brezsenzorsko vodenje sinhronskega motorja z opazovalnikom magnetnega sklepa trajnega magneta

Brezsenzorsko vodenje sinhronskega Brezsenzorsko vodenje sinhronskega motorja z opazovalnikom magnetnega motorja z opazovalnikom magnetnega

sklepa trajnega magnetasklepa trajnega magneta

Brezsenzorsko vodenje sinhronskega Brezsenzorsko vodenje sinhronskega motorja z opazovalnikom magnetnega motorja z opazovalnikom magnetnega

sklepa trajnega magnetasklepa trajnega magneta

Predstavitev Predstavitev doktorske disertacijedoktorske disertacijePredstavitev Predstavitev doktorske disertacijedoktorske disertacije

Evgen UrlepMaribor, 18.12.2006

22

VsebinaVsebina I. I.VsebinaVsebina I. I.

UvodUvod Model SMTM z neizraženimi poliModel SMTM z neizraženimi poli Izvedba vodenja v orientaciji poljaIzvedba vodenja v orientaciji polja Določanje kota magnetnega sklepa trajnega magnetaDoločanje kota magnetnega sklepa trajnega magneta

Opazovalnik magnetnega sklepa trajnega magneta s Opazovalnik magnetnega sklepa trajnega magneta s korekcijo amplitudekorekcijo amplitude

Korekcija kota s pomočjo informacije Hallovega Korekcija kota s pomočjo informacije Hallovega dajalnikadajalnika

33

VsebinaVsebina II. II.VsebinaVsebina II. II.

Adaptivni opazovalnik magnetnega sklepa trajnega Adaptivni opazovalnik magnetnega sklepa trajnega magnetamagneta

Model in nelinearnosti pretvornikaModel in nelinearnosti pretvornika Meritev napetosti na osnovi povprečenja vejnih Meritev napetosti na osnovi povprečenja vejnih potencialovpotencialov Meritev napetosti na podlagi meritev zakasnitev Meritev napetosti na podlagi meritev zakasnitev preklopovpreklopov

SimulacijeSimulacije

Eksperimentalni rezultatiEksperimentalni rezultati

ZaključekZaključek

44

UvodUvodUvodUvod Električni pogon – delovna sila današnjega časa.Električni pogon – delovna sila današnjega časa. Moderni pogoni so združitev motorja, močnostnega Moderni pogoni so združitev motorja, močnostnega

pretvornika in algoritmov vodenja.pretvornika in algoritmov vodenja. Zahteve narekujejo razvoj modernih pogonovZahteve narekujejo razvoj modernih pogonov

• Konstrukcijske rešitve - različne zgradbe motorjevKonstrukcijske rešitve - različne zgradbe motorjev– Enosmerni motorji,Enosmerni motorji,– Izmenični motorji,Izmenični motorji,

• Asinhronski,Asinhronski,• Sinhronski,Sinhronski,

» SMTM z neizraženimi poli.SMTM z neizraženimi poli.

• Hkraten razvoj na področju pretvornikov.Hkraten razvoj na področju pretvornikov.• Vodenje izkorišča specifične lastnosti konstrukcije.Vodenje izkorišča specifične lastnosti konstrukcije.

55

UvodUvodUvodUvod Vodenje SMTM zahteva poznavanje mehanskega Vodenje SMTM zahteva poznavanje mehanskega

kota/orientacijo magnetnega sklepa trajnega kota/orientacijo magnetnega sklepa trajnega magneta.magneta.

ZmanjZmanjšanje števila merilnikovšanje števila merilnikov Rekonstrukcija le-tega je možna iz električnih Rekonstrukcija le-tega je možna iz električnih

statorskih veličin z uporabo naprednih metod.statorskih veličin z uporabo naprednih metod. Neobservabilnost omejuje področje delovanja.Neobservabilnost omejuje področje delovanja. Področje delovanja je v veliki meri odvisno od:Področje delovanja je v veliki meri odvisno od:

• točnosti modelatočnosti modela• izbrane metodeizbrane metode• ujemanja merjenih veličin in parametrovujemanja merjenih veličin in parametrov

66

Model Model SMTM z neizraženimi poliSMTM z neizraženimi poliModel Model SMTM z neizraženimi poliSMTM z neizraženimi poli

(s) Stacionarni koordinatni sistem (a,b)

Napetost na statorju

Magnetni sklep trajnega magneta

Enačba gibanja

Gibalna inducirana napetost

Stator je krožno in osno simetričenCilindričen rotor s površinsko montiranimi magnetiNi upoštevanja nasičenja na statorjuRazporeditev magnetov ne povzroča izraženostiPorazdelitev po kotu je sinusnaParametri so koncentrirani in neodvisni

77

Navor SMTM z neizraženimi poliNavor SMTM z neizraženimi poliNavor SMTM z neizraženimi poliNavor SMTM z neizraženimi poliProizveden navor

Največji proizveden navor:

V koordinatah MSTM:

Fazni tok:

88

Brezsenzorsko vodenje hitrosti SMTMBrezsenzorsko vodenje hitrosti SMTMBrezsenzorsko vodenje hitrosti SMTMBrezsenzorsko vodenje hitrosti SMTM

- Vodenje brez dajalnika mehanske hitrosti in kota- regulator toka v statorskih koordinatah - opazovalnik magnetnega sklepa trajnega magneta – ni merilnika kota- enostavno vodenje- ni mogoče slabljenje polja

99

Brezsenzorsko vodenje hitrosti SMTMBrezsenzorsko vodenje hitrosti SMTMBrezsenzorsko vodenje hitrosti SMTMBrezsenzorsko vodenje hitrosti SMTM

- vodenje v koordinatah MSTM- zahtevan je transformacijski kot- omogoča slabljenje polja

1010

Brezsenzorsko vodenje hitrosti SMTMBrezsenzorsko vodenje hitrosti SMTMBrezsenzorsko vodenje hitrosti SMTMBrezsenzorsko vodenje hitrosti SMTM

- vodenje v koordinatah MSTM- ni potrebnega transformacijskega kota- omogoča slabljenje polja

1111

Določanje kota magnetnega sklepa trajnega Določanje kota magnetnega sklepa trajnega magnetamagneta

Določanje kota magnetnega sklepa trajnega Določanje kota magnetnega sklepa trajnega magnetamagneta

Metode z upoštevanjem višjeharmonskih komponentMetode z upoštevanjem višjeharmonskih komponent Metode na osnovi izraženih lastnosti motorjaMetode na osnovi izraženih lastnosti motorja Metode na podlagi inducirane napetostiMetode na podlagi inducirane napetosti

• Ocenjevalniki Ocenjevalniki • Opazovalniki motenj, Luenberger,razširjen Kalman, Opazovalniki motenj, Luenberger,razširjen Kalman, • modelno referenčni adaptivni sistemi (MRAS)modelno referenčni adaptivni sistemi (MRAS)• opazovalniki na osnovi nevronskih mrež, mehke logikeopazovalniki na osnovi nevronskih mrež, mehke logike

Ob hitrosti nič je gibalna inducirana napetost enaka nič

Ocenjevanje magnetnega sklepa trajnega magneta na osnovi gibalne inducirane napetosti pri hitrosti nič odpove

1212

Opazovalnik magnetnega sklepaOpazovalnik magnetnega sklepa trajnega trajnega magneta s korekcijo amplitudemagneta s korekcijo amplitude

Opazovalnik magnetnega sklepaOpazovalnik magnetnega sklepa trajnega trajnega magneta s korekcijo amplitudemagneta s korekcijo amplitude

s

dR

dt s

s s

ψu i

Opazovalnik na osnovi napetostne enačbe

Korekcija amplitude MSTM

+ pasovna širina opazovalnika+ delovanje blizu hitrosti nič

- občutljiv na spremembe statorske upornosti- zahtevano je poznavanje začetnega pogoja

1313

Analiza opazovalnika s korekcijo amplitudeAnaliza opazovalnika s korekcijo amplitudeAnaliza opazovalnika s korekcijo amplitudeAnaliza opazovalnika s korekcijo amplitudeModel pogreška

Prenosna funkcija:

• pogrešek statorske napetostipogrešek statorske napetosti

• pogrešek statorske upornostipogrešek statorske upornosti

• pogrešek statorske induktivnostipogrešek statorske induktivnosti

• pogrešek referenčne amplitude magnetnega pogrešek referenčne amplitude magnetnega sklepa trajnega magnetasklepa trajnega magneta

1414

Analiza opazovalnika s korekcijo amplitudeAnaliza opazovalnika s korekcijo amplitudeAnaliza opazovalnika s korekcijo amplitudeAnaliza opazovalnika s korekcijo amplitude

Vpliv pogreška referenčne amplitude magnetnega sklepaV področju nizkih frekvenc sledi referenčni amplitudi

1515

Analiza opazovalnika s korekcijo amplitudeAnaliza opazovalnika s korekcijo amplitudeAnaliza opazovalnika s korekcijo amplitudeAnaliza opazovalnika s korekcijo amplitude

Vpliv pogreška statorske induktivnostiIzrazit v področju višjih frekvenc

1616

Analiza opazovalnika s korekcijo amplitudeAnaliza opazovalnika s korekcijo amplitudeAnaliza opazovalnika s korekcijo amplitudeAnaliza opazovalnika s korekcijo amplitude

Vpliv pogreška statorske napetostiNajbolj izražen je v področju nizkih frekvenc

1717

Analiza opazovalnika s korekcijo amplitudeAnaliza opazovalnika s korekcijo amplitudeAnaliza opazovalnika s korekcijo amplitudeAnaliza opazovalnika s korekcijo amplitude

Vpliv pogreška statorske upornostiNajbolj izražen je v področju nizkih frekvenc

1818

Korekcija kota s pomočjo informacije Hallovega Korekcija kota s pomočjo informacije Hallovega dajalnikadajalnika

Korekcija kota s pomočjo informacije Hallovega Korekcija kota s pomočjo informacije Hallovega dajalnikadajalnika

Korekcija amplitude

Korekcija kota

+ začetni kot+ hitrost nič+ robustnost- ločljivost

1919

Adaptivni opazovalnik magnetnega sklepa Adaptivni opazovalnik magnetnega sklepa trajnega magneta trajnega magneta

Adaptivni opazovalnik magnetnega sklepa Adaptivni opazovalnik magnetnega sklepa trajnega magneta trajnega magneta

- Osnovan na korekciji pogreška amplitude- Korekcija v smeri mag. sklepa trajnega magneta- Korekcija vpliva obremenitve je odvisna od toka

ˆˆ ˆ jr r e

Ψ Ψ

2020

Vodenje ob hitrosti nič Vodenje ob hitrosti nič Vodenje ob hitrosti nič Vodenje ob hitrosti nič Pogrešek navora zaradi pogreška kota

Pogrešek kota ob dodatnem toku

Dodaten tok povzroči dodaten navor ob pogrešku kota

Numerična rešitev v ostalih primerih

2121

Model in linearizacija pretvornikaModel in linearizacija pretvornikaModel in linearizacija pretvornikaModel in linearizacija pretvornika

Topologija trifaznega DC/AC pretvornika

2222

Statična karakteristika pretvornikaStatična karakteristika pretvornikaStatična karakteristika pretvornikaStatična karakteristika pretvornika

- Vpliv mrtvih časov- Trganje toka v področju majhnih tokov- Padci napetosti na stikalnih elemenih

(123) Stacionarni koordinatni sistem (1,2,3)

2323

Povprečenje vejnih potencialov in linearizacijaPovprečenje vejnih potencialov in linearizacijaPovprečenje vejnih potencialov in linearizacijaPovprečenje vejnih potencialov in linearizacija

Princip delovanja

Zaprtozančna linearizacija

2424

Meritev napetosti na podlagi meritev zakasnitev Meritev napetosti na podlagi meritev zakasnitev preklopovpreklopov

Meritev napetosti na podlagi meritev zakasnitev Meritev napetosti na podlagi meritev zakasnitev preklopovpreklopov

Princip delovanja

Linearizacija

2525

Simulacije – opazovalnik MSTM s korekcijo Simulacije – opazovalnik MSTM s korekcijo amplitudeamplitude

Simulacije – opazovalnik MSTM s korekcijo Simulacije – opazovalnik MSTM s korekcijo amplitudeamplitude

Vpliv spremembe statorske upornostiVpliv spremembe statorske upornosti

2626

Simulacije – opazovalnik MSTM s korekcijo Simulacije – opazovalnik MSTM s korekcijo amplitudeamplitude

Simulacije – opazovalnik MSTM s korekcijo Simulacije – opazovalnik MSTM s korekcijo amplitudeamplitude

Vpliv obremenitveVpliv obremenitve

EAFR

2727

Simulacije – opazovalnik MSTM s korekcijo Simulacije – opazovalnik MSTM s korekcijo amplitudeamplitude

Simulacije – opazovalnik MSTM s korekcijo Simulacije – opazovalnik MSTM s korekcijo amplitudeamplitude

Vpliv obremenitveVpliv obremenitve

id= 10 Aid= 10 A

EAFR

2828

Eksperimentalni sistemEksperimentalni sistemEksperimentalni sistemEksperimentalni sistem

PogonPMSM AMG6308 Un=48 VPn=0.8 kWp=6Rs=0.15 , Ls=237 H, PM=0.02 Vs

BremeIMUn=24 VIn=30 Ap=2

Krmilnik bremena-Semikron-DSP-2

Krmilnik pogona- MOSFET most- DSP-2

2929

Rezultati – počasno reverziranjeRezultati – počasno reverziranjeRezultati – počasno reverziranjeRezultati – počasno reverziranje

id=0

Tl=0.9 Nm

id=0

Tl=0.9 Nm

Korekcija amplitude

3030

id=0

Tl=0.9 Nm

id=0

Tl=0.9 Nm

Rezultati – počasno reverziranjeRezultati – počasno reverziranjeRezultati – počasno reverziranjeRezultati – počasno reverziranje

Korekcija amplitude+id

3131

Rezultati – počasno reverziranjeRezultati – počasno reverziranjeRezultati – počasno reverziranjeRezultati – počasno reverziranje

Z dodatno informacijo Hallovega dajalnikaZ dodatno informacijo Hallovega dajalnika

Korekcija amplitude+Hall

3232

Rezultati – hitrost nič – vodenje navoraRezultati – hitrost nič – vodenje navoraRezultati – hitrost nič – vodenje navoraRezultati – hitrost nič – vodenje navora

Z dodatno informacijo Hallovega dajalnikaZ dodatno informacijo Hallovega dajalnika

Korekcija amplitude+Hall

3333

Rezultati - obratovanje brez korekcije vpliva Rezultati - obratovanje brez korekcije vpliva obremenitveobremenitve

Rezultati - obratovanje brez korekcije vpliva Rezultati - obratovanje brez korekcije vpliva obremenitveobremenitve

Stacionarno obratovanje =10 rad/s z obremenitvijo Tl=0.5 Nm

Pogrešek kota

0.1 rad

Pogrešek kota

0.1 rad

Adaptivni

3434

Rezultati – obratovanje s korekcijo vpliva Rezultati – obratovanje s korekcijo vpliva obremenitveobremenitve

Rezultati – obratovanje s korekcijo vpliva Rezultati – obratovanje s korekcijo vpliva obremenitveobremenitve

Stacionarno obratovanje =10 rad/s z obremenitvijo Tl=0.5 Nm

Zmanjšan pogrešek kota

iz 0.1 rad na 0.05 rad

Zmanjšan pogrešek kota

iz 0.1 rad na 0.05 rad

Adaptivni

3535

ZaključekZaključekZaključekZaključek

Vodenje SMTM zahteva informacijo o orientaciji Vodenje SMTM zahteva informacijo o orientaciji magnetnega sklepa trajnega magneta.magnetnega sklepa trajnega magneta.

Opazovalniki Opazovalniki lahko lahko iz elektriiz električnih veličin na statorju izločijo čnih veličin na statorju izločijo MSTM, kadar hitrost ni enaka nič.MSTM, kadar hitrost ni enaka nič.

Predstavljene strukture opazovalnikov so občutljive na Predstavljene strukture opazovalnikov so občutljive na pogreške parametrov:pogreške parametrov:• pogrešek statorske induktivnosti v višjem frekvenčnem pogrešek statorske induktivnosti v višjem frekvenčnem

področjupodročju• pogrešek amplitude magnetnega sklepa trajnega magneta in pogrešek amplitude magnetnega sklepa trajnega magneta in

pogrešek statorske napetostipogrešek statorske napetosti• pogrešek statorske upornosti z obremenjevanjempogrešek statorske upornosti z obremenjevanjem

3636

ZaključekZaključekZaključekZaključek

Občutljivost na spremembe parametrov je zmanjšana Občutljivost na spremembe parametrov je zmanjšana z vpeljavo dodatnih signalov:z vpeljavo dodatnih signalov:

korekcija kota na osnovi Hallovega dajalnikakorekcija kota na osnovi Hallovega dajalnika

zmanjšanje vpliva pogreškov zaradi obremenitvezmanjšanje vpliva pogreškov zaradi obremenitve

Pogrešek napetosti je zmanjšan z merjenjem statorske Pogrešek napetosti je zmanjšan z merjenjem statorske napetosti/zakasnitev preklopov in z linearizacijo napetosti/zakasnitev preklopov in z linearizacijo pretvornikapretvornika

Vodenje ob hitrosti nič Vodenje ob hitrosti nič je izboljšano z vpeljavo je izboljšano z vpeljavo dodatnega tokadodatnega toka

Predstavljene rešitve so preverjene na Predstavljene rešitve so preverjene na eksperimentalnem sistemueksperimentalnem sistemu

3737

Hvala za pozornost!Hvala za pozornost!Hvala za pozornost!Hvala za pozornost!

3838

Prispevki k znanostiPrispevki k znanostiPrispevki k znanostiPrispevki k znanosti

zasnova in analiza opazovalnika magnetnega sklepa, ki omogoča vodenje pri zasnova in analiza opazovalnika magnetnega sklepa, ki omogoča vodenje pri nizkih hitrostih,nizkih hitrostih,

analiza vplivov pogreškov merjenih signalov in odstopanj parametrov na analiza vplivov pogreškov merjenih signalov in odstopanj parametrov na obnašanje opazovalnika,obnašanje opazovalnika,

uporaba meritve statorske napetosti s povprečenjem vejnih potencialov v uporaba meritve statorske napetosti s povprečenjem vejnih potencialov v algoritmu vodenja, algoritmu vodenja,

izvedba kompenzacije nelinearnosti pretvornika na podlagi meritev dejanskih izvedba kompenzacije nelinearnosti pretvornika na podlagi meritev dejanskih preklopov stikalnih elementov v pretvorniku,preklopov stikalnih elementov v pretvorniku,

razširitev delovnega področja vodenja na hitrost nič z vpeljavo korekcije kota razširitev delovnega področja vodenja na hitrost nič z vpeljavo korekcije kota v opazovalnik, pridobljene z meritvijo kota s Hallovim dajalnikom,v opazovalnik, pridobljene z meritvijo kota s Hallovim dajalnikom,

vpeljava dodatnega toka vpeljava dodatnega toka iidd in korekcija kota v področju nizkih hitrosti ob in korekcija kota v področju nizkih hitrosti ob

omejenem navoru bremena omeji nastali pogrešek ocenjenega kota in omejenem navoru bremena omeji nastali pogrešek ocenjenega kota in omogoča delovanje tudi ob hitrosti nič.omogoča delovanje tudi ob hitrosti nič.

3939

Transformacija v koordinate trajnega magneta Transformacija v koordinate trajnega magneta Transformacija v koordinate trajnega magneta Transformacija v koordinate trajnega magneta

Rotacija:

Zapis kota:

Transformacija s komponentami:

4040

Inverzna tInverzna transformacija ransformacija iziz koordinat koordinat MSTMMSTM Inverzna tInverzna transformacija ransformacija iziz koordinat koordinat MSTMMSTM

Rotacija:

Inverzna transformacija s komponentami:

4141

Transformacija v koordinate magnetnega sklepa Transformacija v koordinate magnetnega sklepa trajnega magneta trajnega magneta

Transformacija v koordinate magnetnega sklepa Transformacija v koordinate magnetnega sklepa trajnega magneta trajnega magneta

Transformacija s komponentami:

Realni produkt:

Kompleksen produkt:

4242

Tvorjenje dodatnega navora ob hitrosti nič Tvorjenje dodatnega navora ob hitrosti nič Tvorjenje dodatnega navora ob hitrosti nič Tvorjenje dodatnega navora ob hitrosti nič

4343

Vpliv spremembVpliv spremembe ojae ojačanjačanjaVpliv spremembVpliv spremembe ojae ojačanjačanja

10-3

10-2

10-1

100

101

102

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

(rad/s)

Pha

se (

rad)

Cr=10Cr=100Cr=1

10-3

10-2

10-1

100

101

102

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

(rad/s)

Mag

nitu

de (

Vs)

Cr=10Cr=100Cr=1

RSe=1.1RS

Ted=0.5 Nm

c=8 rad/s

Odstopanje Rse obremenjenega pogona povzroča pogrešek kota

EstimationEstimationAcuracyAcuracyFrequencyFrequencyRresponseRresponse

4444

Vpliv pogreška statorske upornostiVpliv pogreška statorske upornostiVpliv pogreška statorske upornostiVpliv pogreška statorske upornosti

Predpostavke: konstantna hitrost in obremenitev, id=0

Pogrešek ocenjenega MSTM:

- Vpliv na pogrešek ocenjenega magnetnega sklepa trajnega magneta - proporcionalen z obremenitvijo- vpliv je največji pri nizkih hitrostih

j

4545

Simulacije – opazovalnik MSTM s korekcijo Simulacije – opazovalnik MSTM s korekcijo amplitudeamplitude

Simulacije – opazovalnik MSTM s korekcijo Simulacije – opazovalnik MSTM s korekcijo amplitudeamplitude

Vpliv spremembe statorske induktivnostiVpliv spremembe statorske induktivnosti

4646

Simulacije – adaptivni opazovalnik MSTM s Simulacije – adaptivni opazovalnik MSTM s korekcijo vpliva obremenitvekorekcijo vpliva obremenitve

Simulacije – adaptivni opazovalnik MSTM s Simulacije – adaptivni opazovalnik MSTM s korekcijo vpliva obremenitvekorekcijo vpliva obremenitve

Vpliv spremembe statorske upornostiVpliv spremembe statorske upornosti

4747

Simulacije – adaptivni opazovalnik MSTM s Simulacije – adaptivni opazovalnik MSTM s korekcijo vpliva obremenitvekorekcijo vpliva obremenitve

Simulacije – adaptivni opazovalnik MSTM s Simulacije – adaptivni opazovalnik MSTM s korekcijo vpliva obremenitvekorekcijo vpliva obremenitve

Vpliv amplitude magnetnega sklepaVpliv amplitude magnetnega sklepa

4848

Simulacije – adaptivni opazovalnik MSTM s Simulacije – adaptivni opazovalnik MSTM s korekcijo vpliva obremenitvekorekcijo vpliva obremenitve

Simulacije – adaptivni opazovalnik MSTM s Simulacije – adaptivni opazovalnik MSTM s korekcijo vpliva obremenitvekorekcijo vpliva obremenitve

Vpliv obremenitveVpliv obremenitve

4949

Vklop pogona med vrtenjemVklop pogona med vrtenjem Vklop pogona med vrtenjemVklop pogona med vrtenjem

e=70 rad/s

Korekcija amplitude+Hall