BEZCZUJNIKOWA DETEKCJA KĄTA POŁOŻENIA NIERUCHOMEGO WIRNIKA SILNIKA RELUKTANCYJNEGO PRZEŁĄCZALNEGO

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 62 Politechniki Wrocławskiej Nr 62 Studia i Materiały Nr Piotr BOGUSZ* silnik reluktancyjny przełączalny, SRM, sterownie bezczujnikowe BEZCZUJNIKOWA DETEKCJA KĄTA POŁOŻENIA NIERUCHOMEGO WIRNIKA SILNIKA RELUKTANCYJNEGO PRZEŁĄCZALNEGO W niniejszym artykule przedstawiono problematykę określenia kąta położenia nieruchomego wirnika silnika reluktancyjnego przełączalnego. Omówiono sposoby wyznaczania tego kąta. Przedstawiono problemy wynikające z zastosowania metod pozycjonowania wirnika lub rozruchu bez sprzężenia od kąta położenia wirnika. Zaprezentowano rozwiązanie z zastosowaniem metody bezczujnikowej wyznaczania początkowego kąta położenia wirnika, oparte na pomiarze indukcyjności pasmowej. Opisano stanowisko laboratoryjne oraz przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych z zastosowaniem prezentowanej metody. 1. WSTĘP Napędy z silnikami reluktancyjnymi przełączalnymi (ang. Switched Reluctance Motors SRM) są alternatywnym rozwiązaniem układów napędowych o regulowanej prędkości obrotowej. Ze względu na prostą budowę wynikającą z braku zarówno magnesów trwałych, jak i uzwojeń na wirniku oraz zastosowania prostych układów zasilających, są bardzo odporne na uszkodzenia. Sprawność silników reluktancyjnych przełączalnych w porównaniu z maszynami indukcyjnymi zasilanymi z układów przekształtnikowych lub maszynami prądu stałego jest większa, a stosunek wytwarzanego momentu elektromagnetycznego do momentu bezwładności jest również większy z powodu braku uzwojeń czy magnesów na wirniku. Zasadniczą zaletą silników reluktancyjnych przełączalnych jest szeroki i łatwy sposób regulacji prędkości. Ze względu na to, że maszyny reluktancyjne przełączalne należą do grupy maszyn z komutacja elektroniczną, załączanie uzwojeń poszczególnych pasm musi występować synchronicznie z położeniem wirnika. W układach napędowych z SRM, często do wyznaczenia położenia wirnika stosuje się enkodery optyczne. Cechą charakterystyczną układów z enkoderami jest utrata * Politechnika Rzeszowska, Rzeszów, ul. W. Pola 2, pbogu@prz.rzeszow.pl

2 407 informacji o położeniu po wyłączeniu zasilania. W przypadku silników reluktancyjnych przełączalnych bardzo istotna jest informacja o położeniu wirnika również w momencie rozruchu. Nieprawidłowe wyznaczenie początkowego kąta położenia wirnika może spowodować chaotyczny ruch wirnika, a nawet doprowadzić do uszkodzenia silnika, czy też układu mocy [1]. Jednym z rozwiązań tego problemu jest zastosowanie enkoderów absolutnych. Jednak ze względu na ilość linii cyfrowych koniecznych do obsługi tego typu enkodera oraz jego cenę takie rozwiązanie nie jest stosowane. Najprostszym rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie metody pozycjonowania wirnika przed rozruchem, która polega na krótkotrwałym podaniu napięcia zasilającego na odpowiednie uzwojenia silnika [3]. Innym rozwiązaniem jest rozruch bez sprzężenia od kąta położenia wirnika, polegający na cyklicznym zasilaniu kolejnych uzwojeń silnika, tak jak to ma miejsce w silnikach krokowych. Jednak zasadniczą wadą tych metod jest niestabilny ruch wirnika podczas pozycjonowania lub podczas rozruchu bez sprzężenia. Jest to bardzo niekorzystne w przypadku maszyn o dużym momencie bezwładności wirnika. Niekontrolowany ruch wirnika może doprowadzić do przepływu bardzo dużych prądów w uzwojeniach, a także może być przyczyną szybszego zużycia lub nawet uszkodzenia napędzanego mechanizmu. Celem niniejszej pracy jest przedstawienie praktycznej realizacji wyznaczania kąta położenia nieruchomego wirnika w trójpasmowej maszynie SRM o konfiguracji 6/4 metodą pomiaru indukcyjności pasmowych [2] oraz prezentacja wyników badań. 2. BEZCZUJNIKOWE WYZNACZENIE KĄTA POŁOŻENIA NIERUCHOMEGO WIRNIKA SRM Aby uniknąć chaotycznych ruchów wirnika SRM podczas rozruchu konieczne jest wyznaczenie początkowego kąta położenia wirnika. Do wyznaczenia tego kąta zastosowano metodę bezczujnikową zrealizowaną w dwóch etapach. W pierwszym etapie wyznaczany jest przedział kątów, w którym znajduje się wirnik. Natomiast w drugim, dokładny kąt położenia wirnika. Rys. 1. Indukcyjności pasmowe SRM 6/4 wyznaczenie przedziałów pomiarowych Fig. 1. Phase inductances of 6/4 SRM detection of measurement regions

3 408 Etap I. Na rysunku 1 przedstawiono przebiegi indukcyjności własnych uzwojeń trójpasmowego silnika SRM o konfiguracji 6/4 z zaznaczonymi przedziałami kątów położenia wirnika. W celu określenia przedziału kątowego, w którym znajduje się wirnik, uzwojenia pasmowe zasilane są krótkimi impulsami napięcia, w wyniku czego płyną prądy, których amplitudy zależą od stałych czasowych poszczególnych obwodów. Dokonując porównania amplitud prądów poszczególnych pasm według warunków zamieszczonych w tabeli 1, można wyznaczyć przedział kąta θ, w którym znajduje się wirnik. Tabela 1. Warunki wyznaczenia najlepszego przedziału pomiarowego Table 1. Conditions of detection of the best measurement region Obszar Warunki prądów pasmowych Zakres kąta θ mech I I 1 < I 2 I 3 0 θ < 15 II I 2 I 1 < I 3 15 θ < 30 III I 2 < I 3 I 1 30 θ < 45 IV I 3 I 2 < I 1 45 θ < 60 V I 3 < I 1 I 2 60 θ < 75 VI I 1 I 3 < I 2 75 θ < 90 Etap II. Dokładne określenie kąta położenia wirnika może być uzyskane na podstawie pomiaru indukcyjności pasmowej poszczególnych uzwojeń stojana. Równanie napięć dla silnika, którego obwód magnetyczny jest nienasycony oraz sprzężenia międzypasmowe są pomijalnie małe, można zapisać w postaci: u ( θ ) di dl = i R + L ( θ ) i ω (1) dt dθ + gdzie: u, i, R, L (θ) są odpowiednio: napięciem, prądem, rezystancją i indukcyjnością danego pasma, a ω prędkością kątową wirnika. Przy zatrzymanym wirniku ostatni człon prawej strony równania (1) jest równy zeru. Jeśli dodatkowo zostanie pominięty spadek napięcia na rezystancji oraz na elementach półprzewodnikowych układu zasilającego, wówczas równanie 1 można zapisać następująco: L u T ( θ ) (2) I gdzie I jest przyrostem prądu w czasie T. Znając aktualną indukcyjność pasmową maszyny L (θ) i porównując ją z indukcyjnością wzorcową L st (θ) zapisaną w pamięci mikrokontrolera dla danego kąta położenia wirnika, możliwe jest dokładne określenie kąta położenia wirnika (θ est ).

4 409 Jak wynika z rysunku 1, najbardziej korzystne jest dokonywanie pomiaru indukcyjności w przedziałach, w których przyrost indukcyjności jest największy, przy najmniejszej zmianie kąta. Wówczas dokładność wyznaczanego kąta będzie największa. 3. WYNIKI BADAŃ EKSPERYMENTALNYCH Obiektem badań był trójpasmowy silnik reluktancyjny przełączalny o konfiguracji 6/4 i parametrach: U N = 50V, N = 3, N s = 6, N r = 4, R s = 5,2 Ω (przy 20 C), L u = 19 mh (indukcyjność własna uzwojenia pasmowego w położeniu niewspółosiowym), L a = 82mH (indukcyjność własna uzwojenia pasmowego w położeniu współosiowym mierzona w stanie bezprądowym). Rys. 2. Schemat blokowy stanowiska laboratoryjnego Fig. 2. Block diagram of laboratory setup Badania eksperymentalne przeprowadzono na stanowisku do badań silników reluktancyjnych przełączalnych wyposażonym w kartę dspace DS1104 współpracującą z graficznym interfejsem ControlDesk. Położenie wzorcowe wirnika określane było za pomocą enkodera o rozdzielczości 720 imp/obr. Do obciążenia silnika reluktancyjnego przełączalnego zastosowano obcowzbudną maszynę komutatorową prądu stałego. Schemat blokowy stanowiska laboratoryjnego przedstawiono na rysunku 2. Do zasilania silnika zastosowano klasyczny układ półmostka zawierającego dwa tranzystory oraz dwie diody na jedno pasmo silnika. Do pomiaru prądów pasmowych zastosowano 16-bitowe przetworniki analogowo-cyfrowe, a do pomiaru napięcia przetwornik 12-bitowy. Na rysunku 3 przedstawiono oscylogram prądów pasmowych silnika zarejestrowanych podczas pomiaru kąta położenia wirnika (rys. 3a) oraz podczas rozruchu (rys. 3b) przy sterowaniu jednopulsowym. Jak można zauważyć w czasie testu pomiarowego amplitudy prądów poszczególnych pasm są różne, ze względu na różne stałe czasowe obwodów (różne indukcyjności). Impulsy napięcia testującego podawane są jednocześnie na wszystkie uzwojenia. Czas trwania impulsu zasilającego uzwojenia podczas prowadzonych badań wynosił 0,45 ms.

5 410 Rys. 3. Prądy pasmowe SRM: a) podczas pomiaru kąta, b) podczas rozruchu silnika Fig. 3. Phase currents of SRM: a) during the measurement of rotor angle, b) during the motor starting Rys. 4. a) Kąt położenia wirnika: rzeczywisty (θ enk ) i estymowany (θ est ), b) uchyb kąta Fig. 4. a) Angle rotor position: real (θ enk ) and estimated (θ est ), b) angle error W celu sprawdzenia rozbieżności pomiędzy wyznaczanym kątem (θ est ), a kątem wzorcowym (θ enk ) mierzonym z dokładnością 0,5 za pomocą enkodera optycznego, wykonano badania porównawcze dla jednego cyklu elektrycznego pracy silnika (90 mech.). Na rysunku 4a przedstawiono przebiegi kąta położenia wirnika uzyskanego z enkodera oraz kąta estymowanego uzyskanego z zastosowaniem prezentowanej metody bezczujnikowej. Natomiast na rysunku 4b przedstawiono uchyb pomiędzy kątem z enkodera, a kątem estymowanym metodą bezczujnikową. Jak wynika z przeprowadzonych badań maksymalny uchyb wyznaczanego kąta nie przekroczył trzech stopni (rys. 4.b). Taka dokładność wyznaczenia kąta pozwala na płynny rozruch silnika niezależnie od ustawienia wirnika. Indukcyjność wzorcową wyznaczono dla jednego pasma silnika w zakresie 15 i umieszczono w pamięci procesora.

6 PODSUMOWANIE W pracy omówiono zagadnienie bezczujnikowego wyznaczenia początkowego kąta położenia wirnika w silniku reluktancyjnym przełączalnym. Zastosowanie metody bezczujnikowej polegającej na pomiarze indukcyjności uzwojenia pasmowego przy nieruchomym wirniku pozwala na: wyznaczenie kąta położenia wirnika na podstawie pomiaru standardowych sygnałów, tj. prądów i napięć pasmowych, rozruch silnika bez chaotycznych ruchów wirnika, które występują przy rozruchu z pozycjonowaniem wirnika lub rozruchu bez sprzężenia od kąta położenia wirnika i powodują występowanie silnych drgań wirnika oraz przepływ dużych prądów pasmowych. Opracowana metoda może być częścią składową bezczujnikowej strategii sterowania SRM w szerokim zakresie regulacji prędkości obrotowych. LITERATURA [1] BU J., XU L. Eliminating starting hesitation for reliable sensorless control of switched reluctance motors, IEEE Trans. on Ind. Appl., Vol. 37, No 1, Jan./Feb. 2001, [2] FAHIMI B. EMADI A. SEPE R.B., A Switched Reluctance Machine-Based Starter/Alternator for More Electric Cars, IEEE Trans. on En. Conv., No. 1, Vol. 19 March 2004, [3] HAM DY R., FLETCHER J., WILLIAM S B. Bidirectional Starting of a Symmetrical Two- Phase Switched Reluctance Machine, IEEE Trans. on En. Conv., No. 2, Vol. 15 June 2000, SENSORLESS DETECTION OF ANGLE POSITION OF STAND STILL ROTOR IN SWITCHED RELUCTANCE MOTOR In this paper, the problems of initial angle position detection of stand still rotor in switched reluctance motor is described. The ways to find this angle are presented. Disadvantages of methods of positioning rotor and motor start without feedback with rotor angle position are discussed. The sensorless detection method of initial angle of rotor position based on ase induction measurement is presented. Laboratory setup and experimental results are included. Experimental research is carried out using DS1104 dspace card.