W kolejnych artyku\u0142ach z serii b\u0119d\u0119 koncentrowa\u0142 si\u0119 na pozosta\u0142ych istotnych tematach zwi\u0105zanych z nap\u0119dami elektrycznymi, pocz\u0105wszy od sterowania przemiennikami cz\u0119stotliwo\u015bci, przez uk\u0142ady pomiarowe, metody estymacji i obserwacji zmiennych stanu, analiz\u0119 uszkodze\u0144, a ko\u0144cz\u0105c na diagnostyce aktywnej oraz sterowaniu odpornym.<\/p>\n\n\n\n
Wiedza teoretyczna, kt\u00f3r\u0105 przedstawi\u0119, jest dosy\u0107 uniwersalna i mo\u017ce by\u0107 stosowana w r\u00f3\u017cnych ga\u0142\u0119ziach technologicznych, zar\u00f3wno w szeroko poj\u0119tym automotive <\/strong>\u2013 pojazdach hybrydowych, elektrycznych czy autonomicznych \u2013 ale tak\u017ce w rozwi\u0105zaniach przemys\u0142owych<\/strong> (ta\u015bmoci\u0105gi, d\u017awigi, d\u017awignice, suwnice itd.), a nawet domowym sprz\u0119cie AGD<\/strong> np. pralkach czy suszarkach.<\/p>\n\n\n\n Uprzedz\u0119 Was przy okazji, \u017ce w tek\u015bcie mog\u0105 pojawi\u0107 si\u0119 trudniejsze fragmenty, ale zach\u0119cam do zapoznania si\u0119 z nimi, poniewa\u017c pozwol\u0105 na \u0142atwiejsze zrozumienie kolejnych i ciekawszych publikacji.<\/p>\n\n\n\n Wsp\u00f3\u0142czesne uk\u0142ady nap\u0119dowe wykorzystywane mi\u0119dzy innymi w pojazdach elektrycznych i hybrydowych, mog\u0105 by\u0107 sterowane przy wykorzystaniu r\u00f3\u017cnych algorytm\u00f3w. Coraz cz\u0119\u015bciej stosowane s\u0105 wysokiej jako\u015bci regulowane nap\u0119dy elektryczne VFD<\/strong> (ang. Variable Frequency Drives) zasilane z przemiennik\u00f3w cz\u0119stotliwo\u015bci, kt\u00f3re s\u0105 w stanie spe\u0142nia\u0107 surowe wymagania funkcjonalne, wydajno\u015bciowe oraz bezpiecze\u0144stwa.<\/p>\n\n\n\n Bez wzgl\u0119du jak\u0105 metod\u0105 sterowania si\u0119 pos\u0142u\u017cymy, zawsze b\u0119dziemy stara\u0107 si\u0119 kontrolowa\u0107 moment elektromagnetyczny w spos\u00f3b po\u015bredni lub bezpo\u015bredni. Moment silnika mo\u017ce by\u0107 regulowany na wiele sposob\u00f3w, kt\u00f3re zale\u017c\u0105 od wyboru elektromagnetycznych zmiennych stanu (x<\/strong>1e<\/sub> i x<\/strong>2e<\/sub>). Dla przyk\u0142adu bardzo og\u00f3lna zale\u017cno\u015b\u0107 na moment silnika indukcyjnego jest wyra\u017cona jako:<\/p>\n\n\n\n Zmienne te mo\u017cemy w pewnym stopniu wskazywa\u0107 dowolnie, ale musimy bazowa\u0107 na modelu matematycznym maszyny. Wyb\u00f3r wielko\u015bci steruj\u0105cych momentem, uproszczenia zale\u017cno\u015bci matematycznych i modelu silnika oraz dodatkowo przyj\u0119te warunki, decyduj\u0105 o w\u0142a\u015bciwo\u015bciach statycznych i dynamicznych nap\u0119du.<\/p>\n\n\n\n Aktualny generalny podzia\u0142 istniej\u0105cych metod i struktur sterowania silnikami elektrycznymi przedstawiono na Ryc. 1., a najog\u00f3lniej mo\u017cna podzieli\u0107 go na:<\/p>\n\n\n\n W systemach sterowania zewn\u0119trznego<\/strong> w stanach nieustalonych silnika powstaj\u0105 niekontrolowane procesy przej\u015bciowe, co skutkuje powstawaniem s\u0142abo t\u0142umionych oscylacji i utykaniem silnika. Nap\u0119dy sterowane w ten spos\u00f3b nie mog\u0105 by\u0107 stosowane w aplikacjach wymagaj\u0105cych cz\u0119stych zmian obci\u0105\u017cenia i cz\u0119stotliwo\u015bci (pr\u0119dko\u015bci silnika).<\/p>\n\n\n\n Natomiast struktury sterowania wewn\u0119trznego<\/strong> (ze sprz\u0119\u017ceniami zwrotnymi) stosowane s\u0105 zazwyczaj w aplikacjach wymagaj\u0105cych stabilizacji pr\u0119dko\u015bci i bardzo dobrych w\u0142a\u015bciwo\u015bci dynamicznych. W tym celu wykorzystywane s\u0105 zaawansowane algorytmy regulacji oraz szybkie procesory sygna\u0142owe i precyzyjne uk\u0142ady pomiarowe, pozwalaj\u0105ce na szybk\u0105 kompensacj\u0119 uchyb\u00f3w pomi\u0119dzy warto\u015bciami zadanymi i mierzonymi.<\/p>\n\n\n\n Ja skoncentruj\u0119 si\u0119 mocniej na tych ostatnich, okre\u015blanych tak\u017ce jako metody sterowania wektorowego<\/strong>, poniewa\u017c s\u0105 coraz popularniejsze, du\u017co bardziej skomplikowane, posiadaj\u0105 wiele mo\u017cliwo\u015bci modyfikacji i rozszerzenia funkcjonalno\u015bci, a co za tym idzie \u2013 s\u0105 ciekawsze.<\/strong><\/p>\n\n\n\n Metody wektorowe nie bazuj\u0105 na warto\u015bciach poszczeg\u00f3lnych wielko\u015bci (skalarach) tylko, jak sama nazwa wskazuje, na ich wektorach. Dlatego pierwszym krokiem jest wyznaczenie zale\u017cno\u015bci r\u00f3\u017cniczkowo-ca\u0142kowych maszyny elektrycznej i stworzenie jej modelu matematycznego (przyjmuj\u0105c pewne za\u0142o\u017cenia i uproszczenia), a nast\u0119pnie zapis tych r\u00f3wna\u0144 za pomoc\u0105 wektora przestrzennego w wiruj\u0105cym uk\u0142adzie wsp\u00f3\u0142rz\u0119dnych.<\/p>\n\n\n\n Zabieg ten pozwala na zmniejszenie liczby dzia\u0142a\u0144 r\u00f3\u017cniczkowych oraz umo\u017cliwia prezentacj\u0119 modelu w r\u00f3\u017cnych uk\u0142adach wsp\u00f3\u0142rz\u0119dnych prostok\u0105tnych. W sterowanym wektorowo silniku pr\u0105du przemiennego mierzone s\u0105 tr\u00f3jfazowe wielko\u015bci zmienne, kt\u00f3re ze stacjonarnej p\u0142aszczyzny odniesienia mog\u0105 zosta\u0107 zespolone w pojedynczy wektor wiruj\u0105cy w czasie.<\/p>\n\n\n\n Nieruchomy uk\u0142ad tr\u00f3jfazowy opisuje si\u0119 wektorowo w tak zwanym systemie wsp\u00f3\u0142rz\u0119dnych A-B-C, w kt\u00f3rym sk\u0142adowe wektora s\u0105 rozmieszczone co 120 stopni (Ryc. 2a). Wiruj\u0105cy wektor \u0142atwiej jest przedstawi\u0107 w uk\u0142adzie dwuosiowym, wi\u0119c sygna\u0142y w dziedzinie czasu przekszta\u0142ca w dwie sk\u0142adowe w tak zwanym ortogonalnym systemie \u03b1-\u03b2<\/em>.<\/p>\n\n\n\n Uk\u0142ad ten odnosi si\u0119 do stojana (nieruchomej cz\u0119\u015bci silnika), przy czym sk\u0142adowa \u03b1<\/em> jest zr\u00f3wnana ze sk\u0142adow\u0105 A uk\u0142adu A-B-C, a sk\u0142adowa \u03b2<\/em> jest do niej prostopad\u0142a (Ryc. 2b). Nadal mamy do czynienia z wektorem zmiennym w czasie, dlatego w kolejnym kroku stosuje si\u0119 kolejn\u0105 transformacj\u0119, ale tym razem przechodzimy do uk\u0142adu wsp\u00f3\u0142rz\u0119dnych d-q<\/em> (x-y<\/em>) wiruj\u0105cego wsp\u00f3\u0142osiowo z wirnikiem (cz\u0119\u015bci\u0105 ruchom\u0105 silnika), jak na Ryc. 2c. <\/p>\n\n\n\n Aby poprawnie wyznaczy\u0107 t\u0119 p\u0142aszczyzn\u0119, potrzebny jest k\u0105t \u03b8<\/em>, kt\u00f3ry dla silnik\u00f3w synchronicznych otrzymuje si\u0119 bezpo\u015brednio z czujnika po\u0142o\u017cenia wirnika. Jednak\u017ce nasz przypadek dotyczy silnika indukcyjnego (asynchronicznego)<\/strong>, dlatego musimy dodatkowo uwzgl\u0119dni\u0107 po\u015blizg, czyli wzgl\u0119dn\u0105 r\u00f3\u017cnic\u0105 mi\u0119dzy pr\u0119dko\u015bci\u0105 obrotow\u0105 wirnika a pr\u0119dko\u015bci\u0105 wirowania pola magnetycznego, kt\u00f3ra wynika z takich parament\u00f3w jak liczba par biegun\u00f3w czy cz\u0119stotliwo\u015b\u0107 pr\u0105du zasilaj\u0105cego.<\/p>\n\n\n\n Po\u0142o\u017cenie wirnika musimy zatem obliczy\u0107, wykorzystuj\u0105c matematyczne zale\u017cno\u015bci obserwatora stanu silnika. O metodach odtwarzania wielko\u015bci trudnomierzalnych, estymatorach i obserwatorach stanu opowiem wi\u0119cej w oddzielnej cz\u0119\u015bci serii. Posiadaj\u0105c k\u0105t po\u0142o\u017cenia wirnika, jeste\u015bmy w stanie przej\u015b\u0107 z jednego uk\u0142adu wsp\u00f3\u0142rz\u0119dnych na drugi i z powrotem. W\u0142a\u015bnie te zale\u017cno\u015bci (okre\u015blane jako transformacje Clarke\u2019a i Parka<\/strong>) s\u0105 kluczem sterowania wektorowego. Wdro\u017cenie r\u00f3\u017cnych system\u00f3w odniesienia znacz\u0105co upraszcza nam analiz\u0119 i obliczenia ca\u0142ego uk\u0142adu, a w konsekwencji pozwala na efektywne sterowanie silnikiem, poniewa\u017c przemienne przebiegi pr\u0105du i napi\u0119cia przedstawiane s\u0105 w warunkach stanu ustalonego.<\/p>\n\n\n\n W zale\u017cno\u015bci od wyboru sygna\u0142\u00f3w (wektor\u00f3w) steruj\u0105cych mo\u017cemy wyr\u00f3\u017cni\u0107 dwie kluczowe metody wektorowe z modulacj\u0105 wektorow\u0105 przekszta\u0142tnika:<\/p>\n\n\n\n W obu przypadkach g\u0142\u00f3wna idea polega na oddzielnym sterowaniu momentem elektromagnetycznych i strumieniem uzwojenia w silniku, co pozwala uzyska\u0107 wysok\u0105 dok\u0142adno\u015b\u0107 regulacji pr\u0119dko\u015bci obrotowej.<\/p>\n\n\n\n Pomijaj\u0105c skomplikowane wzory i zale\u017cno\u015bci matematyczne, g\u0142\u00f3wna idea dzia\u0142ania pierwszej z metod polega na wydzieleniu sk\u0142adowej czynnej wektora pr\u0105du stojana isy<\/sub><\/em> (decyduj\u0105cej o momencie elektromagnetycznym) oraz biernej isx<\/sub><\/em> (odpowiedzialnej za strumie\u0144).<\/p>\n\n\n\n Przyjmujemy, \u017ce nasz uk\u0142ad wsp\u00f3\u0142rz\u0119dnych wiruje wsp\u00f3\u0142bie\u017cnie z wektorem strumienia skojarzonego wirnika \u03c8r<\/sub><\/em>(o\u015b x z Ryc. 3a). Wektor pr\u0105du stojana is<\/sub><\/em><\/strong>, mierzony w uk\u0142adzie A-B-C, mo\u017ce zosta\u0107 roz\u0142o\u017cony na dwie sk\u0142adowe \u03b1-\u03b2<\/em> oraz dwie sk\u0142adowe prostok\u0105tne is<\/sub><\/em><\/strong> = [isx<\/sub>, isy<\/sub><\/em>]. Wydzielenie tych pr\u0105d\u00f3w odbywa si\u0119 z wykorzystaniem uk\u0142adu odtwarzaj\u0105cego (estymatora) wektor strumienia wirnika, na podstawie informacji o po\u0142o\u017ceniu wektora strumienia wirnika. Wykorzystuj\u0105c informacj\u0119 o po\u0142o\u017ceniu wirnika, dokonywana jest transformacja Clarke\u2019a wektora pr\u0105du stojana z uk\u0142adu fazowego A-B-C do stacjonarnego \u03b1-\u03b2<\/em> i nast\u0119pnie Parka do docelowego uk\u0142adu x-y<\/em>.<\/p>\n\n\n\n Graficzne przedstawienie po\u0142o\u017cenia wektor\u00f3w w uk\u0142adach wsp\u00f3\u0142rz\u0119dnych przedstawiono na Ryc. 3a.<\/p>\n\n\n\n W praktyce dwie przetransformowane sk\u0142adowe pr\u0105du s\u0105 regulowane oddzielnie sterownikami typu PI, a sygna\u0142ami wyj\u015bciowymi s\u0105 sk\u0142adowe wektora napi\u0119cia stojana we wsp\u00f3\u0142rz\u0119dnych x-y<\/em>, kt\u00f3re po transformacji powrotnej do uk\u0142adu \u03b1-\u03b2<\/em> przekazywane s\u0105 na wej\u015bcie modulatora przekszta\u0142tnika cz\u0119stotliwo\u015bci.<\/p>\n\n\n\n W klasycznej strukturze wykorzystujemy cztery regulatory PI:<\/p>\n\n\n\n Schemat ideowy umie\u015bci\u0142em na Ryc. 3b. Oczywi\u015bcie t\u0119 struktur\u0119 mo\u017cemy modyfikowa\u0107 w zale\u017cno\u015bci od tego, kt\u00f3rym sygna\u0142em mamy zamiar sterowa\u0107. Popularne rozwi\u0105zania umo\u017cliwiaj\u0105 mi\u0119dzy innymi: dodanie kolejnej p\u0119tli regulacji i sterowanie po\u0142o\u017ceniem wirnika maszyny czy bezpo\u015brednie zadawanie warto\u015bci pr\u0105d\u00f3w isx<\/sub>, isy<\/sub><\/em> (eliminacja p\u0119tli pr\u0119dko\u015bci i strumienia.<\/p>\n\n\n\n Na Ryc. 4 zaprezentowano struktur\u0119 ca\u0142ego modelu sterowania DRFOC z p\u0119tl\u0105 regulacji pr\u0119dko\u015bci silnika, zrealizowan\u0105 w \u015brodowisku Matlab\/Simulink, kt\u00f3r\u0105 wykorzystywa\u0142em do test\u00f3w symulacyjnych.<\/p>\n\n\n\n Drug\u0105 najbardziej popularn\u0105 metod\u0105 sterowania jest bezpo\u015brednie sterowanie momentem elektromagnetycznym (ang. DTC – Direct Torque Control), nazywane r\u00f3wnie\u017c DTFC (ang. Direct Torque and Flux Control). Metoda ta zdoby\u0142a swoj\u0105 popularno\u015b\u0107<\/strong> dzi\u0119ki zapewnieniu nap\u0119dom elektrycznym bardzo dobrej dynamiki momentu i strumienia, brakowi transformacji wsp\u00f3\u0142rz\u0119dnych oraz ma\u0142ej ilo\u015bci parametr\u00f3w wymagaj\u0105cych strojenia.<\/p>\n\n\n\n G\u0142\u00f3wna idea algorytmu sterowania sprowadza si\u0119 do bezpo\u015bredniego wyznaczania sygna\u0142\u00f3w steruj\u0105cych prze\u0142\u0105czaniem poszczeg\u00f3lnych \u0142\u0105cznik\u00f3w przemiennika cz\u0119stotliwo\u015bci na podstawie sygna\u0142\u00f3w z regulator\u00f3w histerezowych strumienia i momentu oraz tablicy prze\u0142\u0105cze\u0144 (Ryc. 5). <\/p>\n\n\n\n Strategia sterowania wynika z jednej z zale\u017cno\u015bci na moment silnika indukcyjnego i polega na jednoczesnym wp\u0142ywaniu na warto\u015b\u0107 momentu elektromagnetycznego oraz na warto\u015b\u0107 amplitudy strumienia magnetycznego:<\/p>\n\n\n\n gdzie: Przyjmuje si\u0119, \u017ce wektor przestrzenny strumienia skojarzonego wirnika ma sta\u0142\u0105 amplitud\u0119 i pr\u0119dko\u015b\u0107 wirowania, wi\u0119c kszta\u0142towanie momentu polega na sterowaniu po\u0142o\u017ceniem wektora przestrzennego strumienia stojana. Zak\u0142adaj\u0105c brak bezpo\u015bredniej ingerencji w warto\u015b\u0107 pr\u0105du (sterowanie nad\u0105\u017cne), regulacji dokonujemy poprzez odpowiednie zasilanie uzwoje\u0144 stojana silnika:<\/p>\n\n\n\n W falowniku mamy dost\u0119pne sze\u015b\u0107 aktywnych wektor\u00f3w napi\u0119cia oraz dwa zerowe (000 i 111) \u2013 znajdziecie je na Ryc. 6. U\u017cycie jednego z nich powoduje przyrost (lub redukcj\u0119) wektora przestrzennego strumienia skojarzonego stojana w kierunku zgodnym z u\u017cytym wektorem napi\u0119cia stojana.<\/p>\n\n\n\n W metodzie DTC stosuje si\u0119 regulatory komparatorowe por\u00f3wnuj\u0105ce warto\u015bci zadane z mierzonymi: dwupo\u0142o\u017ceniowy strumienia oraz tr\u00f3jpo\u0142o\u017ceniowy momentu o szeroko\u015bci strefy r\u00f3wnej 2Hm<\/sub><\/em>.<\/p>\n\n\n\n Sygna\u0142y wyj\u015bciowe komparator\u00f3w d\u03c8<\/em> oraz dm<\/em> okre\u015blone s\u0105 jako:<\/p>\n\n\n\n Ponadto, konieczne jest wyznaczenie po\u0142o\u017cenia wektora przestrzennego strumienia skojarzonego stojana z dok\u0142adno\u015bci\u0105 do jednego z sze\u015bciu sektor\u00f3w \u2013 N. Na podstawie sygna\u0142\u00f3w wyj\u015bciowych komparator\u00f3w d\u03c8<\/em>, dm<\/em> oraz numeru sektora N,<\/em> z tablicy prze\u0142\u0105cze\u0144 (Ryc. 5) wybierany jest odpowiedni wektor napi\u0119cia stojana.<\/p>\n\n\n\n W ten spos\u00f3b kontrolujemy d\u0142ugo\u015b\u0107 wektora strumienia stojana oraz jego po\u0142o\u017cenie wzgl\u0119dem wektora strumienia wirnika, wp\u0142ywaj\u0105c jednocze\u015bnie na warto\u015b\u0107 momentu elektromagnetycznego generowanego przez silnik.<\/strong><\/p>\n\n\n\n Przyk\u0142ad:<\/strong> je\u017celi wektor strumienia stojana znajduje si\u0119 aktualnie w sektorze N=2, oraz gdy warto\u015b\u0107 momentu i strumienia s\u0105 za ma\u0142e w stosunku do warto\u015bci zadanych (regulatory histerezowe zwracaj\u0105 na wyj\u015bciu: dm<\/sub>=<\/em>1, d\u03c8<\/sub>=<\/em>1), to zostanie wybrany wektor napi\u0119cia us3<\/sub><\/em>, kt\u00f3ry spowoduje zwi\u0119kszenie amplitudy wektora przestrzennego strumienia skojarzonego stojana oraz zwi\u0119kszenie k\u0105ta \u03b4\u03c8<\/em>, czyli zwi\u0119kszenie momentu (przyspieszenie silnika) \u2013 Ryc. 7.<\/p>\n\n\n\n Klasyczna posta\u0107 metody DTC<\/strong> (z tzw. tablic\u0105 prze\u0142\u0105cze\u0144) zosta\u0142a rozwini\u0119ta oraz poprawiona<\/strong> w celu eliminacji jej podstawowych wad, tj. pulsacji strumienia i momentu oraz zmiennej cz\u0119stotliwo\u015bci prze\u0142\u0105cze\u0144 \u0142\u0105cznik\u00f3w przekszta\u0142tnika napi\u0119cia.<\/p>\n\n\n\n Przede wszystkim regulatory histerezowe strumienia i momentu oraz tablica prze\u0142\u0105cze\u0144 zosta\u0142y zast\u0105pione regulatorami liniowymi PI oraz modulatorem wektorowym (SVM \u2013 ang. Space Vector Modulation) \u2013 uk\u0142ad sterowania tranzystorami przemiennika cz\u0119stotliwo\u015bci. G\u0142\u00f3wna idea sterowania pozostaje wi\u0119c bez zmian, a kluczowa modyfikacja dotyczy wprowadzenia transformacji sk\u0142adowych wektora napi\u0119cia stojana us<\/sub><\/em> = [usx<\/sub>, usy<\/sub><\/em>] do uk\u0142adu wsp\u00f3\u0142rz\u0119dnych x-y<\/em> \u2013 Ryc. 8a.<\/p>\n\n\n\n Zadane sygna\u0142y strumienia stojana i momentu elektromagnetycznego s\u0105 por\u00f3wnywane z warto\u015bciami estymowanymi, a uzyskane uchyby podawane s\u0105 na wej\u015bcia regulator\u00f3w PI. Sygna\u0142y wyj\u015bciowe regulator\u00f3w, stanowi\u0105 warto\u015bci zadane napi\u0119\u0107 stojana usx<\/sub><\/em> i usy<\/sub><\/em>, kt\u00f3re po transformacji do stacjonarnego uk\u0142adu \u03b1-\u03b2<\/em> wykorzystywane s\u0105 do obliczania czas\u00f3w za\u0142\u0105cze\u0144 tranzystor\u00f3w w bloku modulatora SVM.<\/p>\n\n\n\n Schemat ideowy struktury z dodatkow\u0105 p\u0119tl\u0105 regulacji pr\u0119dko\u015bci przedstawiono na Ryc. 8b.<\/p>\n\n\n\n Metoda DTC-SVM z pozytywnym skutkiem \u0142\u0105czy zalety struktury polowo-zorientowanej oraz bezpo\u015bredniego sterowania momentem z tablic\u0105 prze\u0142\u0105cze\u0144, zapewniaj\u0105c doskona\u0142\u0105 dynamik\u0119 oraz stabilno\u015b\u0107 pracy uk\u0142adu nap\u0119dowego<\/strong>. Metoda ta z powodzeniem wykorzystywana jest w nap\u0119dach bezczujnikowych oraz w z\u0142o\u017conych aplikacjach przemys\u0142owych, zw\u0142aszcza w uk\u0142adach wymagaj\u0105cych szybkich i kontrolowanych zmian momentu elektromagnetycznego.<\/p>\n\n\n\n Praktyczna implementacja i weryfikacja odbywaj\u0105 si\u0119 na stanowisku testowym i w moim przypadku sk\u0142ada\u0142o si\u0119 ono z komputera PC<\/strong> z zainstalowanym \u015brodowiskiem programistycznym i operatorskim ControlDesk<\/strong>. Do realizacji bada\u0144 eksperymentalnych wykorzystywa\u0142em kart\u0119 szybkiego prototypowania DS1202 zaimplementowan\u0105 na platformie MicroLabBox firmy dSPACE GmbH<\/strong>, kt\u00f3ra po\u0142\u0105czona by\u0142a z komputerem z\u0142\u0105czem ethernetowym.<\/strong><\/p>\n\n\n\n Platforma MicroLab Box (Ryc. 9) posiada dwurdzeniowy procesor czasu rzeczywistego o cz\u0119stotliwo\u015bci taktowania 2 GHz (Freescale PowerPC QorIQ P5020) oraz zintegrowany, programowalny uk\u0142ad logiczny FPGA firmy Xilinx (Kintex-7 XC7K325T) przeznaczony dla bardziej wymagaj\u0105cych aplikacji. Jednostka MicroLabBox zawiera ponad 100 analogowych (BNC) oraz cyfrowych port\u00f3w wej\u015bciowych i wyj\u015bciowych, a ponadto obs\u0142uguje protoko\u0142y komunikacyjne CAN i Ethernet oraz dedykowane wej\u015bcia dla resolwer\u00f3w i innych przetwornik\u00f3w po\u0142o\u017cenia.<\/p>\n\n\n\n Wyra\u017anie wida\u0107, \u017ce platforma ta jest znacznie przewymiarowana i dlatego jest \u015bwietnym rozwi\u0105zaniem dla pojedynczych i skomplikowanych projekt\u00f3w rozwojowych i prototypowych oraz rozbudowanych system\u00f3w nap\u0119dowych.<\/p>\n\n\n\n \u015arodowiskiem programistycznym, kt\u00f3rym si\u0119 pos\u0142u\u017cy\u0142em do modelowania uk\u0142ad\u00f3w sterowania (Rysc. 10 i 11), jest MATLAB Simulink<\/strong> wraz z bibliotekami specjalistycznymi (ang. RTI \u2013 Real-Time Interface). Zaimplementowane na karcie procesorowej programy by\u0142y kontrolowane za po\u015brednictwem aplikacji zaprojektowanej w ControlDesk Next Generation. Pozwala ona na stworzenie pulpitu operatorskiego umo\u017cliwiaj\u0105cego wizualizacj\u0119 graficzn\u0105, dost\u0119p i zmian\u0119 parametr\u00f3w uk\u0142adu sterowania w czasie realizacji procesu bez konieczno\u015bci ponownej kompilacji i generacji kodu. Ponadto umo\u017cliwia ona monitorowanie i rejestrowanie przebieg\u00f3w zmiennych modelu w czasie rzeczywistym.<\/p>\n\n\n\n Na Ryc. 12 przedstawiono okno programu z uk\u0142adem sterowania polowo-zorientowanego.<\/p>\n\n\n\n Za pomoc\u0105 platformy sterowane s\u0105 dwa przekszta\u0142tniki cz\u0119stotliwo\u015bci zasilaj\u0105ce silniki firmy BESEL:<\/p>\n\n\n\n Silnik obci\u0105\u017caj\u0105cy zasilany jest z przekszta\u0142tnika firmy TWERD (model MFC 710) o mocy 1,5 kW i sterowany wektorowo w strukturze momentowej. Warto\u015b\u0107 momentu obci\u0105\u017cenia zadawana jest przez MicroLabBox i podawana na wej\u015bcie analogowe (0-10V DC) przemiennika. Pr\u0119dko\u015b\u0107 k\u0105towa wirnika maszyny obci\u0105\u017caj\u0105cej jest mierzona za pomoc\u0105 enkodera inkrementalnego firmy K\u00fcbler (model 8.5020.D54A.5000.0050). Schemat stanowiska laboratoryjnego zosta\u0142 przedstawiony na rys. 13.<\/p>\n\n\n\n Informacja o napi\u0119ciu zasilaj\u0105cym stojan maszyny obliczana jest na podstawie czas\u00f3w za\u0142\u0105cze\u0144 tranzystor\u00f3w przemiennika cz\u0119stotliwo\u015bci oraz napi\u0119cia w obwodzie po\u015brednicz\u0105cym przekszta\u0142tnika, mierzonego za pomoc\u0105 przetwornika napi\u0119ciowego firmy LEM. Warto\u015bci pr\u0105d\u00f3w stojana s\u0105 uzyskiwane z pomiaru wykorzystuj\u0105cego dwa (lub trzy) hallotronowe przetworniki pr\u0105dowe z zamkni\u0119t\u0105 p\u0119tl\u0105 sprz\u0119\u017cenia firmy LEM. Aktualna warto\u015b\u0107 pr\u0119dko\u015bci k\u0105towej wirnika otrzymywana jest z enkodera inkrementalnego firmy K\u00fcbler (model 8.5020.D54A.5000.0050) o rozdzielczo\u015bci 5000 impuls\u00f3w na obr\u00f3t.<\/p>\n\n\n\n Poni\u017cej mo\u017cecie zapozna\u0107 si\u0119 z przyk\u0142adowymi przebiegami podstawowych sygna\u0142\u00f3w steruj\u0105cych podczas pracy nawrotnej silnika w pe\u0142nym zakresie pr\u0119dko\u015bci<\/strong>. Dodatkowo od 5-tej sekundy maszyna robocza jest obci\u0105\u017cana, gdy znajduje si\u0119 w stanie ustalonym.<\/p>\n\n\n\n Na pierwszy rzut oka mo\u017cemy zauwa\u017cy\u0107, \u017ce w przypadku wynik\u00f3w rzeczywistych<\/strong> pr\u0119dko\u015b\u0107 mierzona z enkodera jest bardziej poszarpana i widoczne s\u0105 wi\u0119ksze przeregulowania chwil\u0119 przed osi\u0105gni\u0119ciem warto\u015bci zadanej. W wynikach symulacyjnych<\/strong> wielko\u015bci mierzone niemal idealnie pokrywaj\u0105 si\u0119 z \u017c\u0105danymi i ten fakt dotyczy wszystkich sygna\u0142\u00f3w.<\/p>\n\n\n\n Najwi\u0119ksze szarpania i zak\u0142\u00f3cenia s\u0105 oczywi\u015bcie widoczne na przebiegach sk\u0142adowych wektora pr\u0105du i napi\u0119cia stojana, poniewa\u017c te sygna\u0142y pobierane s\u0105 z systemu pomiarowego i nie s\u0105 bezpo\u015brednio kontrolowane. Ponadto, przetworniki pomiarowe posiadaj\u0105 swoje niedoskona\u0142o\u015bci i asymetrie wzgl\u0119dem poszczeg\u00f3lnych faz oraz s\u0105 podatne na szumy i zak\u0142\u00f3cenia.<\/p>\n\n\n\n W przypadku pr\u0105d\u00f3w steruj\u0105cych (isx<\/sub>, isy<\/sub><\/em>) sytuacja wygl\u0105da ju\u017c du\u017co lepiej i jest wyra\u017anie widoczne, \u017ce obie wielko\u015bci s\u0105 kontrolowane i pokrywaj\u0105 si\u0119 z warto\u015bciami referencyjnymi.<\/p>\n\n\n\n W sterowaniu polowo-zorientowanym w\/w sk\u0142adowe pr\u0105du s\u0105 \u015bci\u015ble zwi\u0105zane z warto\u015bciami chwilowymi strumienia wirnika oraz momentu elektromagnetycznego. W pierwszym przypadku powinni\u015bmy widzie\u0107 sta\u0142\u0105 warto\u015b\u0107 pr\u0105du isx<\/sub><\/em> i modu\u0142u strumienia przez ca\u0142y okres pracy nap\u0119du. Natomiast przebiegi sk\u0142adowej isy<\/sub><\/em> oraz momentu s\u0105 niemal identyczne i mog\u0105 r\u00f3\u017cni\u0107 si\u0119 jedynie proporcjonalnie warto\u015bciami.<\/p>\n\n\n\n Powy\u017csze przyk\u0142adowe przebiegi pokazuj\u0105 nam, \u017ce sterowanie wektorowe umo\u017cliwia rozwijanie du\u017cego i stabilnego momentu obrotowego w ca\u0142ym zakresie pr\u0119dko\u015bci znamionowej silnika. Ponadto, zesp\u00f3\u0142 nap\u0119dowy regulowany w ten spos\u00f3b charakteryzuje si\u0119 wysok\u0105 dynamik\u0105 pracy przez co czas reakcji na zmian\u0119 obci\u0105\u017cenia wa\u0142u lub \u017c\u0105danej warto\u015bci pr\u0119dko\u015bci jest bardzo kr\u00f3tki. Dlatego takie algorytmy sterowania spotykane s\u0105 coraz cz\u0119\u015bciej w bran\u017cy automotive i nadal s\u0105 rozwijane.<\/p>\n\n\n\n Mam nadziej\u0119, \u017ce powy\u017cszy artyku\u0142 cho\u0107 troch\u0119 przybli\u017cy\u0142 Wam zagadnienie precyzyjnego sterowania silnikami elektrycznymi. Je\u017celi b\u0119dziecie mieli dodatkowe pytania, to ch\u0119tnie na nie odpowiem w komentarzach.<\/p>\n\n\n\n W kolejnej cz\u0119\u015bci przedstawi\u0119 sposoby sterowania przekszta\u0142tnikiem cz\u0119stotliwo\u015bci<\/a>, w tym dobrze wi\u0119kszo\u015bci znan\u0105 metod\u0119 PWM, ale r\u00f3wnie\u017c bardziej skomplikowan\u0105 modulacj\u0119 wektorem przestrzennym SVM.\u00a0<\/p>\n\n\n\n Cz\u0119\u015b\u0107 teoretyczna zosta\u0142a opracowana na podstawie poni\u017cszych pozycji literatury:<\/p>\n\n\n\n ***<\/p>\n\n\n\n Je\u015bli interesuje Ci\u0119 tematyka ISO i standaryzacji, zach\u0119camy do zapoznania si\u0119 z artyku\u0142ami naszych ekspert\u00f3w: Functional Safety ISO 26262 \u2013 ASIL i metryki<\/a> oraz Analiza por\u00f3wnawcza standard\u00f3w rozwoju oprogramowania w odniesieniu do lotnictwa i pojazd\u00f3w naziemnych<\/a>. <\/p>\n\n\nMetody i struktury sterowania silnikami elektrycznymi<\/strong><\/h2>\n\n\n\n
![\"\"](\"https:\/\/sii.pl\/blog\/wp-content\/uploads\/2022\/11\/Ryc.-1-1.png\")
<\/a><\/figure>\n\n\n\n\n
<\/a>Metody wektorowe<\/strong><\/h2>\n\n\n\n
<\/a>\n
Struktura sterowania polowo-zorientowanego<\/strong><\/h2>\n\n\n\n
<\/a>\n
<\/a>Struktura bezpo\u015bredniego sterowania momentem elektromagnetycznym<\/strong><\/h2>\n\n\n\n
<\/a><\/a><\/figure>\n\n\n\n
c<\/em> \u2013 sta\u0142a zale\u017cna od parametr\u00f3w silnika,
\u03a8s<\/sub><\/em>, \u03a8r<\/sub><\/em> \u2013 strumie\u0144 skojarzony stojana i wirnika,
\u03b4\u03c8 <\/em>\u2013 k\u0105t pomi\u0119dzy wektorami strumienia stojana i wirnika.<\/p>\n\n\n\n<\/a><\/figure>\n\n\n\n<\/a><\/a><\/figure>\n\n\n\n<\/a><\/a>Implementacja i weryfikacja w praktyce<\/strong><\/h2>\n\n\n\n
<\/a><\/figure>\n\n\n\n<\/a><\/a><\/a><\/a>\n
<\/a>Wyniki<\/strong><\/h2>\n\n\n\n
<\/a><\/a><\/a><\/a><\/a>Literatura<\/strong><\/h2>\n\n\n\n
\n