Brezsenzorsko vodenje sinhronskega motorja z opazovalnikom magnetnega sklepa trajnega magneta

1. Brezsenzorsko vodenje sinhronskega motorja z opazovalnikom magnetnega sklepa trajnega magneta Predstavitev doktorske disertacije Maribor, 21.11.2006 Evgen Urlep

2. Vsebina I. • Uvod • Model SMTM z neizraženimi poli • Izvedba vodenja v orientaciji polja • Določanje kota magnetnega sklepa trajnega magneta • Opazovalnik magnetnega sklepa trajnega magneta s korekcijo amplitude • Korekcija kota s pomočjo informacije Hallovega dajalnika

3. Vsebina II. • Adaptivni opazovalnik magnetnega sklepa trajnega magneta • Model in nelinearnosti pretvornika • Meritev napetosti na osnovi povprečenja vejnih potencialov • Meritev napetosti na podlagi meritev zakasnitev preklopov • Simulacije • Eksperimentalni rezultati • Zaključek

4. Uvod • Raziskave na področju načrtovanja in vodenja SMTM so še vedno intenzivne. • Vodenje SMTM zahteva poznavanje mehanskega kota/magnetnega sklepa trajnega magneta. • Rekonstrukcija le-tega je možna iz električnih na statorju ob pomoči modela motorja z uporabo ocenjevalnikov in opazovalnikov. • Neobservabilnost onemogoča uporabo v področju hitrosti nič za motorje brez izraženih polov. • Področje delovanja je v veliki meri odvisno od točnosti modela, izbranega ocenjevalnika in ujemanja merjenih veličin in parametrov

5. Model SMTM z neizraženimi poli Magnetni sklep trajnega magneta Stator je krožno in osno simetričen Cilindričenrotor s površinsko montiranimi magneti Ni upoštevanja nasičenja na statorju Razporeditev magnetov ne povzroča izraženosti Porazdelitev po kotu je sinusna Parametri so koncentrirani in neodvisni Napetost na statorju Gibalna inducirana napetost Enačba gibanja (s) Stacionarni koordinatni sistem (a,b)

6. Generiranje navora SMTM Proizveden navor V koordinatah MSTM: Največji proizveden navor: Ob hitrosti nič je gibalna inducirana napetost enaka nič Ocenjevanje magnetnega sklepa trajnega magneta pri hitrosti nič odpove

7. Vodenje ob hitrosti nič Pogrešek navora zaradi pogreška kota Dodaten tok povzroči dodaten navor ob pogrešku kota Pogrešek kota ob dodatnem toku Numerična rešitev v ostalih primerih

8. Brezsenzorsko vodenje SMTM - Vodenje brez mehanskega dajalnika hitrosti in kota - Regulator toka v statorskih koordinatah - Opazovalnik magnetnega sklepa trajnega magneta – ni merilnika kota - poenostavljena transformacija dq/ab

9. Določanje kota magnetnega sklepa trajnega magneta • Metode z upoštevanjem višjeharmonskih komponent • Metode na osnovi izraženih lastnosti motorja • Metode na podlagi inducirane napetosti • Ocenjevalniki • Opazovalniki motenj, Luenberger,razširjen Kalman, • modelno referenčni adaptivni sistemi (MRAS) • opazovalniki na osnovi nevronskih mrež, mehke logike

10. Opazovalnik magnetnega sklepa trajnega magneta s korekcijo amplitude Korekcija amplitude MSTM Opazovalnik na osnovi napetostne enačbe • + pasovna širina opazovalnika • + delovanje blizu hitrosti 0 • občutljiv na spremembe statorske upornosti • zahtevano je poznavanje začetnega pogoja

11. Analiza opazovalnika s korekcijo amplitude Model pogreška Prenosna funkcija: • pogrešek statorske napetosti • pogrešek statorske upornosti • pogrešek statorske induktivnosti • pogrešek referenčne amplitude magnetnega sklepa trajnega magneta

12. Analiza opazovalnika s korekcijo amplitude V področju nizkih frekvenc sledi referenčni amplitudi Vpliv pogreška referenčne amplitude magnetnega sklepa

13. Analiza opazovalnika s korekcijo amplitude Izrazit v področju višjih frekvenc Vpliv pogreška statorske induktivnosti

14. Analiza opazovalnika s korekcijo amplitude Najbolj izražen je v področju nizkih frekvenc Vpliv pogreška statorske napetosti

15. Analiza opazovalnika s korekcijo amplitude Najbolj izražen je v področju nizkih frekvenc Vpliv pogreška statorske upornosti

16. Korekcija kota s pomočjo informacije Hallovega dajalnika Korekcija kota Korekcija amplitude

17. Adaptivni opazovalnik magnetnega sklepa trajnega magneta - Osnovan na korekciji pogreška amplitude - Korekcija v smeri mag. sklepa trajnega magneta - Korekcija vpliva obremenitveje odvisna od toka

18. Vpliv pogreška statorske upornosti Pogrešek ocenjenega MSTM: Predpostavke: konstantna hitrost in obremenitev, id=0 - Vpliv na pogrešek ocenjenega magnetnega sklepa trajnega magneta - proporcionalen z obremenitvijo - vpliv je največji pri nizkih hitrostih

19. Model in linearizacija pretvornika Topologija trifaznega DC/AC pretvornika

20. Statična karakteristika pretvornika - Vpliv mrtvih časov - Trganje toka v področju majhnih tokov - Padci napetosti na stikalnih elemenih

21. Povprečenje vejnih potencialov in linearizacija Princip delovanja Zaprtozančna linearizacija

22. Meritev napetosti na podlagi meritev zakasnitev preklopov Princip delovanja Linearizacija

23. Simulacije – opazovalnik MSTM s korekcijo amplitude Vpliv spremembe statorske induktivnosti

24. Simulacije – opazovalnik MSTM s korekcijo amplitude Vpliv spremembe statorske upornosti

25. EAFR Simulacije – opazovalnik MSTM s korekcijo amplitude Vpliv obremenitve

26. EAFR Simulacije – opazovalnik MSTM s korekcijo amplitude Vpliv obremenitve id= 10 A

27. Simulacije – adaptivni opazovalnik MSTM s korekcijo vpliva obremenitve

28. Eksperimentalni sistem • Krmilnik bremena • Semikron • DSP-2 • Krmilnik pogona • MOSFET most • DSP-2 Pogon PMSM AMG6308 Un=48 V Pn=0.8 kW p=6 Rs=0.15 , Ls=237 H, PM=0.02 Vs Breme IM Un=24 V In=30 A p=2

29. Korekcija amplitude Rezultati – počasno reverziranje id=0 Tl=0.9 Nm

30. Korekcija amplitude+id Rezultati – počasno reverziranje id=0 Tl=0.9 Nm

31. Korekcija amplitude+Hall Rezultati – počasno reverziranje Z dodatno informacijo Hallovega dajalnika

32. Korekcija amplitude+Hall Rezultati – hitrost nič – vodenje navora Z dodatno informacijo Hallovega dajalnika

33. Adaptivni Rezultati - obratovanje brez korekcije vpliva obremenitve Pogrešek kota 0.1 rad Stacionarno obratovanje w=10 rad/s z obremenitvijo Tl=0.5 Nm

34. Adaptivni Rezultati – obratovanje s korekcijo vpliva obremenitve Zmanjšan pogrešek kota iz 0.1 rad na 0.05 rad Stacionarno obratovanje w=10 rad/s z obremenitvijo Tl=0.5 Nm

35. Zaključek • Vodenje PMSM zahteva informacijo o orientaciji magnetnega sklepa trajnega magneta. • Opazovalniki lahko iz električnih veličin izločijo mehanske veličine, kadar hitrost ni enaka nič. • Predstavljene strukture opazovalnikov so občutljive na pogreške parametrov: • pogrešek statorske induktivnost v višjem frekvenčnem področju • pogrešek amplitude magnetnega sklepa trajnega magneta • pogrešek statorske upornosti z obremenjevanjem

36. Zaključek • Občutljivost na spremembe parametrov je zmanjšana z vpeljavo dodatnih signalov: • korekcija kota na osnovi Hallovega dajalnika • zmanjšanje vpliva pogreškov zaradi obremenitve • Pogrešek napetosti je zmanjšan z merjenjem statorske napetosti/zakasnitev preklopov in kompenzacijo nelinearnosti pretvornika • Vodenje ob hitrosti nič ob omejenem kotnem pogrešku je izboljšano z vpeljavo dodatnega tokaid. • Predstavljene rešitve so preverjene na eksperimentalnem sistemu

37. Prispevki k znanosti • zapis variacije navora in magnetnega sklepa trajnega magneta in izvedba vodenja navora, • zasnova in analiza opazovalnika magnetnega sklepa, ki omogoča vodenje pri nizkih hitrostih, • analiza vplivov pogreškov merjenih signalov in odstopanj parametrov na obnašanje opazovalnika, • uporaba meritve statorske napetosti s povprečenjem vejnih potencialov v algoritmu vodenja, • izvedba kompenzacije nelinearnosti pretvornika na podlagi meritev dejanskih preklopov stikalnih elementov v pretvorniku, • razširitev delovnega področja vodenja na hitrost nič z vpeljavo korekcije kota v opazovalnik, pridobljene z meritvijo kota s Hallovim dajalnikom, • vpeljava dodatnega toka id in korekcija kota v področju nizkih hitrosti ob omejenem navoru bremena omeji nastali pogrešek ocenjenega kota in omogoča delovanje tudi ob hitrosti nič.

38. Hvala za pozornost!