Zastosowanie enkodera absolutnego do sterowania silnikiem synchronicznym z magnesami trwałymi

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.