UKŁAD ZASILANIA SILNIKA BLDC Z UWZGLĘDNIENIEM SPECYFIKI NAPĘDU POJAZDU DROGOWEGO

Transkrypt

1 Zesyty Problemowe Masyny Elektrycne Nr 3/212 (96) 7 Andrej Sikora, Adam Zielonka Politechnika Śląska, Gliwice UKŁAD ZASILANIA SILNIKA BLDC Z UWZGLĘDNIENIEM SPECYFIKI NAPĘDU POJAZDU DROGOWEGO BLDC MOTOR SUPPLY DEDICATED TO ROAD VEHICLE DRIVE Abstract: The paper is focused on presenting BLDC motor drive dedicated to road vehicle drive. Electric drive must fulfill specified functions depending on its application. Road vehicle drive sets particular demands higher than in case of other drives. Apart from obvious requirements common to all types of drives (such as starting or coasting), road vehicle drive should be able to recuperate energy during braking and to operate in reverse mode. The constructed test stand represents basic vehicle drive structure. The basic goal kept in mind during construction of test stand was selection of supply circuit structure (electronic commutator with auxiliaries). The paper gives detailed description of test stand with particular emphasis laid on the supply system structure and peculiarities of road vehicle. 1. Wstęp W ramach pracy badawcej pt. Stanowisko do badania napędu pojadu hybrydowego finansowanego pre Ministerstwo Nauki i Skolnictwa WyŜsego nr N N budowano stanowisko badawce silnikiem BLDC wyposaŝone w autorski układ komutatora elektronicnego wra osprętem [1]. Zbudowane stanowisko badawce odworowuje podstawowy model napędu pojadu. Podstawowym celem realiacji stanowiska silnikiem BLDC był dobór struktury układu asilającego (komutator elektronicny wra osprętem). W artykule prestawiono opis stanowiska e scególnym wróceniem uwagi na strukturę układu asilania i specyfikę napędu pojadu drogowego. 2. Opis stanowiska Stanowisko budowano w oparciu o seściobiegunowy silnik BLDC typu SMZT8-6 hallotronowymi cujnikami połoŝenia wirnika umiesconymi w stojanie. Dodatkowo abudowano cujniki hallotronowe umiescone na ewnętrnej tarcy, współpracującej nadajnikiem magnetycnym (cujnik połoŝenia autorskiego wykonania) [2]. Trecim amontowanym na stanowisku badawcym cujnikiem połoŝenia wału silnika jest 1-cio bitowy absolutny enkoder cyfrowy. Cujnik ten posiada najwięksą rodielcość pomiarową abudowanych na stanowisku cujników (a duŝą dla potreb asilania silnika BLDC o seściu biegunach). Pry cym naleŝy nadmienić, Ŝe 1-cio bitowy sygnał enkodera nie jest bepośrednio wykorystywany do wysterowywania tranystorów mostka, a słuŝy jedynie do celów badawcych. Układ asilania silnika BLDC powala korystać alternatywnie dowolnego abudowanego cujnika połoŝenia wału silnika. Na stanowisku amontowano takŝe masynę obciąŝającą wbudaną magnesami trwałymi ora momentomier. Układ asilania silnika, układ pracy wrotnej, składa się komutatora elektronicnego budowanego seściu tranystorów w układie mostkowym. Tranystory te są wysterowywane układem mikroprocesorowym korystającym sygnału pochodącego cujnika połoŝenia wału silnika. Komutator elektronicny asilany jest asobnika energii elektrycnej budowanego baterii akumulatorów popre mikroprocesorową dwukierunkową pretwornicę DC/DC obniŝającą napięcie w aleŝności od prędkości wirowania silnika i stanu pracy silnika (praca silnikowa, hamowanie). Mikroprocesorowa pretwornica pracuje w oparciu o wartość adaną (adana prędkość, adany moment, adane wypełnienie PWM) ora informacje dotycące: prądu pobieranego pre komutator elektronicny, prędkości wirowania silnika i temperatury tranystorów mocy (ochrona układu pred uskodeniem termicnym). Odpowiednie sterowanie pretwornicą asilającą komutator elektronicny powala na realiację funkcji napędu: roruch prądem nieprekracającym ogranicenia prądowego, stabiliacja prędkości do wartości adanej, stabiliacja momentu do wartości adanej, hamowanie prądem nieprekracającym ogranicenia prądowego.

2 8 Zesyty Problemowe Masyny Elektrycne Nr 3/212 (96) komutator komutator M T1 T3 T4 T5 T6 M T1 T3 T5 T6 M,n G DC/DC asilania We C We T7 L C Wy Wy T8 pretwornicy DC/DC obciąŝenia Rys.1. Schemat układu asilania silnika BLDC składający się mikroprocesora, optoiolacji, mostka tranystorowego, mikroprocesorowej pretwornicy DC/DC, źródła asilania wra obciąŝeniem w postaci prądnicy synchronicnej, prostownika i pretwornicy DC/DC Jako obciąŝenie wykorystuje się trójfaową masynę wbudaną magnesami trwałymi, której energia elektrycna, popre seściopulsowy układ prostujący i drugą mikroprocesorową pretwornicę DC/DC, prekaywana jest do źródła asilania. Mikroprocesorowa pretwornica pracująca w układie obcią- Ŝenia pracuje w oparciu o wartość adaną momentu obciąŝenia. Rys. 2. Schemat pretwornicy DC/DC asilającej komutator elektronicny składającej się mikroprocesora pretwornicy, tranystorów T7,T8 i elementów wygładających C, C wy, L 3. Wymagania stawiane napędowi silnikiem BLDC Napęd elektrycny w aleŝności od astosowania musi realiować określone funkcje. Specyfika napędu pojadu drogowego stawia pred nim więcej wymagań niŝ w prypadku innych napędów. Opróc ocywistych wymagań stawianych wsystkim napędom (np. roruch, hamowanie wybiegiem), napęd pojadu drogowego powinien posiadać moŝliwość hamowania odyskowego ora pracy rewersyjnej. Zasilanie silnika BLDC wymaga sekwencyjnego prełącania klucy energoelektronicnych ściśle aleŝnego od połoŝenia wału silnika i kierunku wirowania. Niespełnienie powyŝsego wymagania: nacne opóźnienie lub wypredenie (o 2 sekwencje sterowania) prełącenia wględem obracającego się wirnika lub wysterowanie tranystorów dla kierunku preciwnego niŝ wiruje wał silnika powoduje prepływ bardo du- Ŝego prądu pre otwarte tranystory, co pro- we

3 Zesyty Problemowe Masyny Elektrycne Nr 3/212 (96) 9 wadi do ich niscenia. Z tego wględu nawrót silnika nie moŝe być realiowany jedynie popre wysterowanie tranystorów mocy sekwencją dla preciwnego kierunku wirowania. kontrolą prądu. Mikroprocesor sterujący komutatorem elektronicnym realiuje algorytm predstawiony na rys 3., gdie pre X onacono PWM albo prędkość wirowania albo moment napędowy w aleŝności od wyboru strategii sterowania. Rys. 3. Schemat blokowy programu realiowanego pre mikroprocesor sterujący komutatorem elektronicnym Aby realiować nawrót silnika BLDC naleŝy najpierw obniŝać prędkość aŝ do atrymania wirnika prełącając tranystory mocy godnie kierunkiem wirowania, a dopiero wówcas mienić sekwencję sterowania na preciwną. Zmniejsanie prędkości korystnie jest realiować popre hamowanie odyskowe kontrolując prąd. Po mianie sekwencji sterowania na preciwną realiowany jest roruch silnika Rys. 4. Schemat blokowy podprogramu miana kierunku wchodącego w skład algorytmu sterowania komutatorem elektronicnym. Parametr W x onaca wartość adaną wybranej wielkości X, W wynaconą wartość tej wielkości, δ x onaca promień otocenia wartości adanej, I p onaca progową wartość prądu aś I wartość mieroną prądu, ϑ p onaca progową wartość temperatury układu natomiast ϑ mieroną wartość temperatury, a pre k onacono kierunek wirowania. Blok podprogramu o nawie miana kierunku wchodący w skład algorytmu predstawionego na rysunku 3 realiuje algorytm predstawiony w postaci schematu blokowego na rysunku 4, gdie pre k onacono kierunek adany, a pre k w kierunek wirowania wału silnika. 4. Weryfikacja układu W celu weryfikowania poprawności pracy skonstruowanego układu asilania silnika

4 1 Zesyty Problemowe Masyny Elektrycne Nr 3/212 (96) BLDC, prenaconego do napędu pojadu preprowadono rejestrację prądu asilania silnika i jego prędkości obrotowej ora sygnału adającego kierunek wirowania i sygnału określającego godność kierunku wirowania kierunkiem adanym. Wartość ostatniego wymienionych sygnałów określa stan pracy układu: stan niski onaca hamowanie e wrotem energii do baterii akumulatorów, aś stan wysoki onaca pracę silnikową układu napędowego. Weryfikację pracy układu wykonano dla róŝnych stanów pracy układu (prędkość, moment obciąŝenia, kierunek wirowania). W artykule predstawiono dwa prykładowe arejestrowane prebiegi dla biegu jałowego rys. 5 ora dla pracy obciąŝeniem i ograniceniem prądowym (dobranym specjalnie do potreb rejestracji) - rys. 6, na rysunkach tych cas t= onaca cas adania preciwnego kierunku wirowania n [obr/min] kierunek adany prędkość godność kierunków cas [s] Rys. 5. Prebieg prędkości, prebieg prądu (wygładony w celu lepsej wiualiacji) ora sygnał kierunku adanego i sygnał godności kierunków dla pracy silnika BLDC na biegu jałowym n [obr/min] prędkość kierunek adany cas [s] prąd godność kierunków I [A] I [A] Rys. 6. Prebieg prędkości, prebieg prądu (wygładony w celu lepsej wiualiacji) ora sygnał kierunku adanego i sygnał godności kierunków dla pracy obciąŝonego silnika BLDC (praca ograniceniem prądowym) prąd Zapreentowane prebiegi arejestrowano wykorystując oscyloskop cyfrowy, pry cym analogowy sygnał prędkości obrotowej otrymano wykorystując układ pretwarający cęstotliwość na napięcie (tachoprądnica elektronicna) realiowany na potreby badań prowadonych w ramach projektu. UŜycie tachoprądnicy elektronicnej nie powoduje dodatkowych obciąŝeń mechanicnych badanego układu, nie mienia jego momentu bewładności ani nie wymaga połącenia wałem masyny. W badanym układie sygnałem wejściowym do tachoprądnicy jest sygnał pochodący jednego hallotronu, pre co tachoprądnica elektronicna nie określa kierunku wirowania (sygnał wyjściowy nie pryjmuje wartości ujemnych). Takie rowiąanie obarcone jest niewielką włoką casową pry niskiej cęstotliwości, która pojawia się dla prędkości bliskiej ero, co ostało arejestrowane w prebiegu sygnału prędkości obrotowej rys. 5 (prediał casu od 2 3 ms). Wynikające e specyfiki budowy i cęstotliwości wejściowej tachoprądnicy elektronicnej opóźnienie (około 15 ms) jest na tyle małe, Ŝe moŝna ją astosować w układach pomiaru i regulacji prędkości, w których cas reakcji układu jest nacnie więksy. Z tego samego powodu arejestrowany analogowy sygnał prędkości obrotowej w trakcie nawrotu nie osiąga wartości ero w momencie miany kierunku wirowania, poniewaŝ cas opóźnienia tachoproądnicy elektronicnej jest więksy niŝ cas atrymania wału silnika. 5. Podsumowanie Zrealiowany w ramach prac badawcych i predstawiony w artykule układ asilania spełnia stawiane pred nim wymagania wynikające e specyfiki pracy układu napędowego pojadu. Predstawione na rysunkach prebiegi pokaują, Ŝe budowany układ w pierwsej faie nawrotu realiuje hamowanie odyskowe kontrolując prąd, następnie po atrymaniu mienia sekwencję sterowania na preciwną i realiuje roruch silnika w preciwnym kierunku równieŝ kontrolując prąd. Układ napędowy predstawiony w artykule powala na odyskanie energii hamowania, co jest aletą stosowania napędu elektrycnego. Realiując hamowanie silnikiem elektrycnym ogranica się uŝycie ciernych układów hamowania, pre co opróc mniejsenia uŝycia energii mniejsa się emi-

5 Zesyty Problemowe Masyny Elektrycne Nr 3/212 (96) 11 sja pyłów pochodących klasycnych układów hamulcowych. 6. Literatura [1]. Sikora A., Zielonka A.: Ogranicenie strat mocy w silniku BLDC wynikających pulsacji prądu asilania. Zesyty Problemowe - Masyny Elektrycne BOBRME KOMEL Nr 9/211, Rytro, maj 21r. ISSN , str [2]. Sikora A., Zielonka A.: Wpływ połoŝenia cujników hallotronowych na symetrię sygnałów sterujących silnikiem BLDC. Pojady Synowe 3/211r. ISSN str [3]. Bernatt J., Glinka T., Król E., Rossa R.: Electric Motors with Permanent Magnets. ICRM 28. IEEE Catalog Number: CFP89B-CDR. ISBN: Library of Congress Number: Po.58. [4]. Sikora A., Zielonka A.: Napęd łodi motorowej wykorystaniem silnika bescotkowego asilanego popre komutator elektronicny. Napędy i Sterowanie ISSN , nr 2 21 str [5]. Setlak R., Fice M., Kules B.: Smart Attachable Hybrid Drive Module For Vehicles. XI. International Conference on Low Voltage Electrical Machines, LVEM'211, 7-8 Nov. 211, Brno-Slapanice [6]. Sikora A., Zielonka A.: Dwa warianty asilania silnika BLDC. Wiadomości Elektrotechnicne 6/211r. ISSN str [7]. Decner A.: Zdalne monitorowanie masyn elektrycnych. Masyny elektrycne Zesyty Problemowe - Masyny Elektrycne BOBRME KOMEL Nr 91/211, Rytro, maj 21r. ISSN [8]. Sikora A., Zielonka A.: Układ asilania silnika BLDC. Zgłosenie P dn Autory dr inŝ. Andrej Sikora Politechnika Śląska w Gliwicach, Wydiał Elektrycny, Instytut Elektrotechniki Premysłowej i Informatyki, Zakład InŜynierii Elektrycnej w Transporcie ul. Akademicka 1, 44-1 Gliwice, tel. (32) , Andrej.Sikora@polsl.pl dr inŝ. Adam Zielonka Politechnika Śląska w Gliwicach, Wydiał Matematycno-Fiycny, Instytut Matematyki, Zakład Zastosowań Matematyki, ul. Kasubska 23, 44-1 Gliwice, Adam.Zielonka@polsl.pl Artykuł jest fragmentem grantu finansowanego pre Ministerstwo Nauki i Skolnictwa WyŜsego nr N N