Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 72/

Transkrypt

1 Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne Nr 72/ Arkadiusz Domoracki, Krzyszof Krykowski Poliechnika Śląska, Gliwice SILNIKI BLDC KLASYCZNE METODY STEROWANIA BLDC DRIVES THLASSICAONTROL STRATEGIES Absrac: The definiion of BLDC moor classical conrol mehod, erminology and classificaion of he classical conrol sraegies are described in he paper. The proposed classificaion based on elecronic commuaor ransisors swiching sequences. Equivalen circui diagrams in seady sae for each sraegy are shown. Based on hose diagrams derived a formulas o calculae curren increasing and falling imes for unipolar and bipolar sraegies. Those imes show he differences in ransisors swiching frequencies. The advanages and disadvanages of all presened conrol sraegies are indicaed oo. 1. Wprowadzenie Analizując publikacje związane z bezszczokowymi silnikami prądu sałego (ang. brushless DC moor lub w skrócie BLDC) rudno o jednolie uporządkowanie meod serowania komuaorem elekronicznym. Pewne próby w ym kierunku można odnaleźć w pracach anglojęzycznych [4, 7, 9]. W lieraurze krajowej najczęściej sosuje się podział sraegii serowania silników bezszczokowych jedynie na serowanie rapezowe i serowanie sinusoidalne [2, 6]. W silnikach ypu BLDC najczęściej sosuje się rapezowe (blokowe) meody serowania nazywając je klasycznymi. W arykule przedsawiono kryeria podziału klasycznych meod serowania bezszczokowymi silnikami prądu sałego, rodzaje ych meod oraz omówiono pracę komuaora elekronicznego w sanie usalonym. 2. Napęd z silnikiem BLDC Schema napędu z silnikiem BLDC w ypowej konfiguracji zaprezenowano na rysunku 1. Wyróżniono na nim dwie grupy zaworów komuaora elekronicznego: grupę zaworów dodanich oraz grupę zaworów ujemnych. W każdej z nich jedna z elekrod ranzysora podłączona jes odpowiednio do dodaniego lub ujemnego bieguna źródła napięcia zasilania. Jako klasyczną meodę serowania określa się aką sraegię, w kórej każdy ranzysor komuaora elekronicznego przewodzi prąd przez okres (ką) 12º elekrycznych, komuacja faz nasępuje w równych odsępach 6º, naomias informacja o akualnej pozycji wirnika pochodzi z czujnika położenia wirnika (CPW). Ogólna sekwencja przełączeń zaworów komuaora jes idenyczna dla wszyskich rozparywanych sraegii serowania (rys.2) [2, 4, 7, 11]. Grupa zaworów dodanich Serowanie Wielkość zadana A B C CPW Grupa zaworów ujemnych Rys. 1. Schema napędu z silnikiem BLDC Rys. 2. Ogólna sekwencja przełączeń zaworów komuaora elekronicznego dla klasycznych sraegii serowania silnikiem BLDC Poszczególne meody serowania różnią się między sobą pod względem ego np., kóra grupa zaworów pełni rolę regulacyjną, jaki jes

2 156 Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne Nr 72/25 okres pełnienia ej funkcji oraz co jes wielkością regulowaną. 3. Kryeria podziału meod serowania Można wyróżnić kilka kryeriów podziału klasycznych meod serowania silnikami BLDC. Ze względu na wielkość regulowaną sraegie serowania można podzielić na dwie kaegorie. Pierwsza z nich o meody prądowe wielkością regulowaną jes prąd po sronie DC przekszałnika lub prądy fazowe silnika. Sraegie e oznacza się lierą C. Drugą kaegorię sanowią meody napięciowe, gdzie wielkością regulowaną jes napięcie silnika. Takie sraegie oznaczane są lierą V. Ze względu na okres (ką) pełnienia funkcji regulacyjnej przez poszczególne zawory komuaora elekronicznego klasyczne meody serowania można podzielić również na dwa przypadki. W pierwszym ką pełnienia funkcji regulacyjnej przez jeden z ranzysorów wynosi 12º elekrycznych (e sraegie oznacza się symbolem 12). W drugim przypadku każdy ranzysor pełni funkcję regulacyjną przez okres 6º elekrycznych przez okres pozosałych 6º funkcję regulacyjną przejmuje zawór z grupy przeciwnej (e meody serowania oznacza się symbolem 6). Ze względu na o, kóra grupa zaworów komuaora elekronicznego realizuje funkcję regulacyjną przez cały okres przewodzenia, lub ylko w kórej jego części (pierwszej czy drugiej) klasyczne sraegie serowania można podzielić na rzy przypadki. Jeżeli funkcję regulacyjną pełni zawsze ranzysor grupy dodaniej, lub jeśli funkcja a jes realizowana przez pierwsze 6º okresu przewodzenia każdego ranzysora, wówczas meodę serowania oznacza się symbolem Q+ (rzadziej Q1). Jeżeli funkcję regulacyjną pełni zawsze ranzysor grupy ujemnej, lub jeśli funkcja a jes realizowana przez osanie 6º okresu przewodzenia każdego ranzysora, wówczas meodę serowania oznacza się symbolem Q (rzadziej Q6). Naomias w przypadku gdy funkcję regulacyjną pełnią jednocześnie oba przewodzące ranzysory komuaora elekronicznego meodę serowania określa się jako bipolarną (i najczęściej nie oznacza żadnym dodakowym symbolem) [1, 3, 5, 7, 1]. Z uwagi na o, że idee sekwencji przełączeń zaworów komuaora elekronicznego dla sraegii ypu C oraz V są idenyczne w dalszej części arykułu omówiono je na przykładzie prądowych meod serowania. 4. Klasyczne meody serowania 4.1. Sraegia C12Q+ oraz C12Q W obu meodach serowania wielkością regulowaną jes prąd silnika. W sraegii C12Q+ funkcję regulacyjną pełnią ylko zawory grupy dodaniej. Tranzysory grupy ujemnej pełnią jedynie rolę komuaorową (pozosają sale załączone w przedziałach swojego przewodzenia). Sekwencję przełączeń ranzysorów komuaora dla ej meody serowania zobrazowano na rysunku Rys. 3. Sekwencja przełączeń zaworów komuaora dla sraegii serowania C12Q Rys. 4. Sekwencja przełączeń zaworów komuaora dla sraegii serowania C12Q Przy zasosowaniu sraegii C12Q funkcję regulacyjną pełnią wyłącznie zawory grupy ujemnej. Wówczas ranzysory grupy dodaniej spełniają jedynie rolę komuaorową. Sekwencję przełączeń ranzysorów komuaora dla sraegii C12Q przedsawiono na rysunku 4.

3 Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne Nr 72/ Zaleą ych meod serowania jes o, że funkcję regulacyjną pełnią ylko rzy zawory komuaora (upraszcza o realizację układu elekronicznego). Jes o niesey jednocześnie ich wadą ponieważ powoduje nierównomierne wykorzysanie ranzysorów oraz różne częsoliwości ich przełączeń Sraegia C6Q+ oraz C6Q Wielkością regulowaną w obu omawianych meodach serowania jes również prąd silnika (liera C w symbolu). W sraegii C6Q+ ranzysory przez pierwsze 6º okresu swojego przewodzenia pełnią funkcję regulacyjną, a przez okres kolejnych 6º spełniają jedynie rolę komuaorową. Sekwencję przełączeń zaworów komuaora dla ej meody serowania przedsawiono na rysunku 5. pełnią jedynie rolę komuaorową, a przez okres kolejnych 6º spełniają funkcję regulacyjną (rys.6). Zaleą ych meod serowania jes równomierne wykorzysanie (obciążenie) wszyskich ranzysorów komuaora elekronicznego. Ich wadą jes zwiększenie sopnia komplikacji elekronicznego układu serowania oraz różne częsoliwości przełączeń ranzysorów San pracy usalonej przy serowaniu unipolarnym Ze względu na o, że we wszyskich wyżej wymienionych sraegiach (C12Q+, C12Q, C6Q+ oraz C6Q ) w danej chwili funkcję regulacyjną pełni ylko jeden ranzysor komuaora, meody e określa się czasem wspólnym erminem serowanie unipolarne [1, 9]. Rozparzmy pracę silnika w sanie usalonym dla przedziału 6 przy zasosowaniu ych meod Rys. 5. Sekwencja przełączeń zaworów komuaora dla sraegii serowania C6Q Rys. 6. Sekwencja przełączeń zaworów komuaora dla sraegii serowania C6Q Naomias w sraegii C6Q ranzysory przez pierwsze 6º okresu swojego przewodzenia Rys. 7. Schema zasępczy silnika BLDC przy załączonych dwu ranzysorach Z uwagi na o, że schema zasępczy obowiązujący w przedziale załączenia ranzysora pełniącego rolę regulacyjną (rys. 7) jes aki sam dla wszyskich omawianych sraegii, czas narasania prądu ( on z rys. 1) jes również jednakowy. Jeśli pominąć rezysancje zaworów oraz rezysancje fazowe silnika, o czas en opisuje zależność: on 2L =, (1) U 2E gdzie: przyros prądu fazowego, L indukcyjność zasępcza fazowa silnika, napięcie zasilania, E warość fazowej siły elekromoorycznej. Schemay zasępcze dla unipolarnych sraegii serowania (C12Q+ oraz C12Q ) przedsawiono na rysunku 8 oraz 9. Ławo zauważyć, że obwody e są równoważne. Na podsawie rów- DC

4 158 Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne Nr 72/25 nań opisujących e obwody można określić czas opadania prądu ( off z rys. 1) jako: L off =. (2) E w przypadku meod unipolarnych sray serowania. Rys. 8. Schema zasępczy silnika przy sraegii ypu C12Q+ (ranzysor regulujący wyłączony) Rys. 9. Schema zasępczy silnika przy sraegii ypu C12Q (ranzysor regulujący wyłączony) on off on off on on off Rys. 1. Przebieg prądu fazowego silnika dla sraegii C12Q+ (w sanie usalonym) 4.4. Serowanie bipolarne W przypadku serowania bipolarnego przewodzące ranzysory obu grup pełnią równocześnie funkcje regulacyjną. Sekwencję przełączeń dla ej sraegii przedsawiono na rysunku 11. Zaleą serowania bipolarnego jes równomierne obciążenie wszyskich zaworów komuaora elekronicznego oraz jednakowe częsoliwości ich przełączeń. Wadą naomias są wyższe, niż Rys. 11. Sekwencja przełączeń zaworów komuaora dla serowania bipolarnego 4.5. San pracy usalonej przy serowaniu bipolarnym Rozparując pracę silnika dla przedziału analogicznego jak wcześniej ( 6 ) można zauważyć, że przy zasosowaniu serowania bipolarnego czas narasania prądu ( on ) jes aki sam jak dla meod unipolarnych (obowiązuje en sam schema zasępczy rys. 7). W czasie kiedy wyłączone są oba ranzysory prąd silnika płynie poprze diody zwrone oraz źródło napięcia zasilania (rys 12). Rys. 12. Schema zasępczy silnika dla serowania bipolarnego (ranzysory regulujące oraz wyłączone) Czas zaniku prądu fazowego ( off z rys. 13) jes w ym przypadku znacznie krószy niż w sraegiach unipolarnych. Dla serowania bipolarnego można go opisać nasępującą zależnością: off 2L =. (3) U + 2E DC

5 Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne Nr 72/ on off on off on off on off on off on on off off Rys. 13. Przebieg prądu fazowego silnika przy zasosowaniu serowania bipolarnego Aby zapewnić akie same warunki pracy silnika przy zasosowaniu serowania bipolarnego jak przy serowaniu unipolarnym, należy znacznie (nawe o 5%) zwiększyć częsoliwość przełączeń ranzysorów. 5. Zakończenie W arykule zdefiniowano pojęcie klasycznej sraegii serowania silnikiem BLDC, przedsawiono nazewnicwo oraz przeprowadzono klasyfikację meod serowania na podsawie idei sekwencji wyzwalania ranzysorów komuaora elekronicznego. Dodakowo, na podsawie schemaów zasępczych silnika przeanalizowano san pracy usalonej dla meod unipolarnych oraz dla serowania bipolarnego. Pozwoliło o na określenie wad oraz zale poszczególnych rozwiązań. Dodakowo przedsawiono przybliżone zależności pozwalające na oszacowanie różnic w częsoliwościach przełączeń zaworów komuaora dla poszczególnych sraegii serowania. 6. Lieraura [1] Berendsen C., Champenois G., Bolopin A.: Commuaion sraegies for brushless DC moors: influence on insan orque. IEEE Transacions on Power Elecronics, vol.8, no. 2 April 1993 [2] Dencer A., Glinka T., Jakubiec M., Polak A.: Bezszczokowy silnik prądu sałego sposoby serowania komuaorem elekronicznym. Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne Nr 65/23, BOBRME Komel Kaowice 23 [3] Dixon J., Leal I.: Curren conrol sraegy for brushless DC moors based on a common DC signal. IEEE Transacions on Power Elecronics, vol.17, no. 2 March 22 [4] Doe Y., Kinoshia S.: Brushless servomoors - Fundamenal and Applicaions. Clarendon Press, Oxford 199 [5] Domorack.: Silniki bezszczokowe klasyczne meody serowania komuaorem elekronicznym. Zeszyy Naukowe Poliechniki Śląskiej, seria Elekryka z. 192, Gliwice 24 [6] Dudzikowski I., Pawlaczyk L.: Maszyny prądu sałego o magnesach rwałych i ich serowanie san akualny i perspekywy rozwoju. Zeszyy Naukowe Poliechniki Śląskiej, seria Elekryka z. 176, Gliwice 21 [7] Hendersho J.R., Miller T.J.E.: Design of brushless permanen-magne moors. Magna Physics Publishing and Calderon Press, Oxford 1994 [8] Krishnan R.: Elecric moor drives modeling, analysis and conrol. Prenice Hall 21 [9] Lee K., Park J., Yeo H., Yoo J., Jo H.: Curren conrol algorihm o reduce orque ripple in brushless DC moor. Proceedings ICPE 98, Seoul 1998 [1] Ohm D., Park J.: Abou commuaion and curren conrol mehods for brushless moors. 29 annual IMCSD symposium, San Jose 1999 [11] Pillay P., Krishnan R.: Modeling, simulaion and analysis of permanen-magne moor drives, par II: he brushless DC moorr drive. IEEE Transacions on Indusry Applicaions, vol.25, no. 2 March/April 1989 Auorzy mgr inż. Arkadiusz Domoracki dr hab. inż. Krzyszof Krykowski, Prof. Pol. Śl. Poliechnika Śląska, Wydział Elekryczny Kaedra Energoelekroniki, Napędu Elekrycznego i Roboyki ul. B. Krzywousego 2, 44-1 Gliwice el.: (-32) , , Arkadiusz.Domoracki@polsl.pl Krzyszof.Krykowski@polsl.pl