Magas minőségi követelményeket kielégítő szinkronmotoros „szervó” hajtások
Bakos Ádám
1/41
2014.04.28.
Tartalom • Bevezetés • Szinkrongépek vektoros leírása • Szinkrongépek mezőorientált szabályozása • Mezőorientált szabályozás megvalósítása beágyazott rendszerben • Összefoglalás
2/41
2014.04.28.
Bevezetés • Hajtások előfordulása - Az ipar szinte minden területén (szerszámgépek, robotok) - Háztartás - Gyógyászat - Szórakoztatóelektronika - Járműipar
3/41
2014.04.28.
Bevezetés • A mozgatási feladatok jelentős részét villamos gépek valósítják meg • Ez az arány napjainkban egyre növekszik - Anyagtechnológia fejlődése (pl. vas anyagok, mágnesek,
szigetelő anyagok, stb.) - Teljesítményelektronikai eszközök fejlődése (teljesítmény félvezetők) - Információelektronikia fejlődése (érzékelők, mikrovezérlők, jelfeldolgozó processzorok)
4/41
2014.04.28.
Hajtások minőségi követelményei • Alacsonyabb misőégi követelményű hajtások (például) - Névleges teljesítmény vagy névleges fordulatszám
követlemény - Nagyobb veszteségek megengedettek - A dinamikára nincs előírás - Nem feltétlenül lineáris viselkedés - Nem feltétlenül szabályozott, csak vezérelt - Pl. háztartási eszközök, kiegészítő ipari berendezések
5/41
2014.04.28.
Hajtások minőségi követelményei • Magas minőségi követelményeket kielégítő (szervó) hajtások (például) - Nyomatékigény adott szögsebesség mellett - Sima, lüktetésmentes nyomaték - Hatékonyság Vesztesélgek minimálizálása Adott nagyságú áram hatására az elérhető maximális nyomaték kifejtése - Jó dinamika - Szabályozott működés - Lineáris viselkedés - Pl. szerszámgépek, robotok, akkumulátorról táplált berendezések
6/41
2014.04.28.
Géptípusok • Főbb géptípusok (motorok): Egyenáramú motorok Szinkronmotorok Aszinkronmotorok Reluktanciamotorok Léptetőmotorok - Az információelektronika fejlődésének köszönhetően ma már valamennyi típussal megvalósítható szervóhajtás
7/41
2014.04.28.
Szinkronmotoros hajtások • Állandómágneses szinkronmotoros szervó hajtások - Az állandómágnesnek köszönhetően nagy energiasűrűség
(kis tömeg, nagy teljesítmény) - Nincsenek kefék (széles fordulatszám-tartomány, környezeti hatásokra kevésbé érzékeny)
- Mágnesek elérhetősége - Bonyolult információelektronika Sok mérés (áramok, fordulatszám, szög(!)) Komplex algoritmusok Szabályozások
8/41
2014.04.28.
Szinkronmotorok felépítése • Állórész Háromfázisú szimmetrikus tekercselés A tekercsek tengelyei térben 120°-kal elforgatva A tekercsek a légréskerület mentén egyenletesen elosztva
9/41
2014.04.28.
Szinkronmotorok felépítése • Forgórész Hengeres Kiálló pólusú - Forgórész vastestben elhelyezett mágnes (állandó fluxust hoz létre) - Légréskerület menti indukcióeloszlás
Négyszög Négyszögmezős (Brushless DC BLDC) Szinusz Szinuszmezős (Permanent Magnet Synchronous Motor - PMSM) B d
α
10/41
2014.04.28.
Szinkronmotorok felépítése - Indukált feszültség Négyszögmezős: trapéz alakú Szinuszmezős: szinuszos
Az egyes fázisokban időben 120°-kal eltolva
11/41
2014.04.28.
Szinkronmotorok vektoros leírása • Háromfázisú, hengeres forgórészű, állandómágneses szinkornmotor általános modellje
12/41
2014.04.28.
Szinkronmotorok vektoros leírása • Egy tekercs áramtérvektora - A tekercs tengelyével egybeeső - Az áram előjelének megfelelő értelmű - Adott időpillanatban az áram nagyságával arányos
B
hosszúságú
• Háromfázisú tekercselés áramtérvektora - A három tekercs áramtérvektorának adott időpillanatban vett, összetartozó áramtérvektorainak vektoros összege
A többi fázismennyiség térvektora hasnolóan értelmezhető 13/41
2014.04.28.
Szinkronmotorok vektoros leírása • A térvektor értelmezése - pl. a forgórész indukált feszültsége B
d
α
ψp Up
• Forgó vektor • A végpontja kört ír le
14/41
2014.04.28.
Szinkronmotorok vektoros leírása • A térvektor mennyiségi leírása - A gép középpontjához rögzített komplex koordináta-
rendszerben - Az egyes fázistekercsekhez tartozó egységvektorok a komplex számsíkon: a = e j120° a 2 = e j 240°
1
- A háromfázisú mennyiségek térvektora: 2 ia + aib + a 2 ic 3 2 u = ua + aub + a 2uc 3 2 ψ = ψ a + aψ b + a 2ψ c 3 i=
(
( (
)
)
)
15/41
2014.04.28.
Szinkronmotorok vektoros leírása • A térvektor számítása a fázismennyiségekből: - A térvektor komplex szám: - Az egységvektorok:
1
i = iα + jiβ 1 3 a=− + j 2 2
1 3 a2 = − − j 2 2
- A térvektrok képzése (transzformáció): i=
2 ia + aib + a 2 ic = iα + ji β 3
(
)
2 1 1 iα = ia − ib − ic 3 2 2 2 3 3 jiβ = j ib − j ic 3 2 2
16/41
i0 =
1 (ia + ib + ic ) 3
2014.04.28.
Szinkronmotorok vektoros leírása • Háromfázisú, hengeres forgórészű, állandómágneses szinkornmotor matematikai modellje ψ s = Ls i s + ψ p e jα u s = Rs i s + Ls m=
ψr =ψ p
di s + j ωψ p dt
3 3 ψ s × i s = ψ p i s sin (ϑ p ) 2 2 Rs
us
Ls
is jωψp
17/41
2014.04.28.
Szinkronmotorok vektoros leírása • Nyomatékképzés - A forgórész állandómágnes és - az állórészáram áram által létrehozott mágneses tér kölcsönhatása
3 m = ψ p ×i 2 - Függ: Állandómágnes fluxusa Állórész áramok nagysága és időbeli alakja Az ezeknek megfelelő két vektor által bezárt szög
18/41
2014.04.28.
Szinkronmotorok szabályozása • Szabályozási, vezérlési módok - Sokféle, többek közt „Hagyományos” szinkron hajtás Mezőorientált szabályozású hajtás • Hagyományos szinkron hajtás - Állórész: szimmetrikus háromfázisú (120°) feszültségrendszer forgó mező - Összetapadt pólusrendszer - Nemlineáris, nem tud indulni, kieshet a szinkronból
19/41
Bs
Br
2014.04.28.
Mezőorientált áramszabályozás • Mezőorientált áramszabályozású szinkronmotoros hajtás - Előírható az áramvektor pillanatnyi helyzete - Optimális nyomatékképzés valósítható meg Maximális nyomaték minimális árammal (minimális rézveszteség) Nyomatéklüktetés minimális minden forgórész szöghelyzet esetén
20/41
2014.04.28.
Mezőorientált áramszabályozás • Optimális nyomatékképzés: illesztett táplálással - Az áramvektor hossza és szöge úgy változik, hogy a nyomaték állandó és maximális legyen
ψp i
3 m = ψ p ×i 2
ϑp
Az áramvektor állandó nagyságú körforgó vektor A pólusfluxusra merőlegesen ϑ p = 90° 21/41
2014.04.28.
Mezőorientált áramszabályozás • Fizikai kép alapján
ψp
i ϑp
22/41
2014.04.28.
Mezőorientált áramszabályozás • Az illesztett áramvektor - Szinuszmezős motor esetén Állandó nagyságú, körforgó fázisáramok szinuszosak, szimmetrikusak, időben 120°-kal eltoltak - Más mezőeloszlású motor esetén Változó nagyságú, körforgó fázisáramok az adott mezőalakhoz illeszkedők, szinuszostól eltérőek (pl. BLDC) • Az optimális nyomatékképzéshez - az áramok előírása szükséges - a gyakorlatban a motor feszültségei írhatók elő Zárt hurkú áramszabályozás szükséges. 23/41
2014.04.28.
Mezőorientált áramszabályozás • A mezőorientált szabályozás előnyei - Optimális nyomatékképzés - Lineáris viselkedés - Nem tud kiesni a szinkronból - Tetszőleges nyomaték kifejthető bármilyen fordulatszámon (elvileg), így álló állapotban is
24/41
2014.04.28.
Négyszögmezős sz. hajtás • A „BLDC” motor valójában négyszögmezős szinkronmotor • Hasonló egyenletek írják le, mint a szinuszmezős motort • A korábban ismertetett vezérlési módszer a nyomatékképzés szempontjából nem optimális • Igényes szervóhajtás megvalósításához ezt is áramszabályozással kell ellátni
25/41
2014.04.28.
Négyszögmezős sz. hajtás • A forgórész állandómágnes által létrehozott indukciómező légréskerült menti eloszlása négyszög alakú
• Az indukált feszültségek trapéz alakúak
26/41
2014.04.28.
Négyszögmezős sz. hajtás • Az indukált feszültség vektora hatszöget ír le
• A nyomaték 3 m = ψ p ×i 2
• Itt célszerűbb a K géptényező vektorral m=
3 K ⋅i 2
K=
Up ω 27/41
2014.04.28.
Négyszögmezős sz. hajtás • Optimális a nyomatékképzés, ha a skaláris szorzat minden szöghelyzet esetén állandó és adott áram mellett maximáis - Az áramvektor pályája illeszkedik az inukált feszültség vektorának pályájához - A két vektor azonos irányú
28/41
2014.04.28.
Négyszögmezős sz. hajtás • Ugyanez elérhető kétfázisú vezetésű áramokkal is - Az áramvektor végpontja egy hatszög csúcsai között ugrál - Az ugrás felel meg két fázis kommutációjának
- Az optimális nyomatkékképzés kétfázisú vezetésű, négyszög alakú áramokkal is biztosítható
- A gyakorlatban ez nem valósítható meg, mert az áramok pillanatszerű ugrása nem lehetséges!
29/41
2014.04.28.
Négyszögmezős sz. hajtás • A korábban megismert módszer szerint - A kommutáció pillanatában a háromfázisú híd vezetési
konfigurációját megváltoztatjuk - Ez azonban a motort tápláló feszültség vektorának ugrását jelenti - Az áram valamilyen tranziens lezajlása után állandósul (függ a fordulatszámtól is) - Az állnadósul áramra hatással van a másik két fázis kommutációja
Nyomatékcsökkenés és nyomatéklüktetés lép fel. Igényes hajtás megvalósításához ebben az esetben is zárthurkú áramszabályozás szükséges. 30/41
2014.04.28.
Mezőorientált áramszabályozás • A mezőorientált áramszabályozás megvalósítása - Áramvektor alapjel képzése a megkívánt nyomaték és a forgórész szöghelyzet (mezőorinetáció!) alapján - Fázisáramok mérése, mért áramvektor képzése - Szabályozás - Beavatkozás fázisfeszültségekkel
iaa
Alapjel képző
ia
u -
Szabályozó
31/41
α Motor
i
2014.04.28.
Mezőorientált áramszabályozás • Az áramvektor egy vektor, két mennyiség jellemzi - Két szabályozási körre van szükség • Szabályozók megvalósíthatók - Az áramvektor két komponensége - Az áramvektor abszolút értékére és szögére • A szabályozók működhetnek álló vagy forgó koordináta-rendszerben felírva • A vektoros modell:
di u = Ri + Ld + up dt
i 32/41
Up
ψp
ϑp
2014.04.28.
Mezőorientált áramszabályozás • Egy lehetséges megoldás blokkvázlata xy koordináta-rendszerben
33/41
2014.04.28.
Mezőorientált áramszabályozás • Egy lehetséges megoldás blokkvázlata dq koordináta-rendszerben
34/41
2014.04.28.
Magasabb szintű szabályozások • Eddig csak áramszabályozás nyomatékszabályozás (fordulatszám kialakul a terheléstől függően) • Szögsebesség-szabályozás: kaszkád szabályozó m ωref -
Szögsebességszabályozó
Motor + terhelés + mezőorientált áramszabályozás
ω
dω m − mt = Θ + Dω dt • Pozíciószabályozás: további külső hurok 35/41
2014.04.28.
Gyakorlati megvalósítás • Beavatkozás - Háromfázisú feszültséginverter - Impulzus-szélesség moduláció Fázisonként Vektorosan - Teljesítménykapcsolók: pl. MOSFET, IGBT
36/41
2014.04.28.
Gyakorlati megvalósítás • Érzékelés - Áram: fázisonként Sönt ellenállás Hall-elemes áramérzékelő - Szöghelyzet optikai, mágneses, sensorless (korlátokkal) abszolút, inkrementális - Fordulatszám analóg inkrementális jelek feldolgozása
37/41
2014.04.28.
Gyakorlati megvalósítás • Jelfeldolgozás, számítás - Mikroszámítógépes környezetben (mikrokontroller, DSP) Nagy számítási teljesítmény szükséges • Nagy mintavételi frekvenciák • Transzformációk • Szabályozó algoritmusok számítása
Megfelelő integráltságú perifériák Bonyolult algoritmusok Magas szintű programozási nyelv • Egyéb funkciók - Védelmek - Kommunikáció 38/41
2014.04.28.
Gyakorlati megvalósítás • Példa: SZTAKI-ban fejlesztett hajtás
39/41
2014.04.28.
Összefoglalás • Forgó mozgás egyszerű eszközökkel és algoritmusokkal is létrehozható, de nem lesz optimális • Magas minőségi követelményeket kielégítő, optimális hajtások megvalósításához bonyolult hardver- és szoftvereszközök, összetett, sok számítást igénylő algoritmusok szükségesek
40/41
2014.04.28.
Köszönöm a figyelmet!
41/41
2014.04.28.
