ei 06 2003 s26 28

background image

26

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 –

R

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:

n

przetworniki analogowo – cyfro-
we,

n

generator sygna³ów PWM,

n

generator czasu martwego,

n

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).

background image

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 wyjϾ 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:

n

przy wykorzystaniu czujnika
prêdkoœci,

n

bez czujnika prêdkoœci (ang.
Sensorless Speed).

27

6/2003

www.elektro.info.pl

Tabela 1 Zestawienie parametrów sterowników DSP

background image

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.

q

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.

28

www.elektro.info.pl

6/2003

Rys. 3 Praca uk³adu bez czujnika prêdkoœci.

Skokowa zmiana momentu obci¹¿enia od 0 do M

N

(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)


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
ei 08 2002 s26 28
ei 06 2003 s05 10
ei 06 2003 s86
ei 06 2003 s75 77
ei 08 2002 s26 28
ei 06 2003 s81 83
ei 06 2003 s48
ei 06 2003 s57 59
ei 06 2003 s12 13
ei 06 2003 s29
ei 06 2003 s32 36
ei 06 2003 s62 65
ei 06 2003 s85
ei 06 2003 s71 72
ei 06 2003 s54 56
ei 06 2003 s46 47
ei 06 2003 s44 45
ei 06 2003 s03
ei 06 2003 s04

więcej podobnych podstron