta załączena jest poprawna. Jej newątplwą wadą jest wzrost stopna komplkacj algorytmu sterowana, który mus uwzględnać zmanę kąta załączena pasm slnka w czase jego pracy. dr nż. Potr ogusz, e-mal: pbogu@prz.edu.pl dr hab. nż. Marusz Korkosz, e-mal: mkosz@prz.edu.pl dr hab. nż. Jan Prokop, e-mal: jprokop@prz.edu.pl Poltechnka zeszowska Wydzał Elektrotechnk Informatyk; dr nż. Potr Wygonk, e-mal: powyg@prz.edu.pl Poltechnka zeszowska Wydzał udowy Maszyn Lotnctwa artykuł recenzowany 94 Nr 5 Maj 06 r.