Wybrane algorytmy sterowania silnikami z magnesami trwałymi

Transkrypt

1 Wybrane algorytmy sterowania silnikami z magnesami trwałymi Rafał Nowak 1. Wstęp Silniki z magnesami trwałymi, ze wzglęu na wysoką sprawność, prostą buowę oraz użą gęstość mocy, są obecnie najczęściej wykorzystywanymi rozajami maszyn elektrycznych w różnego rozaju pojazach elektrycznych [1]. Dominują wśró nich wie konstrukcje: silniki synchroniczne z magnesami trwałymi PMSM (ang. Permanent Magnet Synchronous Motor) o sinusoialnym rozkłazie siły elektromotorycznej oraz bezszczotkowe silniki prąu stałego (ang. BrushLess Direct-Current motor) o trapezoialnym rozkłazie siły elektromotorycznej [, 3]. Wybór konkretnego ukłau napęowego o anej aplikacji poyktowany jest wzglęami technicznymi, takimi jak moc silnika, możliwe o zaakceptowania oscylacje momentu elektromagnetycznego czy właściwości regulacyjne, oraz ograniczeniami ekonomicznymi. Konsekwencją pojętych ecyzji projektowych staje się wybór ukłau sterującego pracą napęu. O ile konstrukcje części silnoprąowych przekształtników energoelektronicznych eykowanych o zasilania tego typu maszyn w obu przypakach są o siebie zbliżone, to w przypaku algorytmów sterowania już tak nie jest.. Topologia przekształtników stosowanych o sterowania silników z magnesami trwałymi Zarówno silniki synchroniczne z magnesami trwałymi, jak i bezszczotkowe silniki prąu stałego są maszynami elektrycznymi sterowanymi za pośrenictwem przekształtnika energoelektronicznego. Rozważając klasyczne konstrukcje trójfazowe, w obu przypakach magnesy trwałe umiejscowione są zazwyczaj na wirniku maszyny, natomiast uzwojenia stojana połączane są o przekształtnika, którego typową część silnoprąową stanowi sterowany mostek trójfazowy, zbuowany z tranzystorów IGBT lub MOSFET. Przekształtnik jest ukłaem o charakterze yskretnym, zatem zaanie wytworzenia określonej wartości napięcia jest w nim realizowane poprzez załączenie określonej sekwencji sygnałów sterujących jego kluczami. Każy ze stanów kluczy tranzystorowych opowiaa zwieraniu opowieniej fazy silnika o oatniego lub ujemnego zacisku obwou zasilania [4]. Schemat typowego przekształtnika wykorzystywanego w ukłaach napęowych z silnikami z magnesami trwałymi przestawiono na rysunku Sterowanie silnikami BLDC Silnik BLDC można przyrównać o klasycznego silnika prąu stałego wzbuzanego magnesami trwałymi, w którym za opowienie przełączanie zasilania uzwojenia twornika Streszczenie: W artykule przestawiono wybrane algorytmy sterowania silnikami z magnesami trwałymi: silnikami bezszczotkowymi prąu stałego BLDC oraz silnikami synchronicznymi z magnesami trwałymi PMSM. Maszyny takie, pomimo zbliżonej konstrukcji mechanicznej, iametralnie różnią się po wzglęem opisu moelu matematycznego, a co za tym izie sposób ich sterowania jest inny. W publikacji ukazano analogię opisywanych meto o strategii sterowania komutatorowego silnika prąu stałego. Zaprezentowano wyniki baań symulacyjnych opisywanych algorytmów. Omówiono kwestię wustrefowego sterowania prękością kątową wału. Poano wytyczne la konstruktorów ukłaów sterowania ułatwiające poejmowanie ecyzji otyczących wyboru anego rozwiązania, jak i jego późniejszej implementacji. Omówiono wybrane aspekty konstrukcji przekształtników energoelektronicznych wykorzystywanych o sterowania silników z magnesami trwałymi. Słowa kluczowe: silniki synchroniczne z magnesami trwałymi PMSM, silniki bezszczotkowe prąu stałego BLDC, sterowanie wektorowe SELECTED CONTROL ALGORITHMS OF PERMANENT MAGNET MOTORS Abstract: The paper presents the selecte control algorithms of permanent magnet motors: brushless irect-current motors BLDC an permanent magnet synchronous motors PMSM. Such machines espite their similar mechanical structure have an entirely ifferent mathematical moel an therefore their control algorithms are ifferent. The publication shows the analogy between the escribe methos an the control strategy of a brushe DC motor. The results of the simulation tests of the escribe algorithms were presente. The issue of two-zone control angular velocity of the shaft is iscusse. The article provies guiance for esigners of control systems to facilitate ecision-making regaring the selection of the solution an its subseuent implementation. It iscusses some selecte aspects of the construction of power converters use to control permanent magnet motors. Keywors: permanent magnet synchronous motors PMSM, brushless irect-current motors BLDC, vector control opowiaa komutator mechaniczny. Moment rozwijany na wale takiego silnika zależny jest o konstrukcji maszyny, użytych o jego buowy magnesów trwałych (ecyują one 86 Nr 6 Czerwiec 018 r.

2 Rys. 1. Schemat napęu z silnikiem trójfazowym z magnesami trwałymi o wartości uzyskiwanego strumienia magnetycznego) oraz prąu przepływającego przez uzwojenie twornika. W przypaku konstrukcji bezszczotkowej rolę komutatora pełni przekształtnik energoelektroniczny noszący nazwę sterownika silnika. Informacja o bieżącym położeniu wirnika, konieczna o poprawnego załączenia kluczy sterownika, uzyskiwana jest na postawie sygnałów z czujników Halla, rozłożonych na obwozie stojana silnika co 10. Dokonując poziału strategii sterowania silnikiem BLDC, ze wzglęu na wielkość regulowaną można wyróżnić wie kategorie. Do pierwszej zaliczane są metoy napięciowe (wówczas wielkością regulowaną jest napięcie zasilające uzwojenie stojana silnika), o rugiej metoy prąowe (wówczas wielkością regulowaną jest prą płynący przez poszczególne fazy silnika) [5, 6, 7]. Wykorzystując sterowanie napięciowe, koniecznym staje się rozbuowanie przekształtnika energoelektronicznego o przetwornicę DC/DC, zasilającą obwó pośreniczący sterownika silnika. Nierzako istotne jest ozyskiwanie energii poczas hamowania. Sytuacja taka jest powszechna w przypaku pojazów elektrycznych zasilanych z baterii akumulatorów. Wówczas wspomniana przetwornica musi charakteryzować się wukierunkowym przepływem energii, co oatkowo komplikuje jej strukturę i ponosi koszty buowy urzązenia. Schemat blokowy napięciowego algorytmu sterowania został przestawiony na rysunku. Wykorzystano kaskaowe połączenie regulatora momentu z narzęnym regulatorem prękości. Pomiar prąu okonywany jest na wyjściu obwou pośreniczącego, natomiast o pomiaru prękości wykorzystano czujnik umieszczony na wale silnika. Ukła taki charakteryzuje się obrymi właściwościami ynamicznymi przebiegi wybranych wielkości fizycznych zamieszczono na rysunku 3. Prąowe metoy sterowania silnikiem BLDC wypaają korzystniej po kątem złożoności ukłau. Nie jest konieczna oatkowa rozbuowa części silnoprąowej sterownika, a funkcję regulacyjną pełnią klucze użyte o buowy trójfazowego mostka sterowanego. Schemat blokowy prąowego algorytmu sterowania silnikiem BLDC przestawiono na rysunku 4. Również w tym przypaku wykorzystano kaskaowe połączenie poporząkowanego regulatora momentu z narzęnym regulatorem prękości. Rys.. Schemat blokowy napięciowego algorytmu sterowania silnikiem BLDC Rys. 3. Przebiegi wybranych wielkości fizycznych (prękości zaanej, prękości mierzonej na wale silnika oraz momentu elektromagnetycznego), bęących wynikiem baań symulacyjnych napięciowego algorytmu sterowania silnikiem BLDC W przypaku sterowania prąowego, w zależności o tego, przez jaki czas tranzystory mostka sterowanego pełnią funkcję regulacyjną, można okonać jego poziału na pokategorie: strategia C60Q+, C60Q, C10Q+, C10Q oraz sterowanie bipolarne, w którym rolę regulacyjną pełnią zarówno klucze z grupy zaworów oatnich, jak i ujemnych, w chwilach, gy są one załączone przez ukła sterowania komutatora elektronicznego. Głównym powoem stosowania różnych strategii sterowania kluczami jest ograniczenie strat ynamicznych w tranzystorach, co okłanie opisano w artykule [5]. Pewną trunością w przypaku fizycznej realizacji przekształtnika jest okonywanie pomiaru prąu płynącego w obwozie pośreniczącym. Wynika to z konstrukcji połączeń mechanicznych pomięzy głównym konensatorem obwou pośreniczącego a biegunami zasilania mostka trójfazowego. Newralgiczną kwestią jest tutaj uzyskanie połączeń bezinukcyjnych, zięki czemu poczas przełączeń kluczy nie występują Nr 6 Czerwiec 018 r. 87

3 Rys. 5. Przebiegi wybranych wielkości fizycznych (prękości zaanej, prękości mierzonej na wale silnika oraz momentu elektromagnetycznego), bęących wynikiem baań symulacyjnych prąowego algorytmu sterowania silnikiem BLDC maksymalnych poszczególnych wielkości fizycznych wynikających z opuszczalnego obszaru pracy napęu [9]. Ważnym aspektem w przypaku stosowania silników bezszczotkowych prąu stałego jest minimalizacja kosztów napęu. Często o pomiaru prękości kątowej wału silnika, zamiast eykowanego czujnika pomiarowego, wykorzystuje się informacje z czujników Halla umieszczonych na obwozie stojana maszyny. Pomiar taki jest wiarygony jeynie w zakresie użych prękości. Rys. 4. Schemat blokowy prąowego algorytmu sterowania silnikiem BLDC przepięcia, które są groźne la przyrząów półprzewonikowych. Każa ingerencja w to połączenie powouje wzrost inukcyjności. Można jenak zrezygnować z kłopotliwego pomiaru, a w zamian okonywać obliczania prąu pobieranego z obwou pośreniczącego na postawie pomiarów prąów fazowych i zastosowania prostownika fazoczułego [8]. Kosztem, jaki trzeba w tym przypaku ponieść, jest zwiększenie złożoności ukłau oraz ilości użytych czujników pomiarowych (w przypaku silnika trójfazowego trzeba wówczas wykorzystać przynajmniej wa czujniki pomiaru prąu). Wyniki baań symulacyjnych, obrazujące jakość sterowania ukłaem napęowym z silnikiem BLDC sterowanym z wykorzystaniem algorytmu prąowego, zaprezentowano na rys. 5. W przypaku sterowania silnikiem BLDC nie ma możliwości osłabienia strumienia wzbuzenia maszyny, a co za tym izie efektywnej pracy w rugiej strefie sterowania prękością (gy moc przepływająca przez maszynę jest stała). Aby móc uzyskać większe prękości kątowe wału silnika, konieczne jest zwiększenie napięcia zasilającego obwó pośreniczący przekształtnika. Nie należy przy tym oczywiście przekraczać wartości 4. Sterowanie silnikami PMSM Tak jak w poprzenim punkcie sterowanie silnika BLDC przyrównano o sterowania silnika prąu stałego z komutatorem mechanicznym, tak też można uczynić z silnikiem PMSM. Należy wówczas skorzystać ze sterowania wektorowego. Schemat blokowy jenego z wariantów takiego algorytmu, tzw. sterowania polowo zorientowanego, przestawiono na rysunku 6. Sterowanie polowo zorientowane osazone jest w wirującym ukłazie współrzęnych, którego oś rzęnych oznaczana literą pokrywa się z wektorem strumienia pola magnetycznego. Prą stojana w takim ukłazie współrzęnych usytuowany jest po pewnym kątem w stosunku o osi rzęnych i można okonać jego rozkłau na wie ortogonalne skłaowe I oraz I. Dzięki takiej ekompozycji uzyskuje się wa niezależne tory sterowania poszczególnymi skłaowymi. Zależność pozwalająca obliczyć moment elektromagnetyczny generowany w silniku synchronicznym z magnesami trwałymi przestawia się następująco: M e 3 = p ψ f [ I + ( L L ) I I ] Natomiast zależność na strumień stojana: s f [( L I ) + ( L I ) ] (1) ψ = ψ () 88 Nr 6 Czerwiec 018 r.

4 reklama reklama Rys. 6. Schemat blokowy wektorowego algorytmu sterowania silnikiem PMSM gzie: M e moment elektromagnetyczny silnika; p liczba par biegunów; I prą w osi ; I prą w osi ; L inukcyjność w osi ; L inukcyjność w osi ; ψ f strumień skojarzony pochozący o magnesów trwałych; ψ s strumień skojarzony stojana. Z powyższych formuł wynika, iż bezpośrenie sterowanie poszczególnymi skłaowymi nie zapewnia przełożenia na niezależne sterowanie momentem elektromagnetycznym i strumieniem magnetycznym, gyż struktura taka nie jest osprzężona, występują w niej tzw. sprzężenia skrośne. Aby zyskać możliwość niezależnej regulacji momentu elektromagnetycznego i wzbuzenia silnika, konieczne jest oanie kolejnych sprzężeń pomięzy torami regulacji prąów w osi i, co zaprezentowano na rysunku 6. Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi wypaa użo korzystniej o silnika bezszczotkowego prąu stałego po wzglęem oscylacji momentu elektromagnetycznego. Doatkowo umożliwia wustrefową regulację prękości kątowej wału poprzez opowienią regulację skłaowych prąu stojana [10]. Dzięki takiemu poejściu nie jest wymagane oatkowe rozbuowanie struktury falownika, rozbuowa funkcjonalności sprowaza się o rozbuowy oprogramowania sterownika przekształtnika energoelektronicznego. Nr 6 Czerwiec 018 r. 89

5 Rys. 7. Przebiegi wybranych wielkości fizycznych (prękości zaanej, prękości mierzonej na wale silnika oraz momentu elektromagnetycznego), bęących wynikiem baań symulacyjnych wektorowego algorytmu sterowania silnikiem PMSM 5. Implementacja algorytmów sterowania silnikami z magnesami trwałymi Praktyczna realizacja opisanych algorytmów sterowania wymaga wykorzystania jenostek obliczeniowych zolnych o przeprowazenia stosownych wyliczeń w czasie rzeczywistym. Oznacza to, iż wyniki bęące efektem realizacji pętli regulacji muszą być uzyskane w czasie krótszym niż okres impulsowania wynikający z częstotliwości pracy przekształtnika energoelektronicznego. W przypaku silników BLDC kwestia implementacji algorytmów wygląa korzystniej, struktury sterowania są prostsze, przez co nakła obliczeniowy jest mniejszy. Dzięki temu można wykorzystać mikrokontrolery o stosunkowo niewielkiej mocy obliczeniowej. Silniki PMSM są po tym wzglęem barziej wymagające. Struktury sterowania są użo barziej rozbuowane. Aby im sprostać, można wykorzystać stałoprzecinkowe procesory sygnałowe. Należy wówczas przeprowazać obliczenia jeynie w arytmetyce stałoprzecinkowej, a gy tylko jest to możliwe, to wykonać je offline i wyniki zaimplementować w pamięci programu (tzw. look-up table) [11]. W celu okonania implementacji najbarziej wyrafinowanych algorytmów sterowania silnikami z magnesami trwałymi, w tym sterowania bezczujnikowego oraz sterowania opornego, których prezentacja wykracza poza ramy niniejszego artykułu, konieczne jest wykorzystanie mikroprocesorów zmiennoprzecinkowych oraz ukłaów rekonfigurowalnych FPGA [1, 13]. 6. Posumowanie W artykule opisano jeynie wybrane algorytmy sterowania silnikami z magnesami trwałymi. Starano się ukazać ich analogię o sterowania silnika prąu stałego z komutatorem mechanicznym. Pełen przeglą meto sterowania tego typu maszynami elektrycznymi wykracza poza zakres artykułu, natomiast przeglą pozycji monograficznych [14, 15] stanowi bogate źróło informacji z zakresu sterowania silników opisywanych w niniejszej publikacji. Literatura [1] Bernatt J., Gawron S., Król E.: Zastosowania trakcyjne nowoczesnych silników z magnesami trwałymi. Przeglą Elektrotechniczny, 1/009. [] Glinka T., Jakubiec M.: Silniki elektryczne z magnesami trwałymi umieszczonymi na wirniku. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, 71/005. [3] Gawron S.: Wybrane, innowacyjne projekty maszyn elektrycznych z magnesami trwałymi i ich praktyczne zastosowania. Maszyny Elektryczne Zeszyty Problemowe, 1/016. [4] Nowak R., Chuzik P., Sobieraj T.: Wektorowy falownik napięciowy z pomiarem rzeczywistego napięcia wyjściowego. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, /013. [5] Domaracki A., Krykowski K.: Silniki BLDC klasyczne metoy sterowania. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, 7/005. [6] Krish D., Samskriti, Vittal K.P.: Review of Developments in BLDC Motor Controllers Along with Stuy of Four-uarant Operation an Active Power Factor Correction /15, 015 IEEE, s [7] Vinatha U., Swetha P., Vittal K.P.: Recent Developments in Control Schemes of BLDC Motors /06, 006 IEEE, s [8] Dixon W.J., Leal I.A.: Current Control Strategy for Brushless DC Motors Base on a Common DC Signal. IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 17, No., March 00, s [9] Dębowski A., Nowak R.: Wyznaczanie opuszczalnego obszaru pracy trakcyjnego napęu asynchronicznego. Przeglą Elektrotechniczny, 4B/01. [10] Król E.: Silniki synchroniczne w napęach pojazów sportowo- -rekreacyjnych. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, /014. [11] Runicki T., Czerwiński R., Fręchowicz A.: Ukłay sterowania silnikiem PMSM. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, 90/011. [1] Han-Chen W., Min-Yi W., Ching-Chang W.: Spee Control of BLDC Motors Using Hall Effect Sensors Base on DSP /16, 016 IEEE, s [13] Rey B. P., Murali A.: SoC FPGA-Base Fiel Oriente Control of BLDC Motor Using Low Resolution Hall Sensor /16, 06 IEEE, s [14] Glinka T.: Maszyny elektryczne wzbuzane magnesami trwałymi. Wyawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 00. [15] Zawirski K.: Sterowanie silnikiem synchronicznym o magnesach trwałych. Wyawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 005. r inż. Rafał Nowak Politechnika Łózka, Instytut Automatyki, rafal.nowak@p.loz.pl artykuł recenzowany 90 Nr 6 Czerwiec 018 r.