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, 18.12.2006 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 • Električni pogon – delovna sila današnjega časa. • Moderni pogoni so združitev motorja, močnostnega pretvornika in algoritmov vodenja. • Zahteve narekujejo razvoj modernih pogonov • Konstrukcijske rešitve - različne zgradbe motorjev • Enosmerni motorji, • Izmenični motorji, • Asinhronski, • Sinhronski, • SMTM z neizraženimi poli. • Hkraten razvoj na področju pretvornikov. • Vodenje izkorišča specifične lastnosti konstrukcije.

5. Uvod • Vodenje SMTM zahteva poznavanje mehanskega kota/orientacijo magnetnega sklepa trajnega magneta. • Zmanjšanje števila merilnikov • Rekonstrukcija le-tega je možna iz električnih statorskih veličin z uporabo naprednih metod. • Neobservabilnost omejuje področje delovanja. • Področje delovanja je v veliki meri odvisno od: • točnosti modela • izbrane metode • ujemanja merjenih veličin in parametrov

6. Magnetni sklep trajnega magneta Napetost na statorju Gibalna inducirana napetost Enačba gibanja Model SMTM z neizraženimi poli 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 (s) Stacionarni koordinatni sistem (a,b)

7. Navor SMTM z neizraženimi poli Proizveden navor V koordinatah MSTM: Največji proizveden navor: Fazni tok:

8. Brezsenzorsko vodenje hitrosti SMTM • - Vodenje brez dajalnika mehanskehitrosti in kota • - regulator toka v statorskih koordinatah • -opazovalnik magnetnega sklepa trajnega magneta – ni merilnika kota • enostavno vodenje • - ni mogoče slabljenje polja

9. Brezsenzorsko vodenje hitrosti SMTM • vodenje v koordinatah MSTM • zahtevan je transformacijski kot • omogoča slabljenje polja

10. Brezsenzorsko vodenje hitrosti SMTM • vodenje v koordinatah MSTM • ni potrebnega transformacijskega kota • omogoča slabljenje polja

11. Ob hitrosti nič je gibalna inducirana napetost enaka nič Ocenjevanje magnetnega sklepa trajnega magneta na osnovi gibalne inducirane napetosti pri hitrosti nič odpove 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

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

13. 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

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

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

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

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

18. Korekcija kota s pomočjo informacije Hallovega dajalnika Korekcija kota + začetni kot + hitrost nič + robustnost - ločljivost Korekcija amplitude

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

20. 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

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

22. Statična karakteristika pretvornika - Vpliv mrtvih časov - Trganje toka v področju majhnih tokov - Padci napetosti na stikalnih elemenih (123) Stacionarni koordinatni sistem (1,2,3)

23. Zaprtozančna linearizacija Povprečenje vejnih potencialov in linearizacija Princip delovanja

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

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

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

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

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 SMTM zahteva informacijo o orientaciji magnetnega sklepa trajnega magneta. • Opazovalniki lahko iz električnih veličin na statorju izločijo MSTM, kadar hitrost ni enaka nič. • Predstavljene strukture opazovalnikov so občutljive na pogreške parametrov: • pogrešek statorske induktivnosti v višjem frekvenčnem področju • pogrešek amplitude magnetnega sklepa trajnega magneta in pogrešek statorske napetosti • 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 z linearizacijo pretvornika • Vodenje ob hitrosti nič je izboljšano z vpeljavo dodatnega toka • Predstavljene rešitve so preverjene na eksperimentalnem sistemu

37. Hvala za pozornost!

38. Prispevki k znanosti • 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.

39. Transformacija v koordinate trajnega magneta Rotacija: Zapis kota: Transformacija s komponentami:

40. Inverzna transformacija iz koordinat MSTM Rotacija: Inverzna transformacija s komponentami:

41. Transformacija v koordinate magnetnega sklepa trajnega magneta Transformacija s komponentami: Realni produkt: Kompleksen produkt:

42. Tvorjenje dodatnega navora ob hitrosti nič

43. RSe=1.1RS Ted=0.5 Nm wc=8 rad/s Vpliv spremembe ojačanja Estimation Acuracy Frequency Rresponse Odstopanje Rse obremenjenega pogona povzroča pogrešek kota

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

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

46. Simulacije – adaptivni opazovalnik MSTM s korekcijo vpliva obremenitve Vpliv spremembe statorske upornosti

47. Simulacije – adaptivni opazovalnik MSTM s korekcijo vpliva obremenitve Vpliv amplitude magnetnega sklepa

48. Simulacije – adaptivni opazovalnik MSTM s korekcijo vpliva obremenitve Vpliv obremenitve

49. Korekcija amplitude+Hall Vklop pogona med vrtenjem we=70 rad/s