PL227943B1 - Sposób estymacji spoczynkowego połozenia wirnika silnika synchronicznego z magnesami trwałymi PMSM IPM - Google Patents

Abstract

Sposób estymacji polegający na tym, że estymowany kąt położenia wirnika silnika PMSM o magnesach zagłębionych z enkoderem inkrementalnym jest wypracowywany na podstawie danych uzyskiwanych w cyklu 6 wymuszeń napięciowych za pomocą klasycznego falownika napięcia i uzyskanych informacji o osiąganych prądach w odpowiednich fazach i wartościach kąta położenia wirnika w chwili wymuszenia, a następnie na podstawie uzyskanych wcześniej charakterystyk prądu w funkcji kąta położenia wyznaczany jest skorygowany kąt estymowany Θskor z uwzględnieniem zmian kąta w czasie właściwego wymuszenia napięciowego. Wartość czasu trwania pojedynczego wymuszenia napięciowego tp zostaje ustalona eksperymentalnie tak, aby maksymalna wartość prądu fazowego w osiągana w kolejnych wymuszeniach napięciowych była na poziomie amplitudy prądu znamionowego silnika PMSM IPM i pozwalała na wyraźne ujawnienie się zjawiska nasycenia obwodu magnetycznego przynajmniej w jednej fazie. W celu zachowania stabilnych warunków wymuszenia wartość czasu tp jest korygowana odwrotnie proporcjonalnie w zależności od stosunku wartości chwilowej napięcia uDC w stosunku do jego wartości znamionowej UDCn.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób estymacji spoczynkowego położenia wirnika silnika synchronicznego z magnesami trwałymi PMSM o magnesach zagłębionych (IPM), w szczególności w układzie napędowym z enkoderem inkrementalnym.

Sterowanie silników z magnesami trwałymi o sinusoidalnej sile elektromotorycznej (PMSM), wymaga wymuszenia przepływu prądu przez uzwojenia silnika, zależnie od położenia wirnika przy ustalonym sposobie jego namagnesowania. Znany jest klasyczny układ zasilania silnika PMSM, gdzie uzwojenia stojana silnika są dołączone do 3-fazowego falownika napięcia, zbudowanego w oparciu o tranzystory. Falownik pozwala na wymuszenie napięcia i prądu o odpowiedniej orientacji względem położenia wirnika. Ze względu na budowę i właściwości silników PMSM w sterowaniu wykorzystuje się typowo układ współrzędnych związany z wirnikiem. Powszechnie stosowane układy sterowania w ymagają informacji o położeniu wirnika względem stojana. Może ona pochodzić bezpośrednio z zamontowanego czujnika położenia wirnika lub może ona zostać odtworzona na podstawie wybranej metody, np. bazującej na modelu matematycznym silnika. Zastosowanie czujnika położenia wirnika uniez ależnia działanie układu sterowania od niedoskonałości metody odtwarzania.

Stosowane są:

- enkodery absolutne (rozwiązanie droższe) lub

- enkodery inkrementalne z dwoma sygnałami zmiany kąta położenia oraz trzecim - sygnałem położenia zerowego (rozwiązanie tańsze).

W przypadku tego drugiego rozwiązania kąt położenia nie jest określony od chwili zasilenia układu sterowania do chwili pojawienia się pierwszego impulsu położenia zerowego w wyniku ruchu wykonanego przez wirnik. W większości przypadków w układach napędowych z silnikiem PMSM wyposażonych w enkoder inkrementalny wymagane jest więc wyznaczenie statycznego położenia wirnika przed uruchomieniem układu.

Sposób według wynalazku polega na tym, że statyczne położenie wirnika wyznacza się przez procedurę obejmującą cykl sześciu wymuszeń napięciowych wykonanych za pomocą 3-fazowego falownika napięcia przy podłączonym silniku PMSM, wykorzystując zjawisko zróżnicowania indukcyjności zastępczych silnika w osiach d i q oraz zjawisko nasycania obwodu magnetycznego silnika, przy czym w każdym wymuszeniu załączone są przez założony czas t_p dwa z trzech tranzystorów grupy dodatniej falownika (T1-T3) i jeden grupy ujemnej (T4-T6) lub jeden tranzystor grupy dodatniej (T1-T3) i dwa tranzystory grupy ujemnej (T4-T6), a w wyniku przyłożenia napięcia zasilania Udc do zacisków silnika następuje przepływ prądu, który po czasie t_p osiąga wartość zależną od kąta położenia wirnika, kolejność wymuszeń jest obojętna i przed każdym wymuszeniem napięciowym prądy silnika są zerowe, a na podstawie zmierzonych wartości i uzyskanych wcześniej charakterystyk prądów fazowych w funkcji położenia wirnika, wyznacza się estymowany kąt położenia Q_skor skorygowany o średnią arytmetyczną, odczytanych za pomocą enkodera inkrementalnego, położeń kątowych wirnika w chwilach właściwych wymuszeń napięciowych.

Czas załączenia tranzystorów ustala się tak, aby maksymalne wartości prądów osiągane przy wymuszeniach były na poziomie amplitudy prądu znamionowego silnika PMSM IPM i powodowałaby ujawnienie się zjawiska nasycenia obwodu magnetycznego przynajmniej w jednej fazie, przy czym w celu zachowania stabilnych warunków wymuszenia wartość czasu załączenia tranzystorów jest korygowana odwrotnie proporcjonalnie w zależności od stosunku wartości chwilowej napięcia zasilania falownika do jego wartości znamionowej.

Zaletą wynalazku jest fakt, że ewentualny ruch wirnika w czasie cyklu testowego jest korygowany w fazie wyznaczania estymowanego kąta położenia. Jest to podstawowa zaleta wynalazku w stosunku do podobnych metod znanych z literatury.

Przedmiot wynalazku przedstawiono na rysunkach, na których Fig. 1 przedstawia schemat połączeń układu napędowego z silnikiem synchronicznym z magnesami trwałymi PMSM oraz układem sterowania US, na Fig. 2 przedstawiono, wyidealizowane charakterystyki wartości prądów mierzonych Ia+, Ia_-, Ib+, 1b_-, 1c+, !c_-, położenia Θ dla typowego silnika z magnesami zagłębionymi, a na Fig. 3 wyznaczane charakterystyki wartości średnich dla każdej fazy j_A(AV), j_B(AV), j_C(AV) w funkcji kąta położenia Θ uzyskane na podstawie charakterystyk z Fig. 2.

Statyczne położenie wirnika jest wyznaczane przez procedurę obejmującą cykl sześciu wymuszeń napięciowych wykonanych za pomocą 3-fazowego falownika napięcia przy podłączonym silniku PMSM. Wykorzystywane jest w ten sposób znane zjawisko zróżnicowania indukcyjności zastępczych

PL 227 943 B1

T6 - wartość mierzonego prądu Ia- = i_a(t_G), wyłączone T5, T1, T3 - wartość mierzonego prądu Jb+ = ih(t_G),

T6 - wartość mierzonego prądu Ib. = ih(t_G),

T1, T2 - wartość mierzonego prądu Ic+ = i_c(t_G),

T5 - wartość mierzonego prądu Ic. = i_c(t_p), silnika w osiach d i q oraz zjawisko nasycania obwodu magnetycznego silnika. W każdym wymuszeniu załączone są przez założony czas t_G dwa z trzech tranzystorów grupy dodatniej falownika (T1-T3) i jeden grupy ujemnej (T4-T6) lub jeden tranzystor grupy dodatniej (T1-T3) i dwa tranzystory grupy ujemnej (T4-T6). W wyniku przyłożenia napięcia zasilania Udc do zacisków silnika następuje przepływ prądu, który po czasie te osiąga wartość zależną od kąta położenia wirnika. Po każdym wymuszeniu odczytywane są chwilowe wartości kąta położenia z enkodera oraz wartości prądów fazowych silnika PMSM, uzyskane w wyniku sześciu niezerowych wymuszeń napięciowych na uzwojeniach fazowych silnika, będące wynikiem załączenia trzech z sześciu tranzystorów 3-fazowego falownika napięcia według następującej sekwencji:

- załączone tranzystory T1, T5, T6, wyłączone T4, T2, T3 - wartość mierzonego prądu Ia+ = i_a(t_G), kąt ©a+

- załączone tranzystory T4, T2, T3, wyłączone T1, T5, kąt ©a.

- załączone tranzystory T2, T4, T6, kąt ©b+

- załączone tranzystory T5, T1, T3, wyłączone T2, T4, kąt ©b.

- załączone tranzystory T3, T4, T5, wyłączone T6, kąt ©c+

- załączone tranzystory T6, T1, T2, wyłączone T3, T4, kąt ©c.

przy czym tranzystory T1, T2, T3 należą do górnej grupy falownika, T4, T5, T6 do jednej grupy falownika, kolejność wymuszeń jest nieistotna i przed każdym wymuszeniem napięciowym prądy silnika muszą być zerowe. Po każdym załączeniu zespołu tranzystorów następuje cykl rozładowania prądu w indukcyjnościach silnika w celu uzyskania zerowych warunków początkowych przed następnym załączeniem. Wszystkie wartości kątów przedstawione w opisie są kątami elektrycznymi uwzględniającymi liczbę par biegunów silnika. Wartość kąta odzwierciedla przemieszczenie wirnika od chwili zasilenia układu sterowania, bowiem jego wartość początkowa jest ustawiona na zero. Impuls prądowy w czasie każdej próby może powodować ruch wirnika silnika zależny od momentu wytwarzanego przez silnik, momentów zaczepowych silnika i stabilizujących położenie oraz momentu oporowego na wale. Ewentualny ruch wirnika w czasie cyklu testowego jest korygowany w fazie wyznaczania estymowanego kąta położenia.

Na podstawie uzyskanych wcześniej charakterystyk wartości prądów fazowych w funkcji położenia wirnika (przykładowe pokazane na Fig. 2 i Fig. 3), wyznaczany jest estymowany kąt położenia ©skór skorygowany o średnią arytmetyczną odczytanych za pomocą enkodera inkrementalnego położeń kątowych w chwilach właściwych wymuszeń napięciowych.

Wartość czasu trwania pojedynczej próby t_G zostaje ustalona eksperymentalnie tak, aby maksymalna wartość prądu osiągana w wymuszeniach: Ja+, Ja., Jb+, Jb., Jc+, Jc., była na poziomie amplitudy prądu znamionowego silnika PMSM IPM i pozwalała na wyraźne ujawnienie się zjawiska nasycenia obwodu magnetycznego przynajmniej w jednej fazie. W celu zachowania stabilnych warunków wym uszenia wartość czasu t_G jest korygowana odwrotnie proporcjonalnie w zależności od stosunku wartości chwilowej napięcia _Udc w stosunku do jego wartości znamionowej U_DCn.

Claims (2)

1. Sposób estymacji kąta położenia spoczynkowego wirnika silnika PMSM o magnesach zagłębionych z enkoderem inkrementalnym, znamienny tym, że statyczne położenie wirnika wyznacza się przez procedurę obejmującą cykl sześciu wymuszeń napięciowych wykonanych za pomocą 3-fazowego falownika napięcia przy podłączonym silniku PMSM, wykorzystując zjawisko zróżnicowania indukcyjności zastępczych silnika w osiach d i q oraz zjawisko nasycania obwodu magnetycznego silnika, przy czym w każdym wymuszeniu załączone są przez założony czas t_G dwa z trzech tranzystorów grupy dodatniej falownika (T1-T3) i jeden grupy ujemnej (T4-T6) lub jeden tranzystor grupy dodatniej (T1-T3) i dwa tranzystory grupy

PL 227 943 B1 ujemnej (T4-T6), a w wyniku przyłożenia napięcia zasilania Udc do zacisków silnika następuje przepływ prądu, który po czasie tg osiąga wartość zależną od kąta położenia wirnika, kolejność wymuszeń jest obojętna i przed każdym wymuszeniem napięciowym prądy silnika są zerowe, a na podstawie zmierzonych wartości i uzyskanych wcześniej charakterystyk prądów fazowych w funkcji położenia wirnika, wyznacza się estymowany kąt położenia Q_skor skorygowany o średnią arytmetyczną, odczytanych za pomocą enkodera inkrementalnego, położeń kątowych wirnika w chwilach właściwych wymuszeń napięciowych.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że czas załączenia tg ustala się tak, aby maksymalne wartości prądów osiągane przy wymuszeniach były na poziomie amplitudy prądu znamionowego silnika PMSM IPM, powodując ujawnienie się zjawiska nasycenia obwodu magnetycznego przynajmniej w jednej fazie, przy czym w celu zachowania stabilnych warunków wymuszenia wartość czasu tg jest korygowana odwrotnie proporcjonalnie w zależności od stosunku wartości chwilowej napięcia _UDC do jego wartości znamionowej U_DCn.

PL 227 943 Β1