Цифровое бессенсорное управление высокооборотными SR-двигателями

№ 8’2009
PDF версия
Для повышения эффективности работы различных устройств в последнее время активно развиваются прогрессивные типы электроприводов с регулируемыми скоростями вращения. Один из типов двигателей, применяющийся в таких электроприводах и дающий определенные выгоды при использовании цифрового управления, это вентильный индукторный реактивный двигатель (Switched Reluctance, SR).

Двигатель такого типа имеет преимущества как по цене, так и по надежности по сравнению с приводами с ре-емой скоростью других типов. Этот выигрыш, кроме всего прочего, объясняется более простым механическим устройством, высоким КПД и большей плотностью мощности. Недостатком SR-двигателей можно считать значительные пульсации вращающего момента, объясняемые особенностями конструкции, что ограничивает применение двигателей такого типа.

Важной положительной чертой SR-двигателей является значительная скорость работы (более 50 000 об/мин). Эта особенность позволяет снизить размеры двигателя без потери мощности, что в результате уменьшает размеры и вес проектируемого устройства. Типичный пример такого приложения — пылесос. Высокоскоростной SR-двигатель сделает пылесос меньше и легче. Дополнительный шум, вызываемый пульсациями вращающего момента, сравним с шумом от двигателей других типов.

SR-двигатель представляет собой вращающуюся электрическую машину, ротор и статор которой имеют выступающие полюса. Обмотка статора состоит из набора катушек, каждая из которых охватывает один полюс сердечника. Ротор набран из листов для минимизации потерь от вихревых токов. Разновидности SR-двигателей отличаются количеством фаз статора. Каждая характеризуется определенной комбинацией полюсов ротора и статора. На рис. 1 приведена конструкция 2-фазного SR-двигателя с конфигурацией полюсов 4/2 (статор/ ротор) и ступенчатым зазором. Ступенчатый зазор призван исключить мертвые зоны, в которых вращающий момент симметричного SR-двигателя будет равен нулю, и, таким образом, обеспечить уверенный запуск двигателя в нужном направлении.

Двухфазный 4/2 SR-двигатель

Рис. 1. Двухфазный 4/2 SR-двигатель:
а) выровненное положение ротора;
б) невыровненное положение ротора

Двигатель возбуждается серией импульсов тока в каждой из фаз. Каждая из них возбуждается последовательно, вызывая вращение двигателя. Импульсы тока должны быть приложены к соответствующей фазе в соответствии с определенным положением ротора относительно возбуждаемой фазы. Когда некоторая пара полюсов ротора находится точно «в линию» с определенной парой полюсов статора, говорится, что ротор «в выровненном положении», то есть в таком положении, в котором индуктивность обмотки статора максимальна (рис. 1). Если ось пары полюсов ротора совпадает с междуполюсной осью статора, говорится, что ротор «в невыровненном положении», то есть его положение обеспечивает минимальную индуктивность обмотки статора.

График временной зависимости индуктивности статора вращающегося SR-двигателя имеет треугольную форму, с максимальным значением индуктивности в выровненном положении ротора и с минимальным — в невыровненном. На рис. 2 представлена идеализированная треугольная зависимость индуктивности для обеих фаз двигателя. Фазы А и В сдвинуты на 180°. Угловой промежуток, в котором на фазу подано напряжение, называется углом включенного состояния (θВСdwell). Он ограничивается углом включения (θonвкл) и углом выключения (θoffвыкл).

При подаче напряжения на одну из фаз статора двигатель создает момент в направлении увеличения индуктивности обмотки. Если фаза включена в положении минимальной индуктивности, ротор поворачивается до тех пор, пока не встанет в положение, в котором индуктивность максимальна. Движение определяется характеристиками намагниченности двигателя. Типичная зависимость тока через одну из фазовых обмоток при постоянном напряжении показана на рис. 2.

Идеализированная картина индуктивности и токов фаз

Рис. 2. Идеализированная картина индуктивности и токов фаз

При постоянном напряжении на фазовой обмотке ток через нее достигает своего максимума в таком положении ротора, в котором индуктивность начинает расти. Этот момент соответствует взаимному расположению полюсов ротора и статора, при котором они начинают перекрываться. При выключении фазы ток через нее падает до нуля. Если ток через фазу существует в момент времени, когда индуктивность уменьшается, то, очевидно, возникает отрицательный момент силы. Таким образом, развиваемое двигателем усилие определяется приложенным к фазам напряжением и соответствующим выбором углов включения и выключения.

Для правильной коммутации фаз SR-двигатели требуют обратной связи по положению ротора. В общем случае такое требование выполняется различными датчиками положения, такими как энкодеры, датчики Холла и т. д. Однако введение механических датчиков ведет к удорожанию системы и снижению ее надежности. Обычно разработчики систем управления пытаются снизить стоимость изделия путем уменьшения количества датчиков. Для решения этой задачи был разработан ряд бессенсорных алгоритмов управления, большинство их которых основано на оценке потокосцепления. Общий смысл методов состоит в расчете реального потокосцепления для фазы и использовании отношения реального потокосцепления к некоторому справочному значению для оценки положения ротора. Основной недостаток всех этих методов состоит в том, что оценка пото-косцепления основывается на точном знании сопротивления обмоток каждой фазы. Однако сопротивление обмоток изменяется в зависимости от температуры, что приводит к нежелательным интегральным ошибкам, особенно на малых скоростях. Интегральные ошибки создают значительные ошибки в оценке положения ротора.

Другой метод бессенсорной оценки положения ротора основан на определении пика тока обмотки соответствующей фазы. Принцип этого метода может быть понятен при анализе рис. 2. Фазовую обмотку начинают возбуждать в момент, соответствующий определенной амплитуде тока. Ток фазы растет до момента начала перекрытия полюсов статора и ротора. В начале перекрытия ток фазы достигает максимума. Таким образом, в момент пикового тока мы точно знаем положение ротора. Обнаружив пик тока, можно точно засечь время его прохождения. Имея моменты времени прохождения двух последовательных пиков, можно точно рассчитать коммутационный период и моменты включения и выключения обмоток. Детектирование пиков тока может быть выполнено некоторой внешней схемой или, при наличии мощного сигнального контроллера, вычислено напрямую.

Преимуществом метода определения положения ротора по пикам тока является его независимость от параметров двигателя. Все, что нужно: это знать точное положение ротора в момент пика тока. Другое преимущество «пикового» метода — простота алгоритма по сравнению с методом оценки потокосцеп-ления. «Пиковый» способ может быть использован на больших скоростях, тогда как для метода, основанного на потокосцеплении, снижение количества выборок значения тока при увеличении скорости ведет к снижению точности. В силу самого принципа, «пиковый» способ может быть использован только в системах управления обмотками при помощи напряжения, так как при токовом управлении обмотками информация о пиках тока пропадает.

Несмотря на простоту бессенсорных методов управления, при полностью цифровой реализации без использования внешних компонентов все же требуются довольно мощные микроконтроллеры (МК). Такие микроконтроллеры должны производить высокочастотную оцифровку значений тока и вычисление пиковых значений тока. Например, для 2-фазного SR-двигателя на скорости 60 000 об/мин время коммутации составляет всего 250 мкс. Для достижения соответствующей точности определения пиковых значений тока необходимо проводить выборку значений тока, по крайней мере, каждые 5 мкс.

Хорошим выбором для подобных приложений является цифровой сигнальный контроллер (DSC) MC56F8006. Эта модель относится к семейству контроллеров, основанных на ядре 56800E, сочетающих в одном корпусе вычислительную мощность цифровых сигнальных процессоров (DSP) и функциональность микроконтроллеров, обладающих гибким набором периферийных функций, что позволяет создавать чрезвычайно низкозатратные решения. Такие гибридные контроллеры предлагают пользователю большое число сложных периферийных устройств, таких как модуль ШИМ, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), таймеры, коммуникационную периферию (шины SCI, SPI, I2C) и внутреннюю Flash- и RAM-память.

На рис. 3 продемонстрирована цифровая реализация алгоритма детектирования токовых пиков на примере системы бессенсорного управления SR-двигателем пылесоса. Система соответствует следующей спецификации:

  • Бессенсорное управление 2-фазным SR-двигателем на основе детектирования токовых пиков.
  • Прямое измерение тока при помощи интегрированного АЦП.
  • Программное вычисление токового пика.
  • Разработан для работы в приводе пылесоса.
  • Протестирован с 2-фазным SR-двигате-лем, рассчитанным на частоту вращения 60 000 об/мин.
  • Вращение только в одном направлении по причине ассиметричной конструкции 2-фазного SR-двигателя. Контроль скорости вращения.
  • Запуск из любой позиции с использованием выравнивания ротора и запатентованного алгоритма (патент № US6448736 B1).
  • Время запуска и максимальная скорость зависят от параметров двигателя.

На рис. 3 приведена блок-схема системы управления, включающая 2-фазную высоковольтную часть, 2-фазный SR-двигатель и плату контроллера MC56F8006, реализующую алгоритм управления. В ответ на действия пользователя и сигнал обратной связи система управления генерирует ШИМ-сиг-нал для высоковольтной части, напряжение, сгенерированное DC/AC-преобразователем, прикладывается к SR-двигателю.

Блок-схема системы управления, включающая 2-фазную высоковольтную часть, 2-фазный SR-двигатель и плату контроллера MC56F8006

Рис. 3. Блок-схема системы

Состояние системы в целом контролируется цифровым автоматом, выполненным в цепи обратной связи. Набор состояний автомата состоит из инициализации, остановки, выравнивания ротора, запуска, работы двигателя и ошибки.

Состояние интерфейса пользователя периодически сканируется вместе с напряжением шины постоянного тока и током возбуждаемой фазы. Двигатель запускается по команде от переключателя старт/стоп. В первую очередь ротор выравнивается в известное положение. После того как ротор стабилизирован, алгоритм запуска возбуждает фазы, заставляя двигатель вращаться. При разгоне положение ротора вычисляется специальным алгоритмом, но как только двигатель достигает постоянной скорости, положение ротора начинает вычисляться по пикам тока фазы. После окончания цикла запуска обороты двигателя поднимаются до максимума.

Напряжение на шине постоянного тока и ток фазы оцифровываются с помощью аналого-цифрового преобразователя. Ток фазы определяется как падение напряжения на шунтирующем резисторе. Шунтирующие резисторы включаются последовательно с эмиттерами нижних IGBT-транзисторов. В случае, когда импульс ШИМ слишком короток, ток измеряется при прохождении через нижний транзистор моста и антипараллельный диод моста. В других случаях ток измеряется только тогда, когда и нижний, и верхний транзисторы моста открыты. Таким образом, измерение тока должно быть синхронизировано с импульсами ШИМ. Этого можно добиться синхронизацией модулей ШИМ и АЦП на контроллере MC56F8006. Синхронизация выполняется нулевым каналом двойного таймера, соединенным с входом синхронизации АЦП, вход этого канала соединяется с сигналом перезапуска модуля ШИМ. Это позволяет контролировать задержку между перезапуском модуля ШИМ и запуском аналого-цифрового преобразования.

Для достижения надлежащего временного разрешения пиков тока значения тока счи-тываются несколько раз за период ШИМ. Реализация такого подхода показана на рис. 4. Количество выборок АЦП, производимое за период ШИМ, рассчитывается в начале каждого цикла ШИМ, в соответствии с действительной скважностью ШИМ.

Оцифровка тока фазы

Рис. 4. Оцифровка тока фазы

Первая аналого-цифровая выборка берется через 2 мкс после перезапуска ШИМ. После окончания времени задержки стартует аналого-цифровое преобразование и вызывается быстрое прерывание (ISR двойного таймера, канал 0). Пока выполняется преобразование, таймер вновь устанавливается для задержки 4,4 мкс, когда производится очередная выборка тока. Первая задержка 2 мкс необходима в силу наличия задержки включения транзистора, вызываемой драйвером и самим транзистором. Задержка между выборками составляет 4,4 мкс. Так как на максимальной скорости заполнение ШИМ составляет 100%, ток измеряется постоянно каждые 4,4 мкс. Этот метод позволяет определять пики с точностью, лучшей 2%. Выборки тока начинаются вместе с началом коммутации фазы и останавливаются при нахождении пика. Вместе со значением тока засекается момент пика, используемый для дальнейшего расчета моментов коммутации. Временные расчеты проводятся на основе использования первого канала двойного таймера, который используется в режиме постоянного счета.

Напряжение на шине постоянного тока измеряется одновременно с током фазы, так как контроллер 56F8006 способен проводить две выборки одновременно. Значение напряжения на шине постоянного тока необходимо для компенсации пульсаций при использовании небольших сглаживающих конденсаторов.

Значения тока применяются для работы алгоритма, вычисляющего положение токовых пиков. Сразу же по обнаружению из значений моментов прихода последнего и предыдущих пиков вычисляется действующее значение коммутационного периода и моменты включения/ выключения. Рассчитанные моменты включения/выключения загружаются в регистры сравнения первого канала таймера. События совпадения определяют коммутацию фазы.

В случае перегрузки по току сигналы управления инвертором запрещаются, и отображается состояние ошибки.

Бессенсорный алгоритм не позволяет определять положение ротора при нулевой скорости. Таким образом, чтобы запустить двигатель, необходимо разрешить две проблемы:

  • Первоначальное положение ротора неизвестно.
  • Моменты коммутации вычисляются из действующего в данный момент значения периода, которое на старте равно нулю.

Первая проблемалегко разрешима при помощи выравнивания ротора. При выравнивании одна из фаз на некоторое время возбуждается, и ротор поворачивается в выровненное положение. Время выравнивания зависит от инерции двигателя и может достигать нескольких секунд для больших двигателей. После того как ротор выровнен, двигатель готов к запуску. Ротор начинает вращение при возбуждении следующей фазы. Ассиметричная конструкция двигателя обеспечивает нужное направление вращения. В момент начала движения скорость ротора неизвестна, и определение положения токового пика недостаточно для расчета данных для следующего коммутационного периода. Для решения этой проблемы были разработаны различные алгоритмы, обеспечивающие нормальный старт.

Алгоритм запуска состоит из двух частей (рис. 5). Первая часть аналогична действию при нормально работающем двигателе: алгоритм определяет пик фазового тока. Если ротор движется из состояния «соприкосновения» в выровненное состояние, ток фазы падает. Как только ротор проходит выровненное состояние, ток фазы вновь начинает расти, в этот момент напряжение с фазы должно быть снято. Иными словами, как только обнаружен пик тока фазы, алгоритм начинает отслеживать появление минимума тока фазы. Как только минимум обнаружен, фаза немедленно выключается и коммутируется следующая. После того как стартовый алгоритм отработает от четырех до восьми коммутационных периодов, вращение ротора стабилизируется, и может быть рассчитан коммутационный период. При известном коммутационном периоде программа переходит к работе по токовым пикам.

Алгоритм запуска

Рис. 5. Алгоритм запуска

Преимуществом описанного стартового алгоритма является его независимость от параметров двигателя и нагрузки, что обеспечивает надежный запуск двигателя в различных условиях. Алгоритм запатентован компанией Freescale (патент № US6448736 B1).

Программное обеспечение контроллера выполнено на языке Си, за исключением блока измерения тока, вычисления пиков и обработки прерываний при коммутации фаз. Так как эти части программы критичны по времени работы, они выполнены на ассемблере. Полное описание системы, включающее описание «железа» и программного обеспечения, можно найти на сайте компании Freescale как справочную разработку DRM100. Она основана на цифровом сигнальном контроллере MC56F8013.

xosotin chelseathông tin chuyển nhượngcâu lạc bộ bóng đá arsenalbóng đá atalantabundesligacầu thủ haalandUEFAevertonxosofutebol ao vivofutemaxmulticanaisonbetbóng đá world cupbóng đá inter milantin juventusbenzemala ligaclb leicester cityMUman citymessi lionelsalahnapolineymarpsgronaldoserie atottenhamvalenciaAS ROMALeverkusenac milanmbappenapolinewcastleaston villaliverpoolfa cupreal madridpremier leagueAjaxbao bong da247EPLbarcelonabournemouthaff cupasean footballbên lề sân cỏbáo bóng đá mớibóng đá cúp thế giớitin bóng đá ViệtUEFAbáo bóng đá việt namHuyền thoại bóng đágiải ngoại hạng anhSeagametap chi bong da the gioitin bong da lutrận đấu hôm nayviệt nam bóng đátin nong bong daBóng đá nữthể thao 7m24h bóng đábóng đá hôm naythe thao ngoai hang anhtin nhanh bóng đáphòng thay đồ bóng đábóng đá phủikèo nhà cái onbetbóng đá lu 2thông tin phòng thay đồthe thao vuaapp đánh lô đềdudoanxosoxổ số giải đặc biệthôm nay xổ sốkèo đẹp hôm nayketquaxosokq xskqxsmnsoi cầu ba miềnsoi cau thong kesxkt hôm naythế giới xổ sốxổ số 24hxo.soxoso3mienxo so ba mienxoso dac bietxosodientoanxổ số dự đoánvé số chiều xổxoso ket quaxosokienthietxoso kq hôm nayxoso ktxổ số megaxổ số mới nhất hôm nayxoso truc tiepxoso ViệtSX3MIENxs dự đoánxs mien bac hom nayxs miên namxsmientrungxsmn thu 7con số may mắn hôm nayKQXS 3 miền Bắc Trung Nam Nhanhdự đoán xổ số 3 miềndò vé sốdu doan xo so hom nayket qua xo xoket qua xo so.vntrúng thưởng xo sokq xoso trực tiếpket qua xskqxs 247số miền nams0x0 mienbacxosobamien hôm naysố đẹp hôm naysố đẹp trực tuyếnnuôi số đẹpxo so hom quaxoso ketquaxstruc tiep hom nayxổ số kiến thiết trực tiếpxổ số kq hôm nayso xo kq trực tuyenkết quả xổ số miền bắc trực tiếpxo so miền namxổ số miền nam trực tiếptrực tiếp xổ số hôm nayket wa xsKQ XOSOxoso onlinexo so truc tiep hom nayxsttso mien bac trong ngàyKQXS3Msố so mien bacdu doan xo so onlinedu doan cau loxổ số kenokqxs vnKQXOSOKQXS hôm naytrực tiếp kết quả xổ số ba miềncap lo dep nhat hom naysoi cầu chuẩn hôm nayso ket qua xo soXem kết quả xổ số nhanh nhấtSX3MIENXSMB chủ nhậtKQXSMNkết quả mở giải trực tuyếnGiờ vàng chốt số OnlineĐánh Đề Con Gìdò số miền namdò vé số hôm nayso mo so debach thủ lô đẹp nhất hôm naycầu đề hôm naykết quả xổ số kiến thiết toàn quốccau dep 88xsmb rong bach kimket qua xs 2023dự đoán xổ số hàng ngàyBạch thủ đề miền BắcSoi Cầu MB thần tàisoi cau vip 247soi cầu tốtsoi cầu miễn phísoi cau mb vipxsmb hom nayxs vietlottxsmn hôm naycầu lô đẹpthống kê lô kép xổ số miền Bắcquay thử xsmnxổ số thần tàiQuay thử XSMTxổ số chiều nayxo so mien nam hom nayweb đánh lô đề trực tuyến uy tínKQXS hôm nayxsmb ngày hôm nayXSMT chủ nhậtxổ số Power 6/55KQXS A trúng roycao thủ chốt sốbảng xổ số đặc biệtsoi cầu 247 vipsoi cầu wap 666Soi cầu miễn phí 888 VIPSoi Cau Chuan MBđộc thủ desố miền bắcthần tài cho sốKết quả xổ số thần tàiXem trực tiếp xổ sốXIN SỐ THẦN TÀI THỔ ĐỊACầu lô số đẹplô đẹp vip 24hsoi cầu miễn phí 888xổ số kiến thiết chiều nayXSMN thứ 7 hàng tuầnKết quả Xổ số Hồ Chí Minhnhà cái xổ số Việt NamXổ Số Đại PhátXổ số mới nhất Hôm Nayso xo mb hom nayxxmb88quay thu mbXo so Minh ChinhXS Minh Ngọc trực tiếp hôm nayXSMN 88XSTDxs than taixổ số UY TIN NHẤTxs vietlott 88SOI CẦU SIÊU CHUẨNSoiCauVietlô đẹp hôm nay vipket qua so xo hom naykqxsmb 30 ngàydự đoán xổ số 3 miềnSoi cầu 3 càng chuẩn xácbạch thủ lônuoi lo chuanbắt lô chuẩn theo ngàykq xo-solô 3 càngnuôi lô đề siêu vipcầu Lô Xiên XSMBđề về bao nhiêuSoi cầu x3xổ số kiến thiết ngày hôm nayquay thử xsmttruc tiep kết quả sxmntrực tiếp miền bắckết quả xổ số chấm vnbảng xs đặc biệt năm 2023soi cau xsmbxổ số hà nội hôm naysxmtxsmt hôm nayxs truc tiep mbketqua xo so onlinekqxs onlinexo số hôm nayXS3MTin xs hôm nayxsmn thu2XSMN hom nayxổ số miền bắc trực tiếp hôm naySO XOxsmbsxmn hôm nay188betlink188 xo sosoi cầu vip 88lô tô việtsoi lô việtXS247xs ba miềnchốt lô đẹp nhất hôm naychốt số xsmbCHƠI LÔ TÔsoi cau mn hom naychốt lô chuẩndu doan sxmtdự đoán xổ số onlinerồng bạch kim chốt 3 càng miễn phí hôm naythống kê lô gan miền bắcdàn đề lôCầu Kèo Đặc Biệtchốt cầu may mắnkết quả xổ số miền bắc hômSoi cầu vàng 777thẻ bài onlinedu doan mn 888soi cầu miền nam vipsoi cầu mt vipdàn de hôm nay7 cao thủ chốt sốsoi cau mien phi 7777 cao thủ chốt số nức tiếng3 càng miền bắcrồng bạch kim 777dàn de bất bạion newsddxsmn188betw88w88789bettf88sin88suvipsunwintf88five8812betsv88vn88Top 10 nhà cái uy tínsky88iwinlucky88nhacaisin88oxbetm88vn88w88789betiwinf8betrio66rio66lucky88oxbetvn88188bet789betMay-88five88one88sin88bk88xbetoxbetMU88188BETSV88RIO66ONBET88188betM88M88SV88Jun-68Jun-88one88iwinv9betw388OXBETw388w388onbetonbetonbetonbet88onbet88onbet88onbet88onbetonbetonbetonbetqh88mu88Nhà cái uy tínpog79vp777vp777vipbetvipbetuk88uk88typhu88typhu88tk88tk88sm66sm66me88me888live8live8livesm66me88win798livesm66me88win79pog79pog79vp777vp777uk88uk88tk88tk88luck8luck8kingbet86kingbet86k188k188hr99hr99123b8xbetvnvipbetsv66zbettaisunwin-vntyphu88vn138vwinvwinvi68ee881xbetrio66zbetvn138i9betvipfi88clubcf68onbet88ee88typhu88onbetonbetkhuyenmai12bet-moblie12betmoblietaimienphi247vi68clupcf68clupvipbeti9betqh88onb123onbefsoi cầunổ hũbắn cáđá gàđá gàgame bàicasinosoi cầuxóc đĩagame bàigiải mã giấc mơbầu cuaslot gamecasinonổ hủdàn đềBắn cácasinodàn đềnổ hũtài xỉuslot gamecasinobắn cáđá gàgame bàithể thaogame bàisoi cầukqsssoi cầucờ tướngbắn cágame bàixóc đĩaAG百家乐AG百家乐AG真人AG真人爱游戏华体会华体会im体育kok体育开云体育开云体育开云体育乐鱼体育乐鱼体育欧宝体育ob体育亚博体育亚博体育亚博体育亚博体育亚博体育亚博体育开云体育开云体育棋牌棋牌沙巴体育买球平台新葡京娱乐开云体育mu88qh88

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *