ANALIZA WPŁYWU USZKODZEŃ CZUJNIKÓW NA PRACĘ NAPĘDU Z SILNIKIEM PM BLDC

Transkrypt

1 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 4/4 (4) 7 Marcin Skóra, zesław T. Kowalski Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn Napędów i Pomiarów Elektrycznych NLIZ WPŁYWU USZKODZEŃ ZUJNIKÓW N PRĘ NPĘDU Z SILNIKIEM PM LD INFLUENE OF SENSORS FULTS ON PM LD DRIVE Streszczenie: Poprawna komutacja silnika PM LD wymaga informacji o położeniu wirnika. Do jej uzyskania wystarczające jest zastosowanie czujników położenia wirnika, zabudowanych w silniku. Uszkodzenie tych elementów obniża niezawodność i pogarsza funkcjonowanie systemu napędowego. W pracy przedstawiono układ sterowania silnikiem PM LD oraz omówiono wpływ wybranych uszkodzeń czujników na przebiegi prądów fazowych. Do oceny diagnostycznej sytuacji awaryjnych zaproponowano hodografy wektora prądów fazowych na płaszczyźnie α β oraz hodograf wektora sygnałów czujników położenia wirnika. Przedstawiono algorytm detekcji i identyfikacji uszkodzonego czujnika. bstract: orrect commutation of PM LD motor requires information about the rotor position, which can be obtained from rotor position sensors, built in motor. Every fault of these components reduces reliability and performance of the drive system. In this work PM LD motor control system has been presented and influence of some sensor faults on phase currents waveforms has been discussed. For the diagnostic evaluation α-β plane hodographs of phase currents vector and rotor position sensors vector have been proposed. Faulty sensor detection and identification algorithm has been presented. Słowa kluczowe: silnik bezszczotkowy prąd stałego, uszkodzenia czujników położenia wirnika Keywords: permanent magnet brushless direct current motor, rotor position sensor fault. Wstęp Silniki bezszczotkowe prądu stałego z magnesami trwałymi (PM LD) znalazły szerokie zastosowanie w przemyśle oraz w napędzie elektrycznym pojazdów małej mocy (np. rowery elektryczne, wózki inwalidzkie). Zdecydowały o tym ich zalety mała bezwładność wirnika, dobre odprowadzanie ciepła i dłuższa żywotność, wynikająca z zamiany komutatora mechanicznego komutatorem elektronicznym. Ostatnia cecha jednakże powoduje, że układ sterowania prędkością takiego silnika posiada dodatkowe zadanie odpowiednie zasilanie poszczególnych pasm silnika w zależności od położenia wirnika, które można wyznaczać na wiele sposobów z wykorzystaniem dyskretnych czujników położenia wirnika, enkodera lub metodami bezczujnikowymi. Poprawne zamocowanie tych czujników (optycznych lub hallotronowych) jest wystarczające do przeprowadzania procesu komutacji oraz estymacji prędkości obrotowej []. elem niniejszej pracy jest analiza układu napędowego z silnikiem PM LD w przypadku nieprawidłowej pracy tych czujników. W literaturze nie ma zbyt wielu pozycji poświęconych temu zagadnieniu [, ], dlatego zostaną omówione skutki zaburzeń procesu komutacji oraz podane metody detekcji i identyfikacji uszkodzonych elementów. Rozważania zostały zilustrowane przebiegami zarejestrowanymi na stanowisku laboratoryjnym.. Struktura sterowania napędu z silnikiem PM LD adania na stanowisku laboratoryjnym (rys. ) przeprowadzono w układzie sterowania przedstawionym na rysunku, dla dwóch przypadków pracy: w układzie otwartym oraz w kaskadowym układzie regulacji prędkości z podporządkowanym regulatorem prądu źródła prądu stałego. Przyjęto strategię sterowania kluczami tranzystorowymi komutatora elektronicznego (rys. ), w której tranzystory grupy ujemnej (T, T 4, T 6 ) pełnią funkcję komutacyjną, a tranzystory grupy dodatniej (T, T, T 5 ) funkcję regulacyjną. Sygnały sterujące poszczególnymi kluczami dla danego kierunku wirowania wirnika opisano zależnościami () i (), gdzie H k (k {,, }) oznacza sygnał wyjściowy z czujnika położenia wirnika, traktowany jako wartość logiczna. by zmienić kierunek wirowania, należy zmienić kolejność

2 8 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 4/4 (4) { dk, tk } ik ωm ω N Rys.. Schemat układu sterowania napędu z silnikiem PM LD komputer P (Matlab/ Simulink + ontroldesk) zasilacz sygnały sterujące dspace DS + panel przyłączeniowy falownik napięciowy u D, id u, u, u i, i, i enkoder H, H, H układ pomiarowy silnik PM LD Rys.. Schemat stanowiska laboratoryjnego Rys.. Schemat układu komutatora elektronicznego zasilanych faz, co można osiągnąć podstawiając w zależnościach () i () zanegowane wartości sygnałów H k. d d d = ( H = ( H = ( H t t t = H = H = H ) D ) D ) D oscyloskop () () gdzie D oznacza współczynnik wypełnienia impulsu. Stanowisko badawcze (rys. ) wyposażone zostało w trójpasmowy silnik PM LD typu PL86-8, o parametrach zamieszczonych w tabeli. Pomiary napięć i prądów, fazowych i obwodu prądu stałego, wykonywane były przetwornikami LEM umieszczonymi w układzie pomiarowym i w skonstruowanym na potrzeby stanowiska niskonapięciowym falowniku napięcia, pełniącym rolę komutatora elektronicznego. Tabela. Parametry silnika PL86-8 prędkość znamionowa silnika ω mn = obr/min przełożenie przekładni redukującej prędkość i= znamionowy moment elektromagnetyczny silnika m en =, Nm prąd znamionowy I D,N = napięcie znamionowe u D,N =48 V. naliza pracy sprawnego układu napędowego adania układu, w którym czujniki położenia wirnika pracują prawidłowo, zrealizowano na stanowisku (rys. ) przy ograniczeniu napięcia zasilania do wartości 5% u dc,n i prądu zasilacza do. Silnik był obciążony jedynie oporami tarcia od wbudowanej przekładni. Takie warunki pracy umożliwiają analizę skutków symulowanych fizycznie uszkodzeń bez ryzyka uszkodzenia napędu. Na rysunku 4 przedstawiono przebieg prądów fazowych zarejestrowanych w trakcie pracy sprawnego układu napędowego. W celu analizy porównawczej wyników, zmierzone wektory prądów fazowych oraz wektor zadanych idealnych prądów fazowych, zostały przeliczone według () z trójfazowego układu do dwufazowego układu współrzędnych prostokątnych α β i przedstawione na płaszczyźnie zespolonej w postaci hodografów. Jak wynika

3 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 4/4 (4) 9 z rysunku 5, w sprawnym układzie hodograf wektora zadanych idealnych prądów fazowych i βz =f(i αz ) przyjmuje kształt symetryczny, sześciokątny, natomiast hodograf wektora mierzonych prądów fazowych i β =f(i α ) kształt zbliżony do symetrycznego, sześciokątnego, z widocznymi odkształceniami. i, i, i [] i i α β = [ i i i ] T - i i i () Rys. 4. Przebiegi prądów fazowych w trakcie normalnej pracy i αz [p.u.] i β [] i α [] Rys. 5. Hodografy wektora idealnych zadanych prądów fazowych i βz =f(i αz ) oraz wektora mierzonych prądów fazowych i β =f(i α ) W podobny sposób można wyznaczyć hodograf wektora sygnałów położenia wirnika (4), przy czym sygnały położenia,, poddano zabiegowi symetryzacji względem zera wg (5). Kształt tak obliczonego hodografu =f( ) przedstawiono na rysunku 6. Wyróżnione punkty odpowiadają sześciu kombinacjom stanów przyjmowanych przez czujniki położenia w sprawnym układzie. rak tutaj dwóch kombinacji zerowych, gdyż w trakcie normalnej pracy one nie występują wszystkie czujniki jednocześnie nie mogą wskazywać tego samego stanu. H H α β = H s k s s s [ H H H ] T (4) = H, k {,, } (5) k Rys. 6. Hodograf wektora sygnałów położenia wirnika =f( ) w sprawnym układzie (w nawiasach stany poszczególnych czujników w danym punkcie) 4. naliza pracy układu napędowego podczas symulowanych uszkodzeń czujników położenia wirnika Podczas normalnej pracy napędu z silnikiem PM LD może wystąpić sytuacja awaryjna polegająca na uszkodzeniu przynajmniej jednego z czujników położenia wirnika. W jej wyniku, sygnał zwracany przez uszkodzone czujniki w szczególności może przyjąć stały poziom logiczny niski ( ) lub wysoki ( ), niezależnie od rzeczywistego kąta położenia wirnika. W przypadku uszkodzenia pojedynczego czujnika powoduje to wystąpienie kombinacji zerowej stanów przyjmowanych przez czujniki, tj. takiej, gdy wszystkie będą przyjmowały ten sam stan logiczny. Kombinacja zerowa jest więc wyznacznikiem wystąpienia awarii jednego z czujników położenia wirnika i od układu sterującego zależy czy ją wykryje i jakie wtedy działania podejmie. Przyczyny uszkodzeń mogą mieć różną naturę. Wśród elektrycznych można wyróżnić brak zasilania czujnika, brak podłączenia linii sygnałowej do komutatora elektronicznego, zwarcie linii sygnałowej do potencjału zasilania, przekroczenie dopuszczalnego prądu wyjściowego czy też np. uszkodzenia stopnia wyjściowego czujników z wyjściem typu otwarty kolektor. Za uszkodzenia czujników hallotronowych dodatkowo odpowiedzialne są zmiany we właściwościach magnetycznych magnesów, związanych z temperaturą, czy zmiany w kierunku indukowanego pola magnetycznego []. W dalszej części artykułu rozważane będą przypadki pracy napędu z silnikiem PM LD w trakcie symulowanych awarii pojedynczych czujników, tj. wymuszania ich stałych stanów, niezależnie od położenia wirnika. Przypadki

4 4 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 4/4 (4) uszkodzeń dwóch czujników, ich niedokładnego montażu oraz nieprawidłowej kolejności połączeń nie będą rozpatrywane. W celu rozróżniania rodzaju uszkodzeń wprowadzono zapis typu =, który należy rozumieć, że czujnik fazy zwraca stale wartość logiczną wysoką ( ) oraz = czujnik fazy zwraca stale wartość logiczną niską ( ), itd. Na rysunku 7 przedstawiono przebieg prądów fazowych w momencie symulacji awarii jednego z czujników. Niezależnie od tego, który to będzie, wystąpi kilka widocznych na rysunku 7 skutków: okresowo występują przerwy w pracy komutatora, tj. żadna z faz nie jest zasilana, natężenie prądu i generowany moment elektromagnetyczny maleje do zera, związane jest to z występowaniem zabronionej sekwencji zerowej stanów czujników, której nie ma w zbiorze reguł sterujących komutatorem (zależności () i ()), stała wartość wyjściowa uszkodzonego czujnika powoduje, że z zależności sterujących () i () nie są wybierane niektóre stany zasilania, co objawia się tym, że podczas uszkodzenia w niektórych fazach nie zmienia się kierunek płynięcia prądu, wskutek zasilania niewłaściwego uzwojenia występują uderzenia prądowe o znacznej amplitudzie, przewyższającej kilkukrotnie wartość prądu pobieranego w trakcie normalnej pracy. 6 4 i i i i i (rys. 7), jak i przebiegu prądu pobieranego z obwodu prądu stałego (rys. 8). i D,m [] Rys. 8. Przebieg prądu i D,m po wystąpieniu jednego z możliwych uszkodzeń by przeanalizować wpływ uszkodzeń czujnika położenia wirnika na pracę napędu, dokonano symulacji takich awarii na stanowisku laboratoryjnym, dla każdego z czujników, dla obu rodzajów uszkodzeń, przy prędkości wirowania wirnika, ω mn, zarówno dodatniej, jak i ujemnej. Na tej podstawie dokonano analizy wyników i ich zbiorczego porównania. Na rysunku 9 przedstawiono zmiany wyglądu hodografu wektora sygnałów położenia wirnika =f( ) w zależności od rodzaju uszkodzenia. Z porównania ze sprawnym układem wynikają następujące wnioski: podczas uszkodzeń czujników położenia wirnika znika część hodografu, gdyż nie występują niektóre kombinacje stanów czujników oraz pojawia się kombinacja zerowa. Dla każdego z uszkodzeń hodograf przyjmuje charakterystyczną postać, tj. wycinka sześciokąta foremnego (⅓ całości) o specyficznej orientacji na płaszczyźnie. = = = i, i, i [] H = - - H = - - H = -4 i i Rys. 7. Przebiegi prądów fazowych po wystąpieniu jednego z możliwych uszkodzeń Efekt opisany w ostatnim podpunkcie występuje zarówno otwartym układzie sterowania, jak i w kaskadowym i był przyczyną prowadzenia wstępnych badań przy obniżonym napięciu. Wymienione wyżej objawy są widoczne zarówno w przebiegach prądów fazowych Rys. 9. Hodografy wektora sygnałów położenia wirnika =f( ) po wystąpieniu uszkodzenia, w zależności od jego rodzaju rak niektórych kombinacji stanów sygnałów położenia wirnika wymaganych w zależnościach () i () skutkuje nieprawidłowym zasilaniem faz silnika, stąd też wynikają odkształcenia przebiegów prądów fazowych i ich hodo-

5 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 4/4 (4) 4 grafów. Jak przedstawiono na rysunkach a,b, ich kształt (położenie na płaszczyźnie) zależny jest zarówno od rodzaju uszkodzenia, jak i od znaku prędkości obrotowej, co wynika z zasady generowania sygnałów sterujących komutatorem (, ) dla różnych kierunków wirowania wirnika. Na podstawie rysunków a,b opracowano modelowe hodografy wektora zadanych idealnych prądów fazowych i βz =f(i αz ) (rys. c,d). Dla każdego z uszkodzeń hodografy te przyjmują postać wycinka sześciokąta foremnego (⅓ całości) o specyficznej dla danego typu uszkodzenia (i znaku prędkości obrotowej) orientacji na płaszczyźnie. Stąd też na ich podstawie można wnioskować jakiego typu i którego czujnika awaria nastąpiła. 5. Detekcja i identyfikacja uszkodzonego czujnika Detekcja i identyfikacja uszkodzenia pojedynczego czujnika położenia wirnika opiera się na założeniu wystąpienia sekwencji zerowej stanów sygnałów z czujników położenia wirnika i porównania następnej sekwencji z wzorcami zebranymi na rysunku 9. Procedurę tę można zalgorytmizować: zdefiniować sygnał FS wystąpienia sekwencji zerowej (6), a następnie na jego zboczu opadającym porównać kolejną sekwencję z wzorcami zebranymi w tabeli []. Przedstawiona wyżej procedura została zweryfikowana symulacyjnie dla wszystkich rozważanych w referacie typów uszkodzeń czujników, dla różnych wartości prędkości obrotowych wirnika, dla obu kierunków wirowania oraz różnych momentów obciążających. Przykładowy przebieg procesu detekcji i identyfikacji przedstawiono na rysunku. Wadą tego podejścia jest stosunkowo długi czas pomiędzy uszkodzeniem a jego identyfikacją w przypadku niskich prędkości obrotowych wirnika, co wynika z czasu potrzebnego na przejście pomiędzy kolejnymi sekwencjami czujników położenia aż do kolejnej po sekwencji zerowej. a) = = = b) = = = = = = = = = c) = = = d) = = = = = = = = = Rys.. Hodografy wektora mierzonych prądów fazowych i β =f(i α ) (a, b) oraz hodografy idealnych zadanych prądów fazowych (c, d), po wystąpieniu uszkodzenia, w zależności od jego rodzaju, w kaskadowym układzie regulacji, dla ω m =+, ω mn (a), dla ω m =-, ω mn (b), dla ω m (c), dla ω m (d)

6 4 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 4/4 (4) I FS = ( H k ) ( H ) (6) k {,, } I k k {,, } Tabela. Identyfikacja uszkodzenia pojedynczego czujnika położenia wirnika stan czujników typ uszkodzenia ω m > ω m < = = = = = = = = = = = = typ uszkodzenia H_= H_= H_= H_= H_= H_= FS OK wystąpienie uszkodzenia detekcja uszkodzenia symulacja uszk. wykrycie uszk. nieprawidłowa sekw. identyfikacja uszkodzenia Rys.. Działanie układu identyfikującego typ uszkodzenia Kolejnym działaniem po identyfikacji uszkodzonego czujnika jest kompensacja awarii, poprzez zastąpienie informacji z wadliwie działającego sensora informacją z układu bezczujnikowego, enkodera lub innego estymatora położenia wirnika. 6. Podsumowanie Zagadnieniu wpływu uszkodzeń czujników położenia wirnika na pracę silnika PM LD poświęcono w literaturze stosunkowo mało miejsca. W artykule przedstawiono analizę wpływu uszkodzenia układu hallotronowego do wyznaczania położenia wirnika na pracę silnika. Zaprezentowano przebiegi prądowe oraz sygnałów kodujących położenie wirnika w stanie ustalonym po awarii. Zaproponowano sposób identyfikacji uszkodzenia na podstawie hodografu wektora sygnałów położenia wirnika =f( ) oraz hodografów wektora prądów fazowych (mierzonych i idealnych). Zaproponowany algorytm detekcji i identyfikacji uszkodzenia pojedynczego czujnika położenia wirnika oparty na założeniu wystąpienia sekwencji zerowej sygnałów z czujników położenia wirnika i porównania następnej sekwencji ze wzorcami. Procedura rozruchu lub nawrotu z uszkodzonym czujnikiem położenia wirnika jest osobnym problemem, nierozważanym w niniejszym opracowaniu. 7. Literatura []. Hetmańczyk J., Krykowski K.: adania symulacyjne i laboratoryjne silnika PM LD wykorzystującego czujnik położenia wirnika w obwodzie regulacji prędkości. Zeszyty Problemowe - Maszyny Elektryczne nr 7, 5, wyd. ORME Komel, s []. Scelba G., Scarcella G., i in.: Fault Tolerant Rotor Position and Velocity Estimation Using inary Hall-Effect Sensors for Low ost Vector ontrol Drives. Energy onversion ongress and Exposition (EE),, s. - []. Tashakori., Ektesabi M.: Simple Fault Tolerant ontrol System for Hall Effect Sensors Failure of LD Motor. 8th IEEE onference on Industrial Electronics and pplications (IIE),, s. 6 utorzy mgr inż. Marcin Skóra marcin.skora@pwr.edu.pl dr hab. inż. zesław T. Kowalski, prof. PWr. czeslaw.t.kowalski@pwr.edu.pl Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, ul. Smoluchowskiego 9, 5-7 Wrocław Informacje dodatkowe Praca została wykonana z wykorzystaniem Infrastruktury PL-Grid.