Zastosowanie enkodera absolutnego do sterowania silnikiem synchronicznym z magnesami trwałymi

fot. ti.com

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.

Układ napędowy z silnikiem synchronicznym wzbudzanym magnesami trwałymi 

Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi o sinusoidalnym rozkładzie SEM (PMSM) umożiwia pracę układu napędowego w dwóch strefach regulacji prędkości obrotowej [1]:

• w strefie pierwszej, to jest w zakresie prędkości obrotowej 0 < n ≤ nn (regulacja przy stałym momencie), regulacja odbywa się poprzez zmianę wartości napięcia silnika,
• w drugiej strefie, to jest w zakresie prędkości obrotowej nn < n≤ nmax (regulacja przy stałej mocy) odbywa się przez odwzbudzanie silnika prądem twornika.

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.