brezsenzorsko vodenje sinhronskega motorja z opazovalnikom magnetnega sklepa trajnega magneta
DESCRIPTION
Brezsenzorsko vodenje sinhronskega motorja z opazovalnikom magnetnega sklepa trajnega magneta. Predstavitev doktorske disertacije. Maribor, 18.12.2006. Evgen Urlep. Vsebina I. Uvod Model SMTM z neizraženimi poli Izvedba vodenja v orientaciji polja - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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