 |
|
|
|
ARTYKUŁY Elektronika Zastosowanie enkodera absolutnego do sterowania silnikiem synchronicznym z magnesami trwałymi |
|
Pojawienie się silników z magnesami trwałymi o sinusoidalnym rozkładzie SEM wprowadziło nową jakość w układach napędowych. Silnik ten pozwala uzyskać duży moment obrotowy, dużą sprawność. Posiada liniową charakterystykę mechaniczną, największy współczynnik mocy z masy silnika, małe elektromechaniczne stałe czasowe, dużą przeciążalność oraz posiada możliwość wytwarzania momentu w czasie postoju [1,6].
Celem artykułu jest przedstawienie wykorzystania enkodera absolutnego do sterowania bezszczotkowego silnika synchronicznego z magnesami trwałymi o sinusoidalnym rozkładzie SEM (PMSM). Zastosowanie enkodera umożliwia także pomiar prędkości obrotowej silnika.
Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi o sinusoidalnym rozkładzie SEM (PMSM) umożiwia pracę układu napędowego w dwóch strefach regulacji prędkości obrotowej [1]:
W pierwszej strefie regulacji wektory strumienia wzbudzenia ψf i siły magnetomotorycznej twornika Θ są do siebie prostopadłe i nie oddziaływują na siebie. W drugiej strefie regulacji kąt δ między wektorami strumienia wzbudzenia ψf i siły magnetomotorycznej twornika Θ zmienia się w przedziale 90°<δ<180°, co powoduje odwzbudzanie silnika. Regulacja prędkości obrotowej w dwóch strefach wymaga rozbudowanego układu sterowania. Praca w dwóch strefach regulacji została przedstawiona na rys. 1 [3, 4].
Rys. 1. Strefy regulacji silnika
Poprawnie działający układ napędowy powinien realizować możliwie szybko zadawane mu polecenia. Wymaga to ciągłego i dokładnego pomiaru kąta położenia wirnika względem osi pasm uzwojenia twornika, pomiar ten wykonuje enkoder. Na wejście sterownika podawane są polecenia zewnętrzne i sygnały pomiarowe (wewnętrzne), a mianowicie: kąty między osią strumienia wzbudzenia i osiami pasm uzwojenia, napięcia i prady silnika. Sterownik analizuje te sygnały i przetwarza je sterując kluczami komutatora elektronicznego, to jest zespołem mocy falownika [2, 3]. Schemat blokowy takiego rozwiązania przedstawiono na rys. 2.
Rys. 2. Schemat blokowy układu napędowego
Do sterowania falownikiem F zastosowano procesor sygnałowy DSP. Jego zadaniem jest odpowiednie sterowanie kluczami tranzystorowymi T1-T6 typu IGBT na podstawie pomiarów prądów poszczególnych faz silnika ia- ic oraz sygnału z enkodera E. Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi zasilany jest napięciem stałym poprzez falownik z modulacją szerokości impulsów.
Jest kilka rodzajów enkoderów E absolutnych i inkrementalnych typu: magnetycznego lub optycznego. Do badań zastosowano enkoder absolutny typu optycznego.
Jako enkoder absolutny wybrano enkoder optyczny AMT203 firmy CUI. Enkoder ten charakteryzuje się następującymi parametrami [5]:
Podłączenie enkodera do systemu mikroprocesorowego przedstawiono na rys. 3. Układ mikroprocesorowy spełnia rolę układu Master, natomiast enkoder jest układem typu Slave.
Rys. 3. Podłączenie enkodera do systemu mikroprocesorowego
Do testowania enkodera wykorzystano procesor sygnałowy TMS320F2812, który jest zasilany napięciem +3,3 V jak większość współczesnych procesorów sygnałowych. To powoduje konieczność zastosowania translacji poziomów napięć pomiędzy systemem mikroprocesorowym, a enkoderem. Podłączenie enkodera AMT203 do procesora sygnałowego TMS320F2812 przedstawiono na rys. 4. Jako translator poziomów napięć można zastosować dwa bufory jednokierunkowe. Jeden z nich będzie zasilany napięciem +3,3 V, a drugi napięciem +5 V. Komunikację SPI z enkoderem przedstawiono na rys. 5.
Zapis 8-bitowego słowa do enkodera z wejścia MOSI odbywa się na narastającym zboczu sygnału zegarowego SCK. Odczyt 8-bitowego słowa z wyjścia MISO odbywa się również na narastającym zboczu sygnału zegarowego SCK. Schemat blokowy komunikacji z enkoderem przedstawiono na rys. 6.
Rys. 4. Podłączenie enkodera do TMS320F2812
Rys. 5. Komunikacja SPI z enkoderem
Rys. 6. Odczyt położenia z enkodera
W celu odczytu pozycji enkodera należy wysłać słowo 10 h. Jeżeli na to słowo enkoder odpowie słowem 10 h, wówczas można przejść do odczytu pozycji enkodera. Polega to na 2-krotnym wysłaniu słowa 0h do enkodera i odebraniu napierw 8 starszych bitów, potem 4 młodszych bitów wyniku.
W dostępnej dokumentacji enkodera AMT203, producet nie przedstawił zależności czasowych dotyczących transmisji danych do i z enkodera. Należało doświadczalnie dobrać nie tylko częstotliwość taktowania SCK, jak również odstęp czasowy pomiędzy wysyłaniem kolejnych słów 8-bitowych, a także odstęp czasowy po odczycie wyniku z enkodera.
Na rys. 7. przedstawiono oscylogram ze źle dobranym odstępem czasowym po odczytaniu wyniku, a przed rozpoczęciu kolejnego odczytu.
Zbyt krótki odstęp czasowy po odczycie wyniku, a przed zainicjalizowaniem kolejnego odczytu skutkuje zwiększonym i zmiennym sumarycznym czasem uzyskania aktualnej pozycji enkodera. Na rys. 7 można zaobserwować, że pierwszy odczyt pozycji enkodera trawa 4 cykle komunikacyjne na magistrali SPI, natomiast drugi odczyt trwa już 7 cykli komunikacyjnych. Z punktu widzenia sterowania silnikiem PMSM odczyt pozycji enkodera ze zmienną w czasie częstotliwością jest niedopuszczalny. Takie zachowanie enkodera będzie skutkowało falowaniem obrotów silnika. Na rys. 8 przedstawiono prawidłowo dobrany odstęp czasowy po odczytaniu wyniku, a przed rozpoczęciem kolejnego odczytu.
Rys. 7. Źle dobrany odstęp czasowy enkodera.
Rys. 8. Dobrze dobrany odstęp czasowy enkodera.
Prawidłowo dobrany odstęp czasowy po odczytaniu wyników, a przed rozpoczęciem kolejnego odczytu, powoduje uzyskanie stałej częstotliwości otrzymywania pozycji enkodera. Ta stała częstotliwość odczytu ma ogromne znaczenie przy sterowaniu silnikiem PMSM.
Dokonując pomiaru tej częstotliwości okazało się, że wynosi ona tylko 7,7 kHz. Następnie sprawdzono jak ta częstotliwość wpływa na prędkość obrotową silnika.
W tym celu zamontowano enkoder na wale silnika indukcyjnego. Następnie uruchomiono silnik indukcyjny za pomocą gotowego falownika z możliwością regulacji prędkości obrotowej i odczytywano w czasie pozycję badanego enkodera. Odczytany wynik pozycji enkodera posłużył do generacji przebiegów sinusoidalnych oraz do obliczania prędkości obrotowej silnika. Odczytano 12-bitowy wynik pozycji enkodera, zmniejszono go do 9-bitów i wykorzystano do adresowania 3 tablic, w których znajdują się próbki przebiegów sinusoidalnych przesuniętych o 120°. Sposób uzyskania przebiegu sinusoidalnego na podstawie zredukowanego 9-bitowego wyniku pozycji enkodera przedstawiono na rys. 9.
Zawartość tablicy z funkcji sinus jest zamieniana na współczynnik wypełnienia modułu PWM procesora sygnałowego TMS320F2812. W ten sposób można sterować amplitudą przebiegu sinusoidalnego.
Rys. 9. Idea generacji funkcji sinus na podstawie sygnału z enkodera
Na rys. 10 przedstawiono oscylogramy przebiegów sinusoidalnych uzyskanych z modułu PWM po przejściu przez prosty filtr RC pierwszego rzędu. Częstotliwość modułu PWM ustalono na 8 kHz. Prędkość obrotowa silnika indukcyjnego napędzającego enkoder wynosi ok. 500 obr/min.
Na podstawie kształtu przebiegów sinusoidalnych można było sprawdzić z jaką maksymalną prędkością obrotową może pracować enkoder. Można to zrobić doświadczalnie sprawdzając kiedy otrzymane przebiegi sinusoidalne zostaną zniekształcone.
Na rys. 11 przedstawiono oscylogram przebiegu sinusoidalnego uzyskanego z modułu PWM po przejściu przez prosty filtr RC pierwszego rzędu dla prędkości obrotowej silnika ok. 670 obr/min.
Jak można zauważyć przebieg sinusoidalny został zniekształcony, ale nie spowodowało to znaczącej zmiany częstotliwości tego sygnału. Jednak kształt tego sygnału nie nadaje się do sterowania zespołem mocy falownika. Częstotliwość odczytu wyniku z enkodera wynosi 7,7kHz co przy prędkości obrotowej rzędu 670 obr/min (11 obr/s) oznacza 700 odczytów na pełny obrót silnika.
Przeliczając to na kątowe położenie wału oznacza to, że enkoder podaje wynik pozycji co ok. 0,51 stopnia geometrycznego.
Na rys. 12 przedstawiono oscylogram przebiegu sinusoidalnego uzyskanego z modułu PWM po przejściu przez prosty filtr RC pierwszego rzędu dla prędkości obrotowej silnika ok. 950 obr/min.
Rys. 10. Generacja funkcji sinus na podstawie pozycji enkodera
Rys. 11. Generacja funkcji sinus przy prędkości obrotowej 670 obr/min
Rys. 12. Generacja funkcji sinus przy prędkości obrotowej 950 obr/min
Z rys. 12 ewidentnie widać, że odczyt pozycji enkodera w stosunku do prędkości obrotowej jest zbyt wolny. Częstotliwość odczytu wyniku z enkodera wynosi 7,7 kHz co przy prędkości obrotowej rzędu 950 obr/min (16 obr/s) oznacza raptem 481 odczytów na pełny obrót wirnika. Przeliczając to na kątowe położenie wału oznacza to, że enkoder podaje wynik pozycji co ok. 0,75 stopnia geometrycznego. Taka precyzja jak widać jest zbyt mała przy sterowaniu silnikiem PMSM gdzie na bieżąco należy dostarczać położenie wału do dalszych obliczeń.
Z przeprowadzonych doświadczeń praktycznych wynika, że enkoder powinien dostarczać informację o położeniu wału z precyzją nie gorszą niż 0,4 stopnia geometrycznego. Wtedy układ sterowania do dalszych obliczeń wykorzystuje poprawną pozycję wału silnika.
Wnioski
W celu sterowania prędkością obrotową silnika z magnesami trwałymi PMSM należy wykorzystać enkoder. Enkoder ten powinien cechować się oprócz odpowiedniej rozdzielczości przede wszystkim odpowiednią częstotliwością pracy. Ta częstotliwość pracy enkodera ewidentnie pokazuje z jaką maksymalną prędkością obrotową może obracać się wał silnika.
W tej pracy użyto enkoder AMT203 firmy CUI, który poprawnie zachowywał się dla prędkości nie większej niż 550 obr/min. Do sterowania prędkością obrotową nie większą niż te 550 obr/min nadaje się idealnie. Jego główną zaletą jest mały wymiar, a także możliwość programowego ustawiania punktu 0, co w przypadku uruchamiania silnika PMSM ma kapitalne znaczenie przy jego synchronizacji. Kolejną zaletą jest pamiętanie aktualnej pozycji w pamięci EEPROM co ma duże znaczenie przy ponownym włączeniu zasilania.
Chcąc sterować prędkością obrotową silnika PMSM w granicach 1000 obr/min należy zastosować szybszy enkoder najlepiej z wyjściami równoległymi bez konieczności jego programowania.
Oczywiście najlepiej zasilany napięciem +3,3 V co pozwoli wyeliminować konieczność dopasowania poziomów napięciowych. Ustawianie punktu 0 w takim enkoderze odbywa się za pomocą jego mechanicznego przekręcenia. Generalnie taki enkoder z wyjściami równoległymi będzie gabarytowo większy niż enkoder AMT203.
Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2010–2013 jako projekt badawczy Nr N N510 077638.
Literatura:
[1] Krishan R.: Electric motor drives modeling, analysis and control. Prentice Hall, 2001.
[2] Glinka T.: Maszyny elektryczne wzbudzane magnesami trwałymi. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002.
[3] Rudnicki T., R. Czerwiński, A. Fręchowicz: Układy sterowania silnikiem PMSM. Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne, Nr 90/2011, ss. 51–55.
[4] Rudnicki T., R. Czerwiński: Sterowanie bezszczotkowym silnikiem synchronicznym z magnesami trwałymi. Elektronika Konstrukcje Technologie Zastosowania, 11/2011, ss. 120–123.
[5] http://www.amtencoder.com/Portals/AMT/Documents/Products/AMT203V/AMT203.pdf
[6] Genduso F., R. Miceli, C. Rando, G.R. Galluzzo: Back EMF Sensorless-Control Algorithm for High-Dynamic Performance PMSM. IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.57, no.6, pp. 2092–2100, 2010.
| REKLAMA |
|
|
| REKLAMA |
|
|
