Studii privind modelarea şi simularea dinamică: sistemul de comandă motor – roată

1. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Studii privind modelarea şi simularea dinamică: sistemul de comandămotor – roată Etapa II Mai 2007

2. Prezentare generala a structurii sistemului de propulsie Implementarile sistemului de control Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Precizări privind structura vehiculului

3. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Proiectarea şi realizarea unei structuri portante noi Folosirea unui automobil existent Soluţia prezintă următoarele avantaje: Dispunem de un vehicol construit conform normelor în vigoare, capabil să transporte în condiţii de siguranţă şi confort două persoane; Proiectarea şi execuţia modificărilor pentru dispunerea traţiunii electrice sunt de mai mică amploare şi pot servi drept experienţă pentru transformarea unui automobil clasic în unul electric. Aceste activităţi se încadrează în obiectivele prezentului contract; Cheltuielile pentru achiziţia şi modificarea automobilului existent se reduc la jumătate; Etapa 2 Alegerea structurii portante

4. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Impactul asupra utilizatorilor este mare, deoarece se prezintă un automobil electric, care poate circula pe drumurile publice pe baza unei omologări individuale; Alegerea judicioasă a automobilului existent poate mări interesul pentru aplicarea practică a rezultatelor cercetării. Se propune ca pentru aplicarea tracţiunii electrice să se folosească un autoturism MATIZ, de pe care s-au îndepărtat următoarele componente: grupul convenţional motor-transmisie; radiatorul; rezervorul de combustibil; acumulatorul electric; perna şi spătarul pentru locurile din spate. Etapa 2

5. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Puntea din faţă precedentă fără grupul convenţional motor-transmisie Etapa 2

6. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Descrierea modulului de putere Etapa 2 Modelarea şi simularea numerică a regimului dinamic pentru maşina de curent continuu

7. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Comanda PWM S-au realizat 4 strategii de comandă dintre care ultimele 2 sunt originale. Strategia PWM 1 Strategia PWM 2

8. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Comanda PWM - Rezultate ale simulărilor PWM 1 PWM 2

9. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Comanda PWM - Rezultate ale simulărilor PWM 3 PWM 4

10. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Comanda numerică a maşinii de curent continuu

11. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Rezultate ale simulării comenzii numerice PWM 1 PWM 4

12. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Rezultate ale simulării comenzii numerice PWM 1 PWM 3

13. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Concluzii Strategiile propuse de membrii echipei PWM-3 şi PWM-4 sunt de tip unipolar cu trei niveluri de tensiune şi prezintă o frecvenţă aparentă de comutaţie egală cu dublul frecvenţei de comutaţie a dispozitivelor semiconductoare. Aceste avantaje conduc la reducerea ondulaţiilor curentului şi a pierderilor prin motorul de curent continuu cu magneţi permanenţi.

14. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Dimensionarea modelului experimental pentru motorul de curent continuu şi predeterminarea caracteristicilor acestuia Determinarea specificaţiilor

15. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Utilizarea unui motor de curent continuu cu o nouă construcţie Construcţia sistemului perii colector

16. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Particularităţi privind funcţionarea motorului de curent continuu ales Se fac aici câteva precizări care explică deosebirile fundamentale între un motor de curent continuu în construcţie clasică şi cel considerat în acest proiect: • Motorul de curent continuu clasic are un număr de căi de curent în paralel egal cu doi pentru motorul cu înfăşurare ondulată şi egal cu numărul de poli pentru cel cu înfăşurare buclată (la ordin de multiplicitate unitar), însă fiecare secţiune are cel puţin trei secţii în serie. Când o secţie comută, curentul pe calea de curent rămâne cvasiconstant, după cum şi tensiunea electromotoare la bornele unei căi de curent este cvasiconstantă la viteză de rotaţie constantă, încât se poate considera că la motorul de curent continuu în construcţie clasică avem de a face cu un curent cvasiconstant, atât la bornele motorului cât şi pe fiecare cale de curent în parte (desigur, la sarcină constantă);

17. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 • Motorul utilizat în acest proiect are un număr de căi de curent în paralel egal cu numărul de perechi de poli magnetici, dar fiecare cale este constituită dintr-o singură bobină. Curentul prin fiecare bobină, precum şi tensiunea electromotoare sunt permanent variabile, dar curentul în circuitul de intrare în motor este cvasiconstant la sarcină constantă. În funcţie de configurarea relativă dintre lăţimea periei, lăţimea lamelei active a colectorului şi lăţimea izolaţiei dintre două lamele active pot fi următoarele situaţii: un număr de bobine conectate în paralel, iar celelalte bobine în serie şi conectate în paralel cu primele, sau un număr de bobine conectate în paralel, iar celelalte în serie şi conectate în scurtcircuit. Se preferă situaţia a doua pentru evitarea apariţiei cuplurilor de frânare în condiţiile în care secţiile în serie ar fi alimentate de la sursa de c.c. • Motorul de curent continuu în construcţie clasică este o maşină electrică reversibilă, în sensul că poate funcţiona şi ca generator întrucât tensiunea electromotoare a oricărei căi de curent este practic aceeaşi;

18. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 • Motorul utilizat în acest proiect are tensiuni electromotoare diferite pe bobine, astfel că nu se poate utiliza ca generator. Din acest motiv, nu are sens noţiunea de tensiune electromotoare decât pe fiecare bobină pentru acest tip de motor, iar utilizarea sa fără o sursă de curent continuu la borne ar conduce la generarea unor curenţi de circulaţie între secţiile motorului; motorul se caracterizează pur şi simplu doar prin ceea ce defineşte utilitatea sa – cuplul electromagnetic, acesta fiind şi parametrul urmărit pe parcursul dimensionării motorului; • Motorul de curent continuu în construcţie clasică poate funcţiona într-o gamă largă de variaţie a parametrilor: tensiune de alimentare; curent absorbit; viteză de rotaţie; • Motorul utilizat în acest proiect funcţionează restricţionat în raport cu parametrii de mai sus, însă specificul construcţiei permite să se dezvolte parametri energetici de excepţie în comparaţie cu motorul de curent continuu clasic, ceea ce îl recomandă pentru aplicaţia din cadrul proiectului.

19. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Modelul matematic al motorului

20. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Dimensionarea modelului experimental al motorului de curent continuu Secţiune axială prin motor

21. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Liniile câmpului magnetic pentru un curent total absorbit de 1 A

22. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Predeterminarea caracteristicilor de funcţionare ale modelului experimental pentru motorul de curent continuu a) b) Caracteristica de reglaj a) funcţionare la cuplu util constant de 80 Nm (nominal) b) funcţionare la cuplu util constant de 120 Nm

23. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 a) b) Funcţionare la tensiune de alimentare constantă de 66 V (nominală) a) carateristica puterilor (Pa este puterea absorbită, Pu este puterea utilă) b) caracteristica cuplului

24. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 a) b) Funcţionare la tensiune de alimentare constantă de 66 V (nominală) a) carateristica vitezei în sarcină b) caracteristica randamentului

25. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Studiul damicii ansamblului motor – roată utilizând motorul de curent alternativ Modelul matematic al motorului sincron cu magneţi permanenţi (PMSM)

26. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Modelul matematic al invertorului trifazat de tensiune Schema de principiu a invertorului trifazat în punte Circuitul echivalent pentru invertorul trifazat în punte, alimentând o sarcină trifazată în conexiune stea

27. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Relaţii între tensiunile de ieşire ale invertorului şi tensiunile de fază ale sarcinii: Utilizarea funcţiei de comutaţie pentru modelarea invertorului

28. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Diagrama bloc a modelului ansamblului invertor – motor de c.a.

29. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Influenţa timpului mort asupra tensiunii de ieşire a invertorului Efectul introducerii timpului mort asupra tensiunii de ieşire Efectul timpului mort în cadrul funcţionării unui invertor se reflectă prin distorsionarea valorii medii-instantanee a tensiunii de ieşire. Printre efectele secundare ale timpului mort asupra funcţionării unui invertor se enumeră: apariţia armonicilor de frecvenţă joasă la ieşirea invertorului; reducerea amplitudinii componentei fundamentale a curentului la ieşire.

30. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Simularea numerică a ansamblului invertor–motor Modelul Simulink al motorului PMSM

31. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Modelul Simulink al invertorului cu considerarea timpului mort

32. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Pornire, mers la viteză nominală până la t = 0.25 sec, şi apoi frânare până la oprire. Ciclul de mişcare este efectuat în gol Pornire şi mers în gol la viteza nominală, urmată de reversare de sens

33. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Studiul şi dimensionarea sistemului de comandă de curent continuu • Convertizorul static poate funcţiona în două moduri: • Chopper de curent continuu în patru cadrane pentru acţionarea de c.c.; se asigură regimului dinamic de frânare pe rezistenţă atunci când nu sunt îndeplinite condiţii de recuperare a energiei. • b) Convertizor static de frecvenţă pentru alimentarea cu tensiune şi frecvenţă variabilă a motorului sincron. • Comanda de reglare a cuplului se face în cazul ambelor moduri, de la distanţă, de la un traductor de pedală de acceleraţie sau de frână. • Pe baza celor discutate s-a dedus caietul de sarcini.

34. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Studiul şi simularea numerică a sistemului de supervizare tracţiune roţi Modelul vehiculului cu tracţiune independentă la roţi Modelul de tracţiune al vehiculului

35. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Modelul cinematic al virajului la automobilul cu două punţi Modelul cinetic al automobilului cu două punţi în viraj vint = vC = v*R/(R-B/2) vext = vD = v*R/(R+B/2)

36. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Regimuri speciale ce pot fi implementate prin control numeric de supervizor Modelul este un model cinematic. Mărimile de intrare sunt: - viteza vehiculului, care se presupune constantă, impusă din exterior; - unghiul dorit al volanului, care variază în timpul simulării; - poziţia iniţială a maşinii, dată de coordonatele x0, y0. Pe baza acestor date, se calculează viteza roţilor şi unghiul real al vehiculului, precum şi traiectoria vehiculului.

37. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Schema blocului de calcul al coordonatelor Subsistem simulare vehicul

38. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Simularea evoluţiilor vitezelor la roţi Viteza ideală şi cea reală a roţii dreapta faţă Viteza ideală şi cea reală a roţii stânga faţă

39. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Simularea diferenţelor de traiectorie dintre vehiculul real şi cel ideal Variaţia unghiului volan pentru constanta T = 300ms Variaţia unghiului volan pentru constanta T = 500ms

40. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Traseul vehiculului ideal în planul (x0y)

41. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Regimul de control al vitezei vehiculului Relaţiile folosite sunt cele deja prezentate anterior, dar reproduse aici pentru unitatea prezentării: - regulatorul (PI) de viteza are funcţia de transfer: - amplificatorul (chopper-ul) s-a simulat ca un element de întârziere cuT = 100 ms. - cuplurile roţilor sunt jumătate din cuplul total:

42. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 - curenţii prescrişi în motoarele roţilor sunt: unde km este constanta de cuplu care poate fi exprimată în raport cu fluxul magnetic pe un pol - pentru obţinerea curenţilor reali s-au folosit blocuri de întarziere de ordinul I (T=300 ms). - acceleraţia se determină cu expresia: unde m este masa vehiculului, iar R este raza roţii. - viteza reală este dată de relaţia de definiţie:

43. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Rezultatul simulării în bucla de viteză de formă variabilă Rezultatul simulării în bucla de viteză cu referinţă treaptă

44. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Rezultate ►Capitolul II 0 În acest capitol: ● s-a precizat structura sistemului de comandă şi control. ●s-a precizat structura vehicolului pe care urmează să fie montate motoarele. ●s-a hotărât montarea motoarelor pe puntea din faţă. Alegerea efectuată a permis determinarea dimensiunilor de gabarit pentru un motor. ►Capitolul II 1 În acest capitol: ● s-a hotărâtutilizarea aceluiaşi convertor static: punte trifazată cu şase braţe, care prin comandă poate fi utilizată ca chopper sau invertor. ●s-a simulat funcţionarea în regim dinamic în ipoteza controlului vitezei, respectiv a cuplului (curentului).

45. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 ●s-a elaborat şi implementat modelul matematic al ansamblului motor de cc – chopper şi s-au analiza patru strategii de comandă PWM. ●s-a hotărât utilizarea controlului de cuplu şi s-a adoptat strategia de comandă corespuzătoare. ►Capitolul II 2 În acest capitol: ●s-au determinat datele nominale necesare pentru proiectare motorului de cc. ●s-a hotărât utilizarea unui motor de cc care are o construcţie inedită. ●s-au prezentat particularităţile în funcţionare ale acestui motor şi modelul matematic. ●s-a dimensionat motorul în condiţiile de gabarit impuse. ●s-a realizat proiectul tehnic. ●s-au predeterminat caracteristicile de funcţionare.

46. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 ►Capitolul II 3 În acest capitol: ●s-a hotărât utilizarea unui motor sincron cu magneţi permanenţi. ●s-a elaborat modelul matematic al ansamblului motor – roata - convertor static. ●s-a simulat funcţionarea ansamblului pentru a testa modelul. ►Capitolul II 4 Pe baza datelor nominale impuse motoarelor s-au ales modulele de forţă ale covertorului şi s-a elaborat un caiet de sarcini pentru acesta. ►Capitolul II 5 În acest capitol: ●s-a prezentat rolul sistemului de supervizare al roţilor, atât pe traiectorie liniară, cât şi în curbă. ●s-a prezentat structura unui sistem de supervizare în ipoteza că se controlează viteza, respectiv cuplul şi s-a simulat funcţionarea unui asemenea sistem.

47. Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2 Alte rezultate: S-a prezentat o lucrare ştiinţifică la o conferinţă internaţională: C. Cepişcă, S.D. Grigorescu, M. Covrig, H. Andrei, “About the Efficiency of Real Time Sequences FFT Computing”, Proceedings of the “2007 IEEE Workshop on Design and Diagnostics of Electronic Circuits and Systems”, April 11-13, 2007, Krakov, Poland, pg. 211-214