VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ ŘÍZENÍ TROJFÁZOVÉHO ASYNCHRONNÍHO MOTORU

Transkript

1 VYOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BNĚ BNO UNIVEITY OF TECHNOLOGY FAKULTA TOJNÍHO INŽENÝTVÍ ÚTAV MECHANIKY TĚLE, MECHATONIKY A BIOMECHANIKY FACULTY OF MECHANICAL ENGINEEING INTITUTE OF OLID MECHANIC, MECHATONIC AND BIOMECHANIC ŘÍZENÍ TOJFÁZOVÉHO AYNCHONNÍHO MOTOU CONTOL OF THEE-PHAE AYNCHONOU MOTO DIPLOMOVÁ PÁCE MATE' THEI AUTO PÁCE AUTHO VEDOUCÍ PÁCE UPEVIO Bc. JAN NEKVAPIL Ing. Bohul Klía, Ph.D. BNO 009 1

2

3 3

4 4

5 Anotace Tato práce pojednává o návrhu a pleentac algortu řízení asynchronního otoru poocí procesoru DP56F807 od výrobce Freescale. Je zde řešen koplexní návrh, jak aplkovatelného algortu řízení, tak vhodného propojení s procesore a vnější koponenty. Nedílnou součástí je nalezení vhodných výkonových prvků polovodčového ěnče a vhodné sníače. Annotaton Ths theses concern proposal and pleentaton asynchronous otor control algorth n the processor DP56F807 fro the anufacturer Freescale. The coplex desgn of applcable control algorth and sutable nterconnecton wth processor and outer coponent s solved n ths work. Integral part s also choosng of sutable power eleents of nverter and sensors. Klíčová slova: řízení AM, vektorové řízení, DP56800, odulace prostorového vektoru Keywords: AC otor control, vector control, DP56800, pace Vektor Modulaton 5

6 Čestné prohlášení o původnost práce Prohlašuj, že tato práce není plagáte jné práce. Tuto prác jse vypracoval saostatně na základě rad a doporučení ého vedoucího dploové práce. Všechny použté zdroje a popřípadě ctace jsou řádně uvedeny, jak je zvyke. V Brně dne Jan Nekvapl Poděkování Chtěl bych poděkovat Ing. Bohulov Klíov, Ph.D., za jeho odborné vedení, podnětné přpoínky, pevné nervy př konzultacích é dploové práce a za pooc př orentac v dané probleatce. Děkuj také vše tě, kteří ně jakýkolv způsobe poohl se psaní této práce. 6

7 Obsah 1 Zadání probléu Úvod Cíl práce...4 Asynchronní otor Prncp čnnost AM...6. Mateatcký odel AM Vektorové(koplexní) vyjádření AM odelu ynchronně rotující systé αβ taconární systé dq Náhradní odel (schéa) AM truktura ěnče střídavých pohonů Dgtální řízení střídače Napětí ve střídač Modulace prostorového vektoru (VM pace Vektor Modulaton) Výběr výkonové část pohonu Usěrňovač ěnče tejnosěrný ezobvod ěnče Řízení AM kalární řízení Vektorové řízení Řídící systé a regulace enzory níač napětí níač proudu níač otáček Úprava ěřítka fyzckého sgnálu Procesor DP56800 a jeho archtektura Funkční jednotka ALU (Arthetc logc unt) Funkční jednotka AGU (Address generate unt) Funkční jednotka Progra Control a nastavení přerušení Unverzální porty GPIO Hardwarový generátor PWM A/D převodník Ter (časovač/čítač) Dekodér nkreentálního čdla Návrh ěřítek v aplkační algortu Poěrné jednotky (per-unt) Artetka s desetnnou čárkou Určení rozsahu proudu Určení napěťového rozsahu Určení rozsahu otáček Určení rozsahu agnetckého toku Časté úpravy ěřítek v rovncích (úprava konstant)

8 7.8 Úprava ěřítka konstant v rovnc rotorového toku Noralzování konstant v desetnné artetce PI regulátor Probleatka návrhu algortu Řešení rutn Řešení bloku rotorového toku Řešení bloku natočení os systéu Řešení algortu VM Návrh ěření nkreentálního čdla Návrh ěření A/D převodníku Závěr Výsledky ezna použté lteratury ezna použtých sybolů Příloha...70

9 1 Zadání probléu V celé řadě technckých oblastí se využívají pro pohon asynchronní stroje. Z důvodu jejch spolehlvost, konstrukční jednoduchost a ceny. Problée asynchronních otorů je jejch nelneární ateatcký odel a s tí souvsející netrvální etody řízení. Cíle je vytvořt odel otoru v MATLAB/IMULINK a následně aplkovat a sulovat etodu vektorově orentovaného řízení. Předpokládá se návrh řízení v MATLAB se zohlednění pleentace algortu do konkrétního kroprocesoru včetně artetky s pevnou řádovou čárkou. Za títo účele je nutné provést rovněž výběr koponent výkonového ěnče výkonových polovodčových prvků, sníačů a jejch přpojení k kroprocesoru. 1.1 Úvod Nejčastěj používané elektrcké otory řádově pro výkony jednotek až desítek kw jsou třífázové asynchronní otory. Používají se pro výtahy, ventlátory, čerpadla, jeřáby apod. Asynchronní otory jsou nejčastěj s kotvou na krátko (klecový rotorový vnutí), éně časté jsou pak kroužkové asynchronní stroje.typu kroužkového (s vnutý rotore) a nebo s klecový rotorový vnutí. Oprot ostatní elektrcký otorů jsou výrobně velce jednoduché a tí páde cenově výhodné. Také ají vysokou provozní spolehlvost s nízký požadavky na údržbu. Dříve se používalo řízení poocí zěny napájecího napětí statoru, přepínání počtu pólů a přepínání hvězda-trojúhelník. Dnes se s výhodou využívá polovodčových ěnčů a otor se řídí zěnou frekvence. Progresvní vývoj frekvenčních ěnčů v posledních letech uožnl využtí asynchronních strojů ta, kde dříve donovaly stejnosěrné stroje. Asynchronní otor napájený z frekvenčního ěnče je ožné řídt v šroké rozsahu rychlost od nuly až na několkanásobek jenovtých otáček př snížené oentu. Oezující faktore je pak saotná konstrukce otoru a odstředvé síly v rotujících částech. V ěnčích bývají pleentovány nejčastěj dva typy řídcích algortů: tzv. skalární řízení nebo vektorově orentované řízení. kalární řízení je používané pro aplkace éně náročné na dynaku (pohony ventlátorů, čerpadel apod.). Vektorově orentované řízení je pak používané v aplkacích s vysoký nároky na dynaku pohonu předevší v autoatzovaných výrobních procesech. Typ zvoleného řízení á vlv na rychlostní zěny otáček čl dynaky otoru. Dynaku otoru ovlvňuje také oezení ax. proudu ěnče. Pokud potřebujee z důvodu oezení poháněného echanzu regulovat nárůst otáček el. otoru, ůžee nárůst otáček přesně specfkovat a nebo ůžee udržovat echanzus v konstantních otáčkách bez ohledu na zatížení pohonu, až do úrovně proudového oezení. Frekvenční ěnč ůže zároveň sloužt jako dagnostcký prvek, protože ěří proud vnutí otoru a výkon dodávaný z nebo vracený do napájecí sítě. Pokud ěnč a/nebo otor obsahuje teplotní sníač, lze vyhodnott přehřátí otoru nebo ěnče a oezt příkon do otoru nebo ho př krtcké teplotě vypnout. 3

10 Pro řízení elektrckých pohonů je nabízena šroká řada kroprocesorů na různých platforách a s různý výpočetní výkone. Od obecných kroprocesorů se lší předevší vybavení perferní obvody: sofstkovaný generátory PWM pro spolehlvé řízení tranzstorových ěnčů, A/D převodníky na čpu kroprocesoru, specální čítač pro zpracování sgnálů z nkreentálních polohových čdel. Z hledska výpočetního výkonu se do oblast elektrckých pohonů rozšířly 16btové kroprocesory s pevnou řádovou čárkou s ožností použtí tzv. zlokové artetky. V současnost se do řady aplkací prosazují také 3 btové kroprocesory jak s pevnou tak s plovoucí řádovou čárkou. Mez nejznáější výrobce patří: Freescale, Texas Instruents, Analog Devces, Mcrochp, atd. 1. Cíl práce Cíle práce je seznát se se základní algorty řízení asynchronních otorů a jejch pleentací v kroprocesorech. Pro dploovou prác bylo zvoleno vekotorově orentované řízení. Zvolenou etodu řízení navrhnee pro pleentac do kroprocesoru s jádre od fry Freescale. 4

11 Asynchronní otor Asynchronní otory jsou vůbec nejpoužívanější elektrcké stroje pro pohony různých průyslových strojů, vzhlede ke své jednoduchost a díky tou cenové dostupnost. Hlavní konstrukční část každého elektrckého stroje jsou stator a rotor. tator (pevná část) je často tvořena odltke s válcovou dutnou a uzavřen z obou stran ložskový štíty. Na statorové konstrukc jsou obvykle uístěny svorkovnce pro trojfázové přpojení sítě, na které jsou vyvedeny konce statorových vnutí. Vnutí jednotlvých fází jsou prostorově pootočeny o 10. tatorové vnutí je uloženo v drážkách složených plechů a plechy jsou uvntř statorové konstrukce. otor je tvořen hřídelí s ložsky, která jsou uložena v ložskových štítech. Mez ložsky rotoru je uloženo vnutí v drážkách rotorového svazku složeného z plechů. Mez statore a rotore je vzduchová ezera. Vz řez otoru Obr. 1.Typ konstrukčního uložení vnutí na rotoru ná rozděluje AM na dva typy. U jednoho typu jsou vnutí rotoru uložena v obdobných drážkách ze slsovaných plechů (stejně jako u statoru) a s vyvedený třífázový vnutí na sběrné kroužky rotoru. Tento typ se nazývá asynchronní stroj s kroužkovou (vnutou) kotvou. Častější type bývá asynchronní stroj s kotvou nakrátko (klecový). Vnutí rotoru je tvořeno nejčastěj hlníkový nebo ěděný tyče uložený v drážkách rotorových plechů. Tyto tyče jsou spojeny z obou stran tzv. kruhy na krátko. Vytvoří ná uzavřené vnutí nebol uzavřenou klec. V obou dvou případech jsou jednotlvá rotorová vnutí pootočena o 10. Na rotoru zpravdla bývá uložen ventlátor pro chlazení otoru. Dnes se vyrábějí tyto otory s lepší zolací vodčů vnutí, protože se předpokládá napájení z frekvenčního ěnče. Frekvenční ěnče zvyšují náročnost na zatížení vnutí vlve vel rychlých spínacích prvků. Obr. 1 Řez 3polový asynchronní otore [ 14] 5

12 .1 Prncp čnnost AM Prncp čnnost AM spočívá ve vzájené nterakc točvého agnetckého pole statoru a jí vyvolaný ndukovaný proude ve vnutí rotoru, který, pokud je rotorové vnutí uzavřeno, vytváří agnetcké pole. AM otory jsou nejčastěj konstruovány s třífázový vnutí na statoru a díky pootočený vnutí jednotlvých fází o 10 vytváří př vhodné snusové napájení kruhové točvé agnetcké pole. Točvé agnetcké pole vznká superpozcí výsledných toků jednotlvých fází vnutí rotoru a á jeden pól severní a druhý jžní. Vytvořené točvé agnetcké pole protíná vnutí rotoru a ndukuje v nch napětí. Pokud jsou tato vnutí uzavřena, protéká j proud, a tak vytváří agnetcké pole ve vnutí rotoru. Vzájený působení agnetckých polí v rotoru a statoru vznká síla, která působí na vnutí rotoru ve sěru otáčení pole statoru. Tato síla, potažo proud ve vnutí rotoru vznká pouze pokud je rozdílná rychlost agnetckého pole v statoru a rychlost otáčení rotoru. Točí-l se rotor stejnou rychlostí jako statorové pole, nendukuje se pak proud ve vnutí rotoru a nevznká tak žádná síla ez vnutí statoru a rotoru, nevznkne oent. ychlost otáčení agnetckého pole statoru nazýváe synchronní rychlost. ynchronní rychlost ω s je závslá na frekvenc napájení f s AM otoru a počtu pólových dvojc p p. ω s f = π p p s ( 1) Vlve zátěžového oentu, ztrát ve vnutí a echanckých ztrát, usí být rotorové otáčky enší než synchronní. Protože tento rozdíl rychlostí agnetckého pole synchronního vůč rotorovéu pol ndukuje pouze takový proud ve vnutí rotoru, aby byl elektroechancký systé v rovnováze. ozdíl otáček statorového pole vůč rotoru charakterzujee tzv. skluze. Může být vyjádřen percentuálně nebo poěre. s ω ω s = ( ) ω s Kde ω s je statorová rychlost, ω je rychlost otáčení rotoru. Pro otáčky AM otoru je typcká oentová charakterstka vz Obr.. Z těchto dvou rovnc ůžee odvodt vztah pro rovnc otáčení rotoru. π f s ω = ωs ( 1 s) = ( 1 s) ( 3) p p Z této rovnce vyplývá, že ůžee řídt AM otor zěnou počtu pólů, skluzu nebo zěnou frekvence napájení. Prvních dvě ožností se u AM využívaly v nulost, protože byly aplkačně nenáročné. V současné době se pro zěnu frekvence napájení používá frekvenčních ěnčů. Jsou jž cenově dostupné a díky výkonný krokontrolérů ůžee dosahovat různých vlastností řízení. Více vz lt. [ ], [ 4], [ 16]. 6

13 Obr. Závslost oentu na skluzových otáčkách AM [ 1] 7

14 . Mateatcký odel AM Pro odelování elektroagnetckých jevů AM uvažujee otor s vnutou kotvou a jední pólpáre, který á souěrně rozložené vnutí na statoru L abc na rotoru L ABC a pootočená vnutí jednotlvých fází vůč sobě o π/3. vz Obr. 3 Obr. 3 chéa AM vzájených ndukčností vz [ 5] Obecně všechna vnutí v toto zaýšlené odelu ohou ít vlastní ndukčnost rozdílnou, ale v reálných aplkacích s výhodou využíváe syetre stroje, což ná zjednoduší popsovaný odel. ložtější je pak pops vzájených ndukčností ez statorový a rotorový vnutí, protože se s natočení rotoru ění v závslost na poloze rotoru. Obecně platí pro běžně používané odvozované AM odely předpoklad třífázového haronckého napájení, syetr stroje, zanedbatelných ztrát v železe a lneární agnetzační charakterstky. Mateatcký odel ůže být vyjádřen skalární rovnce, koplexní (vektorový) rovnce a náhradní obvode. Pro praktcké použtí je pops AM odelu skalární rovnce značně neefektvní. Protože je popsán 6 základní rovnce napětí a 3 oentový rovnce. Pokud vycházíe ze skalárního popsu, tak se dá počet rovnc snížt díky syetr otoru převedení odelu na koplexní vyjádření. Toto vyjádření se v prax s výhodou využívá a vycházejí z něj některé etody řízení. Předpokládá se stále, že napájení bude třífázové a syetrcké. 8

15 .3 Vektorové(koplexní) vyjádření AM odelu Model AM užívaný pro vektorové řízení se získá zavedení prostorového vektoru. Tyto třífázové stroje jsou popsány rovnce koplexních vektorů napětí, proudů a spřažených agnetckých toků, které nahrazují skalární rovnce těchto velčn pro vnutí jednotlvých fází. Takový odel pak popsuje okažté stavy AM a také popsuje okažtý výkon stroje. Pro snadné vyjádření koplexních prostorových vektorů se zavádí koplexní rovna kolá na osu stroje a osa stroje prochází počátke. Na AM se následně ůžee dívat jako na dvoufázový stroj. Pro přepočet skalárního odelu na vektorový tvar, potažo koplexní tvar se využívá gonoetrckých souvslostí vycházející z Eulerových vztahů: cos cos sn ( ϕ) + jsn( ϕ) = e jϕ 1 jϕ jϕ ( ϕ) = ( e + e ) 1 ( ) ( ) jϕ jϕ ϕ = e e j ( 4) Tyto vztahy ná nahrazují jednotlvé gonoetrcké funkce a uožní ná vyjádření do koplexních rovnc. Z Obr. 4 vdíe, že vnutí a napájecí proudy jsou vůč sobě posunuty o úhel π/3. Pro názornost zavedee jednotkové vektory sěrů označené sybole a, které pak aplkujee na jednotlvé proudy a převedou ná je do koplexní rovny (dvouosý kolý systé). a = e a a 3 jϕ = a = e = e 1 6π j 3 = e π j 3 4π j 3 = 1 = e + π j 3 = 1+ j0 = 1 j 3 = 1 j 3 tatorový vnutí protékají proudy v závslost na napájecí frekvenc f s axální apltudou I ax. J vyvolané otáčení agnetckého toku je v závslost na vztahu ω = π f a víe, že je zde kosnová závslost na apltudě. Pokud s zvolíe vnutí fáze a jako referenční, ůžee napsat vztahy pro jednotlvá vnutí statoru ve tvaru: ( 5) 9

16 10 ( ) ( ) ( ) ( ) + = + = + = + = + = = + = = + + ax 3 3 ax ax ax 3 3 ax ax ax ax 3 cos 3 cos cos a e a e I e e I t I a e a e I e e I t I e e I t I t j t j t j t j c t j t j t j t j b t j t j a ω ω π ω π ω ω ω π ω π ω ω ω π ω π ω ω ( 6) Pro působení okažtých hodnot proudů v jednotlvých fázích vnutí a, b, c, nahradíe výše uvedené vztahy jední koplexně sdružený vektore proudu poocí vzorce vz níže (7). Pro tento vektor je reálná osa souběžná s osou vnutí fáze a. ( ) a a K c b a A + + = ( 7) Použjee-l na úpravu těchto vztahů (4 a 7) tato pravdla: 1 3 = = + a a a, a a a = +, a a a = +, 0 1 = + + a a, vyplyne ná vztah: ( ) t j A t j t j t j A e I K e e e I K ω ω ω ω ax ax = = = ( 8) Obr. 4 Vektor proudu v koplex. rovně Konstanta K A se obvykle volí /3. Poto absolutní hodnota statorového vektoru proudu je shodná se skutečnou apltudou proudu. Předpokládáe AM s vnutí bez vyvedeného uzlu. Pak je součet okažtých hodnot proudů roven nule 0 = + + c b a. Toho se využívá pro další zjednodušení stroje a vznknou nové zjednodušující paraetry jako ekvvalentní ndukčnost statorových

17 11 vnutí + = a M L L 1, rotorových + = A M L L 1 a ekvvalentní ndukčnost ez statore a rotore M L 3 =. Obdobně jak u proudů se odvodí ostatní vektorové rovnce. Pak rovnce napětí AM jsou : ( ) ( ) dt d u dt d u s s ϑ ψ ϑ ψ,, + = + = + + = = s j s j s r r j r j s s e L j dt d e L dt d L u e L j dt d e L dt d L u ϑ ϑ ϑ ϑ ω ω ( 9) Kde platí pro spřažené agnetcké toky vyvolaný proudy: + = + = s j r r j s e L L e L L ϑ ϑ ψ ψ ( 10) Pro oent platí vztah: [ ] r j s p e L p M ϑ = * I 3 ( 11) Tento ateatcký odel AM se nejčastěj převádí poocí transforace souřadnc na synchronně rotující systé -dq, ysté svázaný s rotore kl a staconární systé -αβ. Více vz lteratura [ 5], [ 16]

18 .4 ynchronně rotující systé αβ Mateatcký odel AM je popsán v souřadné systéu pevně svázáný se statore. ouřadnce pro reálnou osu se označuje α a pro agnární osu β. Využívá se pro převod z rovnc uvedených v odstavc vektorového AM odelu na tento odel tzv. Clarkeovu transforac : ( + a a ) αβ = a b + c ( 1) 3 Grafcké znázornění transforace je na Obr. 5. Vysvětlení naleznete vz lt. [ 5],[ 16]. ovnce napětí: u u = = dψ s s + dt dψ + dt r ( ) () + jω ψ ( 13) ovnce spřažených agnetckých toků: ψ ψ = L = L s r + L + L r s ( 14) ovnc oentu: M = 3 p p * [ s ] Iψ ( 15) Obr. 5 Transforace fázových proudu do αβ systéu vz[ 16] 1

19 .5 taconární systé dq Motor je popsán v souřadné systéu pevně svázáný s točvý agnetcký pole. Jednou z ožností, jak tento odel získat je, že vyjdee z předchozího odelu jϑ a aplkujee na něj rovnc dq = αβ e. Grafcké znázornění transforace vz Obr. 6. Použjee pro úpravu vztahu AM vz lteratura [ 5],[ 16] na převod předcházejícího ateatckého odelu na odel označovaný jako synchronně rotujícího systé dq, pak dostanee vztahy: ovnce napětí: u u = s = r dψ s + dt dψ + dt ( ) () + jω ψ + j ( ω ) ω ψ ( 16) ovnce spřažených agnetckých toků: ψ ψ = L = L s r + L + L r s vz stejná rovnce (14) ovnc oentu: M = 3 p p * [ s ] Iψ vz rovnce (15) Moentová rovnce lze převést na jný tvar poocí vztahů uvedené v lteratuře [ 5],[ 16] a také tyto převedené rovnce jsou zde uvedeny. Obr. 6 Transforace proudu v αβ do dq systéu vz[ 16] 13

20 .6 Náhradní odel (schéa) AM Z důvodu nelneárních vazeb agnetckých toků vznkající ez fáze statoru a rotoru je obtížné navrhnout regulátor a obtížné analyzovat dynacký chování AM. Vektorový odel popsaný v předcházející kaptole.5 dferencální rovnce ná plnohodnotné nahrazuje skutečnou dynaku stroje a ustálený stav. V ustálené stavu pak ůžee vektorový ateatcký odel nahradt náhradní schéate. Pokud použjee na rovnce ( 9 a 11) AM vztah pro transforac souřadnc na staconární systé αβ, pak dostanee vztah popsaný v lteratuře [ 16] jako staconární systé odelu AM. Dále předpokládáe, že otor je napájen konstantní haroncký napájení o frekvenc f s a předpokládáe ustálený stav stroje s konstantní otáčka. Poto napěťové dferencální rovnce jsou lneární a ůžee použít Laplaceovu transforac (d/dt = p = jω s ). Vektor proudu a napětí lze nahradt podle vztahu: ~ jω jϕ jω ~ j sαβ = I e = I e e ( I = ϕ I e ) ( 17) ax ax Kde I ~ je fázor statorového proudu, I ax je axální apltuda a φ s je fázové posunutí proudu. Náhradní napěťové rovnce pro ustálený stav jsou: ~ ~ ~ ~ U = I + jω L I + jω L I ~ ~ 0 = I + j( ω ω) L I + j( ω ~ ω) LI ( 18) Pro přehlednost upravíe tyto rovnce zavedení reaktancí X = ω s L, X = ω s L, X = ω s L a vynásobíe spodní rovnc vztahe skluzu vz (). Dále upravíe poslední člen ~ ~ ~ rovnce vztahe pro tzv. agnetzační proud I = I + I a vztahy rozptylových reaktancí X σ = X + X, X σ = X + X dosadíe za první člen reaktancí rovnc. Dostanee vztahy pro náhradní odel (schéa) AM: ~ U = 0 = s ( + jx ) + jx σ σ ~ I ~ I + + jx jx ~ I ~ I Grafcky se tyto vztahy zobrazují ve schéatu vz Obr. 7. ( 19) L = L L = L L σ, σ L Obr. 7 Náhradní schéa AM pro ustálený stav vz [ 16] 14

21 V lteratuře [ ], [ 4], [ 16] naleznee další typy a odfkace schéat asynchronního stroje. 3 truktura ěnče střídavých pohonů Pro řízení střídavých pohonů je z pohledu výkonové čast používán statcký ěnč frekvence. Ten je vykonavatele povelů řídcí struktury. Po AM požadujee předevší konkrétní otáčvou rychlost a oent, který vznkne díky otáčení agnetckého pole ve vzduchové ezeře. Otáčení agnetckého pole je závslé na frekvenc výstupního napětí ěnče, který je přpojen k otoru. Exstuje více typů struktury ěnče, ale nejpoužívanější a nejběžnější je tzv. nepříý ěnč frekvence se napěťový ezobvode vz Obr. 8. Obr. 8 chéa frekvenčního ěnče se stejnosěrný ezobvode [ 16] Tento typ ěnče se skládá ze čtyř základních částí: Usěrňovač á za úkol přeěnt střídavé napájecí napětí (jednofázové, nebo třífázové) na stejnosěrné, často pulzující(podle použtého typu usěrňovače), napětí. Používá se dodový ůstek nebo tranzstorový aktvní usěrňovač. Neřízený nebol dodový usěrňovač nedokáže vracet přebytečnou energ zpět do sítě. Aktvní usěrňovače jsou tvořeny poocí výkonových tranzstorů a vstupních tluvek a pracují v režu pulzní šířkové odulace se snusový odběre ze sítě a s řdtelný účníke. Mají nální nežádoucí vlvy na napájecí síť. tejnosěrný ezobvod á za cíl stablzovat usěrněné pulzující napětí pro napěťový ěnč. V případě napěťového ěnče je ezobvod tvořen kondenzátorovou baterí. třídač je výkonový prvek spjatý s řízený otore. Má za úkol napájet otor okažtý hodnota fázových napětí dle požadavků řídcího algortu nebo-l vytvořt okažtou hodnotu prostorového vektoru napětí v otoru (s okažtou velkostí a fází). Tento typ tzv. napěťového střídače se stejnosěrný ezobvode (Voltage ource Inverter) je nejtypčtější a nejpoužívanější ve výkonových pohonech el. strojů. Vz níže Obr

22 Obr. 9 třídač se stejnosěrný ezobvode Řídící systé řídí střídač na základě zpracovaných a vyhodnocených sgnálů ze vstupních a zpětnovazebních naěřených dat na základě v reálné čase prováděného řídícího algortu. V dnešní době se vše řídí číslcově s využtí ntegrovaných obvodů a kroprocesorů. tav otoru pro řídcí algortus je získáván poocí čdel. Pro proudy ve statorových větvích se používají čdla proudu využívající prncpu Hallova jevu. Pro střídavé otory s přesný řízení se zase zabudovávají čdla polohy a nebo čdla rychlost. 3.1 Dgtální řízení střídače Pro aplkace, kdy chcee řídt třífázový AM, a tí páde příslušně otáčet rotore otoru, potřebujee napájet otor přes řízený výkonový prvek ěnče, který se nazývá střídač. Tento střídač je ožno obecně řídt poocí různých etod. Ty jsou odvozené předevší z konkrétního typu napájení střídače. Řízený střídač, který je napájen usěrněný napětí z ezobvodu ěnče (nejpoužívanější typ ezobvodu), dokáže ěnt toto stejnosěrné napětí vhodný spínání výkonových prvků na napětí s požadovaný haroncký průběhe, které á vhodnou apltudou a frekvenc pro přpojený otor. Vz Obr. 10. Obr. 10 Detal střídače Pro třífázový asynchronní otor je typcký třífázový střídač. Ten se skládá ze tří polovodčových větví a každá větev je složena z dvou spínacích prvků. Jednotlvé spínací prvky této dvojce ají svoj funkční logku. Horní spínací prvek je hlavní a druhý dolní prvek je doplněk horního. Pokud je hlavní spínací prvek sepnutý, tak doplňkový prvek je rozepnutý a naopak. Jestlže se spínací prvek vypíná, tak jeho doba vypínání je zpravdla delší než doba spínání. Proto se ez přepínací doby dvojce prvků přdává tzv. dead 16

23 te, který opožďuje dobu sepnutí prvku. Jnak by ohlo dojít ke stavu, kdy jeden z dvojce se ještě nesthl vypnout a druhý se za tu dobu sepnul a došlo ke zkratu. pínání se vytváří nejčastěj poocí pulzně šířkové odulace (PWM), která používá jako nosnou vlnu rovnoraenný trojúhelník (plový sgnál) s porovnávaný (koparovaný), pro jednoduchost snusový, napětí. vz Obr. 11. Průsečík trojúhelníku a porovnávaného napětí vyezuje spínací dobu hlavního prvku jednoho ůstku ěnče. Tento postup odulace (PWM) se označuje jako koparační etoda a je často hardwarově ntegrován v DP čpech. Jednotlvé sgnály z odulátoru pro větve střídače jsou nastaveny tak, aby výstupní třífázové napětí bylo posunuto vůč sobě o 10, a díky tou vytvořly kruhové agnetcké pole v AM. Obr. 11 Zjednodušená odulace střídy jednoho ůstku střídače [ 14] Jako nejpoužívanější výkonové spínací prvky pro elektrcké otory se používají výkonové tranzstory typu MOFET nebo tranzstory typu IGBT. MOFETy jsou řízeny napětí. Jsou určeny pro vysoké spínací frekvence (až 100 khz). Používají se v oblast enších výkonů a zejéna pro nízkonapěťové aplkace, kde je výhodou alý úbytek napětí v sepnuté stavu. Insulated Gate Bpolar Tranzstor (IGBT) je obdobně jak MOFET řízen na obdobné prncpu. Vyrábí se v šroké spektru závěrných napětí až do 3 kv a propustných proudů až do ka. Používají se v aplkacích od stovek wattů až po jednotky MW. 17

24 18 3. Napětí ve střídač Ve střídač defnuje napětí dle Obr. 1. Obr. 1 chéa výkonového stupně vz [ 14] Jak jse s jž uvedl v kaptole dgtální řízení střídače o spínání tranzstorů, pokud horní tranzstor větví střídače sepne, spodní je autoatcky rozepnutý. Díky touto pravdlu dokážee defnovat všechny stavy přepínání a zároveň popsat jednotlvé okažté fázové a větvové napětí. Z obrázku vdíe větvové napětí ležící ez konkrétní výstupy větví ěnče a vztažný napětí. Vztažné napětí á hodnotu polovny napětí napájecího ezobvodu střídače. Fázová napětí sěřují od výstupů větví střídače do společného uzlu označeného O ve výstupní obvodu. Tento uzel á za deálních podínek vztažné napětí a taky toto napětí předpokládáe. Nyní ůžee defnovat sdružená napětí takto: = c b a dc ca bc ab U U U U ( 0) Kde a, b, c jsou stavy sepnutí větví vyjádřeny v hodnotách 1 nebo 0. oučet jednotlvých sdružených napětí se rovná nule a předpokládá se lneární syetrcký výstupní obvod. Pak ůžee napsat vztah: = c b a dc c b a U U U U ( 1) Pro větve a, b, c platí to co v předchozí rovnc. Tohoto vztahu se vel často používá, ůžee napsat standardně, ve střídavých pohonech a je důležtý pro dané (potřebné) generování referenčního napětí statoru.

25 3.3 Modulace prostorového vektoru (VM pace Vektor Modulaton) Běžně se používala pro generovaní stříd pulzů zpětná Clarkova transforace k získání třífázového napětí. Získané třífázové napětí se použje na generování pulzů střídače. Takto zvolený způsob generování stříd nepřdává do výsledné odulace třetí haronckou složku, a tí nevyužjee axálního dosažtelného výstupního napětí střídače. Podle dříve uvedeného se trojfázový střídač běhe provozu ůže nacházet v os dskrétních stavech sepnutí a tí vytvořt os prostorových vektorů napětí na zátěž. Šest vektorů nabývá nenulových hodnot U 100 (0 ), U 110 (60 ), U 010 (10 ), U 011 (180 ), U 001 (40 ), U 101 (300 ) a dva vektory jsou nulové U 111, U 000. Jednotlvé trojce čísel vektoru napětí jsou zástupc logckých hodnot sepnutí větví střídače. První číslo trojce přísluší větv fáze a, druhé b a třetí c. V závorce u vektoru napětí jsou uvedeny, pro kopletnost, výsledné sěry jednotlvých spínacích kobnací. Grafcké znázornění stavu sepnutí ůstku najdee na Obr. 13. Nulové vektory ůžou být použty v pleentac VM pro nalzac počtu přepínacích zěn. Výstupní vektor napětí střídače se získá z požadovaného vektoru, který je reprezentovaný v souřadncové systéu αβ. Výstupní vektor je získaný superpozcí výstupů (spínacích stavů) střídače (U 100, U 110, ) tak, že v průěru na konc každé jedné odulační perody napětí je vygenerován takový vektor napětí, který odpovídá skutečnéu požadovanéu vektoru. Tuto proceduru znázorňuje Obr. 14 a Obr. 15. Obr. 13 Prncp generování fázového vektoru napětí [ 1] Na obrázku leží požadovaný vektor U αβ v kvadrantu I. ez vektore U 100 a U 110. aozřejě pozce požadovaného vektoru ůže ležet kdekolv a díky tou v kterékolv sektoru. Ale úplně stejnou úvahu ůžee použít na další sektory. Délka každého vektoru projekce U 1 a U vz Obr. 14 určuje zloek a dobu odulace, která bude obsažena vektore určuje vztah: 19

26 U 1 δ 1 = ; U100 U δ = ( ) U 110 Použjee-l pro třetí dobu odulace nulového vektoru napětí, aby odpovídala následujícíu vztahu: δ 1 + δ + δ 3 = 1, δ 3 = 1 δ1 δ ( 3) který vyjadřuje skutečnost, že doba odulace usí být plně obsazena vektory výstupních napětí. Po vynásobení těchto časů příslušný vektory dostanee výstupní vektor U 0 podle očekávání: U = 0 = δ1u δ U110 + δ 3U111 = U1 + U Uαβ ( 4) Na Obr. 14 je zobrazena časová odulace pro požadovaný vektor ležící v první sektoru. V podstatě zobrazuje sečtení dob sepnutí pro vektory U 100 (0 ), U 110 (60 ) a U 111 tak, aby ná dal výsledný vektor U αβ podle logky předchozí rovnce. Obr. 14 Prncp vytvoření střídy Podrobněj je popsána tato probleatka v lteratuře [ 1], kde je také popsán algortus odulace. Obr. 15 ekvence spínání pro nalzac zvlnění proudu 0

27 3.4 Výběr výkonové část pohonu pínací (nebol výkonové součástky) se obvykle podílejí na ceně pohonu zhruba z jedné třetny. Plně řdtelné výkonové spínací součástky patří k cenově nejnáročnější prvků ěnče. Nejčastěj se používají tranzstorové spínací prvky. Pro různé výkony elektrckých otoru je na výběr celá řada IGBT odulů obsahující nejen potřebné spínací prvky, ale také další ntegrovaný obvody (šestpulzní dodový ůstek, budč IGBT, brzdný odpor). Výběr správně denzovaného tranzstorového odulu se odvíjí od axálních hodnot napětí a proudu, jenž budou napájet otor. Řízený otor je konstrukčně navržen pro efektvní fázové napětí 30 V. Chcee-l usěrňovač napájet ze sítě 3x400 V, bude v ezobvodu po usěrnění 565 V. V to případě je vhodné otor zapojt do hvězdy, protože dosažtelné výstupní sdružené napětí střídače bude rovněž 3x400 V.Fáze otoru ůže nepřetržtě téct jenovtý proud 5 A. Předpokládané přetížení otoru je cca 0 A. Pro napěťové denzování je třeba počítat s napěťovýn překty př přepínání tranzstorů a kolísání napětí v ezobvodu vlve akcelerace a brzdění stroje. Modul IGBT Pro výkonový střídač byl vybrán IGBT odul Infneon typ FP51WT4_B11. Obsahuje trojfázový IGBT ůstek a další tranzstor pro spínání brzdného odporu. Dále á šestpulzní dodový usěrňovač. pecfkace: ybol Podínka Hodnota U CE 100V U GE T chladč =5/15ºC ±15V I C t p < 1s 30A Tabulka 1 Základní specfkace IGBT odulu Obr. 16 chéa zvoleného odulu IGBT Více vz dokuentace [ 18]. Budč pro IGBT odul 1

28 gnály ze řídcího čpu vysílané na báze jednotlvých tranzstorů ěnče se usí upravt jak tvarově, výkonově tak galvancky oddělt. Proto se používají budící obvody. Modul budče á označení EMIDIVE KHI 61() od výrobce EMIKON. pecfkace: ybol Význa sybolu Hodnota U Napájecí napětí 15V ± 0.6V I ax Nonální napájecí proud 450A U T+ Úroveň n. spínacího napětí (Hgh) 4V U T- Úroveň ax. vypínacího napětí (LOW) 1.5V U G(on) Zapínací budící sgnál IGBT 14.9V U G(off) Vypínací budící sgnál IGBT -6.5V Tabulka Základní specfkace budče IGBT Obr. 17 Budč IGBT Více vz dokuentace [ 19].

29 3.5 Usěrňovač ěnče Pro naše požadavky postačuje některý z typů neřízeného usěrňovače.takový standarde pro výkonový ěnč je trojfázový ůstkový šestpulzní usěrňovač vz Obr. 18. Tento je v naše případě ntegrován přío v odulu tranzstorového střídače. Obr. 18 chéa šestpulzního ůstkového usěřnovače Usěrňovač je napájen přío z třífázové napájecí sítě sdružený napětí. Pokud nezapojíe na výstupu z usěrňovače aspoň kondenzátor, tak á usěrněné napětí zvlněný průběh. Které dody se podílejí na vedení proudu, závsí na okažtých hodnotách napětí v sít. Propouštění proudu ze sítě u jednotlvých dod horní trojce závsí na katodové potencálu těchto dod. Tedy propustí pouze ta doda, která á katodový potencál nejvyšší. Zbylé dody horní trojce budou ít závěrné napětí rovné fázovéu napětí. U dolní trojce je zase propouští ta doda, která á na katodě nejenší potencál. třední hodnota usěrněného napětí je vyjádřena vztahe: U DC 6 π = 3 π 3 U sn( ωt) dωt U U π = = ( 5) π π 3 Kde U vyjadřuje efektvní hodnotu fázového napětí. U značí efektvní hodnotu sdruženého napětí. Pro jejíž vzájený vztah platí : U = / 3. U Špčkové napětí na výstupu usěrňovače určíe ze vztahu: U ax = 3 U ( 6) Pokud áe jednofázový zdroj elektrcké energe, usíe saozřejě použít některý z jednofázových usěrňovačů a k něu naleznee příslušný stejnosěrný ezobod, který zenšuje zvlnění ss napětí. Více o této probleatce najdee v lteratuře [ 1] 3

30 3.6 tejnosěrný ezobvod ěnče Mezobvod ěnče á předevší za úkol stablzovat usěrněné napětí, protože usěrněné napětí z dod pulzuje. Další funkcí ezobvodu je ochrana ěnče prot přepětí vygenerovanéu otore, pokud otor přejde do oblast generatorckého režu (krátkodobě pohlcovat). Větší vygenerované přepětí se usí odstrant aktvní prvke. Tento prvek ochrany není třeba, áe-l řízený usěrňovač, který generovanou energí vrací zpět do sítě. Usěrněné napětí se často vyhlazuje poocí paralelně zapojeného kondenzátoru na zátěžný obvod vz Obr. 19. Kondenzátor se nabíjí na nejvyšší potencál pulzujícího usěrněného napětí (špčkové), a po poklesu pulzu se odebírá napětí z něj. Klesá tak na nabté kondenzátoru napětí až do té doby, než se jeho potencál bude rovnat potencálu z výstupu usěrňovače a začne se opět nabíjet na nejvyšší potencál. Vybíjení kondenzátoru je závslé na odebírané proudu. Jelkož je zátěž tvořena střídače, tak á odebíraný proud vysokofrekvenční charakter a to koplkuje ateatcký pops. Proto se vybíjení kondezátoru nahrazuje konstantní proude. Vybíjecí proud ůžee stanovt zjednodušeně z Ohova zákona : U DC I DC ( 7) z Kde U DC je střední hodnota usěrněného napětí a z je odpor zátěže. Nebo se dá určt z jenovté proudu otoru. Další důležtý paraetr pro určení kapacty kondenzátoru je relatvní pokles napětí δ a je dán vztahe: U δ = ( 8) U ax Kde U ax je špčkové napětí nabytého kondenzátoru a ΔU je požadované zvlnění proudu. Pro relatvní pokles napětí δ pro šestpulzní usěrňovač enší než 1 3 / a doporučuje se v ntervalu δ 0.0, Výpočet kapacty se dá určt vztahe: T I DC 1 1 C = arccos( 1 δ ) U 3 π Kde T je doba perody sítě. ( 9) Obr. 19 chéa ezobvodu napěťového šestpulzního usěrňovače 4

31 Více o této probleatce naleznee v lt. [ 1]. Větší nožství generované energe z otoru se odstraňuje poocí aktvní ochrany obvodu zobrazené na Obr. 19. Je tvořena odpore b, dodou a výkonový spínací prvke. Odpor je volen tak, aby dostatečně včas dokázal spotřeboval přebytečnou energ generovanou otore. Typ spínacího prvku se nejběžněj volí stejně jako prvky střídače. pínání prvku probíhá podle aktuálního potencálu v ezobvodu. Pokud á ezobvod větší potencál než požadované napětí U DC na usěrňovač, sepne se tento ochranný spínací prvek. Pokud se sníží potencál na požadované napětí, dojde k rozepnutí. Obr. 0 Pulzující usěrněné napětí bez ezobvodu 5

32 4 Řízení AM Pokud neuvažujee jž dnes ustupující způsoby řízení, ůžee téěř říct hstorcké, jako například řízení pooc zěny počtu pólů statoru, zěny rotorového odporu apod., řídíe AM poocí frekvenčního řízení. Tyto způsoby řízení se snad ještě ohou použít pro nenáročné aplkace. Z důvodu složtých rovnc AM (nelnearty a jejch provázanost) a tí způsobené koplkace ez jednotlvý velčna (jako otáčky, ag. tok apod.) se snažíe tyto rovnce zjednodušt nebo využít yšlenou funkc prncpu AM pro vytvoření regulace. Vznklo tak frekvenční řízení skalárního nebo vektorového typu. kalární řízení vychází z funkčního prncpu AM, který, hodně zjednodušeně, předpokládá, že pokud se otáčí agnetcké pole ve vzduchové ezeře tak vyvolá otáčení rotoru. Vektorové řízení využívá předevší yšleného zjednodušení rovnc a podobnost s určtý elektrcký obvode. 4.1 kalární řízení Jednoduchý způsobe jde poocí skalárního řízení řídt otáčky AM. Toto řízení požaduje, aby všechny proěnné velčny byly skalární. Tedy reguluje apltudy řízených velčn, které jsou vždy stejnosěrné, a to uožňuje prncpelně jednoduché řízení. Můžee řídt jednoduché aplkace v otevřené syčce vz Obr. 1 a pro přesnější statcké výchylky se používá uzavřená syčka vz Obr.. Pro její jednoduchost vybízí přío pro použtí v různých jednoduchých ventlátorových a čerpadlových aplkacích. Zajšťuje pouze optální podínky pro ustálený stav, není proto vhodné pro dynacky náročné regulační úlohy. Máe-l dodržet podínku konstantního statorového toku, potřebujee se řídt lneární poěre U s /ω s. Tento vztah vychází z napěťové rovnce AM otoru v základní tvaru vz rovnce (30), které uožňují konstrukc vektorového (koplexního) odelu. u l dψ l = l + ( 30) dt Kde ndex l představuje buď fáz a, b nebo c (vycházíe pouze z rovnce jedné fáze). Po dervování, použtí odvozovacích vztahů dostanee tvar rovnce, a pokud zanedbáe statorový odpor, dostanee vztah: u 1 l l = k z ωψ l k z ψ l ω = u u ω l ψ l = kons ( 31) Konstanta k z je zbytek po dervac. Důležté je vědět, že usíe udržovat konstantní tok Ψ s, který je závslý na poěru napětí a frekvence. Pro splnění tohoto poěru používáe funkc u = f ( ω ), kdy znáe statorovou frekvenc a dopočítáe statorové napětí. Více vz lt. [ ],[ 17]. Napětí u l je často nahrazeno statorový napětí U s, protože jejch rozdíl není př běžných provozních podínkách přílš velký. Zanedbaný statorový odpor s á vlv na nízké statorové frekvence a vede na nelneární závslost napětí na frekvenc. 6

33 Pro správné nastavení napětí pro generování pulzu vz PWM na obrázku schéatu skalárního řízení Obr. 1 se upravuje vstupní napětí na systé αβ podle vztahu : u u α β = Us k = Us k U U sn( ω cos( ω t) t) ( 3) Kde k U je korekce vstupu apltudy a pro ω s platí vztah ω = π f / p. s p A následně se generuje střída jak tou bylo defnováno v kaptole Modulace prostorového vektoru. Obr. 1 chéa skalárního řízení otevřenou syčkou Obr. chéa skalárního řízení v uzavřené syčce V první schéatu na Obr. 1 je blok P typ rapy, který za ná zvolený počet kroku z původních otáček f s, dosáhnou statorové otáčky f s požadované hodnoty f sw. Na schéatu skalárního řízení Obr. vdíe regulátor otáček označený ω, který bývá zpravdla typu PI. Ten á dvě časové konstanty. Jedna je echancká časová konstanta, druhá je elektrcká. Mechancká konstanta určuje závslost odezvy otáček na zěnu oentu. Elektrcká zase určuje rychlost zěny oentu na skluzu. Exstují různé typy regulačních schéat skalárního řízení. Mají různé přístupy k jednotlvý stavů velčn otoru. Závsí na požadavcích regulace jaké jsou velčny 7

34 brány za výchozí, a tí páde budou ostatní velčny s n svázané. Jsou zde použty pro zlepšení regulace různá optalzační krtéra, způsoby získávání skutečných velčn a pod. 4. Vektorové řízení Protože řídcí struktury skalárního řízení jsou odvozeny z ustálených stavů AM, dosahují dobré výsledky u aplkací s konstantní zátěží nebo s alý zěna zatěžovacího oentu č otáček. Př vyšších požadavcích na dynaku pohonu je třeba použít vektorově orentované řízení. Toto vektorové řízení usí řídt nejen apltudu agnetckého toku, jak tou je u skalárního řízení, ale polohu ve zvolené souřadncové systéu (koplexí rovně), který je nejčastěj αβ. O vektorové řízení ůžee tvrdt, že dokáže vyhovět požadavků přesné dynacké regulace jak v ustálené stavu, tak v přechodových stavech protože uožňuje řízení okažtých hodnot elektrckých a agnetckých velčn. Základní yšlenka tohoto řízení spočívá ve snaze o dosažení podobných regulačních vlastností jako u stejnosěrného stroje s czí buzení. tejnosěrný otor s czí buzení á polohu vektoru ag. toku vázanou statore a tento ag. je závslý na budící (agnetzační) proudu. egulovaný proud ovlvňuje oent na hřídel a tí otáčky stejnosěrného otoru. Díky tou, že je odděleno budící vnutí od vnutí kotvy, lze obě složky řídt odděleně. U vektorového řízení AM uožňují vzájené vztahy ez vektory agnetckých toků a agnetoelektrckého napětí a jejch svázání se zvolený souřadný systée (nebo se zvolený ag. toke) nezávslou regulac agnetckého toku a oentu, což je zřejá podobnost se stejnosěrný otore. Abycho dosáhl této podobnost u AM, potřebujee asynchronní odel nahradt náhradní odele (schéate) AM vz Obr. 7 a vycházet z fázového dagrau vz Obr. 3. Obr. 3 Zjednodušený fázový dagra napětí a agnetckých toku podle Obr. 7 8

35 Největší význa pro řízení á fázor statorového proudu I s, který á zároveň stejný sěr jak agnetootorcké napětí (tedy z něho ůžee určt vyvolaný oent). ozložíe-l proud I s do systéu dq rotujícího s rotore na složky a r (předchozí Obr. 3) dostanee složku toku( ) a oentu( r ) z I s. Udržování konstantní velkost a polohy vybraného toku souvsející se složkou toku vyvolané statorový proude a zároveň ožnost nezávsle regulovat oentovou složku a to je základní prncp vektorového řízení. Z to vyplývá, že usíe zjstt polohu a velkost zvoleného agnetckého toku, protože určuje polohu souřadncového systéu dq pro transforac jednotlvých proěnných. tatorové velčny jsou transforovány do αβ systéu a rotorové velčny jsou transforovány v dq systéu, který rotuje spolu s rotore. Vektorové řízení se zpětnovazební regulací otáček: Použté vektorové řízení odvozené a uvedené v lteratuře [ 5] využívá pro svou správnou funkc nepříé ěření zpraženého toku. Proto je potřebné pro správné určení agnetckého toku vycházet z velčn, které jsou snáze zěřtelné na otoru. Využívá se jak napětí statoru U s,proud statoru I s, rychlost otáčení rotoru a polohy rotoru. Použté nepříé ěření dokáže určt ze statorových proudů a otáček rotoru velkost apltudy rotorového toku a úhel natočení v souřadncové systéu vázané na stator. Vektor zpraženého ag. rotorového toku Ψ je podle lt. [ 5] vypočten z napěťové rovnce rotoru v nerozvné tvaru vz (9). Pokud dosadíe do této rovnce proud vyjádřený z rovnce rotorového toku vz (13) a upravíe výsledný vztah, pak dostanee rovnc: dψ τ L s ψ + dt = jω τ ψ ( 33) Tato rovnce je ve statorové souřadncové systéu. Kde ω je úhlová rychlost rotoru a τ je dán poěre L /. Jelkož platí vztah jψ π j = e ψ, ůžee přepsat rovnc pro rotorový tok na tvar: τ τ dψ dt dψ dt d q = L = L sd sq ψ ψ d q + jωτ ψ jω τ ψ q d Pro výpočet apltudy použjee vztah: ( 34) d q ψ = ψ + ψ ( 35) Pro výpočet polohy užjee vztahy: ψ d ψ d = ψ cos(ϑ) = cos(ϑ ) ψ ψ q ψ q = ψ cos(ϑ) = sn(ϑ) ψ ( 36) Pro výpočet polohy vektoru υ ůžee použít funkce ϑ = arctan(sn( ϑ) / cos( ϑ)). 9

36 Přrozené vektorové řízení Obecně se využívá odfkovaný náhradní odel AM. Přrozené zjednodušené řízení je uvedené v lt. [ 16] vychází z odfkovaného odelu (schéatu) AM vz Obr. 4, který je vytvořen z náhradního odelu Obr. 7. Toto vektorové řízení á všechny velčny orentovány na rotorový tok. σ = 1 L / L L Obr. 4 Modfkovaný náhradní obvod s rozptyl. ndukčností na stator. straně Pro toto schéa platí za předpokladu uvedené v lteratuře [ 16] tyto vztahy: u u d q = = d q + σl + σl d d dt d q dt ω ω s s σl σl I I q d + (1 σ ) L + (1 σ) L ω d dt s ( 37) 0 = 0 = L L L L ( q + ( ω d s ) + L d ω) L dt ( 38) L Kde σ =1, ω je echancká úhlová rychlost a ω s je svázaná s rychlostí otáčení L L systéu dq vůč vektoru rotorového toku. Za předpokladu, že je agnetzační tok Ψ je konstantní, závsí oent na velkost statorového proudu q dle lteratury [ 16]. M 3 L = p p Ψdq = p p L (1 ) L 3 σ ( 39) q Poocí úprav rovnc (37 až39) získáe vztah pro agnetzační tok d souvsející se souřadný systée rotující synchronně, které jsou uvedeny v lt. [ 16]. d L d d = + = + τ ( 40) dt dt 30

37 Výpočet úhlové rychlost ω za stanovených podínek v lt. [ 16] je defnován následující způsobe: ω U = ( 41) ( 1 σ ) L I Kde I je konstanta budícího proudu. Pro ndukované napětí U, které lze stanovt z naěřených hodnot, platí vztah: U di d q = U I σl = uq q σl ( 4) dt dt U kterého podle lt. [ 16] zanedbáváe čntel rozptylu (σ = 0), a zjednodušíe tedy předchozí vztah na: U = u ( + ) ( 43) q q Za předpokladu zanedbaného čntele rozptylu podle lt. [ 16] vyjde echancká uhlová rychlost ω : u q ( + ) q ω = ( 44) L I Nevýhodou tohoto konkrétního řízení je obtížnost nastavení řízení pro nízké otáčky otoru. 31

38 4.3 Řídící systé a regulace Algortus řízení zobrazený na Obr. 5 zjednodušeně schéatcky popsuje jeho strukturu, která výpočtově probíhá v jádru čpu DP Podle typu zvoleného řízení jdou do řídcí struktury požadované vstupy, ěřené velčny a z nch pak řídící algortus vypočítá požadovanou střídu pro řízení střídače, který napájí AM. DP á hardwarově pleentovaný 1btový analogově číslcový převodník (A/D), šířkově pulzní generátor (PWM), číslcový čítač pulzů (TM), a víceúčelové vstupně výstupní porty (GPIO) a další specfcké podpory čpu. Obr. 5 truktura řízení AM s čdle otáček Pro vybraný typ řízení je podstatné ěřt fázové proudy statoru, znát aktuální stav čítače otáček, který je přpojen na nkreentální senzor polohy a ěřt usěrněné napětí U dc v ezobvodu ěnče. Tyto ěřené velčny ná poskytnou dostatek nforací o stavu pohonu. Takový jádre řídcí struktury je blok označený jako Ψ. Ten obsahuje ateatcký odel pro výpočet nepříého ěření agnetckého toku rotoru a je popsán v kaptole (4.). Do bloku Ψ usí vstupovat okažté hodnoty proudů statorových souřadncích αβ a úhlová rychlost ω v rad s -1. Okažté proudy α, β se vypočítají vztahe αβ = α + j β = a b c + j b c ( 45) 3 nebo(takzvanou) Clarkeovou transforací z fázových proudů a, b a c. Z bloku Ψ je výstupe zejéna úhel υ, který reprezentuje aktuální polohu agnetckého toku. Tento úhel je nezbytný pro transforac do souřadného systéu dq (synchronně rotujícího) ze staconárního systéu αβ a naopak. Další velčnou vystupující z bloku je agnetcký tok, 3

39 který je přpojen jako zpětná vazba pro regulátor agnetzačního toku potažo proudu. Zpětná vazba regulátoru otáček je tvořena hodnotou z čítače otáček. Vstupe do regulátoru tokotvorné složky potažo regulátor d je výstup z regulátoru agnetckého toku a zpětnovazební složka proudu statoru v souřadnc d. egulátor oentotvorné složky proudu q reguluje proud z výstupu regulátoru otáček se zpětnou vazbou tvoří složka statorového proud q. Zpětnovazební proudy statoru získáe transforací z okažtých proudu α, β a úhlu natočení dq systéu z bloku Ψ podle vztahu dq = d + j q = jυ ( υ ) + sn( υ )) + j( sn( υ ) + cos( υ ) ) = e α cos( ( 46) β α β c αβ nebol Parkovou transforací. Výstupe z těchto proudových regulátorů jsou statorová napětí v systéu dq. Napětí U d a U q rotují v systéu dq a usejí se zpátky transforovat na systé αβ vztahe : αβ d q jυ ( u υ) u sn( υ) ) + j( u sn( υ) + u cos( υ ) u e u = u + ju = cos( ) = ( 47) α β Je to zpětná Parkova transforace. Velkost hodnot složek napětí v αβ systéu se ještě usejí upravt v závslost na kolísání stejnosěrného proudu ezobvodu. Upravená napětí vstupují do bloku převádějící αβ systé souřadnc na jednotlvé složky fázových napětí u a, u b, u c. Tento blok představuje PWM odulátor, který je popsán v kaptole (3.3).Z bloku vystupují střídy vcházející do hardwarové odulace. Ta koparuje vstupující střídu s nosnou plou a přdává do výsledné střídy dead te. Takto upravená střída putuje do ěnče a poocí ní se vytváří fázová napětí AM. Výpočet nepříého ěření agnetckého toku rotoru, transforace do dq souřadnc a zpět, proudové regulátory s generátor PWM, A/D převodník a čítač pulzů je prováděn v rychlé regulační syčce po ntervalech 100 μs. Poalejší syčka obsahující regulátory toku a otáček je počítána po časových ntervalech 1s. Na Obr. 6 je znázorněno jádro řízení, které zastupuje odel rotorového toku AM a na Obr. 5 je označeno bloke Ψ. Do tohoto bloku vstupují statorové proudy v αβ, které po vynásobení ekvvalentní agnetzační ndukčnost vytvoří dervace složek agnetzačního toku. Je zohledněna závslost ez otáčka rotoru ω a ag. toke. Po odečtení agnetckého toku a vynásobení převrácené hodnoty τ dostanee po ntegrac složky Ψ. ložky Ψ vstupují do bloku K/P, který je přetvoří na apltudu a úhel svírající se statorový systée. Integrace bloku pro výpočet Ψ je ctlvá na drft ntegrátoru, proto se usí upravt paraetry horní a dolní větve tak, aby odpovídaly skutečnéu toku AM. α β c dq Obr. 6 truktura nepříého ěření spřaženého rotorového toku 33

40 5 enzory Pro odel řízení kroprocesore potřebujee znát elektrcké a echancké velčny otoru. K určení těchto velčn se používají senzory, které využívají různých prncpů pro převedení na takové velčny, které dokážee převést do dgtální podoby třeba A/D převodníke. Musejí je zvládat v reálné čase a podle použtého typu je dokáží převést z lepší nebo horší věrností. Pokud bycho chtěl ěřt vše a snažl bycho se je co nejvěrněj nterpretovat, tak to vždy neusí být to nejlepší řešení. Například pokud bycho chtěl ěřt napětí na fázích AM z důvodu řízení. Ta jsou dána sdružený napětí z výstupu ěnče. Měnč vytváří fázové napětí poocí rychlých spínacích sledů napěťových obdélníkových pulzů o velkost aktuálního usěrněného napětí ezobvodu. Jejch šířku udává odulátor a nárůst hrany je ez až 10 kv/μs. Pokud bycho chtěl naěřt skutečný průběh napětí, bylo by to vysoce náročné. A/D převodník pro dgtální zpracování takovýchto rychlých zěn, by potřeboval zaznaenávat s vel vysokou frekvencí a řídící struktura by pak usela běžet v enorně rychlé syčce. Takto extréní výkony potřebné pro extréně rychlé syčky běžné DP čpy nedosahují. Proto se ěření přesného fázové napětí nepoužívá, ale naísto toho se využívá vypočítaných napětí řízení vstupujících do odulátoru. Tato napětí pak vstupují do dalších ožných struktur regulace, které používají řízení předevší bez čdla otáček. 5.1 níač napětí Pro všechny řídcí struktury je nezbytné ěřt napětí v ezobvodu. Kdyby se toto usěrněné napětí neěřlo, tak by kolísající napětí ovlvnlo výsledné napětí střídače, a tí páde snížlo kvaltu chování AM. Proto se zavádí kopenzace kolísání před vstupe do odulátoru v řídící algortu. Z kaptoly 3. víe, fázové napětí je závslé na usěrněné napětí. Proto upravíe ěřítko napětí v závslost na aktuální stavu napětí ezobvodu Obr. 0. Měřítko je dáno poěre: U DC k( t) = ( 48) u ( t) DC Kde U DC je střední hodnota zvlněného napětí a u DC je aktuální hodnota napětí ezobvodu. Pro ěření napětí je vybrán napěťový převodník LV od fry LEM. pecfkace: ybol Význa sybolu Hodnota U PN Nonální ěřené napětí ±800 V U P Max. ěřené napětí ±100 V U C Napájecí napětí 1-15 V I N Výstupní proudový sgnál pro nonální napětí 5 A Tabulka 3 Základní specfkace napěťového převodníku 34

41 Obr. 7 Napěťový převodník Více vz dokuentace [ ]. 5. níač proudu Pro vektorové řízení potřebujee znát aktuální hodnotu statorových (respektve fázových) proudů otoru. Pokud ěříe pouze dva fázové proudy procházející otore, dá se zbývající fázový proud dopočítat z podínky syetre a + b + c = 0 vz vstupující sgnál proudu v odelu na Obr. 5. Pro ěření proudů se nejčastěj používají čdla s prncpe Hallova jevu. Mají už z prncpu galvancké oddělení výstupního sgnálu. Nezbytně důležté je shodně nastavt offset pro vstupní sgnály proudů do A/D převodníku. Jnak dojde k rozladění transforovaných statorových proudů αβ v ustálené stavu. Přesněj budou osclovat a projeví se to na kvaltě řízení. Pro ěření fázových proudů je vhodné použít proudový převodník LA 5-NP od fry LEM. pecfkace: ybol Význa sybolu Hodnota I PN Nonální ěřený proud ±5A I P Max. ěřený proud ±36A U C Napájecí napětí 15V I N Výstupní proudový sgnál pro nonální proud 5A Tabulka 4 Základní specfkace proudového převodníku Obr. 8 Proudový sníač Více vz dokuentace [ 1]. 35

42 5.3 níač otáček Pro výpočet rotorového agnetckého toku a jeho polohy potřebujee znát statorové napětí a úhlovou rychlost nebo polohu rotoru. Modely řízení bez čdla otáček vypočítávají úhlovou rychlost z elektrckých ěřtelných velčn stroje. Ty ale potřebují náročnější nuercký výpočet než řízení s čdle úhlové polohy a složtější nastavení. Použté řízení potřebuje čdlo úhlové rychlost nebo polohy. Jsou různé prncpy čdel, které ěří úhlové velčny. ozdílné přístupy používají revolvery, selsyny, agnetorezstvní sníače, optcké nkreentální sníače atd. Procesor DP á hardwarově pleentovaný čítač pulzů. Proto je vhodné použít čdlo, které nepotřebuje přídavnou elektronku pro převod na pulzy. Toto ná splňuje optcké nkreentální čdlo. Pro ěření úhlové polohy je použtelné nkreentální čdlo s označení IC 600/500 PA od fry LAM. pecfkace: ybol Význa sybolu Hodnota PIO Počet pulzů na otáčku 500 /n U NA Napájecí napětí 10-30V I NA Maxální vlastní spotřeba 70A N ax Maxální otáčky 10000n -1 V Výstupní sgnál HTL Tabulka 5 Základní specfkace nkreentálního čdla Obr. 9 nkreentální čdlo Více vz dokuentace [ 0]. 36

43 5.4 Úprava ěřítka fyzckého sgnálu gnály z analogových sníačů je třeba upravt pro A/D převodník na potřebný napěťový rozsah poocí obvodů s operační zeslovač. Je noho typů zapojení operačních zeslovačů, ale hlavní rozdíle ez jednotlvý typy je fora výstupu sgnálu. Tedy nvertující a nenvertující výstupe vůč vstupníu sgnálu. Invertující zapojení Zapojíe-l výstup z operačního zeslovače zpětnou zápornou vazbou, vytvoříe nvertující zapojení zeslovače vz Obr. 30. Po přdání rezstorů nastavíe výstupní zesílení sgnálu. Obr. 30 chéa nvertujcho zapojení Výstupní napětí získáe poocí vztahu: u o = u + 1 u ( 49) 11 1 pecfckou vlastností tohoto zapojeného op. zeslovače je velkost vstupní pedance. Operační zeslovač á teoretcky nekonečnou vstupní pedanc, ale přesto á nvertující zapojení poěrně enší pedanc. Jelkož na nvertující vstupu je vrtuální nula, přesto teče do tohoto vstupu proud závslý na vstupní odporu. Tedy vstupní pedance celého zapojení je Z n = n. Nenvertující zapojení Pokud přpojíe na zápornou zpětnou vazbu nezatížený dělč napětí, jenž je napájen výstupe zeslovače, dostanee nenvertující zapojení op. zeslovače vz Obr

44 Obr. 31 chéa nenvertujícího zapojení Výstupní napětí je dáno vztahe: = u o 1 u + 1 u ( 50) Zeslovače v toto zapojení á teoretcky nekonečnou vstupní pedanc. Více v lteratuře [ 3]. Invertující zapojení [Ω] 11 [Ω] 1 [Ω] u 1 [V] u [V] u 0 [V] (-1.5 až 1.5) (3.3 až 0) Nenvertující zapojení 1 [Ω] [Ω] 11 [Ω] 1 [Ω] u 1 [V] u [V] u 0 [V] (-1.5 až 1.5) (0 až 3.3) Tabulka 6 Hodnoty prvků zapojení operačního zeslovače pro proudové čdlo 38

45 6 Procesor DP56800 a jeho archtektura Vlastnost a způsob prograování DP procesoru jsou obdobné jako u unverzálních procesorů (zejéna kroprocesory znáe jako Intel 486 z PC). Oprot n á ale optalzovanou archtekturu a nstrukční soubor, který uožňuje nohe rychlejší a efektvnější výpočet standardních vztahů používané v sgnálových a řídících aplkacích (dskrétní operace a číslcové fltrace). DP používá takzvanou harvardskou archtekturu uožňující oddělené zpracování funkčních jednotek dat, nstrukcí, řízení prograu a vhodnou kounkací ez n. Díky tou dokáže paralelně zpracovat data a nstrukce, což zvyšuje efektvtu řešení probléu. Kounkac ez vše funkční jednotka uožňuje tzv. vntřní sběrnce. Tato sběrnce se skládá z účelových sběrnc. Vntřní sběrnce zajšťuje kounkac s perferní zařízení vz Obr. 3. Obr. 3 Jádro procesoru DP56800 Na Obr. 3 vdíe propojení účelových sběrnc kde: XAB1 je první adresová sběrnce z funkční jednotky nstrukcí do datové oblast XAB druhá adresová sběrnce z funkční jednotky nstrukcí do datové oblast PAB je adresová sběrnce do jednotky řízení procesu PDB je datová sběrnce do datové paět CGDB globální datová sběrnce pro prác s datovou paětí XDB druhá datová sběrnce z datové funkční jednotky do datové paět PGDB datová sběrnce pro koka s perfere 6.1 Funkční jednotka ALU (Arthetc logc unt) Jednotka ALU provádí různé logcké a základní artetcké operace. Je optálně navržena pro prác s celý čísly nebo s čísly s pevnou desetnnou čárkou, což dělá z tohoto procesoru výkonný prostředek pro runte aplkace. tandardně dsponuje tře 16btový regstry a dvěa 36btový unversální akuulátory, které se rozdělují na 39

46 16btové část (regstry). Má také jeden 36btový akuulátor pro čítání cyklů a navíc jeden 36btový doplňkový akuulátor pro dělení. aozřejě na těchto podpůrných akuulátorech ůže ALU provést další nstrukce, než je jejch specfcký účel, ale ají některá oezení a usíe s n počítat. Zajíavou schopností ALU je takzvaný data lter. Je to vlastně schopnost saturace ateatckého výsledku rovnou v akuulátoru, pokud je aktvovaný, což zabrání přetečení regstru. Obr. 33 Artetcká a logcká jednotka DP56800 Na Obrázku vdíe označení jednotlvých regstrů a akuulátoru. Akuulátory ají navíc 4btové rozšíření a ůžee s n pracovat jako s celky, což uožňuje dostatečnou flexbltu pro další zpracování výsledku. 6. Funkční jednotka AGU (Address generate unt) Jednotka AGU uožňuje adresování paět, a tí do něj uožňuje přístup. Má v sobě pleentovanou ateatckou jednotku (odulo artetc unt), která uožňuje nezávslé výpočty adresových regstrů na ALU. Dále pro prác s řetězc dat á pleentovánu nkreentační/dekreentační jednotku pro posun v paět o jednotku bez ztráty taktu procesoru. Obr. 34 Adresová jednotka DP56800 Na obrázku vdíe čtyř 16btové adresové regstry 0-3, které se nejčastěj používají jako ukazatele do datové paět. Pouze jeden z adresových regstrů uožňuje nkreentační/dekreentační operac a je to regstr označený 3. Dále je zde 16btový regstr P, který ukazuje na vrchol zásobníku, regstr ofsetu N a odfkační regstr M01. Modfkační regstr nastavuje typ adresování, a to buď lneární nebo odulo ód adresování. Počet btů regstru ná říká, kolk dokáže adresovat paět, proto 16btové regstry uožňují adresovat celkově 64 kb paět, a to jak nterní, tak externí. 40

47 6.3 Funkční jednotka Progra Control a nastavení přerušení Tuto jednotku ůžee jnak nazvat jako jednotka řízení běhu prograu. Je odpovědná za načítání a dekódování nstrukcí, za průběh hardwarových syček a za správné zpracování vyvolávaných přerušení. tručně řečeno dává řídící povely ostatní jednotká, a tí řídí proces celého procesoru a díky tou našeho prograu. Je zde uložen regstr prograového čítače, který ukazuje na pozc strojového kódu v paět. Jsou zde dva regstry pro řízení hardwarových syček. Jeden z nch je ukazatel do paět a druhý slouží k určení počtu opakování. K urychlení používá regstr pro paatování adres hardwarových syček (tzv. zásobník). Obsahuje regstr ódu procesoru. Pro prograování aplkace je nejdůležtější regstr. Ten je rozdělen na dvě část. Dolní část regstru je pro stavové příznaky procesu (nebol použtého strojového příkazu) a horní část je pro nastavení odu přerušení(askovatelná, neaskovatelná). Pro nastavení konkrétního přerušení potažo jejch ožné aktvování využíváe povolovací regstr jednotlvých kanálů přerušení IP. Pokud nastavíe bty na konkrétní kanál, zpřístupníe tento kanál pro zpracování přerušení. Každý kanál zastupuje čtyř typy přerušení a je reprezentován regstre GP konkrétního kanálu. GP obsahuje čtyř nastavení prort pro konkrétní typy přerušení. Procesor á tabulku ukazatelů(vektorů) pro jednotlvá přerušení a je jch celke 64. Pokud nastavíe všechny příznaky ta, kde ají být v regstrech IP a GP, pak stačí doplnt adresu funkce, kterou chcee provést, do tabulky ukazatelů přerušení a áe kopletně nastavené přerušení. Neuvedl jse, že v IP je na spodních 6 btech nastavtelné sgnálové přerušení IQA a IQB. Tato přerušení jsou výječně o kanály a nastavují se přío v IP. Pro nastavení přerušení GPIO, A/D, PWM podobných ntegrovaných zařízeních je potřeba nejen nastavt vše v IP atd., ale také nastavt přerušovací regstry v jednotlvých blocích těchto zařízení, jelkož nejsou součástí funkční jednotky řízení běhu prograu, ale jsou s n spojené jen přes vntřní sběrnc. Obr. 35 Prograový kontrolér DP Unverzální porty GPIO Unverzální porty slouží pro víceúčelovou sgnálovou kounkac poocí pnů s perfere. Perfere jsou například klávesnce, dsplay, budč IGBT a nespočet dalších ysltelných funkčních aplkací. Podle typu procesoru á tř nebo více 8btových portů. Uožňují jak čtecí nebo zapsovací rež jednotlvých pnů portu, tak nastavení portu pro kounkac se sérové rozhraní a pod. Ale nejčastěj se využívá pouze čtení nebo 41

48 záps na port. Pro nastavení GPIO portů se používají 16btové regstry. Pro představu nastavení GPIO portů uvedu regstry. PUPEN(PU) Pullup enable regster (povolení přpojení pull-up rezstoru) DATA(D) Data regster (čtení nebo záps portu přes regstr) DDI(DD) Data drecton regster (nastavení pnu portu jako vstup nebo výstup) PEEN(PE) Perpheral enable regster (použtí pnu k kounkac s standard. zařízení) IAT(LA) Interrupt assert regster (sulované přerušení pnu) IEN(LEN) Interrupt enable regster (povolí přerušení z přístupu na pn) IPOL(IPOL) Interrupt edge polarty regster (volí log. úroveň přerušení) IPEND(IP) Interrupt pendng regster (nastavení požadavku přerušení) IEDGE(IE) Interrupt edge senstve regster (detekce sgnálu v závslost na vstupní hraně) PPOUTM Push-pull output ode regster (nastavuje ód typu kounkace s perfere) DATA Provdes an unclocked verson of the datavalues currently present on each GPIO pneven when not n GPIO ode. (příý přístup do kontroleru log. hodnot) DIVE Drve strength regster (nastavení elektrckých vlastností portů) 6.5 Hardwarový generátor PWM Pulzy střídače generujee poocí hardwarového koparačního generátoru PWM. Nezávslý generátor á tu výhodu, že se neusí vytvářet algortus pro správnou časovou generac pulzů To za nás podle svého nastavení vykoná nezávsle sá a navíc títo způsobe nezatížíe zbytečně procesor. Nosná vlna (trojúhelník, pla) je vytvářena poocí 16btového čítače a regstru stropu čítání Counter Modulo (PWMCM). Podle nastaveného ódu čítání ná vytváří plový nebo trojúhelníkový sgnál za poocí předdělčky taktu procesoru, která ve stanovené časové úseku nkreentuje nebo dekreentuje čítač. (Dekreentování se upotřebí tehdy, když dosáhne čítač hodnoty Countr Modulo a potřebujee vytvořt sestupnou hranu trojúhelníku.) Tedy nosnou vlnu zastupuje aktuální stav čítače. Nosná vlna je porovnávána s tře vstupní regstry PWM Value eg (PWMV) jejíž výsledke jsou obdélníkové sgnály reprezentovaný logcký 1 nebo logcký 0. Tyto sgnály vstupují do bloku zpoždění přepnutí (Dead te), který á dva regstry pro časovou kopenzac vypnutí a sepnutí tranzstoru. Následně do dalších bloků pro nastavení polarty výstupu korekce a podobně. Více vz lteratura [ 6], [ 7]. 6.6 A/D převodník Závsí na typu použtého DP procesoru s jádre DP Protože nejvyšší řada tohoto jádra á dva převodníky, což uožňuje paralelní převod dvou sgnálů naráz a ostatní ají převodník jeden, se který dokážee naráz zpracovávat pouze po jedno sgnálu. Základní vlastností převodníků je rychlost převodu a jeho rozlšovací schopnost daná počte btů převodu a regstru, do kterého se ukládá hodnota převodu. Maxální 4

49 fyzcká rychlost převodníku je 5.33 MHz. Ale ůžee rychlost převodu zvolt sa, pokud nepřekročíe axální rychlost převodu, v závslost na nastavení předdělčky taktu procesoru. Za jeden cyklus dokáže s axální takte převodníku nastavt za 187 ns dva bty 1btového převodu. Z toho plyne 1.15 μs na jeden úplný převod sgnálu do dgtální podoby. Tento výsledek převodu se uloží do 16btového regstru a posune se o tř doleva. Z toho vyplývá, že výsledek převodu ůže být pouze kladný o axální velkost s přesností 1btového čísla. Pokud chcee ěřt napětí například v rozezí od V do 1.65 V, usíe nejprve posunout ěřený sgnál na rozezí od 0 V do 3.3 V (axální napětí dovolené napětí A/D převodu) a následně převedené napětí uložené v regstru posunout odečtení hodnoty polovny ěřeného rozsahu. To ná uožňuje přío A/D převodník poocí Offset egstr regstru. Dokáže ěřt napětí z 8 pnů, které se přpojují na převodník poocí přepínače tzv. Mux-e. Uožňuje navíc dferenčně ěřt napětí ez konkrétní dvojce pnů. Nastavuje se poocí 16 regstrů, které nastavují jak ódy převodu, př jaké událost se á generovat přerušení atd. Najdee je popsané v referenční příručce nebo v lt. [ 6], [ 7]. 6.7 Ter (časovač/čítač) Časovač se obecně používá k vyvolání funkcí v konkrétní časové úseku. Funguje jako čítač, který čítá takty procesoru nebo pulzy vnějšího zdroje do stanovené hodnoty a pak následně generuje požadavek na přerušení nebo pošle pulz do dalšího čítače č funkční jednotky (zařízení). Obecně á několk časovačů typu aster (nadřízený) a čtyř slave (podřízené) časovače. Podřízené časovače ůžou pracovat pouze s pulzy z výstupu ze svého nadřazeného časovače a případně se vzájeně propojovat. Některé podřízené časovače se dokáží propojt s dekodére nkreentálního čdla nebo jsou určeny pro synchronzac PWM apod., ostatní časovače toto nedokáží. Používá pro svou čnnost sed 16btových regstrů. Jeden je pro nastavení čítače, jeden pro jednotlvé příznaky čítače a zbylé jsou pro funkc. Z důvodu počtu nastavení ódů čítání a propojení ez sebou neuvádí pops funkčního chodu časovače. 6.8 Dekodér nkreentálního čdla Nejnžší řada s jádre DP56800 neá žádný nkreentální dekodér, ostatní řady ají nálně jeden. Mají čtyř vstupy, PHAE A. PHAE B, INDEX, HOME. První dva sgnály představují pulzů od nkreentálního čdla posunuté vůč sobě o 90º. Do vstupu INDEX jde vždy jeden pulz po jedno celé otočení nkreentálního čdla a do HOME vstupuje externí pulz konkrétní ná zvolené pozce tzv. shalft hoe poston. Vstup HOME není vždy využíván. Závsí na konkrétní aplkac. Dekodér využívá 3btový regstr polohy (Poston egster). Dále regstr otáček (evoluton Counter), který je vždy aktualzován př pulzu vstupující na vstup pnu INDEX. Obsahuje také regstr rozdílů polohy(poston Dfference egster). Ten obsahuje rozdíl počtů nkreentů ez předchozí a aktuální ěření. Mají také regstry, do kterých se ukládá každá příchozí hrana pulzu. Obsahuje také fltr, který po přečtení čtyř zěn (pokud s odpovídají), předá zěnu dekodéru. Uí určt sěr otáčení a podle toho nkreentuje nebo dekreentuje hrany pulzů. Uí propojt čítání hran pulzů s časovač, což uožňuje přesné ěření otáček př alých rychlostech. Vzhlede ke složtost nastavení a odů je vhodné nastudovat anuál. 43

50 7 Návrh ěřítek v aplkační algortu Návrh řídcího systéu ůžee rozdělt na dvě hlavní fáze. První je návrh řídícího algortu. Využívá se k tou dostupných teoretckých znalostí, ze kterých se pak na základě zadaného probléu přnejlepší vybere a nebo usí navrhnout, řídcí algortus. Následuje ověření na sulační prograu a ladění paraetrů řízení. Druhé stádu je následná realzace daného zařízení, buď jako prototyp nebo hotový produkt, u kterého dolaďujee řízení a upravujee fyzcké část. Pro teoretcký návrh řízení a často sulace se využívá základních hodnot fyzkálních velčn. Jako například úhlové rychlost v rad s -1, proudu v apérech, napětí ve voltech a pod. Jejch rozsah není teoretcky njak oezen. Ale pokud chcee vytvořt odel řízení blízký tou, co je uloženo v prograové paět řídcího čpu, usíe upravt ateatcký odel na rozsah používaný daný čpe a zároveň převést odel do číslcové podoby. Takto upravený odel je pak snadné převést do prograové podoby pro zvolený kroprocesor. DP pracuje efektně převážně s 16btový regstry. Používá jak artetky s celý čísly a nebo s čísly s pevnou desetnnou čárkou. To znaená, že ůžee používat axální rozsah hodnot od do 3 767, tedy o celkové počtu nastavtelných hodnot. Musíe proto nastavt všechny velčny (napětí, frekvence apod.) do rozsahů použté artetky čpu, aby neztratly svůj fyzkální sysl řešených rovnc a zároveň abycho ěl dostatečnou rozlšovací schopnost. 7.1 Poěrné jednotky (per-unt) Pokud potřebujee převést fyzcký sgnál na 16btové číslo, usíe zavést takzvané poěrné jednotky jednotlvých velčn. V podstatě je to konstanta, která zění ěřítko dané velčny tak, aby se sgnály vešly do rozsahu v axálních provozních stavech (rozběh, zátěž apod.) a tí páde nedošlo k přetečení regstru. Obvykle sgnály z převodníku a dekodéru jsou bpolární hodnoty. Například otáčky otoru ůžou nabývat kladných hodnot, pokud se otáčí hřídel kladný sěre, v opačné případě dostanee otáčky záporné. Proto potřebujee používat kladné a záporné hodnoty v rovncích. Pak tedy usíe rozdělt axální rozsah regstru na kladnou a zápornou část. V procesorech obvykle bývá reprezentován dělící prvek nejvyšší bte daného regstru. Logcká 0 nejvyššího btu regstru znaená kladné číslo, logcká 1 zase záporné číslo. To platí jak pro číslo ve forátu celých čísel tzv. nteger, tak pro forát reprezentovaný s pevnou desetnnou čárkou tzv. fractonal. Jejch následný rozsah je pak pro nteger od do a pro fractonal od -1 do 1 respektve do Všněe s, že axální hodnota záporných je větší než u kladných, ncéně rozsah je stejný, ale o 1 posunutý. V regstru jsou reprezentovány oba dva foráty číselných hodnot stejný zápse, jen je pro výpočet použt jný artetcký aparát. Pro celočíselnou a zlokovou artetku jsou předevší rozdílné operace násobení a dělení. 44

51 7. Artetka s desetnnou čárkou Pro dobrou nuerckou stabltu a optalzac rovnc je vhodné volt noralzovaný tvar jak sgnálů tak rovnc, nebol brát všechny velčny v desetnné tvaru. Pak usí být zvoleny vztažné hodnoty poěrných jednotek takový způsobe, aby se vešel celkový fyzkální sgnál do rozsahu od -1 do 1. Číslo 1 reprezentuje axální ožnou hodnotu, kterou fyzcký sgnál ůže dosáhnout a -1 zase nální. Tato hodnota je pro nás určující pro převodník A/D a dekodér nkreentálního čdla. 7.3 Určení rozsahu proudu Pokud znáe jenovtý proud AM (je určen konstrukcí), tak z něj ůžee určt přetížtelnost otoru. AM je ožné proudově přetížt až 10násobke jenovtého proudu. Podle ná stanovené velkost proudové přetížtelnost otoru je zvolen tranzstorový odul střídače, který dokáže bezpečně pracovat s touto hodnotou proudu. Tedy tranzstorový odul je volen s takovou proudovou hodnotou, aby dokázal zvládnout se zvolenou rezervou požadovanou přetížtelnost (Požadovaná přetížtelnost AM je 0 A Zvolen tr. odul z katalogu s hodnotou axálního dovoleného proudu 36 A). Tato axální hodnota proudu je brána jako výchozí hodnota pro denzování proudového čdla. Výstupní sgnál ze sníače projde operační zeslovače a áe sgnál upravený v rozezí ez 0 až 3.3 V. Takto upravený sgnál je přpravený na A/D převod, který je ntegrován v DP čpu. V toto případě víe, že axální proud vytvoří napětí na A/D převodníku 3.3 V a jeho opačný sěr toku proudu zase 0 V. Napěťový převodník v DP á nejčastěj 1btové rozlšení. Pak se převedená velčna vejde do kladné část 16btového čísla. Z toho vyplývá, že rozsah napětí od 0 až 3.3 V vytvoří př A/D převodu v regstru převodníku odpovídající hodnoty napětí v rozsahu od 0 do 1, které jsou reprezentované desetnnou artetkou. Protože A/D převodník uí jeno unpolární převod v uvedené rozsahu napětí, byl ěřený proud posunut tak, aby odpovídal touto rozsahu. Nulový proud je reprezentován polovnu rozsahu nebol 1.65 V. Toto napětí odpovídá hodnotě 0.5 v regstru převodníku. Proto je hodnota 16btového regstru převodu posunuta o 0.5 sěre dolů. Jný slovy je od převedeného čísla A/D převodníku odečtena hodnota z nastaveného 16btového regstru offsetu. Ta á hodnotu právě 0.5. Títo dostanee rozsah ěřených velčn od -0.5 do 0.5, jež zastupují axální proudy v obou sěrech tekoucí ve fázích AM. Tento pops lze vyjádřt poěre: frac real = ( 51) ax Kde frac je zloková reprezentace aktuální hodnoty proudu, real je skutečná aktuální hodnota ve fyzkálních jednotkách proudu a ax je axální rozsah proudu, který poje číslo zlokové artetky. Obecně ale platí pro proudy poěr: real = ( 5) frac ax 45

52 Obecná hodnota ěřítka je pak určena vztahe 1/ ax =M. 7.4 Určení napěťového rozsahu Pracovní napěťový rozsah otoru je defnován konstrukční a výrobní specfkací daného točvého elektrckého stroje. Tuto větu ůžee chápat tak, že napětí na fázích otoru neá přesáhnout onu axální přípustnou hodnotu napětí, kterou naleznee v dokuentac od výrobce. Z kaptoly 3. víe, že ve střídač na fázích je elektrcký potencál vůč ze vyšší, než k jeho vztažnéu nulovéu potencálu. Vztažené napětí usí ít stejnou axální hodnotu jako je přípustná hodnota konstrukčního napětí. To znaená, že regulační obvod bude pracovat s axální napětí vstupující na jednotlvé fáze odpovídající konstrukc stroje. Mnální napětí určíe jako zápornou hodnotu axálního napětí. To ná stanoví napěťový rozsah, který bude reprezentován hodnota od -1 do 1 ve zlokové artetce. Pro výpočet kopenzace ktání usěrněného napětí usíe ěřt toto napětí A/D převodníke. Měřené napětí je unpolární (kladné), proto nepotřebujee posouvat sgnál ze senzoru napětí na rozezí 0 až 3.3 V. Pouze upravt ěřítko výstupu, aby odpovídalo potřebnéu rozsahu pro A/D převodníku. Tedy rozsahu 0 až 3.3 V. Nulová hodnota napětí odpovídá 0 V na vstupu A/D a axální napětí usěrňovače plus ná stanovená rezerva reprezentuje napětí 3.3 V. Tento napěťový rozsah odpovídá rozsahu 0 až 1 v desetnné artetce. Pops vyjadřuje poěr: ureal u = ( 53) frac u ax Kde u frac je zloková reprezentace aktuální hodnoty napětí, u real je skutečná aktuální hodnota ve fyzkálních jednotkách napětí a u ax je axální rozsah napětí, který poje číslo zlokové artetky. Obecná hodnota ěřítka je pak určena vztahe 1/u ax =M u. 7.5 Určení rozsahu otáček Měření otáček probíhá ve většně případů poocí nkreentálního čdla. Měřcí rozsah těchto senzorů je dán buď vlastní echancký oezení, pak následný elektrcký zpracování nebo se odvíjí od způsobu zpracování sgnálu z otáčkového senzoru v DP čpu. Tak č onak usíe zvolt potažo vypočítat, kterou axální hodnotu bude reprezentovat číslo 1 v desetnné artetce. Nesíe taky zapoenout, že ateatcký odel á závslost úhlových otáček na počtu půlpárů stroje. Proto usíe rozhodnout, které otáčky vstupují do řídícího algortu(jestl echancké, nebo elektrcké). Vyjádření poěru: ωreal ω = 1 frac ω real = M ωωreal ω ω ax ax ( 54) Kde ω frac je zloková reprezentace aktuální hodnoty otáček, ω real je skutečná aktuální hodnota ve fyzkálních jednotkách otáček, ω ax je axální rozsah otáček, který poje číslo zlokové artetky a M ω je jeho ěřítko. 46

53 7.6 Určení rozsahu agnetckého toku Magnetcký tok prochází vntřní obvode točvého stroje, a proto jeho velkost neůžee zěřt standardní prostředky. Jako takový se počítá na základě ateatckého odelu AM v závslost na snadno ěřtelných velčnách (proudu, ndukčnost, otáček, napětí). Z toho vyplývá, že velkost agnetckého toku závsí na velčnách vstupujících do rovnc pro výpočet agnetckého toku. Tyto rovnce obsahují časové dervace agnetckého toku a ty zastupují napětí agnetckého toku. Vz rovnce v kap..4. Provedee sulac a z ntegrovaných velčn napětí agnetckého toku získáe axální hodnotu agnetckého toku. Jnak pro ustálený stav platí, že agnetcký tok se rovná poěru napětí a otáček. Je vyjádřen poěre: ψ real ψ = 1 frac ψ real = Mψψ real ψ ψ ax ax ( 55) Kde Ψ frac je zloková reprezentace aktuální hodnoty toku, Ψ real je skutečná aktuální hodnota ve fyzkálních jednotkách toku, Ψ ax je axální rozsah toku, který poje číslo zlokové artetky a M Ψ je jeho ěřítko. 7.7 Časté úpravy ěřítek v rovncích (úprava konstant) Pokud noralzujee sgnály, usíe noralzovat rovnce, ve kterých vystupují. ovnce odelu řízení obsahují konstanty, který se noralzovaný sgnál násobí. Pak noralzování nebol úpravu usíe provést na těchto konstantách tak, aby odpovídal výsledek rovnce správné poěrné velčně. V rovncích vystupují konstanty jako odpor nebo ndukčnost. Úprava odporu Vycházíe se základního vztahu závslost odporu, proudu a napětí znáého jako Ohova zákona. Kde za napětí dosadíe poěrnou hodnotu rozsahu a obdobně za proud. Poěrná jednotka je podíl jedné ku axálníu rozsahu dané velčny. Pak postupujee jako př výpočtu odporu z ostatních znáých velčn. M = M M U I 1 U ax 1 I ax = M = M I U ax ax ( 56) Výsledné ěřítko M vynásobíe hodnotou odporu a áe upravený tvar odporu. frac = M Kde výsledný poěr je v důsledku nový přepočet ěřítka, kde noralzovaný proud se přepočítá zpět na skutečnou hodnotu a po vynásobení odporu s přepočtenou hodnotou se noralzuje podle ěřítka proudu. 47

54 Úprava ndukčnost Zde je pro základní vztah napětí a ndukce defnována zěnou vstupního proudu vz vztah: d u = L ( 57) dt Kde dervace proudu podle času ůžee defnovat jako dference: d dt = t Víe, že čas usí být vždy stejný jak pro noralzovanou rovnc, tak pro rovnc počítající s reálný velčna, tedy ěřítko času je jedna. Pokud zěníe ěřítko proudu M, pak to saé usíe provést s jeho rozdíle, potažo pro jeho dferenc ( M n+1 M n = M ) Z toho vyplývá obdobná závslost poěrů jak u úpravy odporu. M = M M U I 1 U ax 1 I ax = M L = M L I U ax ax ( 58) Posléze vynásobíe výsledné ěřítko M L s ndukčností a áe upravený tvar: L frac = M LL ( 59) Všechny tyto úpravy ěřítek však fungují pouze pro rovnce, které využívají stejných defnc z kterých úpravy vycházejí. Tedy výpočty napětí z proudů. Tyto úpravy použjee předevší pro vektorové řízení poocí přrozeného řízení. 48

55 7.8 Úprava ěřítka konstant v rovnc rotorového toku ovnce pro výpočet toku vz (33) je složena z částí, které představují toky. ovnce obsahuje konstantu τ = L /, pro kterou platí ěřítko M L /M =1:1. Dále do rovnce vstupuje noralzovaný sgnál proudu a úhlové rychlost. Tedy proud vytvoří spolu s ndukčností díl ag. rotorového toku ψ = L s z toho vyplývá úprava ěřítka ndukčnost: Mψ = M L ψ M I 1 ψ ax 1 I ax = M L ψ = M Lψ I ψ ax ax ( 60) Další část agnetckého toku je závslost úhlové rychlost, která spolu s konstantou a rotorový toke vytvoří následující díl toku ψ ω = jωτ ψ. Protože ůže vstupovat do rovnce pouze noralzované velčny, usí se úhlová rychlost upravt podle vztahu ω = ω fracω ax vz (54). Z toho vyplývá odpovídající úprava konstanty část toku označena závorkou takto: ψ ω = jω frac ( ωaxτ ) ψ. Tok ψ není v požadované ěřítku, pokud jej vynásobíe ěřítke M Ψ, které získáe podle vztahu (55), bude ít odpovídající ěřítko. Pak výsledný vztah pro výpočet rotorového toku odpovídá: M ψ Kde dψ dt ( L M M ψ + M jω ( ω τ ) ψ ) 1 = Lψ frac ψ ψ frac ax ( 61) τ ω frac je noralzovaný sgnál otáček a frac je noralzovaný vektor proudu 49

56 8 Noralzování konstant v desetnné artetce V kaptolách 7 a 9 jse s popsal etody úprav konstant jež jsou násobeny s proěnou v rovncích. V prax se často stává, že upravená konstanta á hodnotu daetrálně jnou, než je rozsah čísla typu fractonal. Například hodnoty konstant PI regulátoru bývají často 10 a větší, nebo naopak zase enší jak Tyto hodnoty se nevejdou do 16btového regstru desetnné artetky, a tí páde bycho neohl s n počítat. Pokud bycho saozřejě neeuloval výpočty s plovoucí desetnnou čárkou, které by enorně zatížly procesor. Tento problé s větší nebo enší čísl než je rozsah daného regstru se dá elegantně obejít za použtí btových posunů. Pozce logcké jednčky v regstru představuje tolkátou ocnnu dvojky, na kolkáté pozc je uložena (počítá se od nulté pozce). Pokud obsahuje regstr více log. jednček, tak je výsledné číslo dáno součte ocnn dvojek, z nchž každá ocnna dvojky přísluší dané pozc regstru. U desetnách čísel zase pozce značí kolkátá je to záporná ocnna dvojky. Btový posun tedy dokáže číslo uložené v regstru zvětšt, jestlže je posune doleva, nebo zenšt, pokud je posune doprava podle vztahu: X n scale = X ( 6) Kde X scale je upravené číslo, X je původní číslo a n je počet btových posuvů. Pokud posunee původní číslo podle předchozího vztahu (6) na číslo, které se vejde do rozsahu čísla desetnné artetky (fractonal), ůžee tuto hodnotu násobt s proěnnou typu fractonal. Po zpětné posunu výsledku, dostanee skutečnou hodnotu v desetnné n n artetce, vz X x = (( X ) x), ovše pokud se násobek vejde do rozsahu regstru. Aby výsledek ěl co ožná nejvíce zachovanou přesnost př násobení 16btových čísel, tak upravené číslo X scale se usí vejít do rozsahu 0.5,1). Pak pro btový posuv n platí podínka: log( 0.5) log( X ) log(1) log( X ) n < log() log() ( 63) Kde n usí být vždy celé číslo. Je-l původní číslo X čísle ocnny dvojky, výsledná čísla zloku logartů jsou celá čísla. Pak je dobré zvolt vždy za btový posuv n levou stranu podínky. U ostatních čísel jsou výsledné zloky v reálné tvaru (s desetnný hodnota) a výsledný posuv je celé číslo ez dvěa výsledky zloků. 50

57 9 PI regulátor Základní regulační člene řízení otorů je PI(D) regulátor. Řídcí algortus využívá čtyř PI regulátory, a to jak pro elektrcké velčny(proudy, ag. tok), tak pro echanckou (ω) velčnu. PI potažo PID regulátor řídí soustavu poocí akčních zásahů u, který vznká na základě regulační odchylky(rozdíl vstupu a výstupu reg) e=w y. egulátor se snaží řídt soustavu tak, aby regulační odchylka byla co ožná nejenší bez ohledu na poruchovou velčnu. Pro spojtý sgnál a řízení v lneární oblast á PI regulátor tvar: 1 = + t u( t) K e( t) e( τ ) dτ ( 64) T 0 Kde K je proporconální složka zesílení a T je časová konstanta regulátoru. Integrační člen v regulátoru zajšťuje nulovou regulační odchylku v ustálené stavu př konstantní požadované hodnotě, což je postačující vlastnost pro daný typ řízení. Jsou různé typy algortu pro číslcové zpracování PI(D) regulátoru, jako paralelní, sérový, absolutní (nerekurzvní) nebo v přírůstkové tvaru (rekurzvní). Každý á svoje výhody a nevýhody. Pro naše účely postačuje paralelní algortus typu absolutní. Vycházíe z rovnce spojtého regulátoru PI. Integrátor v PI regulátoru se nahrazuje obecně suou. t 0 k k 1 e( τ ) dτ = T0 e( T) = T0 e( T) = I( k) ( 65) = 0 = 0 Kde t=kt 0, T 0 je časová konstanta kroku(délka kroku) a k je konkrétní krok. Zástupce suace ůžee být součet podle lchoběžníkového, obdélníkového nebo psonova pravdla. Aplkačně se nejčastěj používá obdélníkové pravdlo. Pak spojtý PI regulátor je převeden na číslcový nebol P regulátor: 1 u( k + 1) = K e( k) + I( k) T Kde sua I(k) pro obdélníkové pravdlo je: ( 66) I ( k) = I ( k 1) + T0e( k) ( 67) Všnee-l s, že v rovncích (66) a (67) ůžee odchylku zároveň vynásobt s konstanta regulátoru, pak dostanee tvar rovnce: K T0 u ( k + 1) = ( K e( k) + I( k) ) kde I( k) = I( k 1) + e( k) ( 68) T chéa algortu podle předchozího vztahu je na Obr

58 Obr. 36 chéa P regulátoru Výhodou suace poocí obdélníkového pravdla je, že áe algortus s nální počte nstrukcí, avšak s enší přesnost aproxace regulační odchylky. Pokud bycho použl lchoběžníkové nebo psonovo pravdlo, ěl bycho dosáhnout lepší přesnost. 10 Probleatka návrhu algortu Důležté je správně zvolt postup př řešení jednotlvých syček rutn nebol takzvaných prograových funkčních jednotek. utny počítající odel řízení jsou závslé na vstupních sgnálech (napětí, proud, otáčky), které je předávány poocí senzorckých rutn, které zpracovávají externí zařízení. utny odelu řízení předpokládají dostatečně přesné nterpretování jednotlvých vstupních sgnálů za takovou jednotku času, jakou say predkují, potažo takovou časovou jednotku, jako je saotná peroda dané syčky rutny. V odelu řízení, tedy v jeho rutnách, jsou výpočty závslé na časových ntervalech, proto usíe znát čas průběhu jedné syčky odelové rutny. Potřebnou časová jednotku (časová konstanta kroku) perody syčky usí znát předevší ntegrátor vystupující v některých rovncích, jenž je nahrazen suou znáou z kaptoly 9. Čas syčky odelové rutny řízení se ůže zěřt poocí časovače. Pak by se usely ěnt konstanty závslé na čase(ntegrační konstanty) a díky přerušení je to nelehký úkol, který by vyžadoval sofstkovaný přepočet konstant. Proto se používá pro výpočet časových závslých rovnc pevná časová ntegrační konstanta, která je zaručena vyvolávání rutn v určtých ná defnovaných časových ntervalech. Tedy časová konstanta kroku v ntegrační konstantě á takovou hodnotu, aby odpovídala hodnotě perody vyvolávané rutny, jež se v ní vyskytuje jako člen časově závslé rovnce. Takové základní schéa pro řešení časových syček vychází z odelu vytvořeného v MATLAB/ulnk vz Obr

59 Obr. 37 chéa vektorového řízení v MATLAB/ulnk 53

60 10.1 Řešení rutn utny řeší algortus řízení AM podle zvoleného typu řízení. To je znázorněno na Obr. 37 zelený barva. V podstatě áe dvě základní prograové syčky, které se neustále opakují. Poalá syčka řízení, označená na Obr. 37 tyrkysově zelenou barvou, běží s frekvencí cca Hz a á za úkol řešt sgnály poocí regulátorů agnetckého toku a otáček. Tyto regulátory řeší regulac pooc rozdílu žádané hodnoty a naěřené hodnoty. Vytvoří ná požadovaný regulační zásah, který je z obou stran oezen tak, aby výsledný elektrcký proud nepřekročl požadovanou hodnotu, a tí neznčl otor. ychlá syčka řízení je na Obr. 37 označená hráškově zelenou barvou, řeší jádro řízení s frekvencí cca 10x větší, tedy s frekvencí Hz. egulátory proudů jsou oezeny na axální napájecí napětí otoru. Obsahují přepočet do os dq systéu. Tento přepočet je nutný pro výpočet rozdílů proudů, které jsou zase potřebné pro proudové regulátory. Pro stanovení úhlového natočení dq systéu vůč statorovéu slouží blok, který využívá rovnce rotorového toku vz kaptola 4.. Také tento blok stanoví okažtou velkost rotorového toku pro poalou rutnu. Dále je nutná zpětná transforace do statorového systéu pro vypočítaná napětí statoru. Podle stanoveného opravného koefcentu se upraví velkost složek napětí, které následně jdou do bloku algortu VM. Výsledná střída posléze putuje do regstrů hardwarového odulátoru PWM, který j dotvoří a vyšle pulzy na tranzstorový budč ěnče. Fázové proudy a napětí ná zjstí A/D převodník označený oranžovou barvou. Od převodníku vyvolané přerušení dopočítá proudy Clarkovou transforací a také ná určí z aktuální hodnoty napětí v ezobvodu ěnče opravný koefcent, který zajstí správnou velkost statorových proudů. Inkreentální dekodér spolu s přdružený přerušení, jenž je označen falovou barvou, stanoví za co nejkratší čas noralzovanou hodnotu úhlové rychlost. 54

61 10. Řešení bloku rotorového toku Vychází se z rovnce (33), která je označena odrou barvou. Všechny koefcenty jsou noralzovány podle kaptoly 7.8. Dále je zde kalbrační koefcent označený bleděodrou barvou, protože použtý ntegrátor (sua) používá obdélníkovou etodu suace. To způsobuje nevhodný drft rotorových hodnot, který se kopenzuje kalbrační koefcente. Ten získáe, pokud porovnáe rotorový tok z odelu AM a vypočítaný rotorový tok z bloku vz Obr. 38. Obr. 38 chéa nepříého ěření spřaženého rotorového toku v MATLAB/ulnk Dále je zde řešena absolutní hodnota rotorového toku poocí Pythagorovy věty a úhel natočení dq systéu (označen červenou). Ten je vypočten poocí funkce arkustangens ze složek vektoru rotorového toku. Arkustangens se řeší poocí aproxace polynou. Tento způsob řešení arkustangens je jž vytvořen v otor control lbrary jako funkce. Odocnna je řešena aproxačně poocí funkce ntegrované v knhovně. 55

62 10.3 Řešení bloku natočení os systéu Je defnován vztahe: x y ϑ ϑ = x cos( ϑ) + y sn( ϑ) = xsn( ϑ) + y cos( ϑ) A pro zpětnou transforac použjee vztah: ( 69) x = x ϑ y = x ϑ cos( ϑ) y sn( ϑ) + y ϑ ϑ sn( ϑ) cos( ϑ) ( 70) kde x zastupuje v toto bloku proudovou složku v ose d a y zastupuje proudovou složku ve sěru q. Jedný problée této transforace z hledska prograového algortu je funkce úhlu. Řeší se poocí polynou 5. stupně a jsou vytvořeny v knhovně otor control lbrary Řešení algortu VM Jeho prncp je popsán v kaptole 3.3. Využjee opět knhovny otor control lbrary Návrh ěření nkreentálního čdla Pro získání aktuální hodnoty úhlové polohy nebo rychlost se nejčastěj používají sgnály z nkreentálního čdla. Z nkreentálního čdla jdou pulzy do dekodéru. Šířka jednoho pulzu je závslá na úhlové šíř nkreentu, který se odvíjí od počtů pulzů na jednu otáčku daného ěřcího čdla. Mezery ez pulzy předpokládáe stejné jako délky pulzů a tedy po celé obvodu stejné syetrcké rozložení. Pak tedy dokážee ěřt rychlost nejen podle počtů pulzů na jednu otáčku, ale také z času, po který trvá jeden pulz. Víe, že rychlá rutna á probíhat s frekvencí cca Hz, a proto by ěla být rychlost aktualzovaná s tou saou perodou. Zvolené čdlo uvedené v kaptole 5.3 á 500 pulzů na otáčku. Každý pulz á po dvou hranách (vzestupná, sestupná), a tí páde á 1000 hran na jednu otáčku. Maxální stanovené otáčky jsou 350 rad.s -1 Pro vztah ω ez otáčka a uhlovou rychlostí platí: ω = π n = n, π kde ω je úhlová rychlost v radánech za sekundu a n je počet otáček za sekundu. Po dosazení hodnot axální úhlové rychlost dostanee počet otáček za sekundu o velkost ot -1. Pokud chcee určt, jestl ěřt poocí počtu pulzů nebo poocí trvání jednoho pulzu nebo kobnací obou dvou etod ěření, usíe stanovt nejprve axální počet pulzů za ěřenou perodu poocí vztahu (etoda pro počet pulzů): 56

63 n N f ěěřen čdla = I pf ( 71) kde n je počet otáček za sekundu, N čdla je počet pulzů na jednu otáčku, f ěření je požadovaná frekvence ěření. Po dosazení do vztahu dostanee počet hran na otáčku I pf za požadovanou časovou perodu. Po dosazení axální hodnoty otáčení a perody ěření do vztahu (71) dostanee počet hran za ěřenou perodu o hodnotě Tato hodnota ná napoví, jakou etodu pro ěření zvolt, protože její převrácená hodnota ná zároveň stanoví odhad přesnost frekvence otáčení. Pro vypočítaný počet hran za ěřenou perodu je přesnost enší jak 0 % (1/ ). Pokud by byla hodnota větší jak 100 hran na perodu ěření, tak by se o etodě ěření poocí počtu pulzů dalo uvažovat. Z tohoto příkladu je zřejé, že jedné východsko pro ěření úhlové rychlost je ěření podle délky pulzu. Pro stanovení doby pulzu se používá časovače, který je v režu Gated-count ode, který čítá počet pulzů prárního hodnového zdroje, pokud na sekundární sgnálu je logcká jednčka. gnál z nkreentálního čdla vytváří obdélníkové pulzy o délce dané rychlostí otáčení, kde pulz je v dekodéru nterpretován jako logcká hodnota jednčky. Tato logcká hodnota trvá do té doby, než je štěrbna zakryta stínítke. Čítač v toto ódu určí časovou délku trvání jednoho pulzu. Výhoda takovéhoto způsobu určení úhlové rychlost je v to, že dokáže stanovt rychlost otáčení hned z jednoho jedného pulzu. Tedy určení rychlost otáčení závsí na době pulzu. Tato etoda dokáže určt za nální čas úhlovou rychlost. Měřtelný rozsah rychlostí je oezen pouze konstrukcí čdla potažo počte nkreentů čdla. Pro stanovení rychlost otáčení použjee vztah: K ω ω = ( 7) T pulz kde T pulz je počet napočítaných pulzů prárního hodnového zdroje za dobu trvání jednoho pulzu nkreentálního čdla a K ω je přepočtový koefcent. T pulz á rozsah od 0 do 65535, resp. po vyjádření v desetnné artetce od 0 do. Desetnné vyjádření dostanee, pokud podělíe celočíselný rozsah čísle (Pro procesor hodnota v 16btové regstru zároveň reprezentuje v desetnné artetce) K ω ( ω N T = kde K ω ) π T = D N čdla N T ( ω clock ω T clock ) = D ω Nčdla π π Tclock Kω f = ( 73) D N čdla kde T clock je počet taktů procesoru za sekundu, D je hodnota poěru předdělčky (1,,4,8,16,,18) a K ωf je převedení čísla na desetnné vyjádření. 57

64 Koefcent K ωf á hodnotu odpovídajcí ěřítku 1:1. Tedy otáčí-l se hřídel 350 rad s -1, tak přepočtená hodnota podle vztahu (7) je opět hodnota 350 rad s -1. Proto se usí vytvořt poěrná jednotka podle vztahu: Kωf K = ( 74) ωfrac ω ax Poto tedy vypočítáe poěrné otáčky vztahe: ω = fract K ω frac T pulz Pak budou odpovídající otáčky v potřebné ěřítku. ( 75) Pokud koefcent není v rozezí 1 až 0.5, ůžee použít stejného prncpu jako v kaptole8 8. Pro něj platí opět bytové posuvy nezávsle na to, jestl násobíe nebo n X X n dělíe. Osvětlí ná to vztah = x x. ( 76) Otáčky v dané případě budou vyjádřeny pouze absolutní hodnotou, proto jí usíe přřadt znaénko sěru otáčení. Znaénko ůžee určt dvěa způsoby. Jeden způsob využívá časovače v ódu Quadrature-count nebo poocí regstru counter v dekodéru nkreentálního čdla. Určení poocí časovače v ódu Quadrature-count probíhá tak, že čítač zpracovává sgnály A a B z nkreentálního čdla a na základě jejch pozce vůč sobě dokáže určt sěr potažo rychlost.v podstatě přčte jednčku do čítače tehdy, pokud pulz ze sgnálu A předbíhá sgnál B a naopak. Prncp obdobný jako v reg counter vz Obr. 39. Jelkož jsou nezávsle na sobě dekodér a přpojené čítače (časovače), ůžee ít dekodér nastaven v jakékolv ódu. Což ná uožňuje nezávslé vybírání etody ěření rychlost (poocí počtů hran za otáčku, poocí časovače). Dále ale také ůžee kdykolv číst z regstrů dekodéru. Pro získání sěru otáčení za dobu jednoho pulzu se ůže použít regstr couter. Tento regstr je pouze pro čtení a funguje na stejné prncpu jako časovač v režu Quadrature-count. Porovnává sgnál A se sgnále B a podle toho přčte, nebo odečte jednčku do tohoto regstru vz Obr. 39. Obr. 39 Průběh čítání hran v regstru counter Toho ůžee využít pro určení sěru, anž bycho použl časovače a tí s n neplýtval (Master časovač á pod sebou pouze 4 časovače, které se ohou různě propojovat). 58

65 Určení sěru získáe podínkou: kladný_ sě= ( C( n) C( n 1)) > 0 záporný_ sě= ( C( n) C( n 1)) < 0 ( 77) kde C(n-1) je stav counter regstru v předcházející pulzu a C(n) je stav counter regstru na konc aktuálního pulzu dekodéru. Čtení z tohoto regstru bude vždy na sestupné hraně pulzu spolu s čtení z časovače v ódu Gated-count. Bude-l sěr odpovídat kladné hodnotě, tak vypočítaná úhlová rychlost otáčení ze vzorce (75)je správná. Pokud ale bude sěr záporný, usíe zěnt znaénko vypočítané úhlové rychlost. To provedee tak, že k desetnnéu číslu uloženéu v regstru přčtee jeden bt a provedee negac. Provedee jakoby vynásobení -1, ale poocí btových operací (je to rychlejší). Jelkož pro čítač v ódu Gated-count využívá jako svůj sekundární zdroj časovač, přpojíe zde prární časovač s nastavenou předdělčkou o hodnotě 8. Pak dokáže tento čítač čítat od 1rad s-1 do 350rad s-1 (od 4713 do 134 pulzů prárního čítače). Otáčí-l se hřídel poalej, přeteče regstr časovače (ax hodnota v regstru čítače je 65535). Proto přpojíe k čítač v režu Gated-count další čítač, který je v ódu Count-ode. Bude ít hodnotu předdělčky 16. Pak tento přpojený čítač dokáže čítat pulzy sekundárního zdroje od pro 0.05rad s-1, do 945 pro 1rad s-1. Pro další zpřesnění je přpojen k touto přdanéu čítač čítač stejného typu a hodnoty předdělčky. Pak tento čítač dokáže zpracovat otáčky v rozsahu od do 0.05 rad s-1. Více vz tabulka: Úhlové otáčky [rad s- 1 ] Otáčky [ot -1 ] Čas na 1 pulz [s] Dělčka [-] pro 60MHz zdroj Počet tku [-] Kωf [-] Kωfract [-] e = = E = E e Tabulka 7 Tabulka přepočtových koefcentu spolu s časovač 59

66 10.6 Návrh ěření A/D převodníku Je znáo (kaptoly 6.6 a 7.3), že převodník dokáže převést ěřený sgnál (v rozsahu 0 V až 3 V) do dgtální podoby potažo na číselné hodnoty za 1.15 μs. Tí páde dokáže tento převodník za 1/ sekundy převést 88.8 ěřených sgnálů. Ná za tuto dobu postačují pouze 3 převody. ozsahy, ve kterých ůže A/D převodník ěřt, jsou od 0 V až do 3 V, což odpovídá číselnéu rozsahu od 0 až 1. Pokud byl ěřený sgnál posunut o konkrétní potencál před převodníke, ůže se tento sgnál vrtuálně posunout zpět poocí hodnoty v offset regstru, která lze nastavt pro každý sgnál zvlášť. Předpokládáe, že se použje paralelní převod, což znaená převody najednou. Tí budou ěřeny dva fázové proudy za 1.15 μs Následně se bude ěřt napětí spolu jední prázdný převode za tutéž dobu. Naěříe proudy a jedno napětí v ezobvodu ěnče s jední prázdný ěření. Hodnoty z A/D převodníku jsou už noralzované, pokud jse správně nastavl převodník a ezsgnálový obvod, a tudíž není třeba s n cokolv dělat. Pokud spustíe převod poocí nastaveného btu start v control regstru převodníku, autoatcky převede všechny nastavené vstupní sgnály do číselné podoby v noralzované tvaru. top bt se nastaví po dokončení posledního převodu v control regstru a A/D převodník vyčkává na jeho opětovné sazání. Pak ůže rychlá prograová rutna číst převedené velčny a po její načtení do svých proěnných spustt znovu převod vyazání stopovacího btu. 60

67 11 Závěr V této prác jse se snažl nastínt souvslost ez základní odely AM a etoda jejch řízení. Řízení s čdle otáček AM vychází z odelu, který je popsaný dferencální rovnce odvozený v lteratuře [ 5]. Je to základní etoda vektorového řízení a v této prác je uveden jak postup prograové aplkace, tak nastavení opravných koefcentů v bloku rotorového toku. Velkost opravných koefcentů závsí na použté etodě náhrady ntegrátoru v rovnc rotorového toku odelu řízení a na frekvenc rychlé syčky. Pro softwarovou aplkac je nutné vytvořt dvě rutny. Jedna rutna běží v poalé časové syčce o frekvenc Hz a obstarává regulátor otáček agnetckého toku. Druhá rychlá rutna běží v časové syčce o frekvenc Hz. Ta v sobě obsahuje výpočet rotorového toku a z něj dokážee určt úhlovou polohu ez souřadncový systée statoru a rotoru (souřadncový systé dq). Tato úhlová poloha se použje pro transforace do dq souřadnc a zpět pro potřebné velčny. Je zde popsán prncp noralzování rovnc potažo jejch konstant na příkladech a následné vyjádření význaných noralzačních vztahů. Jejch správné určení je důležté a zásadní pro správnou funkc rovnc v odelu řízení, které ají oezené rozsahy hodnot dané velkostí regstrů procesoru. Pro ěření fyzckých velčn je uveden postup, jak docílt axální přesnost a včasného ěření. A/D převodník procesoru dokáže převést do dgtální podoby 88.8 fyzckých sgnálů (velčn) běhe jedné 1/ sekundy. Ná postačuje převést pouze 3 velčny za tuto dobu, napětí v ezobvodu a fázové proudy. Pro ěření otáček je zvolen prncp ěření pooc časového trvání jednoho nkreentu nkreentálního senzoru. V prác je uveden důvod, proč byla použta jeno tato etoda. Navrhované ěření úhlové rychlost dovoluje dostatečně přesné ěření v obou sěrech v rozsahu od 0,000 5 rad s -1 do 350 rad s -1. ychlost otáčení ez -0,000 5 a 0,000 5 rad s -1 je brána jako nulová rychlost, jelkož enší rychlost už nedokážee ěřt vlve dlouhé časové perody jednoho nkreentu (delší jak 5 sekund). Jednotlvé gonoetrcké a cykloetrcké funkce jsou jž vytvořeny v otor control lbrary, a proto je v prác jen nastíněno řešení této probleatky. Řízení bez čdla otáček vychází z rovnc náhradního odelu AM ve zjednodušené tvaru. Toto řízení je popsáno a odvozeno v lt. [ 16], ale tento způsob se nezdá dostatečně robustní. Uvedené řízení je nutné doplnt o kladnou transforac os ez dq a synchronně rotující systée pro fázové proudy, které vstupují do PI regulátoru (používá zápornou transforac), aby bylo funkční. Ale po této úpravě řízení nejsou výsledky průběhu otáček AM kvaltatvně porovnatelné s řízení poocí čdla otáček. Tento způsob řízení se ně však povedl vcelku dobře aplkovat na otor se vše znáý paraetry stroje (nkol pro hodnoty náhradního zjednodušeného odelu stroje) a napětí fází 600 V. Dploové prác je popsán ěnč se stejnosěrný ezobvode využívající usěrněné napětí z 3fázového usěrňovače. Pokud bycho chtěl použít fázový usěrňovač pro zdroj stejnosěrného napětí, je v příslušné kaptole uvedena lteratura o dané probleatce. 61

68 Budče tranzstorů a tranzstory jsou dodávány jako oduly. Budč uí přdat do odulačního sgnálu deadte, ale nepředpokládá se tuto schopnost využívat. Předpokládá přdání deadte o hodnotě 3μs přío do odulačního sgnálu poocí hardwarového odulátoru PWM v DP čpu. Přínos této práce je v to, že je zde propojena teore s aplkační řešení. Je zde popsán základní postup noralzování konstant pro desetnnou artetku. Tento postup je zásadní pro softwarové návrhy v aplkacích s kroprocesory a platí jak pro uvedený odel řízení s čdle otáček, tak pro odel řízení bez čdla otáček. V prác jsou také uvedeny prograové etody pro nalezení potřebných vstupních velčn (napětí ezobvodu, fázový proud, úhlové otáčky), které jsou nastaveny na co největší přesnost ěření a které jsou přenostelné na další etody řízení Výsledky Obr. 40 ozběh a reverzace otoru se pulzní zatížení 6

69 Obr. 41 tatorové proudy podle Obr. 40 Obr. 4 Detal průběhu statorového proudu Obr. 43 otorové proudy podle Obr

70 Obr. 44 Detal průběhu rotorového proudu 64