Politechnika Wrocławska
Wydział Elektroniki
K
IERUNEK
:
Automatyka i robotyka
S
PECJALNOSC
: Robotyka
PRACA DYPLOMOWA
MAGISTERSKA
Badanie własno´sci nap˛edów elektrycznych
stosowanych w robotyce
Testing of robotic electric drivers
characteristics
AUTOR:
Michał Juszczak
PROWADZ ˛
ACY PRAC ˛
E:
dr in˙z. Marek Wnuk
OPIEKUN:
dr in˙z. Marek Wnuk
OCENA PRACY:
Wrocław 2006
prac˛e dedykuj˛e Rodzicom
Składam serdeczne podzi˛ekowania Panu
dr Markowi Wnukowi za po´swi˛econy czas,
cenne wskazówki i wyrozumiało´s´c.
Spis tre´sci
1
Wstep
5
2
Silnik BLDC
6
2.1
Wprowadzenie
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2.2
Budowa silnika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2.3
Model matematyczny silnika pr ˛
adu stałego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2.4
Sterowanie silnikiem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
2.4.1
Struktura układu sterowania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
2.4.2
Komutacja z wykorzystaniem czujników Hall’a . . . . . . . . . . . . .
14
2.4.3
Komutacja z wykorzystaniem kodera kwadraturowego . . . . . . . . .
17
2.4.4
Komutacja z wykorzystaniem SEM indukowanej w uzwojeniach stojana
18
3
Konstrukcja stanowiska
21
3.1
Moduł sterownika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
3.1.1
Moduł z procesorem MC68332
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
3.1.2
Zasilacz lokalny
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
3.2
Układ docelowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
3.2.1
Silnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
3.2.2
Obci ˛
a˙zenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
3.2.3
Wzmacniacz mocy z logik ˛
a steruj ˛
ac ˛
a . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
3.2.4
Układ pomiaru pr ˛
adu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
3.2.5
Koder kwadraturowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
3.2.6
Interfejs u˙zytkownika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
3.3
Zasilacz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
4
Oprogramowanie sterownika
38
4.1
Struktura oprogramowania CPU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
4.1.1
Kolejkowy interfejs szeregowy QSM
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
4.1.2
Regulator pr˛edko´sci
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
4.2
Oprogramowanie TPU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
4.2.1
Konfiguracja TPU
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
4.2.2
Funkcja COMM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
4.2.3
Funkcja HALLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
4.2.4
Funkcja FQD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
4.2.5
Funkcja PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
4.2.6
Funkcja FQM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
5
Obsługa i mo˙zliwo´sci stanowiska
50
6
Eksperymenty
54
7
Podsumowanie
60
1
Spis rysunków
1
Budowa silnika BLDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2
Konfiguracja trójk ˛
at i gwiazda uzwoje´n stojana . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
3
Konstrukcje silników BLDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
4
Schemat zast˛epczy silnika BLDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
5
Schemat blokowy układu sterowania silnikiem BLDC . . . . . . . . . . . . . .
11
6
Przebiegi napi˛e´c steruj ˛
acych silnika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
7
Kierunek przepływu pr ˛
adu w kolejnych fazach komutacji . . . . . . . . . . . .
13
8
Schemat układu wzmacniacza
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
9
Rozkład wektorów pól stojana dla ró˙znych stanów czujników Hall’a . . . . . .
15
10
Polaryzacja faz wraz kierunkiem nat˛e˙zenia pola stojana przed komutacj ˛
a . . . .
16
11
Polaryzacja faz wraz kierunkiem nat˛e˙zenia pola stojana po komutacji . . . . . .
16
12
Przebieg sygnałów na wyj´sciu kodera kwadraturowego . . . . . . . . . . . . .
17
13
Podział etapów komutacji na 6 sektorów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
14
Charakterystyki zwrotnych SEM indukowanych w fazach silnika . . . . . . . .
18
15
Zale˙zno´s´c mi˛edzy sygnałami na wyj´sciu czujników Hall’a a przebiegiem indu-
kowanych SEM w uzwojeniach stojana
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
16
Układ detekcji przej´scia SEM przez punkt neutralny . . . . . . . . . . . . . . .
20
17
Układ detekcji ze sztucznym punktem neutralnym . . . . . . . . . . . . . . . .
20
18
Budowa stanowiska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
19
Schemat blokowy cz˛e´sci elektronicznej stanowiska . . . . . . . . . . . . . . .
22
20
Płytka sterownika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
21
Lokalny zasilacz płytki sterownika +5V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
22
Stojan silnika BLDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
23
Wirnik silnika BLDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
24
Układ dyskretyzuj ˛
acy napi˛ecie wyj´sciowe czujników Halla . . . . . . . . . . .
25
25
Przebieg napi˛ecia na wyj´sciu komparatora i odpowiadaj ˛
a mu warto´sci logiczne
26
26
Zł ˛
acze Z4 i Z5 silnika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
27
Układ sprz˛egaj ˛
acy silnik z pr ˛
adnic ˛
a
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
28
Charakterystyka pr ˛
adnicy dla ró˙znych warto´sci rezystancji obci ˛
a˙zenia . . . . .
28
29
Tor pomiarowy napi˛ecia pr ˛
adnicy
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
30
Zł ˛
acze Z1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
31
Mechanizm hamuj ˛
acy - rzut boczny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
32
Mechanizm hamuj ˛
acy - zdj˛ecie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
33
Schemat ideowy półmostka mocy
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
34
Układ pomiaru pr ˛
adu silnika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
35
Układ AS5040
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
36
Układ podł ˛
aczenia kodera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
37
Płytka kodera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
38
Mocowanie kodera na wale silnika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
39
Zł ˛
acze Z6 i Z7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
40
Schemat poł ˛
aczenia sterownika LCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
41
Zł ˛
acze Z3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
42
Schemat zasilacza +10V, 3A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
43
Diagram działania głównej p˛etli programu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
44
Cykl pomiarowy kolejki SPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
45
Bajt steruj ˛
acy dla MAX1270 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
46
Struktura układu regulatora pr˛edko´sci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
47
Schemat obsługi zdarze´n przez TPU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
2
48
Struktura stanu w tablicy komutacji
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
49
Charakterystyka pr˛edko´sci silnika dla komutacji z kodera kwadraturowego po
przekłamaniu licznika pozycji funkcji FQD . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
50
Widok płyty czołowej stanowiska
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
51
Konstrukcja menu u˙zytkownika
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
52
Zale˙zno´s´c pr˛edko´sci silnika od wypełnienia sygnału steruj ˛
acego napi˛eciem za-
silania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
53
Charakterystki w otwartym układzie regulacji przy wymuszeniu PWM=100% .
55
54
Charakterystki w otwartym układzie regulacji przy wymuszeniu PWM=70% . .
55
55
Charakterystyka w otwartym układzie regulacji dla ró˙znych warto´sci współ-
czynnika PWM (bez obci ˛
a˙zenia silnika) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
56
Charakterystyka regulatora PD dla K
p
= 50 = const. . . . . . . . . . . . . . .
56
57
Charakterystyka regulatora PD dla K
p
= 30 = const. . . . . . . . . . . . . . .
56
58
Charakterystyka regulatora PD dla K
p
= 20 = const. . . . . . . . . . . . . . .
57
59
Charakterystyka regulatora PD dla K
p
= 10 = const. . . . . . . . . . . . . . .
57
60
Charakterystyka regulatora PD dla K
p
= 10 = const. . . . . . . . . . . . . . .
57
61
Charakterystyka regulatora PD dla K
p
= 5 = const. . . . . . . . . . . . . . . .
58
62
Charakterystyka regulatora PD dla K
p
= 5 = const. . . . . . . . . . . . . . . .
58
63
Charakterystyki silnika w zamkni˛etym układzie regulacji dla Set speed = 5850,
K
p
=10, K
d
=14
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
64
Charakterystyki silnika w zamkni˛etym układzie regulacji dla Set speed = 3516,
K
p
=20, K
d
=14
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59
65
Charakterystyki silnika w zamkni˛etym układzie regulacji dla Set speed = 2110,
K
p
=20, K
d
=14
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59
66
Charakterystyki silnika w zamkni˛etym układzie regulacji dla Set speed = 1055,
K
p
=20, K
d
=14
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59
67
Schemat ideowy stopnia mocy z logik ˛
a steruj ˛
ac ˛
a
. . . . . . . . . . . . . . . .
64
3
Spis tablic
1
Opis wyprowadze´n silnika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
2
Polaryzacja uzwoje´n i odpowiadaj ˛
ace jej stany wyj´sciowe czujników Hall’a . .
27
3
Opis zł ˛
acza Z1
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
4
Zale˙zno´s´c sygnałów steruj ˛
acych mostka od biegunu napi˛ecia zasilaj ˛
acego silnik
31
5
Opis wyprowadze´n kodera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
6
Opis wyprowadze´n wy´swietlacza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
7
Spis wykorzystanych funkcji z przydziałem kanałów i priorytetów obsługi . . .
43
8
Tablica komutacji dla trybu bezczujnikowego . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
9
Tablicy komutacji dla trybu z wykorzystaniem funkcji HALLD . . . . . . . . .
46
10
Sposób dekodowania stanu wyj´s´c czujników Hall’a przez funkcje HALLD . . .
47
4
1
Wstep
Robotyka jest interdyscyplinarn ˛
a dziedzin ˛
a nauki ł ˛
acz ˛
ac ˛
a w sobie m.in. zagadnienia kon-
strukcji mechanicznych, teorii układów sterowania i elektroniki. Jej opanowanie pozwala na
tworzenie maszyn spełniaj ˛
acych najró˙zniejsze, cz˛esto bardzo wysokie oczekiwania ludzi co do
rodzaju i jako´sci wykonywanych przeze´n prac. Roboty powstały z my´sl ˛
a o zast ˛
apieniu czło-
wieka przy wykonywaniu zada´n którym ludzie nie s ˛
a wstanie sprosta´c ze wzgl˛edu na swoje
ograniczenia. Dlatego od tradycyjnego robota wymaga si˛e przede wszystkim du˙zej precyzji i
powtarzalno´sci wykonywanych ruchów. Za ruch robota odpowiadaj ˛
a bezpo´srednio jednostki
nap˛edowe z których przewa˙zaj ˛
ac ˛
a cz˛e´s´c stanowi ˛
a silniki elektryczne. Znaczna wi˛ekszo´s´c roz-
wi ˛
aza´n robotycznych wykorzystuje silniki pr ˛
adu stałego (DC), jednak nale˙zy równie˙z wspo-
mnie´c o bardzo dobrych własno´sciach silników pr ˛
adu zmiennego (AC) ze sterowaniem wekto-
rowym, których popularno´s´c stale wzrasta. W chwili obecnej przewa˙zaj ˛
a jednak silniki pr ˛
adu
stałego. Maj ˛
a one dobre charakterystyki i wyró˙zniaj ˛
a si˛e stosunkowo prostym układem sterowa-
nia, który pozwala na regulacj˛e wybranych parametrów ruchu. Lista dost˛epnych silników DC
jest bardzo szeroka, niemniej ka˙zdy silnik ze wzgl˛edów konstrukcyjnych mo˙zna sklasyfikowa´c
do jednej z czterech podstawowych grup:
• z magnesami trwałymi
• szeregowych
• bocznikowych
• szeregowo - bocznikowych
Ka˙zd ˛
a grup˛e cechuje inny obwód wzbudzenia silnika, który rzutuje na jako´s´c jego cha-
rakterystyki elektromechanicznej. Prawie wszystkie silniki pr ˛
adu stałego wyposa˙zone s ˛
a w
mechaniczny komutator, który jest głównym powodem ich wad i ogranicze´n. Wyj ˛
atek stanowi
podgrupa silników z magnesami trwałymi, w których rol˛e komutatora pełni układ elektroniczny
wytwarzaj ˛
acy sygnały steruj ˛
ace w oparciu o informacje sprz˛e˙zenia zwrotnego od poło˙zenia
wirnika. Rozwi ˛
azanie takie pozwoliło wyeliminowa´c niedogodno´sci zwi ˛
azane z obecno´sci ˛
a
mechanicznego komutatora, zwi˛ekszaj ˛
ac jednocze´snie mo˙zliwo´s´c łatwego kształtowania cha-
rakterystyk. Bezkomutatorowe silniki pr ˛
adu stałego (BLDC) stały si˛e alternatyw ˛
a dla silników
szczotkowych. Przy takich samych charakterystykach elektromechanicznych gwarantuj ˛
a wy˙z-
sze maksymalne pr˛edko´sci obrotowe, lepsz ˛
a dynamik˛e i daj ˛
a mo˙zliwo´s´c bardziej precyzyjnego
sterowania poło˙zeniem wirnika.
Szczególne własno´sci nap˛edów z tego typu silnikami skłoniły do podj˛ecia tematu i bli˙z-
szego przyj˙zenia si˛e im w niniejszej pracy. Praktyczne podej´scie do zagadnienia narodziło
pomysł powstania stanowiska badawczo - dydaktycznego, które w przyst˛epny sposób pozwoli
na zapoznanie si˛e z ró˙znymi technikami komutacji tego typu silników i stworzy mo˙zliwo´s´c
pomiaru jego rzeczywistych charakterystyk.
5
2
Silniki BLDC
2.1
Wprowadzenie
Bezkomutatorowe silniki pr ˛
adu stałego nale˙z ˛
a do grupy silników synchronicznych. Ozna-
cza to, ˙ze pola wytwarzane przez uzwojenia stojana i magnesy trwałe osadzone na wirniku,
poruszaj ˛
a si˛e z tymi samymi pr˛edko´sciami. Sposób zasilania faz silnika jest zale˙zny od sygna-
łów steruj ˛
acych, które generowane s ˛
a w oparciu o sygnał sprz˛e˙zenia zwrotnego od poło˙zenia
wirnika. Odpowiednie zsynchronizowanie ich pozwala uzyska´c stały moment i pr˛edko´s´c obro-
tow ˛
a silnika. Zast ˛
apienie komutatora mechanicznego elektronicznym jest powodem wielu zalet
tego silnika. Brak szczotek na komutatorze oznacza brak wyładowa´n łukowych. Powoduje to
zmiejszenie zakłóce´n radioelektrycznych i pozwala na prac˛e silnika w ´srodowiskach agresyw-
nych i wybuchowych. Brak szczotek zwi˛eksza równie˙z bezawaryjno´s´c silnika i jego ˙zywotno´s´c.
Zalet ˛
a zastosowania komutatora elektronicznego jest mo˙zliwo´s´c stosunkowo łatwego kształto-
wania charakterystyk silnika (np. mo˙zna stabilizowa´c wybrany parametr). Mimo, ˙ze silnik
BLDC jest silnikiem synchronicznym nie wyst˛epuje w nim zjawisko utraty synchronizmu w
przypadku przeci ˛
a˙zenia silnika, co jest wad ˛
a innych maszyn synchronicznych. Wła´sciwo´s´c
ta wynika ze sposobu generowania wiruj ˛
acego pola magnetycznego. Pole to jest wytwarzane
w dziedzinie k ˛
ata mechanicznego poło˙zenia wirnika wzgl˛edem stojana a nie jak w typowych
maszynach synchronicznych w dziedzinie czasu.
2.2
Budowa silnika
Budowa silnika BLDC z wiruj ˛
acym magnesem jest w zasadzie odwróceniem silnika ko-
mutatorowego z magnesami trwałymi: uzwojenia znajduj ˛
a si˛e w stojanie a wirnik wykonany
jest z odpowiednio ukształtowaniego magnesu. Mechaniczny komutator w silniku BLDC zo-
stał zast ˛
apiony elektronicznym przeł ˛
acznikiem, którego stan wyj´sciowy okre´slony jest funkcj ˛
a
poło˙zenia rotora.
Rysunek 1: Budowa silnika BLDC
Ze wzgl˛edu na liczb˛e uzwoje´n, silniki BLDC mo˙zemy podzieli´c na jednofazowe, dwufa-
zowe i trójfazowe. Najbardziej popularne i najszerzej stosowane s ˛
a silniki trójfazowe, dlatego
te˙z b˛ed ˛
a one głównym obiektem rozwa˙za´n i bada´n w ninejszej pracy. W przeciwie´nstwie do sil-
ników jedno czy dwufazowych silniki trójfazowe zapewniaj ˛
a ci ˛
agło´s´c oddziaływania momentu
nap˛edowego na wirnik. Ponadto pozwalaj ˛
a ze znacznie wi˛eksz ˛
a dokładno´sci ˛
a sterowa´c poło˙ze-
niem wirnika. Z powodów tych znajduj ˛
a one coraz cz˛e´sciej zastosowanie w aplikacjach, które
6
wymagaj ˛
a du˙zej precyzji, czyli m.in. takich jak robotyka.
Dla silników trójfazowych wyró˙zni´c mo˙zna dwie metody poł ˛
aczenia uzwoje´n stojana:
• gwiazda
• trójk ˛
at (delta)
Rysunek 2: Konfiguracja trójk ˛
at i gwiazda uzwoje´n stojana
Sposób poł ˛
aczenia uzwoje´n ma wpływ na metod˛e sterowania i parametry silnika. Sterowa-
nie silnikami z uzwojeniami poł ˛
aczonymi w gwiazd˛e jest bardziej skomplikowane ni˙z silnikami
pracuj ˛
acymi w konfiguracji delta. W pierwszym wypadku silnik mo˙ze wymaga´c zasilania tylko
dwóch faz, podczas gdy trzecia faza pozostaje nieobci ˛
a˙zona. Warunek ten powoduje, ˙ze układ
logiczny steruj ˛
acy ko´ncówk ˛
a mocy staje si˛e troch˛e bardziej zło˙zony. Konfiguracja delta uzwo-
je´n stojana wymaga obci ˛
a˙zenia wszystkich faz podczas pracy silnika. Silniki z uzwojeniami
poł ˛
aczonymi w gwiazd˛e charakteryzuj ˛
a si˛e wi˛ekszym momentem, mniejsz ˛
a pr˛edko´sc ˛
a obro-
tow ˛
a i mniejszym poborem pr ˛
adu ni˙z silniki o uzwojeniach połczonych w trójk ˛
at. Trójk ˛
atne
połaczenie uzwoje´n zapewnia wi˛esz ˛
a moc silnika, wi˛eksz ˛
a pr˛edko´s´c obrotow ˛
a, powoduje jed-
nak wi˛ekszy pobór pr ˛
adu i nagrzewanie si˛e silnika. Nie stanowi to jednak wi˛ekszego problemu,
poniewa˙z uzwojenia silnika BLDC zamontowane s ˛
a na stojanie silnika co pozwala w łatwy spo-
sób odprowadza´c nagromadzone ciepło. W silniku trójfazowym liczba biegunów stojana jest
zawsze równa wieloktotno´sci liczby trzy.
Wirnik silnika wykonany jest z odpowiedniego materiału magnetycznego o parzystej liczbie na-
przemian porozmieszczanych biegunów magnetycznych N i S. Rodzaj stosowanego materiału
uwarunkowany jest wymaganym nat˛e˙zeniem generowanego pola. Do wytworzenia stałego pola
magnetycznego tradycyjnie u˙zywa sie magnesu ferrytowego. Wraz z rozwojem nowych tech-
nologii, pojawiły si˛e nowe stopy magnetyczne o znacznie lepszych parametrach. Chocia˙z koszt
stosowanie magnesu ferrytowego jest najni˙zszy, to posiada on wad˛e, któr ˛
a jest mały stosunek
wytwarzanego pola do obj˛eto´sci materiału. Stosowanie stopów magnetycznych zapewnia du˙zo
wi˛eksz ˛
a warto´s´c tego współynnika. Powoduje to, ˙ze wirnik jest l˙zejszy, a zatem charakteryzuje
si˛e mniejszym momentem bezwładno´sci. Dzi˛eki temu parametry dynamiczne silnika ulegaj ˛
a
znacznej poprawie. W przeciwie´nstwie do stojana, liczba par biegunów wirnika jest zawsze
parzysta.
Wyró˙zni´c mo˙zna dwie konstrukcje wirnika:
• z magnesami naklejonymi na powierzchni˛e wirnika
7
• z magnesami umieszczonymi promieniowo
Liczba biegunów stojana i wirnika determinuje wiele parametrów silnika. Ich stosunek okre´sla
krok silnika i wpływa na jako´s´c wytwarzanego momentu. Wi˛eksza liczba biegunów gwaran-
tuje bardziej równomierne rozło˙zenie momentu nap˛edowego a maniejszy krok pozwala uzyska´c
wi˛eksz ˛
a moc przy małych pr˛edko´sciach obrotowych. Poni˙zej przedstawiono przykładowe kon-
strukcje silników BLDC:
Rysunek 3: Konstrukcje silników BLDC
Zale˙zno´s´c mi˛edzy ilo´sci ˛
a par biegunów stojana i wirnika okre´sla równie˙z tzw. współczynnik
obrotu, który mówi ile pełnych obrotów pola magnetycznego przypada na jeden obrót mecha-
niczny. Przykładowo dla silnika o sze´sciu biegunach stojana i o´smiu wirnika współczynnik ten
wynosi 2. Natomiast gdy liczbe biegunów wirnika zwi˛ekszymy do dziesi˛eciu to na jeden obrót
wirnika b˛edzie przypada´c pi˛e´c obrotów pola.
2.3
Model matematyczny silnika pr ˛
adu stałego
Punktem wyj´scia do budowy modelu matematycznego silnika [12], [7] jest jego schemat
zast˛epczy przedstawiony na poni˙zszym rysunku:
Rysunek 4: Schemat zast˛epczy silnika BLDC
W pierwszej kolejno´sci nale˙zy rozpatrzy´c indukcyjno´s´c uzwoje´n stojana. W celu okre´sle-
nia warto´sci strumienia magnetycznego skojarzonego z uzwojeniem fazy a, nale˙zy uwzgl˛edni´c
strumienie od pr ˛
adu I
a
płyn ˛
acego w fazie a oraz pr ˛
adów I
b
i I
c
w uzwojeniach faz b oraz c
skojarzone z uzwojeniem fazy a.
8
Zatem strumie´n magnetyczny skojarzony z uzwojeniem fazy a stojana wyra˙zony b˛edzie zale˙z-
no´sci ˛
a:
ψ
a
= I
a
L
aa
+ I
b
L
ab
+ I
c
L
ac
(1)
Dla wszystkich faz otrzymamy:
ψ
a
ψ
s
ψ
c
=
L
aa
L
ab
L
ac
L
ba
L
bb
L
bc
L
ca
L
cb
L
cc
I
a
I
b
I
c
(2)
przy czym:
I
a
, I
b
, I
c
- pr ˛
ady fazowe stojana
ψ
a
, ψ
b
, ψ
c
- strumienie magnetyczne skojarzone odpowiednio z faz ˛
a A, B i C stojana
L
aa
, L
bb
, L
cc
- indukcyjno´sci własne
L
ab
, L
ac
, L
ba
. . . - indukcujno´sci wzajemne
Korzystaj ˛
ac z drugiego prawa Kirchoffa, na podstawie schematu zast˛epczego (rysunek 4) wy-
znaczamy równania napi˛eciowe obwodu twornika:
V
as
− v
n
V
bs
− v
n
V
cs
− v
n
=
R
s
0
0
0
R
s
0
0
0
R
s
I
a
I
b
I
c
+
d
dt
L
aa
L
ab
L
ac
L
ba
L
bb
L
bc
L
ca
L
cb
L
cc
I
a
I
b
I
c
+
E
a
E
b
E
c
(3)
gdzie:
R
s
- rezystancje uzwoje´n faz stojana
E
a
, E
b
, E
c
- siły elektromotoryczne indukowane w uzwojeniach stojana
V
as
,V
bs
,V
cs
- potencjały na zaciskach faz uzwoje´n stojana
v
n
- potencjał punktu neutralnego uzwoje´n stojana, który wyra˙za si˛e zale˙zno´sci ˛
a:
v
n
=
1
3
[V
as
+V
bs
+V
cs
] −
c
∑
k
=a
E
k
(4)
Indukowana SEM w uzwojeniach twornika ma przebieg trapezoidalny. Warto´s´c szczytow ˛
a ta-
kiego przebiegu wyznaczamy z równania:
E
p
= λω
(5)
Je˙zeli zało˙zymy, ˙ze uzwojenia fazowe silnika s ˛
a symetryczne to ich indukcyjno´sci własne b˛ed ˛
a
takie same:
L
aa
= L
bb
= L
cc
= L
(6)
Podobnie jednakowe b˛ed ˛
a indukcyjno´sci wzajemne faz a − b, a − c, b − c w odniesieniu do jed-
nej fazy:
L
ab
= L
ac
= L
bc
= L
ba
= L
ca
= L
cb
= M
(7)
Po uwzgl˛ednieniu zale˙zno´sci (6) i (7) równanie (3) przyjmie posta´c:
V
as
− v
n
V
bs
− v
n
V
cs
− v
n
= R
s
1 0 0
0 1 0
0 0 1
I
a
I
b
I
c
+
d
dt
L
M
L
M
L
M
M
M
L
I
a
I
b
I
c
+
E
a
E
b
E
c
(8)
9
Je˙zeli przyjmie si˛e, ˙ze suma pr ˛
adów fazowych jest równa zeru (I
a
+ I
b
+ I
c
= 0) to ostatecznie
otrzymamy:
V
as
V
bs
V
cs
= R
s
1 0 0
0 1 0
0 0 1
I
a
I
b
I
c
+
d
dt
L
− M
0
0
0
L
− M
0
0
0
L
− M
I
a
I
b
I
c
+
E
a
E
b
E
c
(9)
Równanie strumieniowo - pr ˛
adowe (2) i pr ˛
adowo-napi˛eciowe (8) stanowi ˛
a układ równa´n wi ˛
a˙z ˛
a-
cych wielko´sci elektryczne symetrycznego trójfazowego silnika synchronicznego pr ˛
adu stałego
z trapezoidalnym rozkaładem pola w szczelinie powietrznej.
Dla pełnego opisu silnika nale˙zy jeszcze uwzgl˛edni´c zale˙zno´s´c okre´slaj ˛
ac ˛
a warto´s´c wytwarza-
nego momentu elektromagnetycznego T
e
. W wytwarzaniu tego momentu uczestnicz ˛
a składowe
zale˙zne od zmian energii elektromagnetycznej przy obrocie wirnika:
T
e
=
[E
a
I
a
+ E
b
I
b
+ E
c
I
c
]
ω
(10)
Warto´s´c SEM indukowana w odpowiednich fazach silnika:
E
a
= f
a
(θ)λω
E
b
= f
b
(θ)λω
E
c
= f
c
(θ)λω
(11)
Funkcje f
a
(θ), f
b
(θ), f
c
(θ) maj ˛
a przebieg o kształcie indukowanej SEM i przyjmuj ˛
a warto´sci z
przedziału [−1, 1].
Pr˛edko´s´c k ˛
atowa wirnika ω powi ˛
azana jest z cz˛estotliwo´s´ci ˛
a generowanej SEM zale˙zno´sci ˛
a:
dθ
dt
=
p
2
ω
(12)
gdzie:
p
- liczba biegunów
Równania stanu silnika BLDC w postaci macierzowej mo˙zna wyrazi´c w nast˛epuj ˛
acy sposób:
x
= Ax + Bu
(13)
Wektor stanu x:
x
=
I
a
I
b
I
c
θ
ω
(14)
Macierz silnika A:
A
=
R
s
L
l
0
0
(λ
p
f
a
(θ))
L
l
0
R
s
L
l
0
(λ
p
f
b
(θ))
L
l
0
0
R
s
L
l
(λ
p
f
c
(θ))
L
l
(λ
p
f
a
(θ))
L
l
(λ
p
f
b
(θ))
L
l
(λ
p
f
c
(θ))
L
l
−B
J
0
0
0
p
2
(15)
10
Macierz wymuszenia B:
B
=
1
L
l
0
0
0
0
1
L
l
0
0
0
0
1
L
l
0
0
0
0
−1
J
0
0
0
0
(16)
Wektor wymuszenia u:
u
=
V
a
V
b
V
c
T
l
(17)
gdzie:
V
a
,V
b
,V
c
- napi˛ecia fazowe
T
l
- moment obci ˛
a˙zenia
2.4
Sterowanie silnikiem
Jak wspomniano wcze´sniej, silnik BLDC jest silnikiem pr ˛
adu stałego pozbawionym komu-
tatora mechanicznego. Powoduje to, ˙ze komutacja tego rodzaju silnikami przebiega w całko-
wicie odmienny sposób ni˙z tradycyjnych silników szczotokowych. Rol˛e komutatora pełni tutaj
układ elektroniczny, który wytwarza sygnały steruj ˛
ace dla silnika w oparciu o sygnal sprz˛e˙zenia
zwrotnego od poło˙zenia wirnika.
2.4.1
Struktura układu sterowania
Na poni˙zszym rysunku przedstawiono ogólny schemat blokowy układu sterowania silni-
kami BLDC. Jest on wła´sciwy dla wszystki rodzajów silników bezszczotkowych, zarówno
pr ˛
adu stałego jak i zmiennego.
Rysunek 5: Schemat blokowy układu sterowania silnikiem BLDC
W układzie sterowania wyró˙zni´c mo˙zna trzy główne elementy:
11
• jednostka steruj ˛
aca
• wzmacniacz
• czujnik poło˙zenia
Zadanie jednostki steruj ˛
acej polega na wygenerowaniu odpowiednich sygnałów steruj ˛
acych
dla wzmacniacza, który zał ˛
acza odpowiednie fazy silnika, zgodnie ze wcze´sniej zaprogramo-
wanym schematem komutacji [10]. Do utrzymania synchronizmu jednostka steruj ˛
aca wyko-
rzystuje sygnały z czujników poło˙zenia wirnika. Dla silników pr ˛
adu stałego kształty napi˛e´c
steruj ˛
acych s ˛
a prostok ˛
atne i zale˙z ˛
a od konstrukcji silnika. Dla trójfazowego silnika z uzwoje-
niami poł ˛
aczonymi w gwiazde przedstawiaj ˛
a si˛e nast˛epuj ˛
aco:
Rysunek 6: Przebiegi napi˛e´c steruj ˛
acych silnika
Przesuni˛ecie fazowe napi˛e´c steruj ˛
acych wynika ze sposobu rozmieszczenia kolejnych par bie-
gunów magnetycznych stojana, które na osi stojana porozmieszczane s ˛
a wzgl˛edem siebie co
120 stopni. Warto zwróci´c uwag˛e, ˙ze w ka˙zdym momencie komutacji jedna faza silnika po-
zostaje nieobci ˛
a˙zona. Jest to cech ˛
a charakterystyczn ˛
a silników trójfazowych o uzwojeniach
stojana poł ˛
aczonych w gwiazd˛e.
12
Kierunki przepływu pr ˛
adu w uzwojeniach silnika odpowiadaj ˛
ace sygnałom steruj ˛
acym z
rysunku 6 przedstawiono poni˙zej:
Rysunek 7: Kierunek przepływu pr ˛
adu w kolejnych fazach komutacji
13
Wzmacniacz przetwarza sygnały komutacji o niskich energiach dostarczonych z jednostki
steruj ˛
acej na sygnały, którymi mo˙zna bezpo´srednio wysterowa´c uzwojenia silnika.
Rysunek 8: Schemat układu wzmacniacza
Wzmacniacz zbudowany jest z trzech par komplementarne poł ˛
aczonych tranzystorów mocy
tworz ˛
acych mostek. Konstrukcja mostka zapewnia bipolarne sterowanie uzwojeniami silnika.
˙
Zeby wybran ˛
a faz˛e silnika spolaryzowa´c dodatnim napi˛eciem zasilania nale˙zy wł ˛
aczy´c górny
tranzystor odpowiedniej pary komplementarnej przy jednoczesnym blokowaniu dolnego tran-
zystora. Zasilenie fazy napi˛eciem ujemnym uzyskujemy przez odwrotn ˛
a polaryzacje tranzy-
storów. Faza silnika pozostaje nieobci ˛
a˙zona przy jednoczesnym blokowaniu obu połaczonych
komplementarnie tranzystorów.
Czujniki poło˙zenia dostarczaj ˛
a jednostce steruj ˛
acej informacje o aktualnym poło˙zeniu wir-
nika. Sterownik wykorzystuje j ˛
a do wytworzenia sygnałów komutacji dla silnika. Wyró˙zni´c
mo˙zna trzy główne sposoby okre´slania pozycji wirnika wzgl˛edem biegunów magnetycznych
stojana:
• czujniki Hall’a
• koder kwadraturowy
• pomiar SEM indukowanej w uzwojeniach stojana
Wszystkie trzy sposoby dostarczaj ˛
a sygnały sprz˛e˙zenia zwrotnego o ró˙znym charakterze,
dlatego ka˙zda metoda wymaga innej struktury komutatora i algorytmów sterowania.
2.4.2
Komutacja z wykorzystaniem czujników Hall’a
Komutacja zapewnia odpowiedni rotacje pola stojana [8]. Dla wła´sciwej pracy silnika wy-
maga sie aby wektory pola wytwarzane przez uzwojenia stojana i magnesy wirnika były mo˙zl-
wie prostopadłe. Jak przedstawiaj ˛
a przepiegi sygnałów steruj ˛
acych na jeden pełen obrót pola
przypada sze´s´c kolejnych kombinacji zasilania uzwoje´n silnika, odpowiada to równie˙z sze-
´sciu kolejnym zmianom wektorów pól stojana. Zmiana wektora pola musi nast ˛
api´c w ´sci´sle
okre´slonym momencie. Najprostrzym i najpardziej popularnym sposobem okre´slenia momentu
komutacji jest wykorzystanie czujników Halla’a. W silniku trójfazowym wykorzystuje si˛e trzy
czujniki Hall’a, które dostarczaj ˛
a trzech sygnałów, reprezentuj ˛
acych sze´s´c stanów komutacji.
14
Ka˙zdej kombinacji sygnałów z czujnika Hall’a odpowiada jeden wektor nat˛enia pola stojana.
Wszystkie kombinacje sygnałów wyj´sciowych czujników Halla i odpowiadaj ˛
ace im wektory
nat˛e˙zenia pola przedstawione s ˛
a na rysunku 9
Rysunek 9: Rozkład wektorów pól stojana dla ró˙znych stanów czujników Hall’a
Sygnały A, B i C z czujników Halla przyjmuj ˛
a warto´sci logiczne 0 i 1. Zale˙z ˛
a one od tego,
nad którym biegunem pola wirnika (N albo S) znajduje si˛e okre´slony czujnik. Dwie nast˛epne
ilustracje prezentuj ˛
a kolejne fazy komutacji. Bie˙z ˛
acej pozycji wirnika z rysunku 10 odpowiada
stan wyj´sciowy czujników Hall’a ABC[110] (zgodnie z rysunkiem 9). Polaryzacje +U
db
fazie
A zapewnia tranzystor Q1. Faza C jest zwierana do −U
db
za pomoc ˛
a Q4, faza B pozostaje nie-
obci ˛
a˙zona. Po osi ˛
agni˛eciu okre´slonej pozycji wirnika, nast˛epuje zmiana sygnałw wyj´sciowych
czujników Hall’a z ABC[110] na ABC[100] (rysunek 11). Jednocze´snie nast˛epuje zmiana po-
laryzacji uzwoje´n stojana, która utrzyma wła´sciwy kierunek wektora pola stojana wzgl˛edem
pola wirnika.
Wytwarzanie wiruj ˛
acego pola magnetycznego w sze´sciu kolejnych krokach komutacji nie
pozwala utrzyma´c stałego k ˛
ata mi˛edzy wektorami pola stojana i wirnika. Podczas obrotu wir-
nika k ˛
at mi˛edzy wektorami zmienia sie od 60 do 120 stopni.
15
Rysunek 10: Polaryzacja faz wraz kierunkiem nat˛e˙zenia pola stojana przed komutacj ˛
a
Rysunek 11: Polaryzacja faz wraz kierunkiem nat˛e˙zenia pola stojana po komutacji
16
2.4.3
Komutacja z wykorzystaniem kodera kwadraturowego
Z kodera kwadraturowego, podobnie jak z czujników Hall’a otrzymujemy trzy sygnały
sprz˛e˙zenia zwrotnego, ale o zupełnie innym charakterze [8]. W przeciwie´nstwie do czujni-
ków Hall’a, sygnały z kodera kwadraturowego nie okre´slaj ˛
a bezwzglednej pozycji wirnika i
momentu komutacji. Na wyj´sciach A i B czyjnika, wytwarzane s ˛
a dwa przebiegi prostok ˛
atne
przesuni˛ete w fazie o 90 stopni. Liczba kolejno zliczonych zboczy sygnałów na wyj´sciach A
i B kodera pozwala dokładnie okre´slicz przemieszczenie k ˛
atowe wirnika. Stopie´n dokładno-
´s´ci pomiaru zale˙zy od rozdzielczo´sci zastosowanego kodera. Pomiar obrotu dokonywany jest
wzgl˛edem ustalonego punktu odniesienia. Punktem tym mo˙ze by´c tzw. impuls indeksuj ˛
acy z
trzeciego wyj´scia kodera, który pojawia sie raz na pełen obrót. Przemieszczenie mo˙zna równie˙z
mierzy´c wzgl˛edem uprzednio ustalonej pozycji wirnika.
Rysunek 12: Przebieg sygnałów na wyj´sciu kodera kwadraturowego
Poniewa˙z komutacja silnika BLDC powinna nast ˛
api´c w sze´sciu ´sci´sle okre´slonych momen-
tach, zastosowanie kodera kwadraturowego wymaga przydzielenia całej sekwencji elektrycz-
nych komutacji sze´sciu równych sektorów:
Rysunek 13: Podział etapów komutacji na 6 sektorów
17
Powy˙zej zało˙zono, ˙ze na jeden obrót mechaniczny silnika, czujnik poło˙zenia wytwarza na
obu wyj´sciach ł ˛
acznie 1000 impulsów. Je˙zeli przyjmiemy, ˙ze na jeden obrót wirnika przypada
jeden obrót pola stojana to komutacja silnika powinna nast˛epowa´c po zliczeniu 166 kolejnych
impulsów. Zadaniem sterownika jest ci ˛
agłe zliczanie sygnałów czujnika i zmiana sygnałów
steruj ˛
acych w chwili przekraczania graniac kolejnych sektorów.
2.4.4
Komutacja z wykorzystaniem SEM indukowanej w uzwojeniach stojana
W metedzie tej wykorzystuje si˛e fakt, ˙ze podczas komutacji jedna z faz silnika pozostaje
nieobci ˛
a˙zona [7]. W wyniku obrotu wirnika w uzwojeniach stojana indukuj ˛
a si˛e zwrotne siły
elektromotoryczne. Zwrotn ˛
a SEM indukowan ˛
a w nieobci ˛
a˙zonym uzwojeniu stojana mo˙zna w
łatwy sposób zmierzy´c i wykorzysta´c jej charaktertstyczny przebieg do wytworzenia sygnałów
sprze˙zenia zwrotnego od poło˙zenia wirnika.
Rozkłady pól magnetycznych wytwarzane przez magnesy wirnika i przebiegi zwrotnych
SEM przedstawiono na rysunku poni˙zej:
Rysunek 14: Charakterystyki zwrotnych SEM indukowanych w fazach silnika
18
Kształt indukowanych SEM przypomina trapez, st ˛
ad tego typu przebiegi nazwa si˛e trapezo-
idalnym. Warto´s´ci SEM okre´slone s ˛
a wzgl˛edem punktu neutralnego uzwoje´n twornika. Prze-
bieg indukowanej SEM oscyluje wzgl˛edem potencjału punktu w którym skupiaj ˛
a sie wszystkie
uzwojenia silnika. Moment zmiany sygnału sprz˛e˙zenia nast˛epuje, gdy punkt neutralny silnika
i zacisk nieobci ˛
a˙zonej fazy osi ˛
agaj ˛
a takie same potencjały. Ka˙zdej zmianie sygnałów sprz˛e˙ze-
nia zwrotnego odpowiada zmiana sygnałów steruj ˛
acych silnikiem (podobnie jak dla komutacji
z czujnikami Halla). Zwi ˛
azek mi˛edzy sygnałami na wyj´sciu czujników Hall’a a przebiegiem
SEM w fazach silnika przedstawiono poni˙zej:
Rysunek 15: Zale˙zno´s´c mi˛edzy sygnałami na wyj´sciu czujników Hall’a a przebiegiem indukowanych SEM w
uzwojeniach stojana
Klasyczny układ generuj ˛
acy sygnały sprz˛e˙zenia zwrotnego w oparciu o indukowan ˛
a SEM
przedstawiono na rysunku 16. Do detekcji przej´scia indukowanej SEM przez punkt neutralny
silnika wykorzystuje si˛e komparatory napi˛ecia. Na wej´sciu komparatorów nale˙zy dodatkowo
wł ˛
aczy´c filtr RC, który tłumi zakłócenia powstaj ˛
ace w wyniku przł ˛
aczania tranzystorów wcho-
dz ˛
acych w skład mostka. Stan wej´s´c multipleksera zale˙zy od etapu komutacji i zapewnia wybór
wyj´scia odpowiedniego komparatora.
Układ z rysunku 16 zakłada, ˙ze punkt neutralny silnika został wyprowadzony na zewn ˛
atrz.
Pomiar SEM nie przedstawia wtedy wiekszych problemów i sprowadza si˛e do podł ˛
aczenia
wej´s´c komparatora mi˛edzy odpowiednie zaciski wyj´sciowe silnika. Cz˛esto jednak dost˛ep do
punktu neutralnego silnika jest niemo˙zliwy. W takich przypadkach, do pomiaru SEM stosuje
si˛e ró˙zne techniki. Jedna znich polega na stworzeniu sztucznego punktu neutralnego z trzech
odpowiednio poł ˛
aczonych rezystorów. Potencjał tego punktu jest teoretycznie taki sam jak
punktu neutralnego uzwoje´n stojana. Układ pomiarowy w tym przypadku jest identyczny jak
poprzednio z tym, ˙ze teraz jedno z wej´s´c komparatora jest wł ˛
aczone w ´srodek gwiazdy stwo-
rzonej z układu rezystorów (rysunek 17).
Metoda sterowania z wykorzystaniem SEM indukowanych w uzwojeniach silnika (sensorless
control) nie wymaga ˙zadnych dodatkowych zewn˛etrznych czujników poło˙zenia. Jest to główn ˛
a
19
Rysunek 16: Układ detekcji przej´scia SEM przez punkt neutralny
Rysunek 17: Układ detekcji ze sztucznym punktem neutralnym
i wła´sciwie jedyn ˛
a zalet ˛
a takiego rozwi ˛
azania. Niedogodno´sci zwi ˛
azane z t ˛
a technik ˛
a to przede
wszystkim ograniczenie dolnej, minimalnej pr˛edko´sci obrotowej. Problem ten zwi ˛
azany jest z
warunkiem wytworzenia SEM o odpowiednio du˙zej amplitudzie. Z warunkiem tym zwi ˛
azana
jest równie˙z wra˙zliwo´s´c silnika na gwałtowne zmiany obci ˛
a˙zenia, które mog ˛
a wyprowadzi´c
silnik z synchronizmu.
Przedstawione wy˙zej techniki sterowania silnikiem, oparte na pomiarze zwrotnej siły elek-
tromotorycznej nie zostały zaimplementowane podczas konstrukcji stanowiska badawczego.
Wła´sciwo´sci silnika z tego typu sterowaniem eliminuj ˛
a go z zastosowa´n w dziedzinach w któ-
rych wymaga si˛e du˙zej dynamiki przy cz˛estych zmianach kierunku ruchu i przyspiesze´n. Roz-
dział ten pokrótce omówił podstawowe zagadnienia zwi ˛
azane z budow ˛
a i sterowaniem silnikami
BLDC. Kolejne rozdziały przedstawi ˛
a konkretne rozwi ˛
aza układowe i gł˛ebsz ˛
a analize wybra-
nych problemów.
20
3
Konstrukcja stanowiska
Badaj ˛
ac własno´sci nap˛edów elektrycznych nale˙zy wzi ˛
a´c pod uwag˛e nie tylko te cechy,
które wynikaj ˛
a z własno´sci samego silnika, nale˙zy rozpatrzy´c silnik wraz z układem sterowa-
nia jako cało´s´c. Cz˛esto to bowiem mo˙zliwo´sci samego układu sterowania decyduj ˛
a o osi ˛
agach
konkretnego silnika. Szczególnie bezszczotkowe silniki pr ˛
adu stałego s ˛
a jednostkami nap˛edo-
wymi, których działanie w równym stopniu zale˙zy od parametrów silnika co układu sterowa-
nia. Jednym z głównych zało˙ze´n podczas realizacji pracy, było stworzenie stanowiska badaw-
czego, które w jak najszerszym aspekcie b˛edzie prezentowało zagadnienia zwi ˛
azane z silnikami
BLDC. Uwzgl˛edniaj ˛
ac powy˙zsze, konieczne stało si˛e podzielenie fizycznego stanowiska na
moduły, które rozdzielaj ˛
a układ sterownika od reszty stanowiska. Stwarza to dodatkow ˛
a mo˙z-
liwo´s´c sprawdzenia i przetestowania ró˙znych układów sterowników pod k ˛
atem wykorzystania
ich w aplikacjach z tego typu silnikami.
W skład stanowiska wchodz ˛
a trzy główne elementy:
• Moduł sterownika
• Moduł układu docelowego
• Zasilacz mocy
Schemat blokowy stanowiska przedstawiono na rysunku 18.
Rysunek 18: Budowa stanowiska
Moduł sterownika ł ˛
aczy si˛e z układem docelowym za pomoc ˛
a zł ˛
acz Z1, Z2 i Z3. Elemen-
tem dodatkowym jest komputer nadrz˛edny, który przechwytuje dane pomiarowe sterownika i
pozwala na ich wygodn ˛
a analize. Obecno´c komputera daje dodatkow ˛
a mo˙zliwo´s´c zmiany pro-
gramu sterownika, co pozwala np. na zaimplementowanie własnych algorytmów sterowania
silnikiem.
21
Schemat blokowy układu elektronicznego stanowiska pokazano na rysunku 19.
Rysunek 19: Schemat blokowy cz˛e´sci elektronicznej stanowiska
3.1
Sterownik
Do zada´n sterownika nale˙zy zbieranie i przetwarzanie danych z czujników, obsługa inter-
fejsu u˙zytkownika, generowanie sygnałów komutacji dla silnika i komunikacja. Sterownik zo-
stał zmontowany na płytce uniwersalnej na której głównym elementem jest moduł z proesorem
MC68332. Ponadto płytka sterownika zawiera zasilacz lokalny i interfejs RS232. Płytk˛e układu
sterownika przedstawiono na rysunku 20.
Rysunek 20: Płytka sterownika
22
MAX232 słu˙zy do dopasowania napi˛e´c mi˛edzy układem transmisji szeregowej procesora
MC68332, a układem UART płyty głównej komputera, umo˙zliwiaj ˛
ac realizacje transmisji w
standardzie RS232. Zł ˛
acza Z1, Z2 i Z3 ł ˛
acz ˛
a płytke sterownika z układem docelowym i zostan ˛
a
opisane przy okazji omawiania kolejnych elementów stanowiska.
3.1.1
Moduł z procesorem MC68332
Sercem modułu jest 32-bitowy mikrokontroler MC68332 firmy Motorola [6]. Oprócz mi-
krokontrolera w skład modułu wchodzi zestaw niezb˛ednych towarzysz ˛
acych mu elementów
takich jak zewn˛etrzna pami˛e´c programu i danych, rezonator kwarcowy, rezystory wymuszaj ˛
ace
odpowiednie stany logiczne na okre´slonych portach. Dodatkowe zworki i zł ˛
acza zwiekszaj ˛
a
elestyczno´s´c układu, umo˙zliwiaj ˛
ac wybór trybu pracy. Wyprowadzone zł ˛
acze BDM daje do-
st˛ep do wewn˛etrznego emulatora mikrokontrolera, który w bardzo wygodny sposób pozwala na
modyfikowanie i testowanie pisanych program˙ow z poziomu PC.
Podstawowe własno´sci mikrokontrolera MC68332:
• 32-bitowa jednostka centralna CPU
• wewn˛etrzny programowalny dekoder adresowy
• układ watchdog
• moduł transmisji szeregowej SQM, w skład którego wchodz ˛
a, układ transmisji asynchro-
nicznej SCI, oraz kolejkowy interfejs szeregowy QSPI
• wewn˛etrzny układ emulatora BDM
• specjalizowany, programowalny układ procesora czasowego TPU, umo˙zliwiaj ˛
acy reali-
zowanie ró˙znych zada´n czasowo-licznikowych na 16 oddzielnych kanałach
• 2KB szybkiej pami˛eci RAM, która mo˙ze zosta´c wykorzystana przez jednostk˛e centraln ˛
a,
b ˛
ad´z pracowa´c jak pami˛e´c programu dla układu TPU
Na szczególn ˛
a uwag˛e zasługuje układ TPU, który wykonuje cał ˛
a prac˛e zwi ˛
azan ˛
a ze stero-
waniem silnikiem BLDC. Zostanie mu po´swi˛econy osobny rozdział w którym b˛ed ˛
a przedsta-
wione szczegóły dotycz ˛
ace konfiguracji kanałów i funkcji TPU odpowiedzialnych za okre´slone
działania.
3.1.2
Zasilacz lokalny
Do zasilania układów płytki sterownika słó˙zy lokalny zasilacz o stabilizowanym napi˛eciu
wyj´sciowym równym +5V. Schemat zasilacz przedstawia rysunek 21.
Rysunek 21: Lokalny zasilacz płytki sterownika +5V
23
Mostek B1 zapewnia poprawn ˛
a polaryzacje napi˛ecia wej´sciowego stablizatora. Rol˛e stabi-
lizatora pełni popularny układ 7805 o pr ˛
adzie obci ˛
a˙zenia 1A. Zworka J1 pozwala na zasilanie
ukłdów płytki sterownika z zewn˛etrznego ´zródła. Dioda LED sygnalizuje stan pracy stabiliza-
tora.
3.2
Układ docelowy
3.2.1
Silnik
Jedn ˛
a z pierwszych decyzji, któr ˛
a trzeba było podj ˛
a´c na wczesnym etapier pracy, był dobór
odpowiedniego silnika. Ze wzgl˛edów praktycznych silnik powinien był charakteryzowa´c si˛e
małymi gabarytami, i by´c wyposa˙zony w czujniki Halla. Wymagania takie spełniaj ˛
a silniczki
stosowane w nap˛edach CD-ROM, gdzie s ˛
a wykorzystywane do obracania no´snikami CD. Zdj˛e-
cia silnika przedstawiono na rysunku 22 i 23.
Rysunek 22: Stojan silnika BLDC
Rysunek 23: Wirnik silnika BLDC
24
Parametry konstrukcyjne silnika:
• silnik trójfazowy
• uzwojenia stojana poł ˛
aczone w gwiazd˛e
• 9 biegunów magnetycznych po stronie stojana
• 18 par biegunów magnetycznych wirnika
• 3 czujniki Halla z wyj´sciami analogowymi
• brak wyprowadzenia punktu neutralnego
Parametry robocze:
• napi˛ecie zasilania 10-12V
• pr˛edko´s´c obrotowa ok. 11000 obr/min
• max. pr ˛
ad rozruchowy ok. 600mA
• pr ˛
ad znamionowy ok. 350mA
Konstrukcja silnika zapewnia mu krok 10 stopni. Przy sze´sciostopniowej sekwencji komu-
tacji, jednemu obrotowi pola magnetycznego stojana odpowiada mechaniczne przemieszczenie
wirnika o 60 stopni. Zatem na jeden obrót mechaniczny przypada sze´s´c kolejnych sze´sciostop-
niowych sekwencji komutacji.
Ze wzgl˛edu na analogowy charakter sygnałów wyj´sciowych czujników Halla, koniecze było
zastosowanie dodatkowego układu przetwarzaj ˛
acego ci ˛
agły sygnał wyj´sciowy na warto´sci dys-
kretne. Schemat układu realizuj ˛
acego te zadanie przedstawiono na rysunku 24
Rysunek 24: Układ dyskretyzuj ˛
acy napi˛ecie wyj´sciowe czujników Halla
25
Przebieg napi˛ecia mi˛edzy par ˛
a wyj´s´c czujnika Halla i odpowiadaj ˛
ace mu warto´sci dyskretne
przedstawiono na rysunku 25. Rol˛e przetwornika w układzie z rysunku 24 pełni ˛
a zwykłe kom-
paratory napi˛ecia. Wyj´scie komparatora nasyca si˛e do jednego z biegunów napi˛e´c zasilania
w zale˙zno´sci od polaryzacji jego wej´s´c. W przypadku, gdy potencjał wej´scia nieodwracaj ˛
a-
cego komperatora jest wi˛ekszy od potencjału wej´scia odwracaj ˛
acego, wyj´scie układu nasyca
sie do napi˛ecia +5V. Stopie´n wyj´sciowy układu LM311 z otwartym kolektorem, wymagana
dodatkowo rezystorów podci ˛
agaj ˛
acych. Wyj´scia komparatorów s ˛
a bezpo´srednio ł ˛
aczone z ka-
nałami wej´sciowymi TPU, na których działa funkcja HALLD. Eliminacj˛e zakłóce´n (przerzu-
tów) powstaj ˛
acych przy zmianie polaryzacji wyj´s´c czujników Halla, zapewniaj ˛
a filtry cyfrowe
w stopniach wej´sciowych kanałów TPU. Filtr tłumi impulsy o cz˛estotliwo´sci przekraczaj ˛
acej 4
takty zegara CPU. Diody LED doł ˛
aczone do wyj´s´c komparatora odzwierciedlaj ˛
a stany sygna-
łów sprz˛e˙zenia zwrotnego z czujników poło˙zenia.
Rysunek 25: Przebieg napi˛ecia na wyj´sciu komparatora i odpowiadaj ˛
a mu warto´sci logiczne
Opis wyprowadze´n silnika znajduje si˛e w tabeli 1.
Nr.
Oznaczenie
Opis
1
U
Faza U silnika
2
V
Faza V silnika
3
W
Faza W silnika
4
H
1
−
Ujemne wyj´scie 1 czujnika Hall’a
5
H
1
+
Dodatnie wyj´scie 1 czujnika Hall’a
6
H
2
−
Ujemne wyj´scie 2 czujnika Hall’a
7
H
2
+
Dodatnie wyj´scie 2 czujnika Hall’a
8
H
3
−
Ujemne wyj´scie 3 czujnika Hall’a
9
H
3
+
Dodatnie wyj´scie 3 czujnika Hall’a
10
U
H
−
Ujemny biegun zasilania czujników Hall’a
11
U
H
+
Dodatni biegun zasilania czujników Hall’a
Tablica 1: Opis wyprowadze´n silnika
26
Sygnały zasilaj ˛
ace uzwojenia stojana i sygnały sprze˙zenia zwrotnego zostały rozdzielone i
ł ˛
acz ˛
a si ˛
a z płytk ˛
a układu docelowego za pomoc ˛
a zł ˛
acza Z4 i Z5.
Rysunek 26: Zł ˛
acze Z4 i Z5 silnika
Polaryzacje uzwoje´n silnika i odpowiadaj ˛
ace im zdyskretyzowane stany wyj´sciowe czujni-
ków Halla przedstawiono w tabeli 2.
Faza U
Faza V
Faza W
Czujnik H1
Czyjnik H2
Czujnik H3
-U
+U
+U
0
0
1
-U
-U
+U
1
0
1
+U
-U
+U
1
0
0
+U
-U
-U
1
1
0
+U
+U
-U
0
1
0
-U
+U
-U
0
1
1
Tablica 2:
3.2.2
Obci ˛
a˙zenie
Obci ˛
a˙zenie silnika BLDC stanowi silnik szczotkowy z magnesami stałymi, pracyuj ˛
acy w
trybie pr ˛
adnicowym. Sprz˛e˙zenie mechaniczne silnika i pr ˛
adnicy, realizowane jest za pomoc ˛
a
kół pasowych o przeło˙zeniu 2 do 1 (rysunek 27).
Rysunek 27: Układ sprz˛egaj ˛
acy silnik z pr ˛
adnic ˛
a
1. Koło pasowe silnika
2. Silnik BLDC
3. Koło pasowe pr ˛
adnicy
4. Pr ˛
adnica
5. Pasek sprz˛egaj ˛
acy
27
Moment hamuj ˛
acy wytwarzany na wale pr ˛
adnicy ma charakter dynamiczny i zale˙zy od pr˛edko-
´sci obrotowej silnika nap˛edzaj ˛
acego. Układ taki doskonale symuluje zjawisko tarcia lepkiego.
Przy ustalonej pr˛edko´sci silnika, siła hamowania pr ˛
adnicy zale˙zy tylko od pr ˛
adu obci ˛
a˙zenia i
jest do niego proporcionalna. Warto´s´c pr ˛
adu onci ˛
a˙zenia mo˙zna wyznaczy´c z zale˙zno´sci:
I
obc
=
U
R
obc
(18)
przy czym:
U
- napi˛ecie na zaciskach wyj´sciowych pr ˛
adnicy
R
obc
- rezystancja obci ˛
a˙zenia pr ˛
adnicy
Napi˛ecie U na zaciskach wyj´sciowych pr ˛
adnicy:
U
= E − I
obc
R
t
(19)
gdzie:
R
t
- rezystancja uzwoje´n twornika
E
- SEM indukowana w uzwojeniach twornika
Warto´s´c indukowanej SEM jest proporcionalna do pre˛edko´sci obrotowej wirnika:
E
= kω
(20)
Ostatecznie warto´s´c napi˛ecia na zaciskach pr ˛
adnicy wyznacza równanie (21)
U
=
E
1 +
R
l
R
obc
(21)
Zale˙zno´s´c napi˛ecia na zaciskach pr ˛
adnicy od pr˛edko´sci dla ró˙znych warto´sci rezystancji obci ˛
a-
˙zenia uzyskan ˛
a w trakcie eksperymentu przedstawiono na rysunku 28.
Rysunek 28:
28
Im wi˛eksza rezystancja obci ˛
a˙zenia, tym mniejsze oddziaływanie twornika pr ˛
adnicy, a co za-
tym idzie mniejszy moment hamuj ˛
acy. Dla bardzo du˙zych rezystancji charakterystyka pr ˛
adnicy
praktycznie nie ró˙zni si˛e od charakterystyki biegu jałowego. Do regulacji momentu hamowania
słu˙zy układ mikroprzeł ˛
aczników, który obci ˛
a˙za wyj´scie pr ˛
adnicy ró˙znymi warto´sciami rezy-
stancji.
Liniowa charakterystyka pr ˛
adnicy (silnika) w pełnym zakresie pr˛edko´sci sprawia, ˙ze mo˙zna j ˛
a
z powodzeniem wykorzysta´c do okre´slania pr˛edko´sci obrotowej silnika. W tym celu do wyj-
´scia pr ˛
adnicy oprócz obci ˛
a˙zenia podł ˛
aczono układ umo˙zliwiaj ˛
acy pomiar napi˛ecia wyj´sciowego
pr ˛
adnicy (rysunek 29).
Rysunek 29: Tor pomiarowy napi˛ecia pr ˛
adnicy
Na wej´sciu układu pomiarowego zastosowano dzielnik napi˛ecia zło˙zonu z rezystorów R9 i
R10. Zadaniem dzielnika jest ograniczenie maksymalnej warto´sci napi˛ecia wyj´sciowego pr ˛
ad-
nicy na wej´sciu kolejnego stopnia toru pomiarowego do ok. 4V. Ze wzgl˛edu na du˙z ˛
a warto´s´c
napi˛ecia pulsacji (max.2V) do wyj´scia dzielnika doł ˛
aczono aktywny dwubiegunowy filtr dol-
noprzepustowy o du˙ze stałej czasowej RC. Filtr tłumi równie˙z składow ˛
a du˙zej cz˛estotliwo´sci
napi˛ecia wyj´sciowego pochodz ˛
ac ˛
a od iskrzenia na szczotkach. Du˙za warto´s´c stałej czasowej
filtru byłaby niepo˙z ˛
adana, gdyby´smy napi˛ecie pr ˛
adnicy wykorzystali jako sygnał sprz˛e˙zenia
zwrotnego od pr˛edko´sci. Zwi˛ekszyło by to bowiem znacznie stałe czasowe układu regulacji.
Wyj´scie filtru ł ˛
aczy si˛e z dwunastobitowym przetwornikiem analogowo-cyfrowym MAX1270
firmy MAXIM [17], który komunikuje si˛e ze sterownikiem za pom ˛
ac ˛
a interfejsu SPI poprzez
zł ˛
acze Z1 (rysunek 30). W tabeli 3 znajduje sie opis wyprowadze´c SPI.
Rysunek 30: Zł ˛
acze Z1
Nr
Oznaczenie
Nr
Oznaczenie
1
GDN
6
VCC
2
PCS1
7
PCS1
3
PCS2
8
PCS3
4
SCK
9
MISO
5
MOSI
10
GDN
Tablica 3: Opis zł ˛
acza Z1
29
Rol˛e obci ˛
a˙zenia statycznego pełni układ mechaniczny ze spr˛e˙zyn ˛
a (rysunek 31), która po-
przez sworze´n dociska tarcz˛e hamuj ˛
ac ˛
a umieszcon ˛
a na kole pasowym pr ˛
adnicy. Moment ha-
muj ˛
acy ma charakter tarcia suchego i jest proporcionalny do siły nacisku spr˛e˙zyny.
Rysunek 31: Mechanizm hamuj ˛
acy - rzut boczny
1. Pokr˛etło regulacji siły hamowania
2. Obudowa układu dociskowego sworze´n - pr˛e˙zyna
3. Sworze´n dociskowy
4. Tarcza hamulca
5. Pr ˛
adnica
Rysunek 32: Mechanizm hamuj ˛
acy - zdj˛ecie
Pokr˛etło umieszczone na ramieniu wysi˛egnika pozwala na płynn ˛
a regulacj˛e siły tarcia.
30
3.2.3
Wzmacniacz mocy z logik ˛
a steruj ˛
ac ˛
a
Energi˛e do silnika dostarcza stopie´n mocy, którego kompletny schemat ideowy przedsta-
wiono na w dodatku B (rysunek 67). Wzmacniacz składa si˛e z trzech identycznych, niezale˙znie
sterowanych półmostków mocy (rysunek 33).
Rysunek 33: Schemat ideowy półmostka mocy
Stopie´n wyj´sciowy półmostka tworzy para komplementarnie poł ˛
aczonych tranzystorów bi-
polarnych T
2
i T
3
. Dolny tranzystor półmostka T
3
zapewna ujemne zasilanie fazy silnika. Baza
tranzystora T
3
wysterowywana jest z wyj´scia bramki AND U1C. Rezystor R
3
słu˙zy do ograni-
czenia pr ˛
adu bazy T
3
, natomiast rezystor R
5
zapewnia blokowanie tranzystora na wypadek roz-
warcia sygnałów steruj ˛
acych. Konstrukcja układu logicznego w stopniu wej´sciowym mostka
gwarantuje, ˙ze niezale˙znie od sygnałów steruj ˛
acych (IN1, E i PWM) wyj´sciowe tranzystory T
2
i T
3
nigdy nie b˛ed ˛
a wł ˛
aczone jednocze´snie. Stan wej´scia IN1 decyduje o kierunku napi˛ecia na
wyj´sciu stopnia mocy. Jedynka na wej´sciu powoduje, ˙ze górny tranzystor T
2
wchodzi w stan na-
sycenia, natomiast T
3
jest blokowany. w przypadku, gdy IN=0 sytuacja jest odwrotna. Wej´scie
E uaktywania lub blokuje okre´slony półmostek. Stan niski powoduje, ˙ze oba tranzystory stop-
nia wyj´sciowego s ˛
a blokowane. Przy wł ˛
aczonym półmostku stan tranzystorów wyj´sciowych
okre´slony jest sygnałem steruj ˛
acym wej´scia IN. Wej´scie górnego tranzystora T
2
sterowane jest
z wyj´scia bramki U2A poprzez tranzystor T
1
. Rezystory R
1
, R
3
, R
4
ograniczaj ˛
a pr ˛
ady baz tran-
zystorów T
1
, T
3
i T
2
, a rezystor R
2
pełni tak ˛
a sam ˛
a funkcje jak R
5
w dolnej cz˛e´sci mostka. Tabela
4 przedstawia zale˙zno´s´c mi˛edzy sygnałami steruj ˛
acymi, a biegunem napi˛ecia podawanego na
faz˛e silnika. Wej´scie PWM reguluje warto´s´c skuteczn ˛
a napi˛ecia zasilania. Do sygnalizacji
polaryzacji uzwoje´n stojana u˙zyto dodatkowo dwukolorowych diod LED.
IN
1
E
T
2
T
3
V
LED
0
0
OFF
OFF
-
nie ´swieci
0
1
OFF
ON
-U
zielony
1
0
OFF
OFF
-
nie ´swieci
1
1
ON
OFF
+U
czerwony
Tablica 4:
31
3.2.4
Układ pomiaru pr ˛
adu
Tor pomiaru pr ˛
adu silnika pokazano na rysunku 34 Przetwornik pr ˛
ad - napi˛ecie tworz ˛
a
Rysunek 34: Układ pomiaru pr ˛
adu silnika
dwa równolegle poł ˛
aczone rezystory pomiarowe o rezystancji 1Ω ka˙zdy. Napi˛ecie z rezysto-
rów pomiarowych podawane jest na wzmacniacz U12. Na wej´sciu wzmacniacza zastosowano
filtr przeciwzakłóceniowy EMI sk ˛
adaj ˛
acy si˛e z R
33
,C
8
, R
34
,C
9
iC
10
. Stałopr ˛
adowe wzmocnienie
wzmacniacza wyznacza zale˙zno´s´c:
k
u
= −
R
35
R
33
(22)
Na wyj´sciu wzmacniacza znajduj ˛
a si˛e dwa kaskadowo poł ˛
aczone dolnoprzepustowe filtry ak-
tywne Sallen Keya. Ich zadaniem jest ograniczenie pasma sygnału na wej´sciu przetwornika
A/C. Wyj´scie filtru doł ˛
aczono do drugiego kanału przetwornika MAX1270 [17].
3.2.5
Koder kwadraturowy
Wyj´sciowe sygnały kodera kwadraturowego wykorzystywane s ˛
a nie tylko jako sygnały
sprz˛e˙zenia zwrotnego w procesie komutacji. Mog ˛
a by´c one równie˙z zródłem informacji o
kierunku i predko´sci wirnika. Zastosowano 10 - bitowy koder magnetyczny AS5040 firmy
Austriamicrosystem (rysunek 35). Wewn ˛
atrz obudowy układu umieszczony jest zespół czuj-
Rysunek 35:
ników Halla, przedwzmacniacz analogowy, regulator napi˛ecia i interfejs cyfrowy [9]. AS5040
jest czujnikiem bezkontaktowym i wymaga jedynie umieszczenia niewielkiego magnesu na lub
pod obudow ˛
a. Dziesi˛eciobitowa rozdzielczo´s´c pozwala na wykrycie 1024 pozycji przy pełnym
obrocie o 360 stopni. Dzi˛eki du˙zej skali integracji czujnik wymaga minimum obwodów ze-
wn˛etrznych. Jest alternatyw ˛
a dla koderów optycznych z uwagi du˙z ˛
a niezawodno´s´c działania i
małe wymiary.
Syganały wyj´sciowe wyprowadzone s ˛
a w kilku wariantach:
32
• przez interfejs szeregowy
– poło˙zenie wzgl˛edne (sygnały A, B, Index) - tryb 1
– poło˙zenie bezwzgl˛edne (sygnały Lsb, Dir) - tryb 2
• wyj´scie PWM
Układ mo˙ze pracowa´c z dwoma poziomami napi˛e´c zasilania (3,3V i 5V). Rozdzielczo´s´c
kodera jest programowalna w zakresie od 7 do 10 bitów. Domy´sln ˛
a warto´sci ˛
a jest 10 bitów.
Bardzo ciekaw ˛
a własno´sci ˛
a układu jest to, ˙ze mo˙ze on pracowa´c jako komutator silnika bezsz-
czotkowego. Wymaga to przeprogramowania układu w inny tryb pracy. Po przeprogramowaniu
wszystkie trzy wyj´scia kodera kwadraturowego, zostaj ˛
a zast ˛
apione sygnałami steruj ˛
acymi U, V,
W silnika. Wykorzystanie układu AS5040 bezpo´srednio jako komutatora ogranicza si˛e do ste-
rowania silnikami tylko o okre´slonej konstrukcji. Wymagany jest silnik trójfazowy o 1 lub 2
parach biegunów magnetycznych wirnika.
Zastosowany układ pracuje w trybie 1 (domy´slnym) w którym dost˛epne s ˛
a 3 wyj´scia ko-
dera kwadraturowego (A, B, Index). Schemat poł ˛
aczenia układu przedstawiono na rysunku 36.
Wyj´scia A i B kodera ł ˛
aczone s ˛
a z kanałami TPU, na których działa funkcja FQD. Dioda LED
Rysunek 36:
sygnalizuje, czy poło˙zenie czujnika wzgl˛edem magnesu jest wła´sciwe, zapewniaj ˛
ac tym samym
wa˙zno´s´c odczytywanych danych. Układ AS5040 został zmontowany na osobnej płytce (rysu-
nek 37). Mechaniczne sprz˛e˙zenie kodera z silnikiem przedstawiono na rysunku 38. W tabeli
5 zanajduje si˛e opisy wyprowadze´n kodera. Poszczególne wyj´scia kodera i sygnały zasilania
ł ˛
acz ˛
a si˛e z płytk ˛
a elektroniki układu docelowego za pomoc ˛
a zł ˛
acz Z5 i Z6 (rysunek 39)
33
Rysunek 37: Płytka kodera
Rysunek 38: Mocowanie kodera na wale silnika
34
Nr.
Sygnał
Opis
1
A
1 kanału kodera
2
B
2 wyj´scie koder
3
MagINCn+MagDeCn
sygnalizacja
4
Vss
masa zasilania
5
Vdd
zasilanie +5V
Tablica 5: Opis wyprowadze´n kodera
Rysunek 39: Zł ˛
acze Z6 i Z7
3.2.6
Interfejs u˙zytkownik
Komunikacja z u˙zytkownikiem realizowana jest za pomoc ˛
a trzech monostabilnych przyci-
sków i wy´swietlacza LCD, umieszczonych na płycie czołowej urz ˛
adzenia. Przyciski poł ˛
aczone
s ˛
a z wej´sciami kanałów TPU. Stany przycisków skanowane s ˛
a z zadan ˛
a cz˛estotliwo´sci ˛
a przez
odpowiednio skonfigurowan ˛
a funkcj˛e DIO [17].
Elementem wizualizacyjnym jest alfanumeryczny wy´swietlacz LCD, wmo˙zliwiaj ˛
acy wy´swie-
tlanie w ka˙zdej z 2 linii do 16 znaków. Moduł wy´swietlacza zawiera własny sterownik, który
realizuje wszystkie zadania zwi ˛
azane z umieszczaniem danych na matrycy. W skład modułu
steruj ˛
acego wy´swietlaczem wchodzi kontroler, sterownik linii i kolumn samej matrycy graficz-
nej, oraz pami˛e´c RAM ekranu. Interfejs kontrolera przystosowany jest do bezpo´sredniej współ-
pracy z szyn ˛
a mikrokontrolera MC68332. Poł ˛
aczenie mi˛edzy sterownikiwm wy´swietlacza a
mikrokontrolerem przedstawiono na rysunku 40.
Rysunek 40: Schemat poł ˛
aczenia sterownika LCD
Opis wszystkich wyprowadze´n wy´swietlacza zamieszczono w tabeli 6. Wewn˛etrzna orga-
35
Nr.
Sygnał
Opis
1
Vss
masa zasilania
2
Vdd
zasilanie +5V
3
V
0
kontrast
4
RS
0:rozkaz, 1:znak
5
R/W
0:zapis, 1:odczyt
6
E
strob 1->0
7...14
D0...D7
szyna danych
Tablica 6:
nizacja pami˛eci w układzie MC68332 wymaga, aby urz ˛
adzenia 8 - bitowe ł ˛
aczyły si˛e z mi-
krokontrolerem za pomoc ˛
a górnej połówki magistrali. Wybór układu wy´swietlacza zapewnia
sygnał CS9 wewn˛etrznego dekodera adresowego. Stan linii adresowej A0 decyduje czy dane
na magistrali maj ˛
a by´c traktowane jako rozkaz, czy jako kod zanku do wy´swietlenia.
Wy´swietlacz zamontowany jest płytce elektroniki układu docelowego, i ł ˛
aczy si˛e z płytk ˛
a
sterownika za pomoc ˛
a z ˛
acza Z3 (rysunek 41)
Rysunek 41: Zł ˛
acze Z3
3.3
Zasilacz
Ze wzgl˛edu na parametry silnika, konieczne stało si˛e skonstruowanie zewn˛etrznego zasi-
lacza o napi˛eciu wyj´sciowym 12V i minimalnej wydajno´sci pr ˛
adowej 0.6A. Schemat ideowy
zasilacza przedstawiono na rysunku 42.
Na wej´sciu układu zastosowano transformator troidalny o napi˛eciu uzwojenia wtórnego 12V i
Rysunek 42: Schemat zasilacza +10V, 3A
pr ˛
adzie obci ˛
a˙zenia 4.1A. Napi˛ecie wyj´sciowe transformatora prostowane jest w układzie mostka
B1, i dalej poprzez konensator 4700µF podawane na wej´scie stabilizatora LM350. Zada-
niem kondensatora jest ograniczenie amplitudy napi˛ecia t˛etnie´n na wej´sciu stabilizatora. Układ
LM350 nale˙zy do grópy trójko´ncówkowych stabilizatorów o dobieranej warto´sci napi˛ecia wyj-
´sciowego. Zamiast wyprowadzenia masy posiada on wyj´scie regulacji napi˛ecia, którego poten-
cjał w czasie normalnej pracy stabilizatora, jest zawsze o 1,25V ni˙zszy od potencjału ko´ncówki
36
wyj´sciowej stabilizatora. Układ wymusza na rezystorze R
2
napi˛ecie o warto´sci 1,25V, ustalaj ˛
ac
tym samym pr ˛
ad, który przez niego płynie. Poniewa˙z przez wyprowadzenie regulacji napi˛ecia
płynie pr ˛
ad o bardzo małej warto´sci, napi˛ecie wyj´sciowe stabilizatora wyznacza si˛e z zale˙zno-
´sci:
U
wy
= 1, 25(1 +
R
a
+ P
1
R
2
)
(23)
Potencjometr P1 pozwala na płynn ˛
a regulacje napi˛ecia wyj´sciowego w zakresie 4V . Od-
powiednio wysoka warto´s´c pojemno´sci kondensatora na wyj´sciu stabilizatora zapewnia cz˛esto-
tliwo´sciow ˛
a kompensacj˛e p˛etli sprz˛e˙zenia zwrotnego stabilizatora. Dodatkowy kondensator o
pojemno´sci 10µF mi˛edzy ko´ncówk ˛
a słu˙z ˛
ac ˛
a do ustalania napi˛ecia wyj´sciowego a mas ˛
a układu,
zwi˛eksza tłumienie t˛etnie´n i zakłóce´n impulsowych. Dioda D1 słu˙zy do razładowywania kon-
densatora C2. Diode D2 chroni stabilizator przed uszkodzeniem w przypadku zwarcia jego
zacisków wej´sciowych.
37
4
Oprogramowanie sterownika
Poniewa˙z cały ci˛e˙zar sterowania silnikiem, jak te˙z zbieranie niektórych danych pomia-
rowych spoczywa bezpo´srednio na procesorze czasowym TPU, który jest jednostk ˛
a autono-
miczn ˛
a, działaj ˛
ac ˛
a niezale˙znie od CPU wykonuj ˛
ac ˛
a własny program (zwany mikrokodem), opis
oprogramowania podzielono na dwie cz˛e´sci. Pierwsza z nich przedstawia zadania wykonywane
przez procesor główny, natomiast druga stanowi opis zagadnie´n zwi ˛
azanych z konfiguracj ˛
a i
działaniem funkcji jednostki TPU.
4.1
Struktura oprogramowania CPU
Uproszczony diagram przedstawiaj ˛
acy działanie głównej p˛etli programu CPU pokazano na
rysunku 43.
Rysunek 43: Diagram działania głównej p˛etli programu
38
Po starcie programu w pierwszej kolejno´sci nast˛epuje inicjalizacja zmiennych i konfigu-
racja urz ˛
adze´n zewn˛etrznych współpracuj ˛
acych z mikrokontrolerem. Działanie p˛etli głównej
programu ograniczone jest do obsługi interfejsu u˙zytkownika i wysyłania sygnałów steruj ˛
acych
do urz ˛
adze´n zewn˛etrznych. W skład interfejsu u˙zytkownika wchodzi wielopoziomowe menu,
które pozwala na wybór trybu pracy i ustawienie wielu parametrów zwi ˛
azanych z prac ˛
a silnika
m.i. takich jak:
• nastawa współczynnika wypełnienia PWM (przy wył ˛
aczonym regulatorze)
• nastawa pr˛edko´sci (regulator wł ˛
aczony)
• nastawa kierunku ruchu
• nastawa parametrów regulatora
• wybór trybu komutacji
– z koderem
– z czujnikami Hall’a
– r˛eczna
• automatyczne zdejmowanie charakterystyk silnika
– charakterystyki dynamiczne
– charakterystyki elektromechaniczne
Wi˛ekszo´s´c parametrów to dane wej´sciowe funkcji TPU, które CPU przekazuje za po´sred-
nictwem wspólnego obszaru pami˛eci RAM.
Pomiary, przetwarzanie danych pomiarowych i algorytm regulacji realizowane s ˛
a w trzech
podprogramach obsługi przerwa´n, których ´zródłem s ˛
a:
• kolejkowy interfejs szeregowy QSM
• funkcja FQM jednostki TPU
• układ przerwa´n cyklicznych PIT
4.1.1
Kolejkowy interfejs szeregowy QSM (Queued Serial Module)
Moduł QSM jest jednym z dodatkowych elementów na wyposarzeniu mikrokontrolera,
który umo˙zliwia mu komunikacj˛e z urz ˛
adzeniami zewn˛etrznymi za pomoc ˛
a dwóch interfejsów
szeregowych[10]:
• asynchronicznego SCI
• kolejkowego, synchronicznego SPI
SCI
Transmisja synchroniczna wykorzystywana jest do komunikacji z komputerem nadrz˛ednym.
Konfiguracja interfejsu nast˛epuje po wywołaniu funkcji SciInit. Pr˛edko´s´c transmisji ustawiona
jest na sztywno i wynosi 9600 bodów. Inne funkcje bezpo´srednio zwi ˛
azane z modułem SCI to
SciStart
i SCIPutText. Funkcja SciStart wl ˛
acza moduł sterownika SCI, natomiast SCIPutText
wysyła dane do bufora transmisji SCI.
39
SPI
Kolejkowy interfejs szeregowej transmisji synchronicznej SPI komunikuje si˛e ze wcze´sniej
wspomnianym przetwornikiem ADC MAX1270, który odpowiedzialny jest za próbkowanie
i przetworzenie ci ˛
agłych w czasie sygnałów pomiaru pr ˛
adu silnika i napi˛ecia pr ˛
adnicy. Mecha-
nizm kolejkowy kontrolera podmodułu SPI pozwala na dokonanie całych serii pomiarów bez
interwencji i wykorzystania cennych zasobów CPU. Mo˙zliwe jest zaprogramowanie do 16 nie-
zale˙znych transmisji. Dla ka˙zdej przewidziany jest własny rejestr steruj ˛
acy, rejestr danych prze-
znaczonych do wysłania i rejestr odbiorczy. Rejestr steruj ˛
acy zwi˛eksza funkcjonalno´s´c układu
umo˙zliwiaj ˛
ac ustawienie dla ka˙zdego zadania indywidualnie niektórych parametrów transmi-
sji. Do konfiguracji podmodułu SPI słu˙zy funkcja SpiInit. Ustala ona m.in. pr˛edko´s´c transmisji
(4Mhz) i szeroko´s´c ramki danych (16-bitów). Wykorzystanie pełnej kolejki, czyli 16 transmisji
do obsługi 2 kanałów pomiarowych przetwornika pozwala uzyska´c du˙z ˛
a cz˛estotliwo´s´c prób-
kowania mierzonego sygnału. Schemat działania cyklu pomiarowego SPI przedstawiono na
rysunku 44.
Rysunek 44: Cykl pomiarowy kolejki SPI
W celu zainicjowania pomiaru na okre´slonym kanale nale˙zy wysła´c do przetwornika ramke
steruj ˛
ac ˛
a o strukturze jak na rysunku 45. Do wyboru kanału, z którego przetwornik pobiera
40
Rysunek 45: Bajt steruj ˛
acy dla MAX1270
próbk˛e sygnału do przetworzenia słu˙z ˛
a bity SEL2, SEL1 i SEL0 [11]. Bit RNG ustawla zakres
pomiarowy przetwornika, natomiast pozycja BIP pozwala na pomiar napi˛e´c ujemnych. Podczas
ka˙zdej transmisji nast˛epuje inicjacja pomiaru na jednym kanale i jednoczesny odczyt pomiaru
z kanału drugiego. Po wykonaniu pełnej kolejki sterownik SPI zgłasza przerwanie do CPU i
rozpoczyna kolejn ˛
a steri˛e 16 pomiarów. W programie obsługi przerwania nast˛epuje cyfrowa
filtracja zebranych pomiarów. Filtracji dokonuje funkcja Mediana, która sortuje wyniki po-
miaru, a nast˛epnie odrzuca warto´sci skrajne (najwi˛eksz ˛
a i najmniejsz ˛
a). Ko´ncowym wynikiem
przetwarzania jest ´srednia arytmetyczna z pozostałych nieodrzuconych pomiarów.
4.1.2
Regulator pr˛edko´sci
Podczas gdy komutacja zapewnia wła´sciwy obrót wirnika silnika BLDC, jego pr˛edko´s´c
zale˙zy wył ˛
acznie od amplitudy napi˛ecia zasilania. Do modulacji warto´sci skutecznej tego na-
pi˛ecia wykorzystuje si˛e technike PWM. W celu uzyskania zadanej pr˛edko´sci obrotowej silnika
skonstruowano regulator, którego struktur˛e przedstawiono na rysunku 46.
Rysunek 46: Struktura układu regulatora pr˛edko´sci
Zastosowany regulator działa w oparciu o algorytm PD, który wyra˙za si˛e nast˛epuj ˛
acym rów-
naniem [4]:
u
(t) = k
p
e
(t) + k
d
de
(t)
dt
(24)
Zaimplementowanie algorytmu w sterowniku wymaga przekształcenia go do postaci dyskret-
nej:
u
(k) = u
p
(k) + u
d
(k)
(25)
u
p
= k
p
e
(k)
(26)
u
d
=
k
d
T
(e(k) − e(k − 1))
(27)
gdzie:
41
u
(k) - sygnał wyj´sciowy regulatora
u
p
(k) - sygnał wyj´sciowy cz˛e´sci proporcjonalnej
u
d
(k) - sygnał wyj´sciowy cz˛e´sci ró˙zniczkowej
e
(k) - bł ˛
ad w kroku k
e
(k − 1) - bł ˛
ad w kroku k-1
T
- czas próbkowania
k
p
- wzmocnienie cz˛e´sci proporcjonalnej
k
d
- wzmocnienie cz˛e´sci ró˙zniczkowej
Algorytm PD w oparciu o uchyb regulacji wytwarza sygnał steruj ˛
acy, wyra˙zony czasem wy-
pełnienia, który jest parametrem wej´sciowym funkcji PWM układu TPU[13]. Za wykonanie
algorytmu regulacji odpowiedzialna jest funkcja Regulat działaj ˛
aca na strukturze pd_reg, która
zawiera wszystkie wcze´sniej wymienione parametry regulatora. Górna warto´s´c sygnału zwra-
canego przez regulator u(k) jest ograniczona parametrem PWMPER funkcji PWM[13]. U˙zycie
regulatora jest opcjionalne i zale˙zy od stanu zmiennej reg_on.
4.2
Oprogramowanie TPU (Time Processor Unit)
Wielk ˛
a zalet ˛
a mikrokontrolera MC68332 jest obecno´s´c układu TPU. Jest to zarazem główny
powód, dla którego mikrokontroler ten znakomicie nadaje si˛e do sterowania ró˙znego rodzaju
silnikami. Celem wprowadzenia układu TPU było odci ˛
a˙zenie procesora CPU od realizacji
skomplikowanych zada´n czasowo-licznikowych z jakimi te˙z bez w ˛
atpienia wi ˛
a˙ze si˛e komutacja
szybkimi sinikami BLDC. TPU umo˙zliwia obsług˛e wielu ró˙znych funkcji czasowych na 16 nie-
zale˙znych kanałach. Zasoby sprz˛etowe układu zapewniaj ˛
a du˙z ˛
a szybko´s´c wykonywania wielu
zada´n jednocze´snie. TPU udost˛epnia tryb emulacji w którym pami˛e´c ROM mikrokodu zostaje
zast ˛
apiona pami˛eci ˛
a TPURAM. Rozwi ˛
azanie takie stwarza mo˙zliwo´s´c pisania i uruchamiania
własnych zestawów funkcji TPU.
4.2.1
Konfiguracja TPU
Przed uruchomieniem TPU nale˙zy układ skonfigurowa´c [5]. Do najwa˙zniejszych ustawie´n
zalicza si˛e:
– cz˛estotliwo´s´c pracy zegara TCR1
– cz˛estotliwo´s´c pracy zegara TCR2
– tryb pracy (układ pracuje w trybie emulacji)
W celu zapewnienia du˙zej niezawodno´sci i minimalnych opó˙znie´n obsługi zdarze´n dzia-
łaj ˛
acych funkcji TPU, przed przyst ˛
apieniem do ich konfiguracji nale˙zy uwa˙znie rozwa˙zy´c do-
bór kanałów i priorytetów. Mechanizm kolejkowania zada´n TPU zapewnia odpowiedni przy-
dział czasu procesora dla funkcji o danym priorytecie. Ogólny schemat według którego TPU
podejmuje decyzj˛e o wykonaniu zada´n w zale˙zno´sci od priorytetu przedstawiono na rysunku
47. Schemat obsługi zdarzen TPU gwarantuje, ˙ze funkcje o priorytecie najwy˙zszym (H) b˛ed ˛
a
czterokrotnie cz˛e´sciej wykonywane ni˙z funkcje o priorytecie najni˙zszym (L), i dwukrotnie cz˛e-
´sciej ni˙z funkcje ze ´srednim priorytetem (M). W tabeli 7 przedstawiono zestaw wykorzystanych
42
Rysunek 47: Schemat obsługi zdarze´n przez TPU
Nr kanału
Funkcja
Priorytet
13
COMM MASTER
H
14
COMM 1
-
15
COMM 2
-
0
COMM 3
-
1
COMM 4
-
2
COMM 5
-
3
HALLD A
H
4
HALLD B
-
5
HALLD C
-
6
PWM
M
7
FQD A
H
8
FQD B
H
10
FQM
H
9
DIO
L
11
DIO
L
12
DIO
L
Tablica 7: Spis wykorzystanych funkcji z przydziałem kanałów i priorytetów obsługi (zł ˛
acze Z2)
funkcji TPU wraz z przydzielonymi im kanałami i priorytetami obsługi.
W tak skonstruowanym systemie (tabela 7) krytyczn ˛
a spraw ˛
a jest obsługa funkcji zwi ˛
aza-
nych z komutacj ˛
a silnika. Ka˙zde opó˙znienie mo˙ze wi ˛
aza´c si˛e z pogorszeniem jako´sci ruchu
silnika, jako´sci ˛
a wytwarzanego momentu, mo˙ze doprowadzi´c do rozsynchronizowania komu-
tacji, a nawet do zatrzymania ruchu wirnika. Z tego wzgl˛edu wszystkim funkcjom bior ˛
acym
bezpo´sredni udział w generowaniu sygnałów komutacji został przydzielony arbitralnie priorytet
najwy˙zszy. Jednak nawet najwy˙zszy priorytet nie zawsze zapewnia obsług˛e wszystkich zada´n w
wymaganym czasie. Dlatego konieczna jest analiza najgorszego przypadku (WCL-Worst Case
Latency
) , która pozwala okre´sli´c maksymalne dopuszczalne opó´znienia zdarze´n krytycznych.
Dzi˛eki temu uzyskujemy informacje o warunkach w których komutacja silnikiem mo˙ze prze-
biega´c bezawaryjnie. Dla funkcji niezwi ˛
azanych z komutacj ˛
a silnika analiza taka była zb˛edna
ze wzgl˛edu na charakter wykonywanych przez nie zada´n.
4.2.2
Funkcja COMM
COMM [19] jest główn ˛
a funkcj ˛
a wykorzystywan ˛
a w procesie sterowania silnikiem BLDC.
Jej podstawowym zadaniem jest generowanie sygnałów komutacji. Funkcja jest bardzo ela-
styczna i mo˙ze by´c wykorzystana do sterowania silnikami zarówno trój jak i czterofazowymi.
Działanie funkcji obejmuje dwa tryby:
• czujnikowy (Sensored Mode)
• bezczujnikowy (Sensorless Mode)
43
Tryb pracy okre´sla ´zródło, z którego funkcja COMM czerpie inforamcje o aktualnym po-
ło˙zeniu wirnika. Dla trybu bezczujnikowego ´zródłem tym jest funkcja FQD [14], która zlicza
impulsy z kodera umieszczonego na wale silnika. W trybie czujnikowym sygnały sprz˛e˙zenia
zwrotnego przekazywane s ˛
a za po´srednictwem funkcji HALLD [16] dekoduj ˛
acej stany wyj´s´c z
czujników Hall’a. Inicjalizacja funkcji COMM nast˛epuje po wywołaniu procedury InitComm,
której parametrem wej´sciowym jest zmienna okre´slaj ˛
aca tryb jej pracy. Poni˙zej zestawiono i
opisano wszystkie parametry funkcji COMM odpowiedzialne za jej działanie:
• COUNTER_ADDR - parametr ten przechowuje adres pod którym znajduje si˛e licznik
pozycji funkcji FQD (wykorzystywany tylko przez tryb bezczujnikowy).
• NO_OF_PINS - okre´sla liczb˛e kanałów wykorzystywanych do wytwarzania sygnałów
komutacji.
• STATE_NO - zmienna przechowuje numer pozycji w tablicy komutacji, odzwierciedla-
j ˛
acy bie˙z ˛
acy stan komutacji. W trybie sensorycznym zawarto´s´c rejestru nadpisywana jest
przez funkcj˛e HALLD.
• OFFSET - parametr, który pozwala na regulacj˛e k ˛
ata mi˛edzy wektorem pola stojana i
wirnika. OFFSET u˙zywany jest m.in. do wytworzenia momentu startowego, kompensacji
opó´znie´n, hamowania silnika i okre´slenia kierunku ruchu. (tylko sensorless mode)
• UPDATE_PERIOD - słu˙zy do okre´slenia cz˛estotliwo´sci z jak ˛
a funkcja COMM dokonuje
porównania mi˛edzy sum ˛
a licznika pozycji FQD i parametru OFFSET z parametrami UP-
PER i LOWER.
• UPPER i LOWER - zawieraj ˛
a górn ˛
a i doln ˛
a warto´s´c pozycji licznika po przekroczeniu
której powinna nast ˛
api´c komutacja. Z chwil ˛
a gdy suma licznika pozycji FQD i parame-
tru OFFSET przekroczy warto´s´c przechowywan ˛
a w rejestrze UPPER nast ˛
api zwi˛ekszenie
zawarto´sci zmiennej STATE NO o jeden. Spowoduje to jednocze´snie zmian˛e stanów wyj-
´sciowych kanałów funkcji COMM zgodnie z now ˛
a pozycj ˛
a STAT_NO w tablicy komuta-
cji. Zawarto´s´c rejestru UPPER zostaje zaktualizowana w sposób zapewniaj ˛
acy wła´sciwe
sterowanie silnikiem. Analogiczna sytuacja jest ze zminn ˛
a LOWER, z tym ˙ze zawarto´s´c
STAT_NO jest dekrementowana w ka˙zdym kolejnym etapie komutacji.
• NO_OF_STATES - o´smiobitowy parametr, który okre´sla liczb˛e stanów wyj´sciowych ge-
nerowanych przez funkcje. Liczba mo˙zliwych stanów jest ograniczona i zale˙zy od ob-
szaru pami˛eci RAM zajmowanego przez kolejne kanały funkcji COMM, nie licz ˛
ac kanału
COMM MASTER.
Ustawienia najwa˙zniejszych parametrów funkcji COMM dla trybu bezczujnikowego:
NO OF PINS
=6,
NO OF STATES
=18,
UPDATE PERIOD
=2,
UPPER
=9,
LOWER
=-9,
OFFSET
=64 (dla ruchu silnika w prawo)
Poni˙zej pokazano sposób konstruowania tablicy komutacji (równie˙z dla trybu sensorless).
Struktur˛e pojedynczego stanu w tablicy komutacji przedstawiono na rysunku 48.
gdzie:
44
Rysunek 48: Struktura stanu w tablicy komutacji
E
1, E2, E3 - sygnały uaktywnij ˛
ace poszczególne półmostki stopnia mocy.
IN
1, IN2, IN3 - pozycje ustalaj ˛
ace biegun napi˛ecia zasilania faz silnika
Długo´s´c stanu
- zawiera liczb˛e impulsów po zliczeniu których powinn ˛
a nast ˛
api´c przej´scie do
kolejnego etapu komutacji. Długo´s´c stanu wyznaczono z zale˙zno´sci:
Długo´s´c stanu
=
N
k
N
sk
∗ N
p
=
1024
6 ∗ 6
= 28.4
(28)
gdzie:
N
k
- rozdzielczo´s´c kodera AS5040.
N
sk
- liczba sekwencji komutacji przypadaj ˛
aca na jeden obrót pola magnetycznrgo stojana
N p
- liczba obrotów pola magnetycznego stojana przypadaj ˛
aca na jeden obrót mechaniczny
wirnika.
Podczas wypełniania tablicy komutacji wykorzystano dane zdobyte podczas identyfikacji sil-
nika (podrozdział 3.2.1). Po uwzgl˛ednienu wyniku równania 28 i wykorzystaniu danych z tabeli
2 (str. 26) wpis w tablicy komutacji przedstawia si˛e nast˛epuj ˛
aco:
Nr stanu
Długo´s´c stanu
Konfiguracja wyj´s´c kanałów
0
28
011111
1
29
010111
2
28
110111
3
29
110101
4
28
111101
5
29
011101
6
28
01111
7
29
01011
8
28
110111
9
29
11010
10
28
11110
11
29
01110
12
28
01111
13
29
01011
14
28
110111
15
29
11010
16
28
11110
17
28
01110
Tablica 8: Tablica komutacji dla trybu bezczujnikowego
45
Konfiguracja funkcji COMM dla trybu pracy z wykorzystaniem czujników Hall’a jest znacz-
nie prostsza. Wynika to z odmiennego charakteru sygnału sprz˛e˙zenia zwrotnego dostarczanego
przez inn ˛
a funkcje wej´sciow ˛
a. Podczas, gdy dla trybu sensorless obliczenie numeru stanu w
tablicy komutacji (STATE_NO) spoczywało na samej funkcji COMM, to w przypadku drugiego
trybu parametr ten jest gotowym produktem wyj´sciowym funkcji HALLD [8]. Dla funkcji
COMM ustawiamy tylko NO OF PINS=6. Tablic˛e komutacji dla trybu czujnikowego Hall,a
przedstawiono na rysunku 9.
Nr stanu
Konfiguracja wyj´s´c kanałów
0
000000
1
000000
2
011111
3
111101
4
110111
5
011111
6
010111
7
011101
8
111101
9
110111
10
011101
11
110101
12
110101
13
010111
14
000000
15
000000
Tablica 9: Tablicy komutacji dla trybu z wykorzystaniem funkcji HALLD
4.2.3
Funkcja HALLD
Funkcja HALLD [16] jest przeznaczona do współpracy z funkcj ˛
a COMM. Została stwo-
rzona, ˙zeby umo˙zliwi´c funkcji COMM sterowanie silnikami wyposa˙zonymi w czujniki Hall’a.
Wykorzystuje dwa lub trzy kanały wej´sciowe do dekodowania stanów wyj´sciowych tych czuj-
ników. Podstawowe parametry funkcji to:
• DIRECTION - ustawia kierunek ruchu silnika
• PINSTATE - reprezentuje bie˙z ˛
acy stan na wej´sciu kanału
• STATE_NO_ADDRE - zawiera adres, pod którym funkcja umieszcza wynik swojego
działania, czyli numer stanu reprezentuj ˛
acy odpowiedni ˛
a pozycj˛e w tablicy komutacji
(nale˙zy wpisa´c adres, pod którym umieszczona jest zmienna STATE_NO funkcji COMM).
Współpraca funkcji HALLD z COMM
Z chwil ˛
a, gdy nast ˛
api zmiana stanu na jednym z kanałów wej´sciowych, funkcja HALLD (we-
dług wzorca z tabeli 10) generuje nowy stan wyj´sciowy i umieszcza go w parametrze STATE_NO
funkcji COMM. Po umieszczeniu danej reprezentuj ˛
acej now ˛
a pozycj˛e w tablicy komutacji,
HALLD powiadamia COMM o nowej warto´sci w rejestrze STATE_NO, w wyniku której po-
minna nast ˛
api´c zmiana stanu na wyj´sciach kanałów funkcji COMM.
46
Kanał HALLD A
Kanał HALLD B
Kanał HALLD C
DIRECTION
STATE_NO
0
0
0
0
0
0
0
1
0
2
0
1
0
0
4
0
1
1
0
6
1
0
0
0
8
1
0
1
0
10
1
1
0
0
12
1
1
1
0
14
0
0
0
1
1
0
0
1
1
3
0
1
0
1
5
0
1
1
1
7
1
0
0
1
9
1
0
1
1
11
1
1
0
1
13
1
1
1
1
15
Tablica 10: Sposób dekodowania stanu wyj´s´c czujników Hall’a przez funkcje HALLD
4.2.4
Funkcja FQD
FQD [14] dostarcza funkcji COMM sygnałów sprz˛e˙zenia zwrotnego od poło˙zenia wirnika w
postanci warto´sci licznika pozycji. Wykorzystuje dwa kanały, do których podł ˛
aczono wyj´scia
kodera kwadraturowego AS5040. Warto´s´c licznika pozycji odzwierciedla poło˙zenie wirnika
wzgl˛edem stojana. Licznik jest inkrementowany b ˛
ad´z dekrementowany w zale˙zno´sci przesu-
ni˛ecia fazowego mi˛edzy sygnałami na wej´sciach kanałów A i B. FQD mo˙ze pracowa´c w dwóch
trybach:
• normalnym (normal mode)
• szybkim (fast mode)
W trybie normalnym rejestr licznika pozycji ulega zwi˛ekszeniu, lub zmniejszeniu przy
zmianie stanu któregokolwiek z 2 sygnałów wyj´sciowych kodera. Tryb ten w przeciwie´nstwie
do trybu szybkiego, zapewnia wykorzystanie pełnej rozdzielczo´sci kodera. W trybie szybkim
kanł B jest niewykorzystywany, a zmiana licznika pozycji nast˛epuje tylko przy zboczu nara-
staj ˛
acym sygnału na wej´sciu kanału pierwotnego. W ten sposób maksymalne dopuszczalene
opó´znienie obsługi zdarze´n funkcji FQD zwi˛eksza si˛e czterokrotnie, gwarantuj ˛
ac jednocze´snie
prawidłow ˛
a aktualizacje licznika pozycji przy znacznie wi˛ekszych cz˛estotliwo´sciach zmian sy-
gnału wej´sciowego. Do inicjalizacji FQD słu˙zy procedura FqdInit, która odpowiada za usta-
wienia ni˙zej przedstawionych pól konfiguracyjnych w pami˛eci RAM obu kanałów:
• POSITION_COUNT - inicjalizacja licznika pozycji (tylko kanał pierwotny)
• CORR_PINSTATE_ADDR - adres parametru CHAN_PINSTATE drugiego kanału FQD.
• EDGE_TIME_ADDR - pole powinno wskazywa´c parametr EDGE_TIME rezyduj ˛
acego
w obszarze RAM kanału pierwotnego.
Zmiana trybu pracy funkcji FQD nast˛epuje po wywołaniu procedury FqdMode. Przeł ˛
acze-
nie trybu mo˙ze nast ˛
api´c w dowolnym momencie, jednak funkcja FQD powinna zawsze rozpo-
czyna´c działanie w trybie normalnym (normal mode). W programie sterownika przeł ˛
aczenie
47
trybu jest warunkowe i nast˛epuje po przekroczeniu ustalonych pr˛edko´sci obrotowych silnika.
Progi przeł ˛
aczenia trybu zostały dobrane w wyniku eksperymentu. Jego wynik pozwolił usta-
li´c maksymaln ˛
a pr˛edko´s´c silnika, przy której TPU zapewnia poprawne zliczenie wszystkich
zboczy impulsów na obu obu wej´sciach kanałów.
Na rysunku 49 przedstawiono skutki przekroczenia dozwolonych pr˛edko´sci, przy komutacji
silnika z wykorzystaniem funkcji FQD pracuj ˛
acej w trybie normalnym. Przy wysokich pr˛ed-
ko´sciach silnika funkcja FQD nie jest w stanie policzy´c wszystkich zboczy szybkozmiennego
sygnału z obu wyj´s´c kodera kwadraturowego, wskutek czego nast˛epuje przekłamanie zawarto-
´sci licznika pozycji. Wpływa to bezpo´srednio na k ˛
at mi˛edzy wektorami pola stojana i wirnika
i objawia si˛ezmian ˛
a pr˛edko´sci obrotowej silnika. Zmiana k ˛
ata b˛edzie nast˛epowała tak długo,
a˙z silnik zwolni do pr˛edko´sci przy której nast ˛
api prawidłowe zliczanie wszystkich zboczy im-
pulsów z obu wyj´scia kodera. Na rysunku 49 wida´c, ˙ze próg przy którym powinno nast ˛
api´c
prze ˛
aczenie funkcji FQD z trybu normalnego na szybki i na odwrót mie´sci si˛e w okolicach
4200rpm.
Rysunek 49: Charakterystyka pr˛edko´sci silnika dla komutacji z kodera kwadraturowego po przekłamaniu licznika
pozycji funkcji FQD
4.2.5
Funkcja PWM
PWM jest funkcj ˛
a wyj´sciow ˛
a wykorzystan ˛
a do modulacji warto´sci skutecznej napi˛ecia za-
silaj ˛
acego silnik. Wyj´scie kanału funkcji PWM ł ˛
aczy si˛e z wej´sciem (PWM) logiki steruj ˛
acej
stopnia mocy (rysunek 33). Po˙z ˛
adan ˛
a warto´s´c napi˛ecia zasilania uzyskujemy poprzez regula-
cj˛e wypełnienia przebiegu prostok ˛
atnego o stałym okresie. Inicjalizacja funkcji nast˛epuje po
wywołaniu procedury PwmInit. Poni˙zej przedstawiono główne parametry definiuj ˛
ace działanie
funkcji:
• PWMHI - ustawia wypełnienie sygnału
• PWMPER - odpowiada za ustawienie okresu impulsu
Warto´s´c skuteczn ˛
a napi˛ecia zasilaj ˛
acego fazy silnika U
sk
wyznacza zale˙zno´s´c:
48
U
sk
=
PW MHI
PW MPER
U
z
(29)
gdzie:
U
z
- nap˛ecie zasilaj ˛
ace stopi˛e´n mocy
4.2.6
Funkcja FQM
Działanie funkcji FQM (Frequency Measurement) polega na zliczaniu impulsów wej´scio-
wych w zadanym przedziale czasu. Jej głównym przeznaczeniem jest pomiar cz˛estotliwo´sci.
Funkcja mo˙ze pracowa´c w dwóch trybach, z których jeden obejmuje wykonanie pojedynczego
pomiaru, a drugi zapewnia ci ˛
agło´s´c ich wykonywania. Wywołanie procedury FqmInit zapewnia
funkcji inicjalizacj˛e nast˛epuj ˛
acych parametrów:
• CHANNEL_CONTROL - rejestr steruj ˛
acy kanał zawieraj ˛
acy pola TBS, PAC i PSC. TBS
słu˙zy do wyboru zegara podstawy czasu dla kanału, natomiast PAC okre´sla rodzaj wy-
krywanego zbocza. Pole PSC jest niewykorzystywane.
• WINDOW_SIZE - warto´s´c w tym rejestrze ustala okres pomiarowy.
Funkcja została skonfigurowana do pracy w trybie ci ˛
agłym. Jest wykorzystana do pomiaru
pr˛edko´sci obrotowej silnika. Sygnał pomiary pr˛edko´sci pobierany jest z drugiego wyj´scia ko-
dera kwadraturowego (kanał B). Po wykonaniu pojedynczego pomiaru FQM zgłasza przerwa-
nie do CPU. W programie obsługi przerwania w oparciu o dane pomiarowe funkcji FQM na-
st˛epuje wyliczenie pr˛edko´sci obrotowej silnika.
49
5
Obsługa i mo˙zliwo´sci stanowiska
Jak wspomniano w rozdziale (3.2.6) komunikacja z u˙zytkownikiem realizowana jest za po-
moc ˛
a przycisków i wy´swietlacza LCD umieszczonych na płycie czołowej układu docelowego.
W skład interfejsu wchodz ˛
a równie˙z diody sygnalizacyjne, mikroprzeł ˛
aczniki i mechanizm re-
gulacji siły docisku (rysunek 50).
Rysunek 50: Widok płyty czołowej stanowiska
Na płycie czołowej urz ˛
adzenia wyró˙zni´c mo˙zna nast˛epuj ˛
ace elementy:
1 - wy´swietlacz LCD.
2 - pr ˛
adnica .
3 - diody sygnalizuj ˛
ace stany wyj´sciowe czujników Hall’a.
4 - silnik BLDC.
5 - diody sygnalizuj ˛
ace polaryzacje faz silnika.
6 - dioda sygnalizuj ˛
aca wła´sciwe umieszczenie czujnika AS5040 wzgl˛edem magnesu
7 - mechaniczny układ regulacji siły docisku
8 - mikroprzeł ˛
acznik do wyboru rezystancji obci ˛
a˙zenia pr ˛
adnicy
9 - układ trzech przycisków słu˙z ˛
acych do przemieszczania si˛e po menu, wykonywania nastaw,
inicjacji pomiarów itd.
50
Ze wzgl˛edu na du˙z ˛
a liczb˛e dost˛epnych funkcji stanowiska konieczne stało si˛e skonstru-
owanie wielopoziomowego menu i przydzielenie ka˙zdemu z przycisków kilku znacze´n. Menu
zostało zaprojektowane w sposób zapewniaj ˛
acy łatw ˛
a i wygodn ˛
a obsług˛e stanowiska. Jego
struktur˛e przedstawiono na rysunku 51.
Rysunek 51: Konstrukcja menu u˙zytkownika
51
Najwy˙zszy poziom menu składa si˛e z pozycji, które reprezentuj ˛
a cztery główne tryby pracy
stanowiska:
• Komut.HALLD - komutacja silnika nast˛epuje w oparciu o sygnały sprz˛e˙zenia zwrotnego
z czujników Hall’a. U˙zytkownik mam mo˙zliwo´c regulacji takich parametrów jak:
– Set kier. - ustawia kierunek ruchu silnika
– Set pwm - moduluje warto´s´c skuteczn ˛
a napi˛ecia zasilaj ˛
acego silnik poprzez regula-
cj˛e wypełnienia przebiegu prostok ˛
atnego. Przy zmianie tego parametru silnik pra-
cuj˛e bez regulatora pr˛edko´sci (je˙zeli wcze´sniej regulator był wł ˛
aczony to z chwil ˛
a
pierwszej zmiany parametru PWM nast˛epuje jego automatyczne wył ˛
aczenie).
– Set rpm - słu˙zy do nastawy po˙z ˛
adanej warto´sci pr˛edko´sci silnika. Silnik pracuje pod
kontrol ˛
a regulatora pr˛edko´sci PD.
• Komut.AS5040 - w trybie tym silnik sterowany jest z wykorzystaniem sygnałów z ko-
dera kwadraturowego AS5040. W tym przypadku istnieje mo˙zliwo´s´c regulacji takich
samych parametrów jak to miało miejsce w ostatnio omawianym punkcie. Dodatkowym
parametrem regulacji jest:
– Set offset - pozwala na regulacj˛e k ˛
ata mi˛edzy wektorami pola stojana i wirnika.
Dla obu wymienionych wy˙zej trybów pracy w czasie regulacji dost˛epnych parametrów
istnieje mo˙zliwo´s´c obserwacji napi˛ecia generowanego na wyj´sciu prodnicy tachometrycz-
nej, pr ˛
adu silnika i jego pr˛edko´sci obrotowej.
• Komut.Reczna - pozwala prze´sledzi´c w trybie krokowym kolejne etapy komutacji sil-
nika. U˙zytkownik zmienia polaryzacj˛e faz silnika poprzez r˛eczn ˛
a zmian˛e parametru
STATE_NO, która reprezentuje stan w tablicy komutacji. Zespół diod na panelu stano-
wiska daje mo˙zliwo´s´c zaobserwowania polaryzacji faz silnika, jak te˙z stanu wyj´s´c czuj-
ników Hall’a w ró˙znych fazach komutacji.
• Charakterystyki - podmenu zostało stworzone w celu przeprowadzenia automatycznych
pomiarów wybranych charakterystyk. Zawiera pola ustawiaj ˛
ace warunki pomiarowe, jak
te˙z pozycj˛e wyboru po˙z ˛
adanej charakterystyki:
– Set Kp - pole nastawy wzmocnienia cz˛e´sci proporcionalnej regulatora
– Set Kd - nastawa wzmocnienia cz˛e´sci ró˙zniczkuj ˛
acej regulatora
– Set pwm - nastawi ˛
a warto´s´c napi˛ecia zasilania silnika w chwili jego startu przy ste-
rowaniu w p˛etli otwartej
– Set speed - zadaje warto´s´c pr˛edko´sci silnika przy sterowaniu z wykorzystaniem re-
gulatora pr˛edko´sci PD.
– Set offset - ustawia k ˛
at mi˛edzy wektorem pola stojana i wirnika w chwili startu
silnika dla komutacji z wykorzystaniem kodera kwadraurowego.
– Nr charakterystyki - umo˙zliwia wybór mierzonej charakterystyki. Stanowisko umo˙z-
liwia pomiar do siedmiu ró˙znych charakterystyk. Ich opis znajduje si˛e poni˙zej.
52
Opis dost˛epnych charakterystyk
CH0 (SPEED - U
p
)
- charakterystyka pr ˛
adnicy tachometrycznej. Pomiar dokonywany jest przy
komutacji silnika z wykorzystaniem czujników Hall’a i rozpoczyna si˛e od maksymalnej
pr˛edko´sci, zgodnie z warto´sci ˛
a na pozycji Set speed.
CH1 (PWM -SPEED) - mierzy zale˙zno´s´c napi˛ecia zasilania (wypełnienia sygnału steruj ˛
acego)
silnika od pr˛edko´sci.
CH2 (T - SPEED) - bada odpowied´z silnika na wymuszenie skokiem napi˛ecia o warto´sci
okre´slonej parametrem Set pwm (regulator pr˛edko´sci wył ˛
aczony).
CH3 (SPEDD - I) - umo˙zliwia pomiar pr ˛
adu silnika w funkcji p˛edko´sci w warunkach rozru-
chowych i przy zmianie obci ˛
a˙zenia.
CH4 (T - SPEED) - bada własno´sci dynamiczne silnika przy sterowaniu z wykorzystaniem
czujników Hall’a i przy wł ˛
aczonym regulatorze pr˛edko´sci PD. Przed pomiarem charak-
terystyki nale˙zy ustawi´c wzmocnienia K
d
i K
p
regulatora, zada´c pr˛edko´s´c silnika poprzez
ustawienie parametru w polu Set speed, oraz dobra´c obci ˛
a˙zenie silnika (za pomoc ˛
a mi-
kroprzeł ˛
aczników, b ˛
ad´z mechanicznego układu dociskowego).
CH5 (OFFSET - SPEED) - bada wpływ parametru Offset na pr˛edko´s´c silnika (komutacja z
kodera). Przed wykonaniem pomiaru nale˙zy ustawi´c parametr Set pwm. Przeprowadzenie
serii pomiarów dla ró˙znych warto´sci tego parametru pozwala ustali´c optymalne warto´sci
OFFSET
dla ró˙znych pr˛edko´sci obrotowych silnika.
CH6 (SPEED - T) - Bada odpowied´z silnika na wymuszenie skokiem napi˛ecia o wart´sci okre-
´slonej przez paramter Set pwm. Przed wykonaniem pomiaru nale˙zy ustali´c warunki po-
cz ˛
atkowe poprzez ustawienie parametrów Set pwm i Offset.
53
6
Eksperymenty
W rozdziale tym przedstawiono próbk˛e mo˙zliwo´sci skonstruowanego urz ˛
adzenia. Skupiono
si˛e na przeprowadzeniu tylko kilku do´swiadcze´n, które pozwoliły scharakteryzowa´c podsta-
wowe własno´sci badanego nap˛edu. Wykonano m.in. eksperymenty testuj ˛
ace dynamik˛e silnika
dla ró˙znych wymusze´n i momentów obci ˛
a˙zenia. Pomiarów dokonano zarówno w p˛etli otwartej,
jak te˙z z wykorzystaniem zaimplementowanego regulatora pr˛edko´sci PD.
Przy sterowaniu pr˛edko´sci ˛
a silnika w otwartym układzie regulacji podstawow ˛
a spraw ˛
a jest
znajomo´s´c charakterystyki, która okre´sla zale˙zno´s´c mi˛edzy pr˛edko´sci ˛
a obrotow ˛
a silnika a na-
pi˛eciem przyło˙zonym do jego zacisków. W celu sprawdzenia własno´sci zastosowanego silnika
BLDC przy takim sterowaniu, eksperymenty zacz˛eto od zbadania tego typu charakterystyki.
Rysunek 52: Zale˙zno´s´c pr˛edko´sci silnika od wypełnienia sygnału steruj ˛
acego napi˛eciem zasilania
Pomiary przeprowadzono dla trzech ró˙znych momentów obci ˛
a˙zenia. Na ka˙zdym z trzech
przedstawionych na rysunku 52 wykresów mo˙zna wyró˙zni´c dwa charakterystyczne odcinki (ok.
5000rpm i 2500rpm) w których pr˛edko´s´c pozostaje stała mimo zmiany napi˛ecia zasilaj ˛
acego sil-
nik. Jest to spowodowane cz˛estotliwo´sci ˛
a przebiegu moduluj ˛
acego napi˛ecie zasilania silnika,
która w pewnym momencie pokrywa si˛e z cz˛estotliwo´sci ˛
a komutacji. Zjawisko to jest szcze-
gólnie widoczne przy wi˛ekszych momentach obci ˛
a˙zenia, gdzie dopiero zmiana wypełnienia o
ok. 15% doprowadza do zmiany pr˛edko´sci obrotowej silnika. Zmiana pr˛edko´sci jest skokowa,
co uniemo˙zliwia uzyskanie pr˛edko´sci po´srednich (np. miedzy 4000 a 5000rpm). Przypadło´s´c ta
zatem eliminuje zastosowanie otwartego układu regulacji w sytuacji, gdy wymagana jest płynna
regulacja pr˛edko´sci silnika w pełnym mo˙zliwym zakresie jej zmian.
W kolejnym etapie bada´n zdj˛eto rodzin˛e charakterystyk silnika, które prezentuj ˛
a zarówno
jego wła´sciwo´sci dynamiczne jak te˙z elektromechaniczne. Badano odpowied´z silnika na wy-
muszenie skokiem napi˛ecia o warto´sci programowanej parametrem PWM. Pomiary wykonano
dla ró˙znych momentów obci ˛
a˙zenia. Ze wzgl˛edu na stosunkowo mały moment elektromecha-
niczny rozwijany przez silnik, dla napi˛e´c zasilania poni˙zej 60%PWM pomiarów dokonano przy
biegu jałowym silnika (rysunek 55).
54
Rysunek 53: Charakterystyka silnika przy PWM=100%
Rysunek 54: Charakterystyka silnika przy wymuszeniu PWM=70%
Rysunek 55: Charakterystyka w otwartym układzie regulacji dla ró˙znych warto´sci współczynnika PWM (bez
obci ˛
a˙zenia silnika)
55
Przed wykonaniem analogicznych charakterystyk w zamkn˛etym układzie regulacji pr˛edko-
´sci, przetestowano zachowanie regulatora dla ró˙znych warto´sci współczynników wzmocnienia
K
p
i K
d
. Testy przeprowadzono dla jednej zadanej pr˛edko´sci silnika (5680rpm) i bez jego obci ˛
a-
˙zenia (rysunki od 56 do 62). Okazało si˛e, ˙ze najlepsze warunki regulacji zapewniaj ˛
a współczyn-
niki wzmocnienia K
p
=10 i K
d
=14. Przy warto´sciach K
p
>20 układ zachowywał si˛e niestabilnie
(wyst˛epowały przeregulowania) co w konsekwencji znacznie wydłu˙zyło czas ustalania odpo-
wiedzi.
Po wst˛epnej identyfikacji optymalnych nastaw regulatora zbadano charakterystyki dla ró˙z-
nych obci ˛
a˙ze´n i zadanych pr˛edko´sci silnika (rysunki od 63 do 66). Pierwszy pomiar wykonano
dla takiej samej warto´sci zadanej pr˛edko´sci jak to miał miejsce podczas testowania parameterów
regulatora. Na rysunku 66 wida´c, ˙ze nastawy K
p
=10 i K
d
=14 zapewniaj ˛
a bardzo podobny prze-
bieg charakterystyki dynamicznej dla ró˙znych obci ˛
a˙ze´n silnika (z wyj ˛
atkiem sytuacji, gdy war-
to´s´c momentu obci ˛
a˙zenia przekroczyła maksymalny moment rozwijany przez silnik dla zadanej
warto´sci pr˛edko´sci). Dla wi˛ekszych obci ˛
a˙ze´n silnika ostro´s´c charakterystyki uległa lekkiemu
spłaszczeniu. Sytuacj˛e mogłoby poprawi´c zwi˛ekszenie wzmocnienia cz˛e´sci proporcionalnej
regulatora. Dla mniejszych nastaw pr˛edko´sci, w celu zachowania równie dobrej dynamiki ko-
nieczne stało si˛e zwi˛ekszenie wzmocnienia K
p
.
Rysunek 56: Odpowied´z regulatora dla K
P
= 50
Rysunek 57: Odpowied´z regulatora dla K
P
= 30
56
Rysunek 58: Odpowied´z regulatora dla K
P
= 20
Rysunek 59: Odpowied´z regulator dla K
P
= 10
Rysunek 60: Odpowied´z regulator dla K
P
= 10
57
Rysunek 61: Odpowied´z regulator dla K
P
= 5
Rysunek 62: Odpowied´z regulator dla K
P
= 5
Rysunek 63: Pr˛edko´s´c zadana Set speed = 5850, K
p
=10, K
d
=14
58
Rysunek 64: Pr˛edko´s´c zadana Set speed = 3516, K
p
=20, K
d
=14
Rysunek 65: Pr˛edko´s´c zadana Set speed = 2110, K
p
=20, K
d
=14
Rysunek 66: Pr˛edko´s´c zadana Set speed = 1055, K
p
=20, K
d
=14
59
7
Podsumowanie
Wynikiem niniejszej pracy jest kompletne stanowisko badawczo - dydaktyczne daj ˛
ace mo˙z-
liwo´s´c zapoznania si˛e z wła´sciwo´sciami i ró˙znymi metodami sterowania bezkomutatorowych
silników pr ˛
adu stałego BLDC. Główn ˛
a przesłank ˛
a podczas tworzenia stanowiska była ch˛e´c
umo˙zliwienia jego u˙zytkownikom łatwego przyswojenia wiedzy, jak te˙z nabrania pewnej in-
tuicji w zakresie tematów zwi ˛
azanych z komutacj ˛
a tego typu silnikami. Rozdzielenie modułu
sterownika od cz˛e´sci silnikowej zwi˛ekszyło uniwersalno´s´c całej konstrukcji, stwarzaj ˛
ac szans˛e
wykorzystania i sprawdzenia wielu ró˙znych układów sterowników pod k ˛
atem zastosowania ich
w aplikacjiach z tego typu silnikami.
Poniewa˙z jest to m.in. stanowisko badawcze konieczne stało si˛e zaimplementowanie me-
chanizmów pozwalaj ˛
acych na tworzenie charakterystyk, które s ˛
a podstawowym ´zródłem in-
formacji o własno´sciach ka˙zdego silnika. Zawsze du˙z ˛
a zalet ˛
a jest mo˙zliwo´s´c testowania cha-
rakterystyk obiektów rzeczywistych. Istniej ˛
a co prawda inne metody badawcze w postaci mo-
deli matematycznych i odpowiedniego oprogramowania, jednak wyniki ich działania s ˛
a zwykle
wyidealizowane. Wi ˛
a˙ze si˛e to z trudno´sci ˛
a zamodelowania wszystkich zjawisk fizycznych za-
chodz ˛
acych w rzeczywistym ´srodowisku. Nienale˙zy oczywi´scie zapomina´c o wielu dobrych
stronach takiego podej´scia do problemów. W oparciu o model matematyczny silnika BLDC,
który został przedstawiony w rozdziale 2 stworzono pakiet do symulacj w ´srodowisku Simulink.
Wyniki jego działania mogłyby by´c pewnym punktem odniesienia dla rzeczywistych pomiarów
przeprowadzonych z wykorzystaniem tego stanowiska.
Oprogramowanie sterownika umo˙zliwia pomiar do siedmiu ró˙znych charakterystyk dla dwóch
trybów komutacji. Podstawow ˛
a zale˙zno´sci ˛
a decyduj ˛
acym o mo˙zliwo´sci wykorzystania silnika
do konkretnego zadania jest stosunek momentu rozwijanego przez silnik do jego pr˛edko´sci ob-
rotowej. W celu umo˙zliwienia zbadania tych zale˙zno´sci konieczne stało si˛e skonstruowanie
mechanizmu reguluj ˛
acego moment obci ˛
a˙zenia silnika. Wykorzystano dwie metody obci ˛
a˙zenia
odzwierciedlaj ˛
ace dwa ró˙zne rodzaje tar´c. Rol˛e obci ˛
a˙zenia dynamicznego, charakteryzuj ˛
acego
tarcie lepkie pełni pr ˛
adnica tachometryczna, natomiast tarcie suche realizowane jest za pomoc ˛
a
układu mechanicznego ze spr˛e˙zyn ˛
a dociskow ˛
a. Bardzo wa˙zn ˛
a cech ˛
a silnika jest jego dyna-
mika. Stanowisko stawarza równie˙z mo˙zliwo´s´c pomiaru tego typu charakterystyk zarówno w
p˛etli otwartej jak te˙z z wykorzystaniem zaimplementowanego regulatora pr˛edko´sci PD. Przy
sterowaniu w p˛etli otwartej istnieje mo˙zliwo´s´c regulacji wymuszenia poprzez ustawienie wy-
pełnienia przebiegu prostok ˛
atnego steruj ˛
acego napi˛eciem zasilania silnika. Przy korzystaniu z
regulatora nale˙zy zadba´c o ustawienie wzmocnie´n K
p
i K
d
i p˛edko´sci Set speed. Sposób za-
pisu wyników pomiarowych przez sterownik umo˙zliwia łatwe i szybkie wykonanie wykresów
z wykorzystaniem np. programu Matlab.
Oprócz automatycznego zdejmowania charakterystyk mo˙zliwa jest r˛eczna zmiana wybra-
nych parametrów sterowania dla okre´slonego trybu komutacji. Zastosowanie wy´swietlacza
LCD pozwala na bezpo´sredni ˛
a obserwacj˛e pomiarów pr ˛
adu silnika, napi˛ecia pr ˛
adnicy, czy te˙z
pr˛edko´sci obrotowej silnika. Zespół diod sygnalizacyjnych pozwala prze´sledzi´c sposób ge-
nerowania sygnałów komutacji w zale˙zno´sci od sygnałów sprze˙zenia zwrotnego od poło˙zenia
wirnika wzgl˛edem czujników Hall’a.
W ramach pracy przeprowadzono kilka pomiarów charakterystyk prezentuj ˛
acych cz˛e´s´c mo˙z-
liwo´sci stanowiska. Zał ˛
aczono równie˙z instrukcj˛e obsługi, która krok po kroku prowadzi u˙zyt-
kownika przez wszystkie czynno´sci niezb˛edne do wła´sciwego przeprowadzenia pomiaru wy-
branych charakterystyk.
W ramach propozycji kontynuacji prac nale˙zy wymieni´c zaimplementowanie ostatniego
trybu sterowania silnikiem, w którym sygnały komutacji generowane s ˛
a na podstawie pomiaru
SEM indukowanych w nieobci ˛
a˙zonych uzwojeniach silnika. Mo˙ze si˛e to jednak wi ˛
aza´c z ko-
nieczno´sci ˛
a u˙zycia innego silnika BLDC, ni˙z ten który został wykorzystany w pracy. Konstruk-
60
cja tego silnika zapewnia prawidłow ˛
a komutacj˛e z wykorzystanie czujników Hall’a i kodera,
jednak nie zmierzono charakterystyk przebiegów SEM, które gwarantowały by mo˙zliwo´s´c za-
stosowania bezczujnikowej techniki komutacji.
61
Dodatek A
Instrukcja obsługi stanowiska
Poni˙zej zaprezentowano przykładow ˛
a procedur˛e post˛epowania przy pomiarze wybranej cha-
rakterystyki silnika z wykorzystaniem stanowiska. Do pomiaru charakterystyki niezb˛edny jest
dost˛ep do komputera PC, który umo˙zliwi prezentacj˛e wyników pomiaru w odpowiedniej for-
mie. Załó˙zmy, ˙ze chcemy zmierzy´c charakterystyk˛e silnika dla trybu komutacji z czujnikami
Hall’a przy wykorzystaniu regulatora pr˛edko´sci PD. W tym celu nale˙zy przeprowadzi´c nast˛e-
puj ˛
ace czynno´sci:
1. W menu głównym wybieramy pozycj˛e Charakterystyki (prawy przycisk)
2. W podmenu Charakterystyki znajdujemy pole Parametr K
p
(przycisk ´srodkowy) i usta-
wiamy warto´s´c wzmocnienia cz˛e´sci proporcionalnej regulatora (przycisk prawy lub lewy).
3. Podobnie dla cz˛e´sci ró˙zniczkuj ˛
acej K
d
regulatora (Parametr K
d
).
4. Na pozycji Set speed ustawiamy po˙z ˛
adan ˛
a warto´s´c pr˛edko´sci.
5. W kolejnym kroku zaleca si˛e dobór obci ˛
a˙zenia silnika. Dokonujemy tego za pomoc ˛
a mikro-
przeł ˛
aczników umieszczonych na płycie czołowej stanowiska (rysunek 50), b ˛
ad´z hamulca
mechanicznego zamocowanego na wysi˛egniku obok pr ˛
adnicy (rysunek 31).
6. Nast˛epnie przechodzimy do podmenu Nr Charakterystyki i wybieramy numer charaktery-
styki odpowiadaj ˛
acy naszym wymaganiom.
7. Po wykonaniu powy˙zszych czynno´sci mo˙zna zainicjowa´c pomiar naciskaj ˛
ac najpierw przy-
cisk ´srodkowy i trzymaj ˛
ac go jednocze´snie wcisn ˛
a´c przycisk lewy.
62
8. Przed wysłaniem wyników pomiaru do komputera PC nale˙zy uruchomi´c i skonfigurowa´c
program Hyperterminal, czyli:
– ustawi´c wła´sciwy numeru portu
– pr˛edko´s´c transmisji (9600bodów)
– wybra´c katalog do odbioru plików
9. Po wykonaniu ustawie´n mo˙zna przeprowadzi´c transmisj˛e danych do komputera.
10. Ostatnim etapem jest wizualizacja wyników pomiarów. Do tego celu zaleca si˛e wykorzy-
stanie programów Matlab albo Gnuplot, które w wygodny sposób pozwalaj ˛
a na prezen-
tacj˛e i analiz˛e uzyskanych wyników pomiaru.
63
Dodatek B
Rysunek 67: Schemat ideowy stopnia mocy z logik ˛
a steruj ˛
ac ˛
a
64
Literatura
[1] Dziadecki.A., Szklarsk.L., Strycharz.J., Jaracz.K.: Automatyka nap˛edu elektrycznego.
Kraków, WAGH 1996
[2] Dyson.A., Bannoura.M.: TPU Microcoding for Beginners. Austin, ATM 1999
[3] Czy˙z.W.: Rodzina M680xx. Gda´nsk, ARTEX 1994
[4] Greblicki.W.:Teoretyczne podstawy automatyki. Wrocław, Oficyna Wydawnicza Politech-
niki Wrocławskiej 2001
[5] Hanselman.H.: Brushless Permanent Magnet Motor Design.
[6] Wnuk.M.: Moduł z procesorem MC68332.
[7] 3-phase BLDC Motor Control with Sensorless Back-EMF ADC Zero Crossing Detection
using 56F80x
. @Freescale Semiconductor, Inc.
[8] 3-Phase BLDC Motor Control with Quadrature Encoder using 56F800/E. @Freescale
Semiconductor, Inc.
[9] AS5040 10 bit 360 Programmable Magnetic Rotary Encoder - Data Sheet. Austriamicro-
system.
[10] Brushless DC Motor Controla Made Easy. Microchip Technology Inc. - AN857.
[11] Brushless DC Motor Fundamentals. Microchip Technology Inc. - AN885.
[12] Brushless DC Motor Simulink Simulator - Usage Manual. Department of Electronics and
Communication Engineering, National Institute of Technology Karnataka.
[13] Discrete Input/Output TPU Function (DIO). @Motorola Inc - TPUPN18/D.
[14] Fast Quadrature Decode TPU Function (FQD). @Motorola Inc - TPUPN02/D.
[15] Frequency Measurement TPU Function (FQM). @Motorola Inc - TPUPN03/D.
[16] Hall Effect Decode TPU Function (HALLD). @Motorola Inc. - TPUPN10/D.
[17] MAX1270 - Data Sheet
[18] Motor Control Sensor Feedback Circuits. Microchip Technology Inc. - AN894.
[19] Multiphase Motor Commutation TPU Function (COMM). @Motorola Inc - TPUPN09/D.
[20] Time Processor Unit - Reference Manual. @Motorola Inc.
[21] Queued Serial Module - Reference Manual. @Motorola Inc.
65
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
konspekt(Badanie własności mechanicznych), Elektrotechnika, dc pobierane, pnom wimir, PNOM, Materiał
Badanie własności mechanicznych, Elektrotechnika, dc pobierane, pnom wimir, PNOM, Materiałki, Materi
Badanie własności elektrycznych słabych elektrolitów, Pomiar zale˙no˙ci przewodno˙ci w˙a˙ciwej rozci
Badanie Własności Materiałów Magnetycznych, Elektrotechnika AGH, Semestr III zimowy 2013-2014, semes
ćw.24.Badanie układu napędowego ze sprzęgłem indukcyjnym, Elektrotechnika - notatki, sprawozdania, N
Badanie własności wzmacniaczy w układzie OE, Inżynierskie, Semestr I, Elektrotechnika i elektronika
Badanie własności dynamicznych regulatorów elektronicznych v2, Lublin1996.03.26
Napęd elektryczny badanie układu napędowego z przetwornicą częstotliwości zeszyt obliczeń
Badanie elementów elektrycznych i elektronicznych stosowanych w instalacjach pojazdów samochodowych
Badanie własności dynamicznych regulatorów elektronicznych 3
Badanie zabezpieczeń maszyn elektrycznych
ćw.7.Badanie wyłącznika APU, Elektrotechnika - notatki, sprawozdania, Urządzenia elektryczne, sprawo
Badanie ogniwa paliwowego i elektrolizera typu PEM
Elementy elektroniczne stosowane w UTK
Badanie układu napędowego z silnikiem bezszczotkowym z magnesami trwałymi
więcej podobnych podstron