BEZCZUJNIKOWE STEROWANIE TRAKCYJNYM SILNIKIEM SYNCHRONICZNYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI ZAGŁĘBIONYMI W WIRNIKU

POLITECHNIKA GDAŃSKA LESZEK JARZĘBOWICZ BEZCZUJNIKOWE STEROWANIE TRAKCYJNYM SILNIKIEM SYNCHRONICZNYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI ZAGŁĘBIONYMI W WIRNIKU GDAŃSK 2012

PRZEWODNICZĄCY KOMITETU REDAKCYJNEGO WYDAWNICTWA POLITECHNIKI GDAŃSKIEJ Romual Szymkewcz REDAKTOR PUBLIKACJI NAUKOWYCH Janusz T. Ceślńsk REDAKTOR SERII Zbgnew Krzemńsk RECENZENCI Janusz Neznańsk Anrzej Pochanke PROJEKT OKŁADKI Jolanta Ceślawska Wyano za zgoą Rektora Poltechnk Gańskej Oferta wyawncza Poltechnk Gańskej jest ostępna po aresem www.pg.ga.pl/wyawnctwopg Copyrght by Wyawnctwo Poltechnk Gańskej Gańsk 2012 Utwór ne może być powelany rozpowszechnany, w jakejkolwek forme w jakkolwek sposób, bez psemnej zgoy wyawcy ISBN 978 83 7348 415 3

SPIS TREŚCI WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ INDEKSÓW I SKRÓTÓW... 5 1. WPROWADZENIE... 7 2. UKŁADY NAPĘDOWE Z SILNIKAMI PMSM... 10 2.1. Trakcyjne ukłay sterowana... 10 2.2. Metoy moulacj napęca wyjścowego falownka... 14 2.3. Sterowane bezczujnkowe... 16 2.4. Algorytmczne estymatory położena wrnka... 17 2.5. Fzykalne estymatory położena wrnka... 18 2.6. Estymatory położena wrnka oparte na analze pochonych prąów fazowych... 20 2.7. Zakres przeprowazonych baań... 23 3. PROJEKT ESTYMATORÓW POŁOŻENIA WIRNIKA... 26 3.1. Wstępne założena... 26 3.2. Algorytm estymatora la użych prękośc wrnka (EHV)... 27 3.3. Algorytm estymatora la małych prękośc kątowych wrnka (ELV)... 29 3.4. Algorytm estymatora położena początkowego wrnka... 32 4. BADANIA SYMULACYJNE... 34 4.1. Wstępne założena... 34 4.2. Moel ukłau napęowego... 35 4.3. Moele estymatorów... 39 4.4. Wybrane wynk baań symulacyjnych... 41 5. PROJEKT LABORATORYJNEGO UKŁADU NAPĘDOWEGO... 45 5.1. Struktura ukłau... 45 5.2. Program sterowana... 47 5.3. Konfguracja moułu przetwornka ADC... 49 5.4. Realzacja algorytmu wykrywana położena początkowego... 50 5.5. Rejestracja zmennych programu sterowana... 52 6. BADANIA LABORATORYJNE... 54 6.1. Zakres baań... 54 6.2. Dobór chwl pomaru prąów fazowych la algorytmu EHV... 54 6.3. Dobór chwl pomaru prąów fazowych la algorytmu ELV... 60 6.4. Baana estymatora EHV... 63 6.5. Baana estymatora ELV... 66 6.6. Baana estymatora położena początkowego wrnka... 67 6.7. Estymacja w pełnym zakrese prękośc kątowych wrnka... 69 6.8. Praca napęu w trybe bezczujnkowym... 71 7. PODSUMOWANIE... 73 BIBLIOGRAFIA... 75 Streszczene w języku polskm... 83 Streszczene w języku angelskm... 84 ZAŁĄCZNIKI... 85

WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ, INDEKSÓW I SKRÓTÓW oznaczena B nukcja magnetyczna f, f mo częstotlwość, częstotlwość moulacj napęca wyjścowego falownka H natężene pola magnetycznego I, prą (parametr, wartośc chwlowa) J moment bezwłanośc k, k L współczynnk, współczynnnk asymetr magnetycznej L nukcyjność M e, M r moment: elektromagnetyczny, obcążena p lczba par begunów slnka R s rezystancja pasma uzwojena stojana S, s sygnał sterujący t czas T, T mo okres, okres moulacj napęca wyjścowego falownka U, u napęce (parametr, wartość chwlowa) δ kąt mocy slnka (argument wektora prąu stojana wzglęem os w ukłaze q) μ współczynnk przenkalnośc magnetycznej θ, θ m położene kątowe wrnka slnka: elektryczne, mechanczne ω, ω m prękość kątowa wrnka slnka: elektryczna, mechanczna Ψ f strumeń o magnesów trwałych wrnka slnka neksy A, B, C ose trójfazowego naturalnego ukłau współrzęnych stojana, q ose ortogonalnego ukłau współrzęnych q zwązanego z wrnkem ec wartość osprzęgająca L, E wartość kąta położena wrnka θ oblczona z użycem algorytmu opartego na analze nukcyjnośc stojana (L) lub wektora sły elektromotorycznej (E) m wartość mechanczna (w oróżnenu o elektrycznej) max wartość maksymalna ref wartość zaana α, β ose ortogonalnego ukłau współrzęnych αβ zwązanego ze stojanem * welkość estymowana (neks górny) skróty ADC przetwornk analogowo-cyfrowy (ang. Analog-to-Dgtal Converter) BLDC slnk z magnesam trwałym umeszczonym na wrnku z trapezoalnym przebegem sły elektromotorycznej (ang. Brushless DC) CFCM metoy estymacj położena wrnka wykorzystujące cechy skłaowych prąów slnka o częstotlwośc równej częstotlwośc nośnej moulatora napęca (ang. Carrer Frequency Component Metho) DSP procesor sygnałowy (ang. Dgtal Sgnal Processor) DTC/DTFC metoa bezpośrenego sterowana momentem strumenem slnka (ang. Drect Torque an Flux Control) FOC metoa sterowana momentem strumenem slnka z pośreną regulacją prąów stojana w ukłaze polowo-zorentowanym (ang. Fel Orente Control) FPGA programowalny ukła logczny (ang. Fel Programmable Gate Array)

6 Wykaz ważnejszych oznaczeń, neksów skrótów FW IGBT IPMSM JTAG MTPA PI PLL PMSM PWM RDC SPMSM SVM stratega sterowana slnkem realzująca osłabene pola magnetycznego pochozącego o magnesów wrnka w celu uzyskana prękośc wyższych o prękośc bazowej (ang. Flux Weakenng) tranzystor bpolarny z zolowaną bramką (ang. Insulate Gate Bpolar Transstor) slnk synchronczny z magnesam trwałym zagłębonym w wrnku (ang. Interor Permanent Magnet Synchronous Motor) stanar nterfejsu służącego o komunkacj procesora sygnałowego z komputerem PC (ang. Jont Test Acton Group) stratega sterowana slnkem mająca na celu maksymalzację relacj momentu wytwarzanego przez slnk o moułu wektora prąu stojana (ang. Maxmum Torque per Ampere) typ regulatora realzujący algorytm proporcjonalno-całkujący (ang. Proportonal- Integral) pętla sprzężena fazowego (ang. Phase Locke Loop) slnk synchronczny z magnesam trwałym (ang. Permanent Magnet Synchronous Motor) moulacja szerokośc mpulsów (ang. Pulse Wth Moulaton) specjalzowany ukła elektronczny realzujący konwersję sygnałów analogowych z transformatora położena kątowego na wartość położena w postac cyfrowej (ang. Resolver-to-Dgtal Converter) slnk synchronczny z magnesam trwałym przytwerzonym na powerzchn wrnka (ang. Surface Permanent Magnet Synchronous Motor) metoa moulacj napęca wyjścowego falownka (ang. Space Vector Moulaton)

Rozzał 1 WPROWADZENIE Trakcyjny napę elektryczny jest rozwązanem powszechnym [K4, K5, K6, K10, K12, 16, 17, 37, 71, 72]. Oprócz pojazów secowych znajuje on zastosowane w szerokej game autonomcznych pojazów specjalstycznych, takch jak np.: samojezne maszyny czyszczące, ponośnk włowe nożycowe, pojazy la osób o ogranczonej zolnośc ruchowej, wolnobeżne wózk osobowe osobowo-towarowe. Wzrasta lczba sprzeawanych rowerów oraz skuterów z slnkam elektrycznym. Intensywny rozwój upowszechnene tego typu napęu można zaobserwować w obszarze pojazów samochoowych. Są to przee wszystkm pojazy hybryowe, w szczególnośc spalnowo-elektryczne. Take pojazy są oferowane przez wele koncernów samochoowych, a ch gama oraz uzał w ogólnej sprzeaży rośne [K10, 101]. Tenencja ta jest poyktowana wzrostem śwaomośc ekologcznej społeczeństwa oraz swostego rozaju moą, ale także coraz częścej wzglęam ekonomcznym. Wraz z popularyzacją technolog hybryowych maleje nawyżka ceny pojazu hybryowego w stosunku o jego konwencjonalnego opowenka. Już obecne relacja tych cen, przy użych przebegach rocznych, w nektórych przypakach uzasana ekonomczne wybór pojazu hybryowego, co wykazano w pracach [50, 101]. W trakcyjnych ukłaach napęowych wzrasta lczba zastosowań slnków elektrycznych z wysokoenergetycznym magnesam trwałym, a wśró nch slnków synchroncznych z snusoalnym przebegem sły elektromotorycznej (ang. Permanent Magnet Synchronous Motors, PMSM) [K6, K10, 21, 28, 29, 68, 83, 92, 93, 98, 100, 118, 122]. Wynka to z ch cech, korzystnych w tego typu zastosowanu, m.n.: użej sprawnośc, obrych właścwośc regulacyjnych, zamknętej buowy, relatywne małej masy objętośc, bezobsługowośc oraz łatwo realzowanego chłozena. Przez wele lat barerą w popularyzacj tego typu slnków była wysoka cena zwązana z kosztem magnesów oraz krótkm seram proukcyjnym. Obecne relacje cenowe sę zmenły slnk PMSM stają sę woącym typem w projektach trakcyjnych ukłaów napęowych o mocy o klku o klkuzesęcu klowatów. Slnk PMSM zastosowano m.n. w samochoach hybryowych onotowujących najwększą sprzeaż [K10, 37, 71, 72, 77]. Pojawają sę równeż napęy z slnkam PMSM wększej mocy la w tramwajów [94] lokomotyw [6, 69, 85]. Do napęu pojazów częścej stosowane są slnk PMSM wykazujące asymetrę magnetyczną wrnka [K1, K6, K22, 7, 27, 37, 71, 72, 77, 85, 92, 97, 129]. Są to konstrukcje z magnesam zagłębonym w wrnku (ang. Interor PMSM, IPMSM), rzazej przytwerzonym w wyżłobenach przy powerzchn wrnka (ang. Inset PMSM). Slnk take, w porównanu z slnkam z magnesam przyklejonym na powerzchn wrnka (ang. Surface PMSM, SPMSM), są neco roższe. Slnk IPMSM mają jenak wększą sprawność, zęk możlwośc wykorzystana tzw. momentu reluktancyjnego oraz mnejszych wartośc prąu potrzebnych o osłabena pola magnesów la uzyskana wyższych prękośc. Slnk SPMSM są równeż stosowane w trakcj, lecz rzazej [50, 94, 98]. W nowoczesnych konstrukcjach pojazów wykorzystujących napę elektryczny rośne lczba rozwązań z tzw. napęem bezpośrenm (ang. Drect Drve, In-Wheel Drve), w którym ne występuje ukła przenesena napęu, a slnk zntegrowane są z kołam pojazu

8 1. Wprowazene lub umeszczone bezpośreno obok nch [K10, 21, 24, 63, 74, 83, 92, 94, 97, 98, 102, 108]. Take rozwązana zmnejszają masę pojazu, zwększają sprawność, elmnują nektóre czynnośc obsługowe oraz umożlwają zastosowane zaawansowanych algorytmów sterowana trakcją pojazu zwększających bezpeczeństwo czynne. Cechy slnków PMSM preestynują je o takch rozwązań, co potwerzają lczne konstrukcje z ch uzałem zarówno prototypowe, jak wrożone o proukcj seryjnej [K10, K17, 11, 50]. Obecny stan rozwoju technk sterowana ukłaów napęowych znaczne wykracza poza klasyczne algorytmy regulacj. Rozwój technk mkroprocesorowej, a węc także ukłaów stosowanych jako sterownk w ukłaach napęowych, powouje pojawene sę naatku wyajnośc oblczenowej, który można wykorzystać o realzacj oatkowych funkcj. Dąży sę m.n. o wzrostu nezawonośc napęu poprzez realzację złożonych funkcj agnostycznych oraz opowene moyfkacje strateg sterowana w przypaku wystąpena awar [K16, 36, 121]. Opracowywane są aaptacyjne (ang. aaptve) krzepke (ang. robust) algorytmy sterowana [K22, 43, 91], ostosowujące sę o zmennośc parametrów ukłau. Rozwjane są metoy estymacj nektórych parametrów fzycznych wykorzystywanych przez algorytm sterowana slnkem, pozwalające zmnejszyć lczbę przetwornków pomarowych występujących w ukłaze [K9, K15, K22]. Najczęścej ąży sę o elmnacj przetwornka welkośc mechancznych położena prękośc kątowej wrnka [K22]. W napęach małych mocy rezygnacja z przetwornka welkośc mechancznych może znacząco zmnejszyć koszt realzacj rozmar takego ukłau. Ponato powstają specjalne konstrukcje slnków przeznaczone o napęu bezpośrenego, gze zastosowane konwencjonalnego przetwornka mechancznego jest kłopotlwe lub wręcz nemożlwe. Sterowane slnkem bez pomaru wybranych welkośc fzycznych wąże sę z obnżenem ogólne rozumanej jakośc regulacj oraz pewnośc załana. Rozwój tzw. meto bezczujnkowych zmerza w kerunku poprawy powyższych czynnków, które w zastosowanach trakcyjnych są nezmerne stotne. Praca skłaa sę z semu rozzałów. W kolejnym, rugm rozzale zawarto syntezę zaganeń zwązanych z zakresem monograf. Rozzał ten wprowaza o rozważań zameszczonych w alszych częścach pracy. Opsano w nm zaganena zwązane z ukłaam napęowym wykorzystującym slnk PMSM. Przestawono problematykę estymacj położena kątowego wrnka slnka PMSM w aspekce zastosowań trakcyjnych. Omówono różne rozaje estymatorów, ze szczególnym uwzglęnenem algorytmów opartych na analze pochonych prąów fazowych slnka. Do tej grupy należą estymatory omówone w alszych rozzałach. W trzecm rozzale zaproponowano poano analze konkretne proceury matematyczne meto wyznaczana położena kątowego wrnka wykorzystujące wartośc pochonych prąów fazowych slnka. Zaproponowano trzy metoy estymacj przeznaczone la różnych zakresów prękośc kątowych wrnka. Omówono postawowe założena, przeanalzowano błęy estymacj spowoowane przyjętym uproszczenam. Czwarty rozzał zawera ops weryfkacj symulacyjnej zaproponowanych proceur estymacj. Przestawono moel symulacyjny opracowany w śroowsku Matlab, owzorowujący zjawska zwązane z moulacją napęca wyjścowego falownka, umożlwający wyznaczane pochonych prąów slnka. Opsano algorytm pomaru prąów oraz sposób ukłaowej realzacj proceur estymacj. Zameszczono wybrane wynk symulacj obrazujące załane estymatorów w różnych warunkach pracy napęu. Zaproponowane algorytmy estymacj zweryfkowano w laboratoryjnym ukłaze napęowym. Ops zrealzowanego ukłau przestawono w rozzale pątym. Omówono strukturę postawowe parametry stanowska. Zwrócono uwagę na zaganena zwązane

1. Wprowazene 9 z oprogramowanem sterownka napęu. Opsano realzację ukłaową specyfcznego algorytmu welokrotnego pomaru prąów fazowych slnka w okrese moulacj napęca wyjścowego falownka, który umożlwa wyznaczane pochonych prąów. Przestawono oatkowe oprogramowane narzęzowe umożlwające rejestrację parametrów programu sterowana. Szósty rozzał otyczy baań z wykorzystanem ukłau laboratoryjnego. Przestawono analzę oboru parametrów algorytmu pomaru prąów fazowych slnka. Wykonano baana wpływu warunków pracy napęu na błęy otwarzana położena wrnka. Zaproponowano sposoby zwększena okłanośc estymacj. Zaprezentowano wynk otyczące sterowana napęu przy wykorzystanu otworzonych wartośc położena prękośc kątowej wrnka. Posumowane ogólne wnosk z przeprowazonych baań zawarto w rozzale sómym. Ponato praca zawera bblografę, wykaz użytych oznaczeń skrótów oraz załącznk.

Rozzał 2 UKŁADY NAPĘDOWE Z SILNIKAMI PMSM 2.1. Trakcyjne ukłay sterowana Sterowane ynamką ruchu pojazu wymaga regulacj sły pocągowej hamującej, a węc momentu elektromagnetycznego wytwarzanego przez slnk lub slnk trakcyjne. Narzęna regulacja prękośc (tzw. tempomat) stosowana jest w pojazach stosunkowo rzako [43]. Wymagana otyczące jakośc regulacj momentu generowanego przez slnk są szczególne wysoke w napęach bezpośrench, w których zastosowano zaawansowane algorytmy narzęne o sterowana trakcją pojazu [24, 21, 102]. Algorytmy te wymagają nywualnej, szybkej regulacj momentu każego z kół napęnych la utrzymana pożąanej trajektor ruchu pojazu. Regulacja momentu wytwarzanego przez slnk PMSM wymaga zastosowana zaawansowanych meto sterowana wektorowego. Wśró nch można wyróżnć we zasancze grupy: metoy bezpośrenej regulacj momentu (ang. Drect Torque an Flux Control, DTFC/DTC) [34, 70, 109], metoy z pośreną regulacją prąów stojana w ukłaze polowo-zorentowanym (ang. Fel Orente Control, FOC) [K1, K6, K22, 24, 51]. W metoach FOC pętle regulacyjne prąów załają w wrującym ortogonalnym ukłaze współrzęnych skojarzonym z wektorem pola magnetycznego pochozącego o magnesów wrnka, oznaczanym q (p. Załącznk 1). Zależność pomęzy momentem wytwarzanym przez slnk PMSM a wartoścam prąów wyrażonym w ukłaze q jest następująca [K22]: M = k Ψ + ( L L ), (2.1) e Me [ ] f q gze: k Me stała zależna o lczby begunów slnka oraz o współczynnków obranych we wzorach transformacj ukłaów współrzęnych; Ψ f strumeń pochozący o magnesów trwałych wrnka; L, L q,, q nukcyjnośc oraz prąy wyrażone w ukłaze współrzęnych q. Typową strukturę ukłau regulacj momentu trakcyjnego slnka PMSM metoą FOC przestawono na rys. 2.1. Zastosowano w nej regulatory prąów typu PI [K1, K2, 103, 128]. W algorytme regulatorów często umeszcza sę funkcję ogranczającą wartość oblczaną w człone całkującym (ang. Ant-Wnup). Barzej skomplkowane ukłay regulacj, np. ukłay ze sprzężenam w przó (ang. Fee-forwar), spotyka sę w trakcj sporayczne [19]. Nezależne pętle regulacyjne w osach q pozwalają na zaawane prąów _ref, q_ref weług różnych strateg sterowana. Przy newelkch prękoścach kątowych realzowany jest zazwyczaj algorytm maksymalzacj momentu wzglęem ampltuy prąu stojana (ang. Maxmum Torque per Ampere, MTPA lub Peak Torque per Ampere, PTPA) [K1, K22, 11, 19, 74, 103, 119, 120, 128]. W przypaku slnków SPMSM stratega ta polega na utrzymywanu zerowej wartośc prąu. W slnkach z asymetrą magnetyczną wrnka, w któ- q q

2.1. Trakcyjne ukłay sterowana 11 rych L < L q, zaawany jest prą o stosunkowo newelkej wartośc znaku przecwnym o q. Wytwarzana jest w ten sposób oatkowa, reluktancyjna skłaowa momentu, przez co zwększa sę sprawność ukłau (p. (2.1)). Rys. 2.1. Typowa struktura ukłau sterowana trakcyjnym slnkem PMSM Wraz ze wzrostem prękośc kątowej ω zwększa sę wartość sły elektromotorycznej nukowanej w uzwojenach stojana. Po przekroczenu pewnej wartośc ω b prękośc sła elektromotoryczna przybera na tyle uże wartośc, że utrzymane prąów slnka na pozome wartośc zaanych jest nemożlwe z uwag na ogranczony zakres napęć zaslających slnk. Wartość ω b określana jest manem prękośc bazowej. Osągnęce prękośc kątowych wyższych o prękośc bazowej wymaga reukcj sły elektromotorycznej nukowanej w uzwojenach stojana. Realzuje sę to poprzez wytworzene wektora pola magnetycznego o zwroce przecwnym o pola pochozącego o magnesów trwałych [K1, K6, 19, 74, 80, 103, 119, 120]. Źrółem oatkowej skłaowej pola jest prą o ujemnej wartośc. Proces tak nazywa sę owzbuzanem lub osłabanem strumena wrnka (ang. Flux Weakenng, FW). Zakresy stosowana strateg sterowana przestawono na rys. 2.2. Do wartośc wyjścowych z regulatorów prąów (p. rys. 2.1) oawane są wartośc osprzęgające u _ec, u q_ec (ang. ecouplng) pochozące z moelu slnka opracowanego w oparcu o równana la stanu quas-ustalonego [54, 74, 78, 130]. Zmnejsza to zakres pracy regulatorów oraz elmnuje nepożąane wzajemne ozaływane regulacj prąu w obu osach. Algorytm osprzęgana wymaga pomaru prękośc kątowej ω, na postawe której wyznaczana jest sła elektromotoryczna.

12 2. Ukłay napęowe z slnkam PMSM Rys. 2.2. Charakterystyka trakcyjna z zakresam zastosowana strateg sterowana slnkem PMSM Slnk jest zaslany za pośrenctwem przekształtnka energoelektroncznego, zazwyczaj zbuowanego z wykorzystanem tranzystorów IGBT lub MOSFET [K5, K6, K14, K20, 16, 66, 100, 108]. Tranzystory MOSFET stosowane są przy nskch napęcach zaslana u DC falownka. Dla napęć rzęu klkuset woltów wyższych wykorzystuje sę tranzystory IGBT. Typową strukturę sześcotranzystorowego falownka napęca z tranzystoram IGBT przestawono na rys. 2.3. Rys. 2.3. Struktura falownka sześcotranzystorowego Realzacja napęć o wartoścach u _ref, u q_ref (p. rys. 2.1) obywa sę przy użycu technk moulacj napęca wyjścowego falownka. W wększośc przypaków stosuje sę moulację szerokośc mpulsów [K5, K14, K20, 82] (ang. Pulse Wth Moulaton, PWM). Spotyka sę rozwązana wykorzystujące namoulację w celu ponesena wartośc prękośc bazowej zwększena momentu w strefe z osłabanem strumena wrnka [62, 71, 72, 103]. Częstotlwośc moulacj zawerają sę w zakrese o jenego kloherca w przypaku ukłaów użej mocy o klkuzesęcu kloherców w ukłaach małej mocy. Sprzężene zwrotne obejmuje pomar co najmnej wóch prąów fazowych A, B slnka, napęca wejścowego falownka u DC oraz położena θ prękośc ω wrnka (p. rys. 2.1). Trzec prą fazowy ( C ) jest zazwyczaj oblczany na postawe prąów merzonych. Ze wzglęu na zaburzena występujące poczas komutacj tranzystorów, stotna jest chwla pomaru wartośc prąów [10, 64, 95, 110]. Sprzężene położenowe zawera przetwornk położena kątowego [K1, 65, 113]. Stosuje sę przetwornk absolutne: transformatory położena kątowego (ang. resolver) z ukłaam scalonym RDC (ang. Resolver-to-Dgtal Converter) lub enkoery z tarczą koową. Wykorzystane enkoera nkrementalnego wąże

2.1. Trakcyjne ukłay sterowana 13 sę z konecznoścą zastosowana specjalnej proceury wyznaczana położena początkowego wrnka slnka PMSM, latego przetwornk te są w trakcj stosowane rzako. Prękość kątowa może być wyznaczana poprzez analzę zman wartośc położena kątowego wrnka. Rys. 2.4. Schematy zastępcze falownka sześcotranzystorowego la ośmu ozwolonych kombnacj stanów tranzystorów

14 2. Ukłay napęowe z slnkam PMSM Sterownk opracowuje sę w oparcu o procesory sygnałowe (ang. Dgtal Sgnal Processor, DSP) eykowane o zastosowań w ukłaach napęowych, posaające specjalzowane blok funkcjonalne [K1, K9, K15, K19, 24, 116]. W starszych oraz współczesnych, lecz tanch rozwązanach stosowane są zwykle jenostk stałoprzecnkowe: 16-32- btowe. W przypaku powyższonych wymagań otyczących okłanośc wyajnośc oblczenowej stosowane są ukłay z procesorem DSP współpracującym z jenostką zmennoprzecnkową [5] albo jenostk stało- lub zmennoprzecnkowe oposażone w ukła FPGA [1, 42]. Nektóre nowsze ukłay korzystają ze zmennoprzecnkowych procesorów DSP [12, 75, 122]. Wśró ukłaów napęowych, napęy trakcyjne charakteryzują sę specyfcznym warunkam pracy, przez co metoom ch sterowana stawa sę wysoke wymagana. Potrzebny jest uży moment rozruchowy, już o prękośc zerowej. Wymaga sę stablnej pracy w trakce hamowana ozyskowego. Napę poawany jest częstym przecążenom pracuje w szerokm zakrese prękośc. Napęce wejścowe falownka zmena sę znaczne po wpływem różnych czynnków, także nezależnych o reżmu pracy rozważanego napęu. Moment obcążena może zmenać sę w szerokm zakrese wartośc. 2.2. Metoy moulacj napęca wyjścowego falownka Topologa falownka sześcotranzystorowego (p. rys. 2.3) pozwala na uzyskane ośmu ozwolonych kombnacj stanów tranzystorów, przestawonych na rys. 2.4 [K1, K5, K14, K19, K20]. Ponższe kombnacje są zwązane z napęcam wyjścowym, które można przestawć za pomocą wektorów V 0 V 7 w stacjonarnym ukłaze współrzęnych αβ (rys. 2.5a). Dwe z kombnacj stanów tranzystorów opowaają wektorom zerowym V 0, V 7 napęca wyjścowego falownka. W alszej analze, la uproszczena, kombnacje te ne są rozróżnane. Dla obu kombnacj używane jest oznaczene V 0 wektora wyjścowego napęca. Pozostałe kombnacje opowaają sześcu wektorom aktywnym V 1 V 6. Wektory aktywne są rozłożone na płaszczyźne αβ w ostępach kątowych wynoszących 60. Mouł wszystkch sześcu wektorów wynos: 2 = V2 = V3 = V4 = V5 = V u 3 DC (2.2) V 1 6 = Wektory V 0 V 6 określa sę manem wektorów postawowych. Wartośc zaane u _ref, u q_ref napęć zaslających slnk wynkające z algorytmu sterowana FOC zmenają sę w sposób quas-płynny. Potrzebna jest zatem realzacja napęć pośrench, różnych o wektorów postawowych. W tym celu wykorzystuje sę technk moulacj napęca [K14, K20]. Wartość zaana realzowana jest jako wartość śrena za okres moulacj napęca T mo. W trakce okresu moulacj stany tranzystorów są zmenane weług sekwencj, skutkującej opoweną kolejnoścą czasem realzacj poszczególnych wektorów postawowych. Czasy, w których kombnacja stanów tranzystorów pozostaje stała określa sę manem pookresów moulacj. Zaane napęce śrene można zrealzować przy użycu różnych kombnacj stanów tranzystorów, stą stneją omenne algorytmy wyznaczana sekwencj przełączeń. Popularnym algorytmem jest metoa SVM (ang. Space Vector Moulaton) [K19, 3, 26, 41, 45, 81, 132]. W metoze SVM wartośc napęć zaanych traktowane są jako wektor. Realzacja wektora zaanego V ref obywa sę w ogólnym przypaku z użycem wóch wektorów aktywnych V m, V n oraz wektora zerowego V 0. Wektory aktywne zazwyczaj wybera sę spo-

2.2. Metoy moulacj napęca wyjścowego falownka 15 śró wektorów postawowych leżących najblżej wektora V ref. Czasy t m, t n realzacj wektorów aktywnych obrane są tak, aby wartość śrena napęca za okres T mo była równa zaanej. Przez pozostały czas t 0 okresu moulacj generowany jest wektor zerowy V 0. Zakres napęć możlwych o realzacj, wyrażony na płaszczyźne αβ, ogranczony jest o sześcokąta utworzonego przez połączene werzchołków wektorów aktywnych. Oznaczono to szarą przerywaną lną na rys. 2.5a. Najczęścej stosuje sę symetryczny rozkła pookresów zwązanych z realzacją wektorów postawowych w okrese moulacj, przestawony na rys. 2.5b. Symetryczny rozkła pozwala uzyskać korzystne cechy wma zmoulowanego napęca oraz mnmalzację lczby przełączeń tranzystorów. a) b) Rys. 2.5. Metoa moulacj SVM: a) zasaa realzacj zaanego wektora napęca przy użycu wektorów postawowych; b) rozkła pookresów w okrese moulacj Dla specyfcznych parametrów wektora zaanego napęca, czas realzacj wybranych pookresów moulacj może być zerowy. Sytuacja taka ma mejsce, gy argument wektora zaanego pokrywa sę z argumentem któregoś z wektorów postawowych lub mouł wektora zaanego ma wartość maksymalną możlwą o realzacj. W perwszym przypaku zerowy jest czas realzacj jenego z wektorów aktywnych, w rugm czas realzacj wektora zerowego. Oba te szczególne przypak mogą występować jenocześne.

16 2. Ukłay napęowe z slnkam PMSM W realzacj ukłaowej koneczne jest wprowazane tzw. czasów martwych (ang. ea-tme) przy zmanach pookresów moulacj [K1, K5, K14, K20]. Czasy te są zwązane z wększym opóźnenam w procese wyłączana nż włączana tranzystorów. Wskutek wprowazena czasów martwych rzeczywste czasy realzacj poszczególnych pookresów są skrócone, a pookresy krótsze o czasu martwego ne są realzowane. Aby skompensować różncę pomęzy zaaną realzowaną wartoścą napęca wyjścowego, spowoowaną wprowazenem czasu martwego, można zastosować metoę korekcj czasów realzacj pookresów moulacj [K3]. 2.3. Sterowane bezczujnkowe Rozwój technk mkroprocesorowej oraz pomarowej, a także meto sterowana ukłaów napęowych, umożlwł elmnację nektórych przetwornków pomarowych przy zachowanu zaowalającej jakośc regulacj, aekwatnej o przeznaczena napęu [K15, 22]. Projektowane wrażane są ukłay pozbawone wybranych sprzężeń zwrotnych. Brakujące sygnały są estymowane na postawe sygnałów z stnejących sprzężeń. Najczęścej ąży sę o elmnacj pomaru welkośc mechancznych. Istneją rozwązana pośrene, w których przetwornk welkośc mechancznych zastępuje sę nnym, np. czujnkam magnetycznym. Take rozwązane jest powszechne stosowane w napęach z slnkam bezszczotkowym prąu stałego (ang. Brushless DC, BLDC) [K11]. Rzazej poobne zabeg stosowane są o slnków PMSM [2, 90]. Projektowane są także ukłay, w których reukuje sę lczbę sprzężeń prąowych. Dwa przetwornk prąów fazowych zastępowane są jenym przetwornkem umeszczonym w obwoze prąu stałego falownka [58, 79, 106]. Ukłay napęowe metoy sterowana, w których wyelmnowano sprzężene o welkośc mechancznych maszyny, pommo stnena pozostałych sprzężeń, nazywa sę bezczujnkowym (ang. sensorless). Metoy otwarzana welkośc mechancznych w onesenu o slnków PMSM można pozelć na we postawowe grupy [K22] metoy algorytmczne oraz fzykalne. Charakterystykę obu grup zameszczono w kolejnych porozzałach. Z uwag na ogranczena obu kategor meto, częstym zabegem jest zastosowane w jenym ukłaze zarówno metoy fzykalnej, jak algorytmcznej [29, 93, 105, 118, 122, 123]. Metoa fzykalna wykorzystywana jest wówczas przy wrnku zatrzymanym lub obracającym sę wolno, zaś metoa algorytmczna przy wyższych prękoścach kątowych. Przełączane aktywnej metoy estymacj może być zależne o beżącej prękośc kątowej wrnka [93, 118]. Istneją także rozwązana, w których obe metoy załają równocześne, a wynk estymacj jest określany jako śrena ważona, w której waga zależy o prękośc [106, 122]. W nektórych przypakach metoa fzykalna jest stosowana tylko o określena położena początkowego, a po tej czynnośc rolę estymatora przejmuje metoa algorytmczna [13, 76]. Ostatne rozwązane jest jenak możlwe tylko w ukłaach, w których występuje mały moment bezwłanośc oraz newelk początkowy moment obcążena. W trakcyjnych ukłaach z slnkam PMSM bezczujnkowe metoy sterowana stosowane są stosunkowo rzako. Specyfczne wymagana skłanają o wykorzystywana w napęach pojazów łączonych meto estymacj: z estymatoram fzykalnym algorytmcznym [29, 93, 118, 122]. Komplkuje to realzację trakcyjnego ukłau bezczujnkowego.

2.4. Algorytmczne estymatory położena wrnka 17 2.4. Algorytmczne estymatory położena wrnka Estymatory algorytmczne wywozą sę z teor sterowana moelowana. Zależne o rozwązana, wykorzystują różne metoy matematyczne. Najczęścej są to: fltry Kalmana [12, 13, 0, 39, 53, 55, 57, 75, 131], sec neuronowe [35], pętle sprzężena fazowego (ang. Phase Locke Loop, PLL) [9, 79, 100, 122, 123], sterowane ślzgowe [K22]. Tworzone są tzw. obserwatory [K15, K22, 9] złożone z moelu matematycznego slnka oraz funkcj korekcj (rys. 2.6). Rys. 2.6. Iea załana obserwatora położena prękośc kątowej slnka Równana obserwatora, operujące na welkoścach fzycznych uśrenonych za okres moulacj, rozwązywane są w czase rzeczywstym. Do moelu wprowazane są wartośc napęć sterujących slnkem. Wartośc te są merzone bezpośreno lub otwarzane [76, 93, 131]. Znając napęca stojana rozwązując równana moelu slnka, uzyskuje sę nformację o welkoścach nemerzonych, m.n. o prękośc położenu wrnka. Moel slnka jest moelem uproszczonym. Wyznaczone parametry moelu obarczone są błęam, a ponato mogą sę zmenać w czase. Moment obcążena slnka ne jest merzony, a warunk początkowe ne są znane. Z uwag na powyższe czynnk, wartośc położena prękośc kątowej oczytane z moelu mogą być znacząco różne o rzeczywstych, latego wartość zmennych stanu moelu mus być opoweno moyfkowana. Służy o tego funkcja korekcj, która na postawe różncy sygnałów merzonych rzeczywstego slnka oraz jego moelu wpływa na wartośc zmennych stanu w moelu. Sygnałam merzonym są wartośc prąów fazowych. Projekt estymatora algorytmcznego wąże sę z obranem ukłau współrzęnych moelu, umejętnym wyborem zmennych stanu, przyjęcem założeń upraszczających oraz zefnowanem skutecznej funkcj korekcj. W przypaku slnków SPMSM najczęścej obera sę stacjonarny ukła współrzęnych, aby błęy estymacj ne były przenoszone o oblczeń zwązanych z konwersją ukłau współrzęnych [K22]. Równana slnków IPMSM sformułowane w ukłaze stacjonarnym są trune o rozwązana ze wzglęu na

18 2. Ukłay napęowe z slnkam PMSM zależność nukcyjnośc stojana o położena wrnka. Dla tych slnków stosuje sę ukła wrujący [39, 55, 75, 131] lub opoweno przekształca równana, łącząc człon zwązany ze zmennoścą nukcyjnośc z wektorem sły elektromotorycznej, upraszczając tym samym oblczena. Powstaje w ten sposób welkość matematyczna określana manem rozszerzonej sły elektromotorycznej (ang. Extene Electromotve Force, EEMF) [12, 18, 53, 57, 76]. Zmenne stanu uproszczena najczęścej obera sę tak, aby unknąć kłopotlwej estymacj momentu obcążena [K22, 12, 18, 131]. Oblczena zwązane z rozwązanem zaganeń estymatorów algorytmcznych są złożone, o ch realzacj wymagane są procesory o użej wyajnośc precyzj oblczeń. Obserwatory pozwalają na uzyskane okłanych estymat welkośc mechancznych jeyne w zakrese śrench użych prękośc kątowych wrnka [K22, 5, 22, 53, 75, 100]. Przy małych prękoścach sła elektromotoryczna slnka, na której opera sę załane funkcj korekcj, jest newelka, stą jej wpływ na merzone prąy jest truny o wyznaczena z uwag na błęy pomarowe. Określene położena wrnka zatrzymanego za pomocą meto algorytmcznych jest nemożlwe. Ogranczena te są stotne w zastosowanach trakcyjnych. W lteraturze spotyka sę rozwązana estymatorów, którym przypsuje sę możlwość wykonana rozruchu bez znajomośc warunków początkowych [5, 79, 100]. Możlwość ta ograncza sę jenak o ukłaów o małym rozruchowym momence obcążena. Ponato przebeg momentu elektromagnetycznego w początkowej faze rozruchu jest nekontrolowany z uwag na brak możlwośc wyznaczena położena prze uzyskanem ostatecznej prękośc. W napęze pojazu, ze wzglęu na specyfczne warunk pracy oraz wymagana, zastosowane tego typu estymatora jako autonomcznego rozwązana jest nemożlwe. Do wyjątków zalczyć można zastosowane estymatora algorytmcznego w napęze roweru elektrycznego [100], w którym slnk trakcyjny pełn jeyne funkcję wspomagającą rowerzystę. W takm rozwązanu napę elektryczny włączany jest po przekroczenu pewnej prękośc kątowej wrnka. 2.5. Fzykalne estymatory położena wrnka Estymatory fzykalne wykorzystują, jako źróło nformacj o położenu kątowym wrnka, asymetrę magnetyczną obwou magnetycznego slnka. W slnku IPMSM asymetra ta jest z reguły wyraźna wynka ze struktury wrnka [K1, K11, K22, 8]. W przypaku slnków SPMSM asymetra może być wywołana różnym stopnem nasycena magnetowou przez strumene o magnesów trwałych oraz o prąu stojana [K22, 40]. Zakres skutecznośc załana meto fzykalnych poawany jest czasem nawet jako pełen zakres prękośc [22, 68], chocaż zazwyczaj szczególne w przypaku slnków SPMSM wykorzystuje sę je la wrnka zatrzymanego [125], ewentualne la małych prękośc kątowych [40, 23, 126]. Klasyczne metoy fzykalne wymagają generacj oatkowego napęca wymuszającego, które pozwala wyznaczyć asymetrę obwou magnetycznego na postawe analzy opowez prąowej slnka. Napęce to, wytwarzane przez falownk, może być nałożone na napęce zaslające slnk [22, 40, 68, 93] lub występować w krótkch przerwach pomęzy cyklam generacj napęca zaslającego [K22, 105, 125, 126]. Napęce wymuszające może owzorowywać wektor wrujący ze stałą prękoścą [8, 14, 22, 29, 93] lub pulsujący [8, 23, 40, 68, 76, 94, 127]. W rugm przypaku kerunek wektora oblczany jest na postawe beżącej estymaty położena kątowego wrnka. Wykorzystuje sę częstotlwośc z zakresu o klkuset herców o klku kloherców. Stosunkowo uża częstotlwość pozwala pomnąć w oblczenach rezystancję stojana oraz oseparować skłaową prąu