PL226648B1 - Sposób korekcji pochodnych czasu narastania i czasu opadania prądu w procesie sterowania wysokoobrotowego silnika reluktancyjnego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób korekcji pochodnych czasu narastania i czasu opadania prądu w procesie sterowania wysokoobrotowego silnika reluktancyjnego oraz układ przeznaczony do realizacji tego sposobu, mający zastosowanie w elektrycznych urządzeniach napędowych.

Wyposażone w magnesy trwałe bezszczotkowe silniki prądu stałego posiadają najbardziej korzystny iloraz mocy wyjściowej w stosunku do masy silnika, z tego względu w wielu zastosowaniach zastępują one tradycyjne silniki indukcyjne.

Przykładowo, wyposażone w magnesy trwałe silniki hybrydowe są powszechnie stosowane w urządzeniach biurowych takich jak kserokopiarki i drukarki. Silniki reluktancyjne, nie zawierające magnesów trwałych, stanowią alternatywę dla hybrydowych silników prądu stałego. Dzięki wyeliminowaniu magnesów z części wirujących silnika reluktancyjnego możliwa jest znaczna poprawa niezawodności i trwałości, ponieważ wykonany z jednorodnego materiału magnetycznego wirnik silnika reluktancyjnego jest bardziej odporny na wysokie przeciążenia mechaniczne, podwyższoną temperaturę pracy oraz niekorzystne czynniki środowiskowe, takie jak zawilgocenie i zasolenie. Dodatkową korzystną właściwością silników reluktancyjnych jest możliwość wykorzystania głównych uzwojeń roboczych silnika do ustalenia położenia kątowego wirnika względem stojana. Dzięki temu możliwe jest wyeliminowanie enkoderów hallotronowych, co sprzyja dalszej poprawie niezawodności, ponieważ w bliskim otoczeniu wirnika nie ma wrażliwych na temperaturę elementów półprzewodnikowych. Jednakże detekcja położenia kątowego wirnika względem stojana za pośrednictwem uzwojeń roboczych nie zapewnia tej samej precyzji, co enkodery optyczne czy enkodery hallotronowe. Z tego względu prowadzi się prace badawcze mające na celu zwiększenie precyzji ustalania położenia wirnika za pośrednictwem elementów indukcyjnych. Tym bardziej, że silniki reluktancyjne są adresowane dla specyficznych urządzeń wymagających szczególnie wysokiego poziomu niezawodności, takich jak serwomechanizmy statków powietrznych, czy napędy elektrycznych pojazdów samochodowych.

Znany jest z amerykańskiego opisu patentowego nr US 6107772 (A), sposób sterowania przełączalnego silnika reluktancyjnego nie wymagający stosowania czujnika położenia wirnika. Sposób polega na tym, że po zapewnieniu odpowiedniej wartości prądu w uzwojeniu pierwszej fazy silnika w uzwojeniu drugiej fazy silnika mierzy się czas narastania prądu pomiędzy dwoma określonymi poziomami. Ponieważ czas narastania prądu jest proporcjonalny do indukcyjności fazy, to na tej podstawie ustala się położenie wirnika. Prądem roboczym zasila się więc uzwojenie pierwszej fazy, a w drugiej fazie przeprowadza się pomiar czasu narastania prądu na podstawie, którego otrzymuje się kolejne przedziały przewodzenia w fazach zgodnych z położeniem wirnika.

Znany jest także z amerykańskiego opisu patentowego nr US 5589751 sposób sterowania przełączalnego silnika reluktancyjnego, który polega na tym, że do kolejnych faz silnika załącza się impulsy napięcia i w każdej z tych faz oddzielnie mierzy się wartości pochodnych prądu, które porównuje, za pomocą komparatorów, z ustalonymi dla każdej fazy wartościami referencyjnymi. Otrzymane w wyniku porównań sygnały wykorzystuje się do sterowania łącznikami energoelektronicznymi w celu komutacji prądu pomiędzy uzwojeniami silnika.

Znany jest także z polskiego zgłoszenia patentowego nr P.396979 sposób bezczujnikowego sterowania wysokoobrotowego przełączalnego silnika reluktancyjnego oraz układ przeznaczony do bez-czujnikowego sterowania wysokoobrotowego silnika reluktancyjnego. Sposób sterowania polega na tym, że śledzi się szybkości zmian wartości prądu w uzwojeniu roboczym poprzez pomiary chwilowych wartości pochodnych prądu, a następnie porównuje się otrzymane wartości pochodnych prądu z ustalonymi granicznymi wartościami zadanymi. Jeżeli którakolwiek ze zmierzonych bezwzględnych wartości pochodnej prądu w uzwojeniu silnika jest mniejsza od odpowiadającej jej ustalonej zadanej wartości granicznej, to dokonuje się przełączenia uzwojeń roboczych silnika. Graniczne wartości dla pochodnej dodatniej Pdzad i Puzad pochodnej ujemnej są obliczane na podstawie przybliżonych zależności:

^Ud + ^k 2 I ω ^Puzad ~ ^k1 ^LWy

U_z - k_Ą I ω ^LWy

PL 226 648 B1 gdzie: k₁, k₂, k₃, k₄ - współczynniki proporcjonalności, I - uśredniona wartość prądu w zasilanym uzwojeniu, ω - chwilowa wartość prędkości obrotowej wirnika silnika, U_Z - wartość napięcia zasilającego uzwojenia silnika, UD - wartość spadku napięcia na diodzie.

W wymienionych rozwiązaniach wykorzystuje się efekt zmiany wartości indukcyjności uzwojenia w zależności od kątowego położenia wirnika względem stojana. Wartość indukcyjności uzwojenia najkorzystniej określa się poprzez pomiar szybkości narastania prądu w uzwojeniu. Zazwyczaj wykorzystuje się pomiar szybkości narastania i szybkości opadania prądu w uzwojeniu. W silnikach reluktancyjnych prąd zasilania uzwojeń roboczych zwykle jest stabilizowany metodą impulsową poprzez cykliczne załączanie uzwojenia i odłączanie od źródła napięcia stałego. Ta okoliczność sprawia, że do pomiaru wartości indukcyjności uzwojenia możliwe jest wykorzystanie już istniejących obwodów, które służą do stabilizacji prądu roboczego. Upraszcza to zasadniczo obwód sterujący i poprawia jego niezawodność, jednakże nieuchronna obecność stanów nieustalonych wynikająca z cyklicznego załączania i odłączania uzwojenia od źródła napięcia stałego powoduje silnie zniekształcenia przebiegów narastania i opadania prądu podczas procesu stabilizacji prądu zasilania. Ponieważ, z drugiej strony, w oparciu o szybkości narastania i opadania prądu w uzwojeniu roboczym silnika następuje wyznaczanie położenia kątowego wirnika względem stojana silnika, w celu określenia momentów komutacji uzwojeń roboczych, precyzyjne ustalenie optymalnych momentów komutacji, w oparciu o tę metodę, jest trudne do realizacji.

Istota sposobu korekcji pochodnych czasu narastania i czasu opadania prądu w procesie sterowania wysokoobrotowego silnika reluktancyjnego polega na tym, że symultanicznie z procesem wyznaczania wartości pochodnej czasu narastania oraz wartości pochodnej czasu opadania prądu dokonuje się korekcji bieżącej wartości pochodnej poprzez dobór wartości sygnału kompensującego proporcjonalnego do iloczynu aktualnej wartości prądu w uzwojeniu, prędkości obrotowej wirnika oraz co najmniej jednego dobieranego parametru stałego.

Układ przeznaczony do realizacji korekcji pochodnych czasu narastania i czasu opadania prądu w procesie sterowania wysokoobrotowego ma blok mnożący, którego wejścia połączone są z blokiem kontrolno-sterującym, blokiem parametrów stałych oraz poprzez filtr górno-przepustowy z rezystorem pomiarowym RP prądu roboczego silnika, natomiast wyjście bloku mnożącego połączone jest z blokiem wyznaczania pochodnej ujemnej prądu i, poprzez inwertor, z blokiem wyznaczania pochodnej dodatniej prądu.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania uwidoczniono na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia blokowy schemat układu sterującego silnikiem reluktancyjnym Fig. 2 i Fig. 3 przedstawiają przykładowe przebiegi czasowe sygnałów, odpowiednio przed korekcją Fig. 2 i po korekcji Fig. 3. Na obu rysunkach przebiegi prądu I oznaczono cyfrą 1, przebiegi pochodnej dodatniej prądu oznaczono cyfrą 2, natomiast przebiegi pochodnej ujemnej prądu oznaczono cyfrą 3.

Układ sterowania silnikiem reluktancyjnym według wynalazku ma blok kontrolno-sterujący 1, którego wejścia są połączone: pierwsze z wyjściem komparatora pochodnej dodatniej prądu 2; drugie z wyjściem komparatora pochodnej ujemnej prądu 3; trzecie z rezystorem pomiarowym chwilowej wartości prądu I; czwarte z wyjściem bloku kontroli prądu zasilania 8. Z kolei wyjścia bloku kontrolnosterującego 1 są połączone: pierwsze z wejściem bloku wyznaczania pochodnej dodatniej prądu 6; drugie z wejściem bloku wyznaczania pochodnej ujemnej prądu 7; trzecie z wejściem komparatora pochodnej dodatniej prądu 2; czwarte z wejściem komparatora pochodnej ujemnej prądu 3 oraz kolejne wyjście sterujące połączone do wejścia bloku rozdzielacza impulsów sterujących 9. Sygnał wyjściowy z bloku kontroli prądu zasilania 8 jest ponadto doprowadzony do bloku wyznaczania pochodnej dodatniej prądu 6, do bloku wyznaczania pochodnej ujemnej prądu 7, do bloku pamięci pochodnej dodatniej prądu 4, do bloku pamięci pochodnej ujemnej prądu 5 oraz do bloku rozdzielacza impulsów sterując ych 9. Wyjście bloku wyznaczania pochodnej dodatniej prądu 6 jest połączone z wejściem komparatora pochodnej dodatniej prądu 2 poprzez blok pamięci pochodnej dodatniej prądu 4, a wyjście bloku wyznaczania pochodnej ujemnej prądu 7 jest połączone z wejściem komparatora pochodnej ujemnej prądu 3 poprzez blok pamięci pochodnej ujemnej prądu 5. Ponadto blok wyznaczania pochodnej dodatniej prądu 6 ma drugie wejście, które jest połączone poprzez inwertor 13 z wyjściem bloku mnożącego 11. Wyjście bloku mnożącego 11 jest bezpośrednio połączone z drugim wejściem bloku wyznaczania pochodnej ujemnej prądu 7. Blok mnożący 11 posiada trzy wejścia: pierwsze jest połączone z blokiem parametrów stałych 12, drugie, poprzez filtr dolnoprzepustowy 10, z rezystorem pomiarowym R_P chwilowej wartości prądu I, natomiast wejście trzecie połączone z wyjściem bloku kontrolno-sterującego 1. Sygnał pomiarowy proporcjonalny do chwilowej

PL 226 648 B1 wartości prądu I jest doprowadzony również do wejścia bloku wyznaczania pochodnej dodatniej prądu 6 i do wejścia bloku wyznaczania pochodnej ujemnej prądu 7 oraz do wejścia bloku kontroli prądu zasilania 8, do którego doprowadzony jest również sygnał prądu zadanego I_zad. Blok rozdzielacza impulsów sterujących 9 ma sześć wyjść dla sygnałów wyjściowych sterującymi kluczami energoelektronicznymi T1, T2, T3, T4, T5 i T6 w obwodzie zasilania uzwojeń fazowych silnika. Pierwsze uzwojenie fazowe L1 przełączalnego silnika reluktancyjnego jest dołączone do anody diody D2 i klucza energoelektronicznego T2, a drugim końcem do katody diody D1 i klucza energoelektronicznego T1. Drugie uzwojenie fazowe L2 przełączalnego silnika reluktancyjnego jest połączone jednym końcem do anody diody D4 i klucza energoelektronicznego T4, a drugim końcem do katody diody D3 i klucza energoelektronicznego T3. Trzecie uzwojenie fazowe L3 przełączalnego silnika reluktancyjnego jest połączone jednym końcem do anody diody D6 i klucza energoelektronicznego T6, a drugim końcem do katody diody D5 i klucza energoelektronicznego T5. Klucze energoelektroniczne T1, T3, T5 i katody diod D2, D4, D6 są dołączone do źródła napięcia zasilającego U_Z, natomiast klucze energoelektroniczne T2, T4, T6 są połączone poprzez rezystor pomiarowy chwilowej wartości prądu R_P z ujemnym biegunem zasilania M oraz katodami diod D1, D2, D3.

Opis działania układu

Jeżeli sygnał zadający prąd lzad ma wartość większą od wartości napięcia na rezystorze pomiarowym R_P, która jest proporcjonalna do chwilowej wartości prądu mierzonego I, to sygnał wyjściowy bloku kontroli prądu zasilania 8 powoduje za pośrednictwem bloku kontrolno-sterującego 1 załączenie kluczy energoelektronicznych T1 i T2 lub T3 i T4 albo T5 i T6 w zależności od tego, które z uzwojeń fazowych L1, L2 czy L3 silnika ma zostać załączone do pracy. W wyniku tego uzwojenie odpowiedniej fazy zostaje załączone do napięcia zasilającego Uz, prąd płynący przez to uzwojenie zwiększa swą wartość. Sygnał proporcjonalny do wartości prądu I zostaje doprowadzony do pierwszego wejścia bloku wyznaczania pochodnej dodatniej prądu 6, natomiast do drugiego wejścia tego bloku jest doprowadzony, poprzez inwertor 13, sygnał wyjściowy bloku mnożącego 11. Blok mnożący 11 realizuje operację analogowego mnożenia sygnału proporcjonalnego do chwilowej wartości prądu I przetworzonego następnie za pośrednictwem filtra górno-przepustowego 10 oraz pierwszego sygnału proporcjonalnego do prędkości obrotowej wirnika ω i drugiego sygnału, otrzymanego z bloku parametrów stałych 12.

Wartość sygnału z bloku parametrów stałych 12 dobiera się w zależności od parametrów elektrycznych elementów wchodzących w skład obwodu prądowego, takich jak: suma rezystancji w obw odzie prądu I, na którą składają się między innymi, rezystancje kluczy energoelektronicznych, rezystora pomiarowego R_P, uzwojenia fazowego. W rezultacie, na wyjściu bloku wyznaczania pochodnej dodatniej prądu 6 pojawia się skorygowany sygnał pochodnej dodatniej prądu, który poprzez blok pamięci pochodnej dodatniej prądu 4 dołączony do komparatora pochodnej dodatniej prądu 2 jest porównywany z wartością progu odniesienia pochodnej dodatniej obliczoną w układzie kontrolno-sterującym 1, między innymi, na postawie bieżącej uśrednionej wartości prądu I, chwilowej wartości prędkości obrotowej ω i napięcia zasilającego Uz· Wzrost wartości prądu I w uzwojeniu silnika do górnego progu bloku kontroli prądu zasilania 8 powoduje zmianę jego sygnału wyjściowego. W wyniku tego, jeśli przykładowo do pracy było załączone uzwojenie L1, to klucz T1 zostaje otwarty i prąd tego uzwojenia płynąc w obwodzie utworzonym przez diodę D1 zmniejsza swą wartość. Podobnie jak w przypadku wzrostu wartości prądu, teraz przy jego zmniejszaniu się sygnał proporcjonalny do wartości prądu I zostaje dołączony do pierwszego wejścia bloku wyznaczania pochodnej ujemnej prądu 7, natomiast do drugiego wejścia tego bloku jest dołączony sygnał wyjściowy bloku mnożącego 11. Blok mnożący 11 realizuje operację analogowego mnożenia sygnału proporcjonalnego do chwilowej wartości prądu I, otrzymanego po procesie kondycjonowania tego sygnału przez filtr górno-przepustowy 10 przez sumę sygnałów: jednego proporcjonalnego do prędkości obrotowej wirnika ω i drugiego, otrzymanego z bloku parametrów stałych 12. W rezultacie, na wyjściu obwodu wyznaczania pochodnej ujemnej prądu 7 pojawia się skorygowany sygnał pochodnej ujemnej prądu, który poprzez blok pamięci pochodnej ujemnej prądu 5 doprowadzony do komparatora pochodnej ujemnej prądu 3 i jest porównywany z wartością progu odniesienia pochodnej ujemnej obliczoną w układzie kontrolnosterującym 1 między innymi na postawie bieżącej uśrednionej wartości prądu I oraz chwilowej wartości prędkości obrotowej ω i wartości spadku napięcia na diodzie (odpowiednio D1, D3 lub D5). Ostatnia zmierzona wartość sygnału pochodnej dodatniej zostaje zapamiętana w bloku pamięci pochodnej dodatniej prądu 4. Blok kontroli prądu zasilania 8 utrzymuje średnią wartość prądu załączonego do pracy uzwojenia na zadanym poziomie l_zad. przez załączanie i wyłączanie klucza energoelektroPL 226 648 B1 nicznego (odpowiednio T1 lub T3 lub T5) do momentu, w którym wartość jednej z pochodnych nie zmniejszy się poniżej odpowiadającego jej progu odniesienia. Wówczas następuje wyłączenie obu dotychczas pracujących kluczy energoelektronicznych i załączenie kluczy energoelektronicznych do kolejnego uzwojenia fazowego silnika wynikającego z przyjętej sekwencji wirowania. Następuje to, jak pokazano przykładowo na Fig. 2 i Fig. 3, na skutek obniżenia sygnału pochodnej ujemnej do wartości progu odniesienia. Efekty oddziaływania układu korygującego najłatwiej można zauważyć porównując przebieg pochodnej ujemnej, oznaczonej cyfrą 3 na Fig. 2 i Fig. 3. Widoczne na przebiegu tego sygnału (Fig. 2) przeregulowania, wskazane strzałkami, wynikają z różnicy między chwilowymi wartościami prądu pomiędzy dolnym i górnym progiem zadziałania bloku kontroli prądu zasilania 8. Jeśli wirnik silnika obraca się, na skutek wytwarzanego przez silnik momentu jak to pokazano na Fig. 2 i Fig. 3, to z przyrostem kąta jego obrotu następuje wzrost indukcyjności zasilanej fazy silnika, a więc w rezultacie zmniejszanie się pochodnej przepływającego przez nią prądu. Stąd też gwałtowny wzrost tej wartości, jaki można zaobserwować na Fig. 2, w omawianym przypadku pochodnej ujemnej prądu, ponad wartość zmierzoną w poprzednim cyklu pomiarowym nie ma w rzeczywistości miejsca i w rezultacie otrzymany sygnał tej pochodnej wymaga skorygowania, aby wyznaczana na jego podstawie wartość położenia wirnika względem stojana silnika była prawidłowa. Cały proces kluczowania prądu I przez blok kontroli prądu zasilania 8, kontrola skorygowanych wartości pochodnych prądu przez komparatory pochodnej ujemnej prądu 3 i pochodnej dodatniej prądu 2 powtarza się cyklicznie w każdym z załączanych do pracy, wynikających z przyjętej sekwencji wirowania, uzwojeń fazowych silnika.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób korekcji pochodnych czasu narastania i czasu opadania prądu w procesie sterowania wysokoobrotowego silnika reluktancyjnego, w którym procesy pomiaru szybkości narastania i opadania prądu w wybranym uzwojeniu silnika realizuje się synchronicznie z procesem kontroli prądu w tym samym wybranym uzwojeniu silnika, znamienny tym, że symultanicznie z procesem wyznaczania wartości pochodnej czasu narastania oraz wartości pochodnej czasu opadania prądu dokonuje się korekcji bieżącej wartości pochodnej poprzez dobór wartości sygnału kompensującego proporcjonalnego do iloczynu aktualnej wartości prądu w uzwojeniu, prędkości obrotowej wirnika oraz co najmniej jednego dobieranego parametru stałego.
2. 2. Układ przeznaczony do realizacji korekcji pochodnych czasu narastania i czasu opadania prądu w procesie sterowania wysokoobrotowego, znamienny tym, że ma blok mnożący (11), którego wejścia połączone są z blokiem kontrolno-sterującym (1), blokiem parametrów stałych (12) oraz poprzez filtr górno-przepustowy (10) z rezystorem pomiarowym R_P prądu roboczego silnika, natomiast wyjście bloku mnożącego (11) połączone jest z blokiem wyznaczania pochodnej ujemnej prądu (7) i, poprzez inwertor (13), z blokiem wyznaczania pochodnej dodatniej prądu (6).