Mechatronické systémy s elektronicky komutovanými motory

Transkript

1 Mechatroncké systémy s elektroncky komutovaným motory 1. EC motor Uvedený motor je zvláštním typem synchronního motoru nazývaný též bezkartáčovým stejnosměrným motorem (anglcky Brushless Drect Current - BLDC Motor nebo také Electrcally Commutated Motor - EC Motor) Motor konstrukčně přpomíná synchronní motor - stator je běžný, třífázový, rotor obsahuje permanentní magnety. Statorové vnutí, které je zapojeno do hvězdy, je napájeno obdélníkovým proudovým pulzy střídavé polarty vždy po dobu trvání 12 el. (v době mez komutacem současně vedou vždy jen 2 fáze). K napájení motoru se používá klascký napěťový střídač v zapojení třífázový můstek osazený nejčastěj IGBT tranzstory se zpětným dodam. Střídač pracuje buď s pulzně šířkovou modulací anebo je spínání tranzstorů odvozeno od hysterézního regulátoru proudu. Po pootočení rotoru vždy o 6 el. se proud přepíná do následujícího fázového vnutí statoru. Přepínání je řízeno v závslost na úhlové poloze rotoru pomocí šest polohových snímačů s Hallovým sondam, které jsou součástí stroje. Ty tvoří spolu s logckým obvody elektroncký komutátor. Tvar magnetcké ndukce ve vzduchové mezeře je přblžně obdélníkový, ndukované napětí v jednotlvých fázích nemá v důsledku seškmení statorových drážek č jného konstrukčního vlvu jž průběh obdélníkový, nýbrž lchoběžníkový (rovněž nazývaný trapézový) - vz obr. 1. s horní základnou (tj. s oblastí konstantního ndukovaného napětí a tedy ndukce ve vzduchové mezeře) odpovídající pólovému krytí β PM mnmálně 12 el. pro dobré momentové využtí stroje. Pro kladné a konstantní otáčky má ndukované napětí stejnou polartu (a tvar) jako dervace magn. toku podle úhlu natočení / (vz obr. 1.). Motor bývá vybaven rovněž AC tachogenerátorem pro otáčkovou zpětnou vazbu. Průběh napětí tohoto nejčastěj třífázového tachogenerátoru je obdobný jako ndukovaného napětí statoru stroje (obr. 1.). Výběrem ampltud jednotlvých fázových napětí elektronckým přepínačem, řízeným od polohy rotoru, získáme stejnosměrné napětí úměrné otáčkám, jehož polarta je závslá na směru otáčení motoru [Skalcký, 1994]. Prncp a vlastnost pohonu s tímto motorem jsou analogcké pohonu stejnosměrnému. Choulostvým místem tohoto pohonu jsou komutační ntervaly, kdy konstantního momentu lze dosáhnout pouze v případě, kdy součet proudů v komutujících fázích je konstantní [Skalcký, 1994]. Z tohoto důvodu jsou v současné době tyto servopohony, donedávna hojně používané pro posuvy obráběcích strojů, nahrazovány servopohony s harmonckým průběhem toků a proudů, kde je komutace fázových proudů plynulá a má menší nepříznvý vlv na rovnoměrnost otáčení. ΨPMa, ΨPMb, ΨPMc jsou složky magnetckého spřažení vytvořené permanentním magnety. Jsou to perodcké funkce s perodou 36 el., vzájemně posunuté o 12 el. (obr. 1. ukazuje průběhy jejch dervací podle úhlu natočení). Vntřní elektromagnetcký moment stroje je obecně dán výrazem [Skalcký, 1994] M = + PMa PMb e a b + c PMc 1

2 Matematcký pops stroje doplňuje pohybová rovnce M M J d Ω m - = dt e L c 1. úsek 2. úsek 3. úsek 4. úsek 5. úsek 6. úsek β PM PMa / (u a ) c e PMb / (u b ) PMc / (u c ) θ a a Průběh proudu př kladném momentu stroje a a c Průběh proudu př záporném momentu stroje Obr Průběh fázových hodnot /, ndukovaných napětí a dealzovaných proudů (bez komutace a PWM) u elektroncky komutovaného motoru θ elektrcká kruhová rychlost ω = d dt a ndukované napětí příslušné fáze u PM = ω 2

3 Za předpokladu, že β PM 12 a / je během tohoto ntervalu konstantní (jak je vdět na obr. 1.), můžeme položt PMa PMb = = c e Tuto hodnotu c e [Vs/rad] označujeme jako konstantu stroje rovnc pro moment stroje lze vyjádřt pomocí hodnoty proudu ss mezobvodu d. M = 2c e e d 2. Měnče pro napájení EC motoru Pro napájení EC motoru se používá napěťový střídač ve stejném zapojení jako např. pro asynchronní motor -. Řízení je ovšem provedeno - jak jž bylo řečeno v úvodu kap.1.- s programovatelným úhlem řízení 12, což znamená, že v úsecích mez dvěma komutacem vedou 2 fáze. Výstupní napětí U s ze střídače je tedy sdružené napětí mez svorkam motoru zapojeného do hvězdy. Ve střídač je spínací sgnál přveden vždy pouze na dvojc tranzstorů (spínání v obou polartách), přčemž polarta výstupního napětí v daném úseku úhlu θ závsí pouze na velkost výstupu z regulátoru proudu. Př pulzně šířkové modulac je regulátor proudu typu PI s výstupním napětím U r, které je komparováno s napětím ply U p, př použtí hysterézního regulátoru proudu je výstupem z regulátoru proudu sgnál U h. + VT1 VT3 VT5 U d VT4 VD1 VT6 VD3 VT2 VD5 a b c VD4 VD6 VD2 Obr. 2 Schéma zapojení napěťového střídače 3

4 3. Regulace pohonu s EC motorem Nejčastější regulační struktura regulace otáček je na obr. 3. [Skalcký, 1994]. Funkce je zřejmá z obrázku. Regulátor proudu R může být hysterézní nebo PI (a následně PWM). Co se týče snímání skutečné hodnoty proudu (ten by měl odpovídat momentu), je na obr. 3. uveden nejčastější způsob, kdy jsou snímány 2 fázové proudy a a. Logcký blok LOG 2 pak v závslost na tom, v kterém úseku úhlu θ se nacházíme (to vyhodnocuje výstup z logckého bloku LOG 1, který zpracovává údaje z Hallových sond), určí hodnotu skutečného proudu do regulátoru. 3~ R Ω * * Ω 1 m Ω m R Regulátor proudu u h (u r ) Řízení spínání (PWM) 6 MK LOG 2 sa sb M 3 LOG 1 Tacho Komutační čdlo Obr. 3. Struktura regulace otáček pohonu s elektroncky komutovaným motorem Z obr. 1. je zřejmé, že př zanedbání komutace je to pro θ = až 12 proud a, pro θ = 12 až 24 proud, pro θ = 24 až 36 proud. Z obr můžeme chápat momentotvorný proud dle tab. 1. (vč. úseků s uvažováním komutace). Úsek a a a - - a - Tab. 1. Momentotvorný proud 1 v jednotlvých úsecích úhlu θ Kromě výše uvedeného způsobu měření proudu se používají jné, např. se snímáním proudu d ve stejnosměrném mezobvodu [Boldea, 1999], anebo regulační struktura se třem regulátory proudu s měřením proudu ve všech třech fázích [Pskač, 1999]. Informace o skutečných otáčkách je získávána např. ze střídavého tachogenerátoru. Průběhy velčn na níže uvedených obrázcích (smulované průběhy) dokumentují chování regulačního obvodu, jako odezvu na žádané otáčky dle obr. 4. Pohon je nezatížený. 4

5 Obr. 4. Žádané otáčky Ω m [rad/s] Obr. 5. Skutečné otáčky Ω m [rad/s] Obr. 6.. Moment motoru M e [Nm] Obr. 7. Fázový proud a [A] Obr. 8. Fázový proud [A] Obr.9. Fázový proud [A] 5