uniwersal_naped.qxd

uniwersalne napêdy

falownikowe

ze sterowaniem

mikroprocesorowym

nowej generacji

Modulation – PWM). Do upowsze-
chnienia siê tych napêdów przy-
czyni³ siê rozwój techniki pó³-
przewodnikowej elementów mocy,
gdzie obecnie powszechnie stosu-
je siê tranzystory IGBT. Producen-
ci wyspecjalizowali siê w budowie
ca³ych ga³êzi mostka zawieraj¹-
cych dwa tranzystory i diody
zwrotne, co znacznie upraszcza
konstrukcjê falownika. Do mniej-
szych mocy stosowne s¹ gotowe
modu³y zawieraj¹ce ca³y mostek
trójfazowy, które integruj¹ w sobie
równie¿ uk³ady zabezpieczeñ –

ozwój metod sterowania
i postêp w budowie prze-
mienników czêstotliwoœci

sprawi³y, ¿e silniki indukcyjne
wypieraj¹ z rynku dro¿sze i bar-
dziej awaryjne silniki pr¹du sta³e-
go, które jeszcze do niedawna do-
minowa³y w uk³adach napêdo-
wych o regulowanej prêdkoœci.
Jako zasilanie dla silników pr¹du
przemiennego najbardziej rozpow-
szechnione s¹, a obecnie prawie
zdominowa³y rynek, falowniki na-
piêcia z modulacj¹ szerokoœci
impulsów – MSI (ang. Pulse With

s¹ to tzw. modu³y inteligentne
(ang. Intelligent Power Module –
IPM). Równoczeœnie nast¹pi³
rozwój w technice mikroproceso-
rowej, dziêki czemu mo¿liwa sta-
³a siê implementacja skompliko-
wanych algorytmów sterowania
w specjalizowanych sterownikach
procesorowych.

cyfrowe uk³ady

sterowania

Pocz¹tkowo do sterownia uk³a-

dów napêdowych wykorzystywane
by³y standardowe mikroprocesory,
które wymaga³y dobudowania oto-
czenia w postaci przetworników
analogowo – cyfrowych, uk³adów
modyfikacji sygna³ów steruj¹cych
poprzez generowanie czasu mar-
twego (ang. Dead Time) dla zabez-
pieczenia ga³êzi falownika przed
zwarciem, itp. Obecnie producenci
sterowników rozszerzaj¹ swoj¹
ofertê o sterowniki specjalizowane
do zastosowañ napêdowych. Zna-
laz³y tu zastosowanie procesory
sygna³owe (ang. Digital Signal Pro-
cessor – DSP). Przyk³adem mog¹
byæ firmy Analog Device i Texas In-
struments. Specjalizacja takich uk-

³adów polega na wyposa¿eniu ste-
rownika w takie elementy jak:

przetworniki analogowo – cyfro-
we,

generator sygna³ów PWM,

generator czasu martwego,

wejœcie czujnika impulsowo –
obrotowego.

Rozwój tego typu uk³adów zmie-

rza w kierunku wzmocnienia mocy
obliczeniowej oraz zintegrowania
w nich jeszcze dodatkowych funkcji.
W wiêkszoœci s¹ to uk³ady 16-
bitowe, jednak ostatnio firma Texas
Instruments wprowadzi³a 32-bitowe
uk³ady serii TMS320F28xx. Dziêki
temu i dziêki du¿ej prêdkoœci (do
150 MHz), istnieje mo¿liwoœæ im-
plementacji bardziej skomplikowa-
nych algorytmów oraz efektywnego
wykorzystania do programowania ta-
kiego procesora jêzyka wysokiego
poziomu, w tym przypadku jêzyka
C. Tabela 1 przestawia porównanie
przyk³adowych procesorów dedyko-
wanych do zastosowañ napêdo-
wych.

Równoczeœnie ze specjalizowa-

nymi sterownikami DSP dynamicz-
nie rozwijaj¹ siê uk³ady scalone,
tzw. uk³ady programowalne (ang.
Field Programmable Gate Array –
FPGA). Pocz¹tkowo systemy FPGA

M. ¯elechowski,

D. Œwierczynski,

prof. dr hab. in¿.

M. P. KaŸmierkowski,

Politechnika Warszawska

J. Za³êski

Zak³ad Energoelektroniki „Twerd”

www.elektro.info.pl

6/2003

Silniki pr¹du przemiennego s¹

obecnie powszechnie stosowane

w regulowanych napêdach

przemys³owych. W wiêkszoœci

przypadków s¹ to silniki indukcyjne,

chocia¿ w specjalizowanych

napêdach coraz czêœciej

wykorzystuje siê silniki

synchroniczne o magnesach

trwa³ych (ang. Permanent

Magnet Synchronous Motor– PMSM).

u¿ywano do zast¹pienia podstawo-
wych uk³adów logicznych w pro-
stych zastosowaniach, gdzie projek-
towanie wspomagano komputerowo
(ang. Computer Aid Design – CAD).
Jednak¿e wraz z rozwojem zaró-
wno technologii wysokiej skali inte-
gracji (ang. Very Large Scale Integra-
tion – VLSI), jak te¿ oprogramowa-
nia (ang. Very high speed integrated
circuit Hardware Description Lan-
guage – VHDL), systemy FPGA sto-
sowane s¹ do realizacji bardzo z³o-
¿onych funkcji. Aktualnie w jednym
uk³adzie scalonym realizowane s¹
pe³ne uk³ady cyfrowe zawieraj¹ce
np. jednostkê arytmetyczno-
logiczn¹ (ang. Arithmetic Logic Unit
– ALU) pamiêci, systemy sprzêga-
j¹ce i komunikacyjne. W technice
napêdowej równie¿ uk³ady FPGA
zyskuj¹ na znaczeniu, bowiem cha-
rakteryzuj¹ siê du¿ym stopniem
swobody projektowania. Czêsto sto-
sowane jest takie ³¹czenie FPGA
z DSP, które pozwala na optymali-
zacjê struktury [3].

struktury

sterowania

W nowoczesnych przemienni-

kach czêstotliwoœci wykorzystywa-
ne s¹ wektorowe metody sterowa-
nia [2], które w porównaniu z me-
todami skalarnymi daj¹ du¿o lep-
sze w³aœciwoœci dynamiczne na-
pêdu. Sterowanie wektorowe zape-
wnia kontrolê nie tylko nad ampli-
tud¹ i czêstotliwoœci¹ napiêcia,
jakim zasilany jest silnik, ale rów-
nie¿ nad wzajemnym po³o¿eniem
wektorów napiêæ pr¹dów i stru-
mieni w silniku. St¹d te¿ metody
te bior¹ swoj¹ nazwê – wektoro-
we. Istnieje kilka typów metod ste-
rowania wektorowego, z których
najbardziej rozpowszechnione s¹
sterowanie polowo zorientowane
(ang. Field Oriented Control – FOC)
oraz bezpoœrednie sterowanie mo-
mentem (ang. Direct Torque Con-
trol – DTC). Metoda polowo zorien-
towana FOC bazuje na analizie ró-
wnañ silnika indukcyjnego w uk-
³adzie wspó³rzêdnych wiruj¹cym

ze strumieniem wirnika. W ten
sposób uzyskuje siê analogiê do
silnika pr¹du sta³ego. Sterowanie
odbywa siê przez regulacjê dwóch
pr¹dów, z których jeden odpowia-
da za strumieñ w silniku, nato-
miast drugi za moment elektromag-
netyczny. Regulatory pr¹du pracu-
j¹ w wiruj¹cym uk³adzie wspó³-
rzêdnych i dlatego konieczne jest
stosowanie transformacji pr¹dów
mierzonych, jak te¿ wartoœci steru-
j¹cych. Transformacje, o których
mowa i strojenie regulatorów pr¹-
du czyni¹ tê metodê sterowania
skomplikowan¹ i trudn¹ w imple-
mentacji.

Z zupe³nie innego podejœcia

do uk³adu napêdowego wywodzi
siê druga metoda – bezpoœrednie-
go sterowania momentem. U pod-
staw tej metody le¿y analiza zja-
wisk fizycznych zachodz¹cych
w uk³adzie napêdowym sk³ada-
j¹cym siê z silnika indukcyjnego
i falownika napiêcia. Falownik jest
tu rozpatrywany jako Ÿród³o na-
piêcia, które mo¿e generowaæ
osiem wektorów napiêcia: szeœæ
aktywnych i dwa wektory zerowe.
Poprzez analizê zachowania siê
strumienia i momentu w silniku
podczas za³¹czania odpowiednich
wektorów zaproponowano metodê
wykorzystuj¹c¹ dwa regulatory hi-
sterezowe i tablicê ³¹czeñ. Na
podstawie dyskretnych wyjœæ regu-

latorów histerezowych z tablicy
wybierany jest odpowiedni wektor
napiêcia i podawany na silnik. Me-
toda ta cieszy siê wœród badaczy
szerokim zainteresowaniem ze
wzglêdu na swoje zalety, takie jak:
bardzo dobra dynamika i prosta
struktura sterowania. Jednak meto-
da ta ma równie¿ istotne wady, ta-
kie jak: zmienna czêstotliwoœæ ³¹-
czeñ falownika i wymagana wyso-
ka czêstotliwoœæ próbkowania.
Zmienna czêstotliwoœæ ³¹czeñ po-
woduje, ¿e uk³ady napêdowe emi-
tuj¹ wy¿szy poziom ha³asu i du-
¿o trudniejsze jest projektowanie
filtrów zapewniaj¹cych kompatybil-
noœæ elektromagnetyczn¹ (ang.
Electromagnetic Interferences-
EMI) do takich urz¹dzeñ. Ponadto
przy realizacji cyfrowej sterowania
uzyskanie dostatecznie wysokiej
czêstotliwoœci próbkowania dla za-
pewnienia poprawnej pracy regula-
torów histerezowych stwarza konie-
cznoœæ stosowania procesorów
o du¿ej mocy obliczeniowej.

Dlatego te¿ dalsze prace ba-

dawcze maj¹ na celu znalezienia
metody, która równoczeœnie za-
chowa zalety klasycznej metody
DTC, jak te¿ bêdzie pozbawiona
jaj wad. Jednym ze sposobów
osi¹gniêcia takiego efektu jest za-
stosowanie zamiast tabeli ³¹czeñ
modulatora wektorowego. Zastoso-
wanie modulatora zapewnia pracê

uk³adu ze sta³¹ czêstotliwoœci¹
³¹czeñ. Powsta³y w ten sposób
ró¿ne metody bezpoœredniego ste-
rowania momentem i strumieniem
pracuj¹ce ze sta³¹ czêstotliwo-
œci¹ ³¹czeñ (ang. Direct Torque
Control – Space Vector Modulated
DTC-SVM). Zaproponowano wiele
metod tego typu i s¹ to np. meto-
dy wykorzystuj¹ce sieci neuronowe
[1] lub te¿ regulatory predykcyjne
[4, 5].

zastosowanie ste-

rowania

DTC-SVM

Metoda typu DTC-SVM zosta-

³a wykorzystana we wprowadza-
nych do produkcji nowych falowni-
kach firmy „Twerd” z Torunia (rys.
1). Strukturê sterowania, jaka zo-
sta³a zrealizowana, przedstawia
rys. 2.

Jak widaæ z rys. 2, struktura

sterowania jest uniwersalna. Uk³ad
mo¿e pracowaæ: w pêtli otwartej
ze sterowaniem skalarnym typu
U/f=const. lub te¿ w dwóch try-
bach ze sterowaniem wektorowym
DTC-SVM w dwóch trybach pracy:

przy wykorzystaniu czujnika
prêdkoœci,

bez czujnika prêdkoœci (ang.
Sensorless Speed).

6/2003

www.elektro.info.pl

Tabela 1 Zestawienie parametrów sterowników DSP

Dlatego te¿ przemienniki te mo-

g¹ byæ stosowane zarówno
w standardowych napêdach, gdzie
z powodzeniem wystarczy stoso-
wanie sterowania skalarnego, jak
te¿ w trudnych i wymagaj¹cych
uk³adach, gdzie znajduje zastoso-
wanie sterowanie wektorowe. Przy-
k³adowe oscylogramy prezentowa-
nego uk³adu napêdowego ilustruj¹
rysunki 3 i 4, które przedstawiaj¹
prace uk³adu w najbardziej zaa-
wansowanym trybie bez czujnika
prêdkoœci. Na rys. 3 widzimy sko-
kow¹ zmianê obci¹¿enia silnika
z wartoœci zerowej do wartoœci no-
minalnej, a przedstawione prze-
biegi pr¹du i prêdkoœci mechani-
cznej silnika œwiadcz¹ o dobrej dy-
namice uk³adu. Rysunek 4 przed-
stawia zachowanie siê uk³adu
przy zmianie sygna³u zadanej

prêdkoœci. Widaæ, ¿e uk³ad pomi-
mo braku czujnika dok³adnie œle-
dzi wartoœæ zadan¹.

Uk³ad sterowania prezentowa-

nych falowników zosta³ zbudowa-
ny w oparciu o procesor
TMS320LF2406 firmy Texas In-
struments. Procesor ten zosta³
wybrany ze wzglêdu na jego korzy-
stne parametry takie jak szyb-
koœæ, iloœæ pamiêci oraz wbudo-
wane otoczenie, które specjalizuje
go do zastosowañ napêdowych.

wnioski

Zastosowanie nowoczesnych

procesorów sygna³owych pozwala
na realizacjê uniwersalnych algo-
rytmów sterowania, które mog¹
byæ wykorzystywane zarówno

w uk³adach otwartych, jak i za-
mkniêtych sterowania prêdko-
œci¹. Przedstawiona struktura
bezpoœredniego sterowania falo-
wników firmy „Twerd” mo¿e byæ
stosowana nie tylko w standarto-
wych napêdach, ale równie¿
w trudnych i wyspecjalizowanych
uk³adach, gdzie wymagana jest
praca w niskich prêdkoœciach bez
czujnika prêdkoœci.

literatura

1. P. Z. Grabowski, M. P. KaŸmierkowski,

B. K. Bose, and F. Blaabjerg, A Simple
Direct-Torque Neuro-Fuzzy Control of
PWM-Inverter-Fed Induction Motor
Drive, IEEE Trans. on Industrial Electro-
nics, 47, no. 4, pp. 863-870, 2000.

2. M. P. KaŸmierkowski, R. Krishnan,

F. Blaabjerg, Control in Power
Electronics, Academic Press, 2002.

3. E. Monmasson, Y. A Chapuis, New Te-

chnology Contributions of FPGA to the
Control of Electrical System, a Re-
view, in IEEE Industrial Electronics So-
ciety Newsletter.

4. D. Œwierczyñski, M. ¯elechowski, Studia

symulacyjne nad uniwersaln¹ struktu-
r¹ bezpoœredniego sterowania mo-
mentem i strumieniem dla silników
synchronicznych o magnesach trwa-
³ych oraz silników asynchronicznych,
Modelowania i Symulacja MiS 2002,
Zakopane.

5. D. Œwierczyñski, M. ¯elechowski, Uni-

wersalna struktur¹ bezpoœredniego
sterowania momentem i strumieniem
dla silników synchronicznych o mag-
nesach trwa³ych oraz silników asyn-
chronicznych, Mikromaszyny i Ser-
wonapêdy MiS 2002, Krasiczyn.

www.elektro.info.pl

6/2003

Rys. 3 Praca uk³adu bez czujnika prêdkoœci.

Skokowa zmiana momentu obci¹¿enia od 0 do M

(speed=500 rpm).
Od góry: prêdkoœæ zadana (360 rpm/div), mechani-
czna (360 rpm/div), pr¹d fazowy (7,5 A/div)

Rys. 1 Seria falowników firmy „Twerd” 3-18 kVA

Rys. 2 Struktura sterownia DTC-SVM

Rys. 4 Praca uk³adu bez czujnika prêdkoœci.

Zmiany prêdkoœci mechanicznej.
Od góry: prêdkoœæ zadana (900 rpm/div),
prêdkoœæ mechaniczna (900 rpm/div),
pr¹d fazowy (7,5 A/div)