Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 2/2013 (99) 259 Tomasz Rudnicki, Robert Czerwiński Politechnika Śląska, Gliwice WYKORZYSTANIE PROCESORA SYGNAŁOWEGO DO STEROWANIA SILNIKIEM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI THE USE OF THE DSP TO CONTROL OF PERMANENT MAGNET MOTOR Streszczenie: W artykule opisano prototypowe stanowisko laboratoryjne do uruchamiania silników z magnesami trwałymi. Stanowisko pozwala na badanie silników z magnesami trwałymi o mocy do ok. 1kW. To wymagało wykonanie falownika o odpowiedniej mocy. Interfejs JTAG procesora sygnałowego pozwala na rejestrację wyników pomiarowych w czasie rzeczywistym. Abstract: The paper describes a laboratory workbench for prototyping and run tests of electric motors with permanent magnets. The workbench enables examination of permanent magnet motors with the power up to 1 kw. The solution required engineering of a frequency converter with sufficient output power. The workbench is provided with a signal processor with the JTAG interface to enable recording of test results in the real time mode. Słowa kluczowe: stanowisko laboratoryjne, silnik z magnesami trwałymi, uśrednianie, procesor sygnałowy, enkoder, przetwornik prądowy Keywords: laboratory workbench, PMSM, average, DSP, encoder, current transducer 1. Wstęp Silniki z magnesami trwałymi NdFeB mają najwyższą sprawność i największy moment obrotowy [1], a konstrukcja ich jest stosunkowo prosta. Stojan silnika jest zwykle identyczny jak w silnikóach indukcyjnych, zaś wirnik zawiera magnesy trwałe naklejone w odpowiedni sposób, przy czym istnieją dwie podstawowe konstrukcje wirnika: z magnesami naklejonymi na powierzchni wirnika i z magnesami umieszczonymi wewnątrz jarzma wirnika) [1]. Najbardziej rozpowszechnione konstrukcje silników bezszczotkowych to: synchroniczny silnik bezszczotkowy PMSM (ang. Permanent Magnet Synchronous Motor) oraz silnik bezszczotkowy prądu stałego BLDC (ang. Brushless DC electric motor). W silniku PMSM magnesy są umieszczone w jarzmie wirnika. Ich cechą charakterystyczną jest szeroki zakres regulacji prędkości obrotowej [2,3,4,5]. Ponieważ silniki z magnesami trwałymi pozbawione są komutatora mechanicznego, problem sterowania rozwiązuje układ elektroniczny. Magnesy oraz uzwojenie twornika są umieszczone tak, by powstająca w wyniku rotacji SEM miała postać sinusoidalną w przypadku silników PMSM oraz prostokątną w przypadku silników BLDC. Układ sterowania musi umożliwiać zasilanie silników odpowiednio prądem sinusoidalnym i o charakterystyce trapezowej. Silniki z magnesami trwałymi, oprócz wysokiej sprawności i momentu obrotowego, cechują się małą masą, co ma duże znaczenie w przypadku projektowania pojazdów. Po wykonaniu badań symulacyjnych przychodzi pora na sprawdzenie zaproponowanych metod sterowania w układzie rzeczywistym. W związku z tym istnieje konieczność zrealizowania stanowiska badawczego pozwalającego na wykonanie eksperymentów. Stanowisko powinno umożliwiać łatwą rekonfigurację sprzętową układu sterowania tzn. zastosowanie wybranego enkodera do pomiaru kąta obrotu wału czy podłączenie dowolnego silnika z magnesami trwałymi nieprzekraczającego założonej mocy. W artykule opisano prototypowe stanowisko laboratoryjne do uruchamiania silników z magnesami trwałymi. Stanowisko pozwala na badanie silników z magnesami trwałymi o mocy do ok. 1kW. To wymagało wykonanie falownika o odpowiedniej mocy. Interfejs JTAG procesora sygnałowego pozwala na rejestrację wyników pomiarowych w czasie rzeczywistym.
260 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 2/2013 (99) 2. Stanowisko laboratoryjne Stanowisko laboratoryjne składa się z kilku połączonych ze sobą modułów sprzętowych. Można wyróżnić następujące moduły: moduł procesora sygnałowego, moduł komunikacji z użytkownikiem, moduł optoizolacji, moduł pomiarowy, moduł falownika, moduł zasilania. Zdjęcie badawczego stanowiska laboratoryjnego przedstawiono na Rys. 1. n T1 T2 T3 T4 T5 DSP TMS320F2812 T6 i a i b ic M Rys. 2. Blok sterowania silnikiem z magnesami trwałymi W jednostce tej ze względu na zasoby sprzętowe zaimplementowano cały algorytm sterowania silnikiem PMSM (Rys. 3.). F E Rys. 3. Algorytm sterowania silnikiem PMSM Rys. 1. Badawcze stanowisko laboratoryjne Moduł procesora sygnałowego składa się zestawu uruchomieniowego ezdspf2812 z procesorem sygnałowym TMS320F2812. Jednostka ta w swoim założeniu jest dedykowana do układów sterowania silnikami z magnesami trwałymi. Blok sterowania przedstawiono na Rys. 2 [4,7]. Jak można zauważyć z zasobów sprzętowych TMS320F2812 wykorzystano między innymi moduł PWM z wyjściami komplementarnymi, regulatory proporcjonalno-całkowe PI oraz przetwornik A/C. Do podłączenia enkodera E wykorzystano protokół SPI procesora sygnałowego TMS320F2812. Moduł komunikacyjny z użytkownikiem zawiera klawiaturę i wyświetlacz LCD. Klawiatura służy do zadawania zarówno prędkości obrotowej jak i kierunku obrotu silnika. Wyświetlacz LCD pokazuje aktualną pozycję wału, prędkość zadaną oraz rzeczywistą prędkość obrotową. Moduł optoizolacji służy do separacji galwanicznej części cyfrowej układu sterowania od napięcia silnika z magnesami trwałymi. Moduł pomiarowy służy do pomiaru prądów fazowych silnika (i a, i b, i c ) oraz do pomiaru kąta położenia wału silnika. W celu zmierzenia prądów fazowych zostały użyte przekładniki prądowe (ze wzmacniaczem pomiarowym) CASR 25-NP. Na Rys. 4 przedstawiono schemat blokowy zastosowanego przekładnika prądowego.
Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 2/2013 (99) 261 Rys. 4. Schemat blokowy przetwornika pomiarowego CASR 25-NP Sygnał napięciowy z układu CASR 25-NP jest mierzony przez wewnętrzny przetwornik A/C procesora sygnałowego TMS32F2812. Przetwornik A/C może pracować z maksymalną częstotliwością 50MHz, natomiast modulacja szerokości impulsów PWM pracuje z częstotliwością 8kHz. Z tego wynika, że przetwornik jest w stanie dokonać 6250 pomiarów. Można zatem wprowadzić uśrednianie programowe. Uśrednianie to odbywa się na zasadzie kolejki tzn. pierwsza próbka jest eliminowana, a bieżąca jest wpisywana na jej miejsce. Następnie jest liczona średnia arytmetyczna z tych próbek. Idea jest przedstawiona na Rys. 5. Oczywiście trzeba odliczyć czas na obliczenie tej średniej [6]. zmierzeniu go przez wewnętrzny przetwornik A/C procesora sygnałowego TMS320F2812 oraz po wprowadzeniu uśredniania programowego z 16 oraz 32 próbek pomiarowych przy prędkości 700rpm [6]. Algorytm sterowania silnikiem PMSM wymaga obliczania aktualnego kąta położenia wału silnika. W przedstawionym stanowisku laboratoryjnym można wykorzystać dowolny enkoder absolutny. Do badań silnika PMSM wykorzystano 12-bitowy enkoder absolutny MAB28 firmy Megatron, który został podłączony do procesora TMS320F2812 za pomocą interfejsu SPI. Moduł falownika to gotowy blok połączonych ze sobą sześciu tranzystorów IGBT. Jako moduł falownika wybrano moduł PM50RLA060. Schemat aplikacyjny podłączenia tego modułu przedstawiono na Rys. 7. Ze względu na wymagania optoizolacji konieczne jest zastosowanie złożonego bloku zasilania układu sterowania. W związku z tym wykonano zasilacz, który posiada cztery niezależne napięcia +15V oraz jedno +5V. Napięcia +15V zasilają transoptory, natomiast napięcie +5V zasila część cyfrową układu sterowania. Rys. 5. Sposób wyznaczania średniej z 16 próbek. 2500 Iaver16 Iaver32 2450 2400 2350 2300 2250 2200 0 50 100 150 200 250 300 350 Rys. 6. Sygnał napięciowy z układu CASR 25- NP przy prędkości 700rpm po zmierzeniu przez przetwornik A/C procesora TMS320F2812 po wprowadzeniu uśredniania programowego Na Rys. 6 przedstawiono przebieg sygnału z przetwornika pomiarowego CASR 25-NP po Rys. 7. Schemat aplikacyjny podłączenia modułu PM50RLA060 Do pierwszych badań laboratoryjnych wykorzystano silnik z magnesami trwałymi PMSM o mocy 1kW, prędkości znamionowej 1000obr/min, prądzie znamionowym 14A oraz napięciu znamionowym 30V.
262 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 2/2013 (99) 3. Oprogramowanie procesora DSP Oprogramowanie zaimplementowano w procesorze sygnałowym TMS320F2812. Oprogramowanie to realizuje: odczyt z enkodera 12-bitowej pozycji wału silnika, przeliczanie pozycji na kąt obrotu wału, obliczanie prędkości obrotowej silnika, pomiar sygnału napięciowego z przekładników CASR 25-NP, przeliczanie sygnału napięciowego na wartość prądu, obsługa klawiatury i wyświetlacza LCD, obliczanie transformat d-q, α-β oraz odwrotnej transformaty d-q, sterowanie modułem PWM, obsługa timerów sprzętowych procesora, wykonywanie obliczeń związanych z regulatorami PI. Na Rys. 8 przedstawiono schemat blokowy programu głównego. Na Rys. 10 przedstawiono schemat blokowy programu przerwania z timera 2. - odblokowanie przerwań - odczyt enkodera - obliczanie prędkości obrotowej Rys. 10. Schemat blokowy programu obsługi przerwania z timera 2 Na Rys. 11 przedstawiono schemat blokowy programu przerwania z przetwornika A/C. Konfiguracja układów peryferyjnych - odblokowanie przerwań - odczyt 3-kanałów przetwornika A/C - obliczanie średniej Odczyt klawiatury Wysłanie danych do LCD Oczekiwanie na przerwania Rys. 8. Schemat blokowy programu głównego Na Rys. 9 przedstawiono schemat blokowy programu obsługi przerwania z timera 1. Obliczenia : -α β - d-q - regulatorów PI - V a-v b - PWM Rys. 9. Schemat blokowy programu obsługi przerwania z timera 1 Rys. 11. Schemat blokowy programu obsługi przerwania z przetwornika A/C. Interfejs JTAG procesora sygnałowego TMS320F2812 pozwala na zapisywanie w pamięci RAM interesujących danych pomiarowych i dostęp do nich poprzez środowisko Code Composer Studio. 4. Podsumowanie W artykule zamieszczono opis prototypowego stanowiska laboratoryjnego do badania silników z magnesami trwałymi. Poprzez zastosowanie budowy modułowej istnieje możliwość stosowania dowolnych modułów w zależności od badanego silnika. Istnieje możliwość zastosowania dowolnego enkodera, który będzie podłączony do układu za pomocą protokołu SPI. Można również zastosować dowolny sposób pomiaru prądów fazowych silnika, a sygnały napięciowe podłączyć do przetwornika A/C procesora TMS320F2812. Zastosowany moduł mocy falownika PM50RLA060 wraz z przekładnikami pomiarowymi CASR 25-NP po-
Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 2/2013 (99) 263 zwala na badanie silników, których prądy fazowe nie przekraczają prądu 25A. Przeprowadzone testy z silnikiem PMSM o mocy 1kW udowodniły, że przyjęta koncepcja stanowiska laboratoryjnego okazała się prawidłowa. 5. Literatura [1]. Glinka T.: Mikromaszyny elektryczne wzbudzane magnesami trwałymi. Gliwice: Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 1995. [2]. Krishan R.: Electric motor drives modeling, analysis and control. Prentice Hall, 2001. [3]. Lee G.B., Park J.S., Lee S.H., Kwon Y.A.: High-performance sensor-less control of PMSM using back-emf and reactive power. ICCAS-SICE, 2009, pp.407-411 [4]. Łastowiecki J.: Elementy i podzespoły półprzewodnikowych układów napędowych. Warszawa: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 1999. [5]. Pillay P., Krishnan R.: Modeling, simulation, and analysis of permanent-magnet motor drives. Part I. The permanent-magnet synchronous motor drive. IEEE Transactions on Industry Application, vol.25, no.2, 1989, pp.265-273 [6]. Rudnicki T., Czerwiński R.: Pomiar prądów fazowych silnika z magnesami trwałymi. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne nr 97, 2012, ss. 57-61. [7]. Rudnicki T., Czerwiński R.: Zastosowanie enkodera absolutnego do sterowania silnikiem synchronicznym z magnesami trwałymi. Elektronika Konstrukcje Technologie Zastosowania, 8/2012, ss. 121-125. Autorzy dr inż. Tomasz Rudnicki email: trudnicki@polsl.pl dr inż. Robert Czerwiński email: rczerwinski@polsl.pl Politechnika Śląska Wydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki Instytut Elektroniki Informacje dodatkowe Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2010-2013 jako projekt badawczy Nr N N510 077638.