Magas minőségi követelményeket kielégítő szinkronmotoros szervó hajtások Bakos Ádám 1/41
Tartalom Bevezetés Szinkrongépek vektoros leírása Szinkrongépek mezőorientált szabályozása Mezőorientált szabályozás megvalósítása beágyazott rendszerben Összefoglalás /41
Bevezetés Hajtások előfordulása - Az ipar szinte minden területén (szerszámgépek, robotok) - Háztartás - Gyógyászat - Szórakoztatóelektronika - Járműipar 3/41
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
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
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
Géptípusok Főbb géptípusok (motorok): Egyenáramú motorok Szinkronmotorok Aszinkronmotorok Reluktanciamotorok Léptetőmotorok - Az információelektronika fejlődésének köszönhetően ma már valamennyi típussal megvalósítható szervóhajtás 7/41
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
Szinkronmotorok felépítése Állórész Háromfázisú szimmetrikus tekercselés A tekercsek tengelyei térben 10 -kal elforgatva A tekercsek a légréskerület mentén egyenletesen elosztva 9/41
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 d Synchronous Motor - PMSM) B α 10/41
Szinkronmotorok felépítése - Indukált feszültség Négyszögmezős: trapéz alakú Szinuszmezős: szinuszos Az egyes fázisokban időben 10 -kal eltolva 11/41
Szinkronmotorok vektoros leírása Háromfázisú, hengeres forgórészű, állandómágneses szinkornmotor általános modellje 1/41
Szinkronmotorok vektoros leírása Egy tekercs áramtérvektora - A tekercs tengelyével egybeeső - Az áram előjelének megfelelő értelmű - Adott időpillanatban az áram nagyságával arányos hosszúságú B Háromfázisú tekercselés áramtérvektora - A három tekercs áramtérvektorának adott időpillanatban vett, összetartozó áramtérvektorainak vektoros összege A többi fázismennyiség térvektora hasnolóan értelmezhető 13/41
Szinkronmotorok vektoros leírása A térvektor értelmezése - pl. a forgórész indukált feszültsége B d α ψ p U p Forgó vektor A végpontja kört ír le 14/41
Szinkronmotorok vektoros leírása A térvektor mennyiségi leírása - A gép középpontjához rögzített komplex koordinátarendszerben - Az egyes fázistekercsekhez tartozó egységvektorok a komplex számsíkon: 1 a = e j10 a = e j40 - A háromfázisú mennyiségek térvektora: ( i + ai a i ) i = a b + c 3 u = ( ua + aub + a uc ) 3 ψ = ψ a + aψ b + a ψ c 3 ( ) 15/41
16/41 A térvektor számítása a fázismennyiségekből: - A térvektor komplex szám: - Az egységvektorok: - A térvektrok képzése (transzformáció): α ji β = i + i Szinkronmotorok vektoros leírása 3 1 j + = a 3 1 j = a 1 = c b a i i i i 1 1 3 α = c b i j i j ji 3 3 3 β ( ) β i α ji i i i c b a + = + + = 3 a a i ( ) c b a i i i i + + = 3 1 0
Szinkronmotorok vektoros leírása Háromfázisú, hengeres forgórészű, állandómágneses szinkornmotor matematikai modellje ψ u s m s = = = L i +ψ R 3 s s i s s + L s p e ψ i = s s jα di dt s 3 + ψ jωψ p ψ r = ψ p i s p sin ( ϑ ) p R s L s i s u s jωψ p 17/41
Szinkronmotorok vektoros leírása Nyomatékképzés - A forgórész állandómágnes és - az állórészáram áram által létrehozott mágneses tér kölcsönhatása - Függ: 3 m = ψ p i Állandómágnes fluxusa Állórész áramok nagysága és időbeli alakja Az ezeknek megfelelő két vektor által bezárt szög 18/41
Szinkronmotorok szabályozása Szabályozási, vezérlési módok - Sokféle, többek közt Hagyományos szinkron hajtás Mezőorientált szabályozású hajtás Hagyományos szinkron hajtás - Állórész: szimmetrikus háromfázisú (10 ) feszültségrendszer forgó mező - Összetapadt pólusrendszer - Nemlineáris, nem tud indulni, kieshet a szinkronból B s B r 19/41
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 0/41
Mezőorientált áramszabályozás Optimális nyomatékképzés: illesztett táplálással - Az áramvektor hossza és szöge úgy változik, hogy a nyomaték állandó és maximális legyen i ϑ p ψ p 3 m = ψ p i Az áramvektor állandó nagyságú körforgó vektor A pólusfluxusra merőlegesen = 90 ϑ p 1/41
Mezőorientált áramszabályozás Fizikai kép alapján i ψ p ϑ p /41
Mezőorientált áramszabályozás Az illesztett áramvektor - Szinuszmezős motor esetén Állandó nagyságú, körforgó fázisáramok szinuszosak, szimmetrikusak, időben 10 -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. 3/41
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 4/41
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 5/41
Négyszögmezős sz. hajtás A forgórész állandómágnes által létrehozott indukciómező légréskerült menti eloszlása négyszög alakú Az indukált feszültségek trapéz alakúak 6/41
Négyszögmezős sz. hajtás Az indukált feszültség vektora hatszöget ír le A nyomaték 3 m = ψ p i Itt célszerűbb a K géptényező vektorral m = 3 K i K = U p ω 7/41
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 8/41
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! 9/41
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
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 i aa Alapjel képző i a - Szabályozó u Motor α i 31/41
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 + L + dt d u p i U p ϑ p ψ p 3/41
Mezőorientált áramszabályozás Egy lehetséges megoldás blokkvázlata xy koordináta-rendszerben 33/41
Mezőorientált áramszabályozás Egy lehetséges megoldás blokkvázlata dq koordináta-rendszerben 34/41
Magasabb szintű szabályozások Eddig csak áramszabályozás nyomatékszabályozás (fordulatszám kialakul a terheléstől függően) Szögsebesség-szabályozás: kaszkád szabályozó ω ref - Szögsebességszabályozó m Motor + terhelés + mezőorientált áramszabályozás ω dω m mt = Θ + Dω dt Pozíciószabályozás: további külső hurok 35/41
Gyakorlati megvalósítás Beavatkozás - Háromfázisú feszültséginverter - Impulzus-szélesség moduláció Fázisonként Vektorosan - Teljesítménykapcsolók: pl. MOSFET, IGBT 36/41
Gyakorlati megvalósítás Érzékelés - Áram: fázisonként Sönt ellenállás Hall-elemes áramérzékelő - Szöghelyzet optikai, mágneses, sensorless (korlátokkal) abszolút, inkrementális - Fordulatszám analóg inkrementális jelek feldolgozása 37/41
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
Gyakorlati megvalósítás Példa: SZTAKI-ban fejlesztett hajtás 39/41
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
Köszönöm a figyelmet! 41/41