Векторное управление энергоэффективными двигателями без помощи датчиков

Нельсон Александер (Nelson Alexander), Microchip Technology

 

В статье рассматривается метод бездатчикового векторного управления синхронным электродвигателем с постоянными магнитами. Этот метод не нов, но предлагаемый в статье способ его реализации заметно упрощает управление двигателями.

 

Введение

На сегодняшний день существуют две основные причины, побуждающие использовать векторное управление (FOC, ВУ) энергоэффективными двигателями, например синхронными двигателями с постоянными магнитами (PMSM, СДПМ) без помощи дополнительных датчиков: повышение энергоэффективности за счет внедрения систем нового типа и обеспечение выгодных отличий продукции от изделий конкурентов. И хотя было доказано, что СДПМ с векторным управлением без датчика вполне соответствуют этим требованиям, для гарантированного успеха необходимо наличие экосистемы проектирования, обеспечивающей целостный подход к реализации и облегчающей труд разработчиков в процессе создания новых устройств.

 

Причины выбора СДПМ

СДПМ представляет собой бесщеточный двигатель, принцип действия которого основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора. Его часто путают с бесщеточным двигателем постоянного тока (БДПТ, BLDC) – другим членом семейства бесщеточных двигателей, у которого тот же принцип работы, но несколько другая конструкция. Конструкция СДПМ оптимизирована под векторное управление, а БДПТ – под использование 6-ступенчатого ​​коммутатора. В результате этих оптимизаций у БДПТ – трапециевидная обратная ЭДС, а у СДПМ – синусоидальная.

Датчики положения ротора, используемые в двигателях, также имеют разное устройство. В СДПМ обычно применяется датчик положения (энкодер), а в двигателях БДПТ – три датчика Холла. В тех случаях, когда необходимо сократить стоимость двигателя, обращаются к бездатчиковым методам управления, которые позволяют удалить из системы сенсор, соответствующие ему разъемы и проводку. Исключение датчиков из системы также повышает ее надежность за счет уменьшения числа компонентов, которые могут выйти из строя. Сравнение СДПМ с БДПТ без использования датчиков показывает, что у СДПМ – более высокая производительность за счет ВУ, тогда как сложность конструкции и ее стоимость оказываются сопоставимы с БДПТ.

Наибольший выигрыш в производительности при переходе на СДПМ с ВУ получат приложения, которые в настоящее время используют щеточные двигатели постоянного тока (ЩДПТ, BDC) или асинхронные двигатели переменного тока (АДПТ, ACIM). Хотя СДПМ дороже ЩДПТ или АДПТ, его использование обеспечивает значительно больше преимуществ, ключевыми из которых являются снижение энергопотребления, увеличение скорости вращения и крутящего момента, уменьшение шума и габаритов, а также увеличение срока службы двигателя. Эти преимущества делают приложения с использованием СДПМ и ВУ более конкурентоспособными. При этом разработчику следует правильно интегрировать систему ВУ и установить механизмы ее взаимодействия с другими частями приложения.

 

Проблемы реализации

Как уже упоминалось, основным препятствием на пути обеспечения преимуществ СДПМ с бездатчиковым управлением является реализация ВУ. Для того чтобы преодолеть все аппаратные сложности, которые могут возникнуть при разработке, необходимо хорошо понимать основные принципы управления СДПМ, а также иметь некоторый опыт проектирования в этой области. На рисунке 1 показана система управления СДПМ без использования датчиков, построенная на основе трехфазного инвертора напряжения.

Рис. 1. Схема управления СДПМ без использования датчиков на основе трехфазного инвертора напряжения

Для управления инвертором требуются три пары связанных между собой ШИМ-сигналов высокого разрешения и множество аналоговых цепей обратной связи. Схеме также необходимы функции аппаратной защиты для обеспечения отказоустойчивости, которые в рассматриваемом случае построены на основе высокоскоростных аналоговых компараторов. Все описываемые дополнительные компоненты, требующиеся для управления и защиты, увеличивают стоимость решения и не используются в типовых схемах для ЩДПТ или для контроля величины В/Гц в АДПТ.

Обилие аналоговых компонентов в системе управления СДПМ также подразумевает увеличение времени на их подбор, разработку схемы, составление и проверку спецификации и т.д. В качестве альтернативы можно воспользоваться микроконтроллером (МК), адаптированным для управления СДПМ и заменяющим большую часть внешних аналоговых компонентов за счет высокого уровня интеграции. Применение такого микроконтроллера значительно сократит перечень компонентов и упростит разработку приложения. На рынке предлагаются решения, ориентированные на управление двигателями посредством ШИМ высокого разрешения с интегрированными аналоговыми компонентами для измерения и обработки сигналов, а также встроенными функциями для обеспечения безопасности и последовательными интерфейсами для связи и отладки.

Однако использование микроконтроллера – не панацея. Не менее сложной задачей является разработка программного обеспечения контроллера на основе электромеханических характеристик двигателя. На рисунке 2 показана стандартная структурная схема векторного управления без использования датчиков.

Рис. 2. Структурная схема типовой системы векторного управления без использования датчиков

Для ее реализации необходимо понимание архитектуры МК, а также умение работать с инструкциями цифрового сигнального процессора (DSP), что неизбежно потребуется при осуществлении критичных по времени функций управления, в процессе которого часто используется большое количество математических операций.

Важным аспектом также является оптимизация времени цикла управляющей программы. Рекомендуемым значением для времени выполнения цикла ВУ является то, которое не превышает одного периода ШИМ, т.е. ≤ 10 мкс в описываемом случае. Это значение обусловлено следующими факторами:

1) для снижения шума рекомендуется использовать частоту переключения ШИМ не ниже 20 кГц (период: 50 мкс);

2) чтобы повысить пропускную способность системы управления, цикл должен выполняться не более чем за один период ШИМ;

3) для выполнения функций системного мониторинга, обмена данными и других операций требуется дополнительная оптимизация скорости выполнения цикла программы.

Многие производители микроконтроллеров предоставляют клиентам примеры программ для настройки ВУ, однако прежде чем алгоритм запустит вращение двигателя, необходимо задать ряд параметров в соответствии с его характеристиками и параметрами другого оборудования, используемого в приложении. Описываемые параметры и коэффициенты подбираются в зависимости от требований к скорости вращения двигателя и показателей его эффективности. Подбор осуществляется путем определения параметров из таблиц данных двигателя и методом проб и ошибок. Второй метод требует наличия опыта у разработчиков. Хотя он более времязатратный, он особенно актуален в тех случаях, когда в документации на двигатель отсутствует точное описание параметров или у конструкторов нет доступа к высокоточному измерительному оборудованию.

СДПМ находят применение во множестве приложений, которые, в свою очередь, используются в самых разных условиях и могут иметь конструктивные ограничения. К примеру, при запуске вентилятора для охлаждения радиатора в автомобиле лопасти могут начать крутиться в обратную сторону из-за встречного потока воздуха при движении. Запуск СДПМ с ВУ в таких условиях может повредить инвертор. Одним из решений является определение направления вращения вентилятора и вычисление положения ротора с последующим использованием этой информации для замедления двигателя и его запуск только после полной остановки. В некоторых приложениях также может потребоваться реализация дополнительных алгоритмов оптимизации момента двигателя, к которым относятся MTPA (Maximum Torque Per Ampere – максимальный вращающий момент на ампер), компенсация момента, ослабление поля и т.д. [1]. Эти алгоритмы также усложняют разработку за счет увеличения временных затрат и усложнения программного обеспечения.

Одним из решений, упрощающих внедрение дополнительных алгоритмов в ПО, является использование модульной программной архитектуры, которая позволяет добавлять в схему ВУ новые алгоритмы для конкретных приложений без заметных изменений во времени выполнения или программного кода. На рисунке 3 показан пример такой архитектуры для системы управления двигателем в режиме реального времени.

Рис. 3. Структура приложения для ВУ

Представленная на рисунке модульная структура позволяет интегрировать алгоритмы приложений и использовать их совместно с процедурами мониторинга и защиты. Основу архитектуры составляет функция ВУ, которая задает жесткие временные ограничения и интегрирует в систему дополнительный функционал для конкретных приложений. Конечный автомат связывает его с основным приложением. Заметим, что архитектура требует наличия четко определенного интерфейса между функциональными блоками, который позволяет сделать ее модульной, чтобы упростить редактирование кода.

Еще одним преимуществом модульной архитектуры является отделение уровня периферийных интерфейсов (слой аппаратных абстракций) от программного обеспечения, ответственного за управление двигателем, что позволяет разработчикам беспрепятственно переносить свои IP-решения с одного контроллера двигателя на другой по мере изменения функционала приложения или требований к производительности.

 

Требования к целостности экосистемы

Обобщив описываемые выше проблемы разработки СДПМ с ВУ, становится очевидным, что оптимальным вариантом является использование целостной экосистемы для создания таких приложений, включающей в себя систему управления двигателем, аппаратное, программное обеспечение и обладающее при этом следующими особенностями:

1) широкий ряд инструментов, позволяющих разработчикам, у которых отсутствует опыт в предметной области, реализовать ВУ, создать контуры управления и блоки для автоматического измерения параметров двигателя, а также писать и отлаживать требовательный ко времени выполнения код;

2) наличие готовой платформы, подходящей для реализации ВУ и дополнительных алгоритмов конкретных приложений, которая позволяет сократить время разработки и тестирования;

3) использование контроллеров двигателей с детерминированным откликом, которые сокращают стоимость решения за счет интегрированных аналоговых функций формирования сигналов и защиты системы.

На рисунке 4 показана архитектура экосистемы управления двигателем, которая включает в себя платформу для создания пользовательского приложения и пакет для работы с высокопроизводительным цифровым контроллером сигналов (DSC) dsPIC33.

Рис. 4. Архитектура экосистемы управления двигателями Microchip Technology

Пакет дает возможность настраивать DSC при помощи графического интерфейса, поддерживает работу и настройку ВУ, позволяет измерять критические параметры двигателя и выполнять их автоматическую подстройку при помощи обратной связи. Этот пакет также генерирует исходный код для проекта, созданного в среде проектирования, с помощью платформы MCAF (Motor Control Application Framework), например motorBench.

Основу проекта составляет библиотека управления двигателем, которая позволяет реализовать требовательные по времени функции и взаимодействовать с периферийными устройствами при помощи контроллера dsPIC33. Предлагаемая экосистема, поддерживающая несколько макетных плат на основе dsPIC33, прекрасно подойдет для реализации ВУ широкого диапазона низковольтных и высоковольтных двигателей.

Выводы

Основной мотивацией перехода на бесщеточные двигатели является повышение энергоэффективности и дифференциации продукции. Использование комплексной экосистемы для разработки и управления СДПМ с ВУ, состоящей из специализированных контроллеров, плат для быстрого прототипирования и простого в использовании программного обеспечения, позволяет в еще большей мере снизить затраты на разработку, уменьшить количество используемых компонентов и значительно облегчить труд инженеров.

Литература

  1. TB3220 Sensorless Field-Oriented Control of Permanent Magnet Synchronous Motor (Surface and Interior) for Appliances with Angle-Tracking Phase-Locked Loop Estimator//ww1.microchip.com.
  2. motorBench Development Suite//www.microchip.com.
  3. Motor Control Design Resources//www.microchip.com.
  4. Motor Control Library//www.microchip.com.

MCA856

Добавить комментарий

Ваш электронный адрес не будет опубликован. Обязательные для заполнения поля помечены *

Оставить комментарий