VYSOKÉ ČENÍ TECHNCKÉ V BRNĚ BRNO NVERSTY OF TECHNOLOGY FAKLTA ELEKTROTECHNKY A KOMNKAČNÍCH TECHNOLOGÍ ÚSTAV ATOMATZACE A MĚŘÍCÍ TECHNKY FACLTY OF ELECTRCAL ENGNEERNG AND COMMNCATON DEPARTMENT OF CONTROL AND NSTRMENTATON MPLEMENTACE DENTFKAČNÍCH ALGORTMŮ V SGNÁLOVÉM PROCESOR DSP56F8XXX THE MPLEMENTATON OF DENTFCATON ALGORTHMS N DGTAL SGNAL PROCESSOR DSP56F8XXX DPLOMOVÁ PRÁCE MASTER S THESS ATOR PRÁCE ATHOR VEDOCÍ PRÁCE SPERVSOR Bc. JŘÍ JANŠKA doc. ng. PETR BLAHA, Ph.D. BRNO 2008
VYSOKÉ ČENÍ TECHNCKÉ V BRNĚ Útv utomtizce měřicí techniky mplementce identifikčních lgoritmů v ignálovém proceoru DSP56F8xxx DPLOMOVÁ PRÁCE Studijní obor: Student: Vedoucí práce: Kybernetik, utomtizce měření Bc. Jiří Jnušk doc. ng. Petr Blh, Ph.D. Abtrkt: Diplomová práce e zbývá mtemtickými popiy některých identifikčních metod plikovných n ynchronní motor jejich náledným odimulováním v protředí MATLAB/Simulink poté implementcí n digitální ignálový proceor. V první čáti práce je uveden zákldní mtemtický popi ynchronního motoru. Náledující čát obhuje tručné přiblížení význmu identifikčních metod jejich rozdělením. Nejdůležitější čátí práce je popi principů 4 konkrétních identifikčních metod jejich nálednými imulcemi plikovnými n model ynchronního motoru v protředí MATLAB/Simulink. Výpočetní lgoritmy těchto metod jou pro kždou metodu zvlášť náledně implementovány ze Simulinku do digitálního ignálového proceoru řdy DSP56Fxxx firmy Freecle. Klíčová lov: ynchronní motor, identifikce, ignálový proceor
BRNO NVERSTY OF TECHNOLOGY Fculty of Electricl Engineering nd Communiction Deprtment of Control, Meurement nd ntrumenttion The implementtion of the identifiction lgorithm in digitl ignl proceor DSP56F8xxx DPLOMA THESS Speciliztion of tudy: Cybernetic, Control nd Meurement Student: Bc. Jiří Jnušk Supervior: doc. ng. Petr Blh, Ph.D. Abtrct: Thi diplom thei del with bic mthemtic decription of ome identifiction method pplicble to the induction motor with progrm imultion in MATLAB/Simulink nd then with implementtion of the method in digitl ignl proceor. n the firt chpter the bic mthemtic decription of the induction motor i mentioned. The following ection include hort pproch to mening of the identifiction method with their diviion. The mot importnt chpter of the thei decribe the four identifiction principle with their ucceive imultion pplied to the model of the induction motor with progrm MATLAB/Simulink. The computtionl lgorithm of thee method re conequently implemented one fter nother for ech method from Simulink to digitl ignl proceor DSP56F8xxx. Key word: induction motor, identifiction, digitl ignl proceor
B i b l i o g r f i c k á c i t c e JANŠKA, J. mplementce identifikčních lgoritmů v ignálovém proceoru DSP56F8xxx. Brno:, Fkult elektrotechniky komunikčních technologií, 2008. 71. Vedoucí diplomové práce doc. ng. Petr Blh, Ph.D.
P r o h l á š e n í Prohlšuji, že jem vou diplomovou práci n tém "mplementce identifikčních lgoritmů v ignálovém proceoru DSP56F8xxx" vyprcovl zcel mottně pod vedením vedoucího diplomové práce použitím odborné litertury dlších informčních zdrojů, které jou všechny náležitě citovány v práci uvedeny v eznmu litertury n konci práce. Jko utor uvedené diplomové práce dále prohlšuji, že v ouviloti vytvořením této diplomové práce jem neporušil utorká práv třetích oob, zejmén jem nezáhl nedovoleným způobem do cizích utorkých práv oobnotních jem i plně vědom náledků porušení utnovení 11 náledujících utorkého zákon č. 121/2000 Sb., včetně možných tretněprávních důledků vyplývjících z utnovení 152 tretního zákon č. 140/1961 Sb. V Brně dne: Podpi: P o d ě k o v á n í Tímto bych chtěl poděkovt vedoucímu této práce pnu doc. ng. Petru Blhovi Ph.D. z veškeré úilí, nhu zejmén pomoc při řešení této diplomové práce. Tké bych chtěl poděkovt vým blízkým z veškerou péči obětvot v době tudi vyprcování diplomové práce. V Brně dne: Podpi:
5 OBSAH 1. ÚVOD...10 2. ASYNCHRONNÍ MOTOR...11 2.1 Rozdělení ynchronních motorů...11 2.2 Princip činnoti ynchronního motoru...12 2.3 MATEMATCKÝ POPS SYNCHRONNÍHO MOTOR...13 2.3.1 Zákldní rovnice popiující AM...13 3. DENTFKACE PARAMETRŮ MOTOR...15 3.1 Metody pro identifikci...15 3.1.1 On-line metody...16 3.1.2 Off-line metody...16 3.2 Modely použité v práci...16 4. DGTÁLNÍ SGNÁLOVÉ PROCESORY...17 4.1 Vývojová dek freecle 56F8300 DEMO...18 4.1.1 Klíčové ryy proceorů z rodiny DSP56800E...18 4.1.2 Periférie prvky n dece...20 4.1.3 CP MC56F8323...21 4.2 Protředí Codewrrior DE...22 4.3 SFO toolbox...24 4.4 mplementce identifikčních lgoritmů...25 5. DC TEST...26 5.1 Blokové chém SMLACE v imulinku...26 5.2 Princip DC tetu...27 5.2.1 Výpočet odporu ttoru...28 5.3 mplementce DC tetu n DSP...29 5.4 Blokové chém implementce n DSP...29 5.5 Algoritmu DC tetu v jzyce C...30 5.6 Zhodnocení implementce DC tetu n DSP...32 5.7 Průběhy okmžitých hodnot veličin v če...32 6. NO LOAD TEST...34 6.1 Blokové chém imulce v Simulinku...34 6.2 Princip imulce...35
6 6.3 rčení prmetru L L + L m...35 6.3.1 Blok RMS...36 6.3.2 Princip identifikce...36 6.3.3 Výpočet prmetrů L l + L m...37 6.4 mplementce no-lod tetu n dp...39 6.5 Blokové chém implementce n DSP...40 6.6 Algoritmu No-lod tetu v jzyce C...40 6.6.1 Generování npájecího npětí...41 6.6.2 Algoritmu výpočtu ektivní hodnoty RMS ze ignálu n DSP...42 6.6.3 Algoritmu výpočtu prmetrů L l + L m n DSP...43 6.7 Zhodnocení implementce No-lod tetu n DSP...46 6.8 Průběhy okmžitých hodnot veličin v če...46 7. LOCKED ROTOR TEST...48 7.1 Blokové chém imulce v Simulinku...48 7.2 Princip imulce...49 7.3 rčení prmetrů L l +L rl...49 7.3.1 Blok RMS...50 7.3.2 Princip identifikce...50 7.3.3 Výpočet prmetrů L l + L rl...50 7.3.4 Výpočet prmetrů R + R r...52 7.4 mplementce Locked rotor tetu n DSP...52 7.5 Blokové chém implementce n DSP...53 7.6 Algoritmu Locked rotor tetu v jzyce C...54 7.6.1 Generování npájecího npětí...54 7.6.2 Algoritmu výpočtu ektivní hodnoty RMS ze ignálu n DSP...54 7.6.3 Algoritmu výpočtu prmetrů L l + L rl n DSP...55 7.6.4 Algoritmu výpočtu prmetrů R + R r n DSP...55 7.7 Zhodnocení implementce Locked rotor tetu n DSP...56 7.8 Průběhy okmžitých hodnot veličin v če...56 8. ONE PHASE TEST...58 8.1 Blokové chém imulce v Simulinku...58 8.2 Princip imulce...58
7 8.3 rčení prmetrů L l +L rl...59 8.3.1 Blok RMS...59 8.3.2 Princip identifikce...60 8.3.3 Výpočet prmetrů L l + L rl...62 8.3.4 Výpočet prmetrů R + R r...64 8.4 mplementce One phe tetu n DSP...64 8.5 Blokové chém implementce n DSP...65 8.6 Algoritmu One phe tetu v jzyce C...66 8.6.1 Generování npájecího npětí...66 8.6.2 Algoritmu výpočtu ektivní hodnoty RMS ze ignálu n DSP...66 8.6.3 Algoritmu výpočtu prmetrů L l + L rl n DSP...67 8.6.4 Algoritmu výpočtu prmetrů R + R r n DSP...67 8.7 Zhodnocení implementce One phe tetu n DSP...68 8.8 Průběhy okmžitých hodnot veličin v če...68 9. ZÁVĚR...70 10. POŽTÁ LTERATRA...71 SEZNAM OBRÁZKŮ Obrázek 1: Vývojová dek FREESCALE 56F8300DEMO[9]... 20 Obrázek 2: Pohled n uživtelké rozhrní progrmu CodeWrrior 5.6... 22 Obrázek 3: Okno Nápověd pro CodeWrrior... 23 Obrázek 4: Blokové chém DC tetu... 26 Obrázek 5: Sttorové vinutí připojeným npětím... 28 Obrázek 6: Blokové chém implementce DC tetu n DSP... 29 Obrázek 7: Okmžitý průběh proudů ttorem... 32 Obrázek 8: Okmžitý průběh ložek toku rotorem... 33 Obrázek 9: Okmžitý průběh úhlové rychloti... 33 Obrázek 10: Blokové chém imulce No-lod tetu... 34 Obrázek 11: Blokové chém bloku RMS... 36 Obrázek 12: Blokové chém implementce No-lod tetu n DSP... 40 Obrázek 13: Okmžité průběhy proudů ttorem... 47 Obrázek 14: Okmžitý průběh úhlové rychloti... 47
8 Obrázek 15: Blokové chém Locked rotor tetu... 48 Obrázek 16: Blokové chém implementce Locked rotor tetu n DSP... 53 Obrázek 17: Okmžité průběhy proudů ttorem... 56 Obrázek 18: Okmžité průběhy ložek mgnetického toku rotorem... 57 Obrázek 19: Okmžitý průběh úhlové rychloti... 57 Obrázek 20: Blokové chém imulce One phe tetu... 58 Obrázek 21: Blokové chém implementce One phe tetu n DSP... 65 Obrázek 22: Okmžité průběhy proudů ttorem... 68 Obrázek 23: Okmžité průběhy ložek mgnetického toku rotorem... 69 Obrázek 24: Okmžitý průběh úhlové rychloti... 69 SEZNAM TABLEK Tbulk 1: Výpočet odporu ttoru... 31 SEZNAM SYMBOLŮ in ( x) - goniometrická funkce x - obecná proměnná j - imginární jednotk [-] t - č [] ϕ - fáze npájecího npětí [-] ω ω 0 ω f vz T vz - mechnická úhlová rychlot [rd/] - úhlová frekvence npájecí ítě [rd/] - ynchronní rychlot mgnetického pole [rd/] - vzorkovcí frekvence [Hz] - period vzorkování [] - kluz ynchronního motoru [-] z p - počet pólových dvojic motoru [-] π - Ludolfovo čílo [-] m - mplitud npětí fáze [V],, - npájecí npětí jednotlivých fází [V] b c
9,, - proudy jednotlivými fázemi [A] b c R R r - odpor ttoru [Ω] - odpor rotoru [Ω] - ektivní hodnot proudu [A] - ektivní hodnot npětí [V] Q P P L m X m L l X l L rl - jlový výkon jedné fáze [W] - činný výkon motoru [W] - ektivní hodnot činného výkonu [W] - mgnetizční indukčnot [H] - mgnetizční induktnce [Ω] - rozptylová indukčnot ttoru [H] - rozptylová induktnce ttoru [Ω] - rozptylová indukčnot rotoru [H], b, c - oznčení vorek n ttoru u u r ψ ψ r M z - vektor ttorového npětí [V] - vektor rotorového npětí [V] - vektor mgnetického toku ttoru [Wb] - vektor mgnetického toku rotoru [Wb] - zátěžný moment [Nm]
10 1. ÚVOD Dnešní dob plná technologií pohony kčními členy přináší znčné nároky n přenou zároveň kvlitní regulci. Dnešní přítupy identifikčními lgoritmy dokáží přeně kvlitně identifikovt ty prmetry pohonu, které mjí největší vliv n doženou přenot kvlitu regulce. Tyto metody jou víceméně zákldem pro přenou identifikci elementárních prmetrů (npř. ttorové rotorové odpory, indukčnoti d.) trojů, ť už ynchronních či ynchronních, jejichž znlot nám umožňuje co nejpřeněji ntvit náledně řídit tyto čáti určité technologie. Tyto metody e neutále vyvíjejí zdokonlují zejmén pomocí modelovcích protředků výpočetní techniky. V polední době lze v oblti elektrických pohonů pozorovt znčný nárůt regulovných pohonů. Vývoj je podmíněn zejmén kvlitou polovodičových oučátek prvků, tvořící zákldní tvební trukturu regulční outvy (řízení - pohon). Zejmén použití prvků výkonové řídící techniky, zložené právě n polovodičových prvcích, umožňuje relizci pohonů v prxi vyznčující e prmetry vnitřní dynmikou. Právě tyto prmetry lze do jité míry ovlivňovt kvlitním řízení či regulcí. Algoritmy chopné prcovt při řízení pohonů e vyznčují vyokou mírou dptibility poměrně ndnou plikcí. Bývjí téměř výhrdně pjty využitím mikroproceorových truktur, n kterých jou lgoritmy implementovány. [2]. Tto diplomová práce e zbývá popiem, náledným modelováním implementcí identifikčních metod ynchronního motoru, jejichž výpočetní lgoritmu běží v rámci MATLAB/Simulink. Dále jou právě tyto lgoritmy převedeny (modifikovány) tk, by byly výpočetně zprcovány n trně digitálního ignálového proceoru (DSP). Cílem práce bylo eznámit e vybrnými metodmi identifikce prmetrů ynchronního motoru, ověřit (nimulovt) právnot těchto metod v protředí MATLAB/Simulink. Hlvním úkolem všk bylo tyto identifikční metody implementovt ze Simulinku do ignálového proceoru řdy 56F8xxx firmy Freecle. Práce je uceleně rozdělen do několik kpitol. dentifikční metody jou relizovány v protředí Simulink dále pk v protředí CodeWrrior DE, kde jou identifikční lgoritmy nprogrmovány v jzyku C.
11 2. ASYNCHRONNÍ MOTOR Aynchronní motory (AM) jou polehlivější, levnější co e týče nákldů n výrobu, lehčí zejmén méně ložitější, co e týče kontrukce, ve rovnání e tejnoměrnými motory (SM). AM rotorem nkrátko ptří mezi nejpoužívnější troje v elektrických pohonech vůbec. Dnešní výrobní průmyl je chopen obloužit široké pektrum potenciálních zákzníků, kteří pro voji technologii potřebují pohon především přijtelnou pořizovcí cenou zejmén e pecifickými prmetry jko npř. výkonem od několik W či mnohem výkonnější formu pohonu, npř. pro nějkou dynmicky náročnou plikci, která i žádá nutný výkon řádově několik MW velkým rozhem. Jejich nevýhodou vůči SM je ložitější lgoritmu pro řízení, zejmén otáček. To všk v dnešní době plné mikroproceorové techniky řídící techniky, zložené n polovodičových technologiích, zčáti odpdá. Díky těmto dlším předpokldům jou ynchronní motory chopné konkurovt tejnoměrným pohonům (ervomotory, krokové motory) pro polohové dynmicky náročné plikce.[2] 2.1 ROZDĚLENÍ ASYNCHRONNÍCH MOTORŮ Kontrukční rozdělení: Podle upořádání počtu npájecích vodičů (fází) n ttorovém vinutí ) jednofázové využití pro plikce menší výkonovou náročnotí (pro rozběh je nutné připojit rozběhový kondenzátor, indukčnot či činný odpor), využití zřídk npř.u utomtických prček pro domácnoti b) trojfázové nejpoužívnější typy AM motorů, upltnění v širokém pektru využití (čerpdl, pohony pro elektrickou trkci - lokomotivy, trmvje) Dle upořádání rotorového vinutí ) motor kroužkovou kotvou využívá e možnoti ndné změny rotorového odporu ouměrným trojfázovým předřdným odporem připojeným n kroužky tím zmenšit záběrný proud morou nebo jeho otáčky zvětšit záběrný moment
12 b) motor klecovou kotvou pojenou nkrátko nejčtější přípd, kdy je rotor zhotoven z kotvy nkrátko, která e kládá z vodivých tyčí (měď, hliník, moz), pojených čelními kruhy vřením nebo pájením ntvrdo (kontrukce tvoří klec), rotor tím motný motor je téměř nezničitelný znčně polehlivý co e týče kontrukce 2.2 PRNCP ČNNOST ASYNCHRONNÍHO MOTOR Při nlýze vltnotí elektrických trojů (ttických i dynmických) je nutné vycházet z obecných předpokldů, zložených n elektromgnetických elektromechnických jevech. ndukční troj lze povžovt z obecný příkld několikfázového trnformátoru. Rozdíl vzhledem k trnformátoru počívá v jiné kontrukci upořádání. Rotorová ttorová vinutí jou uložen ve dvou oddělených železných jádrech, mezi kterými je vzduchová mezer. Rotor je čát motoru, která e vzhledem ke ttoru otáčí je pojen hřídelí, která je vyveden mimo motné tělo motoru. Princip funkce motoru počívá ve vytvoření točivého mgnetického pole ve vzduchové mezeře. Točivé mgnetické pole vzniká připojením vinutí ttoru n ymetrický trojfázový zdroj npětí. [1][2] Fázová npětí je možno vyjádřit náledujícími vzthy: b c = = = m m m in( ω t) 0 2 π in( ω0t + ) (2.1) 3 4 π in( ω0t + ) 3 kde pro úhlovou frekvenci npájecí ítě pltí ω0 = 2 π f (2.2) kde π je kontnt f je frekvence npájecí ítě.
13 Rotující mgnetické pole indukuje v tyčích ttoru proudy, které zpětně regují mgnetickým polem vzniká elektromotorická íl, která náledně roztáčí rotor. Hodnot otáček rotoru e zvyšuje, teče jím proud. Výkon motoru je přímo úměrný úhlové rychloti otáčivého pole momentu přeneeného n hřídel motoru. [2] Vzth mezi počtem pólových dvojic motoru, ynchronní rychlotí otáčivého pole kutečnou úhlovou frekvencí npájecí ítě dává náledující vzth: ω ω 0 = (2.3) z p Skluz je veličin udávjící rozdíl mezi kutečnou rychlotí otáčení motoru ω ynchronní rychlotí mgnetického pole ω. ω ω = (2.4) ω 2.3 MATEMATCKÝ POPS ASYNCHRONNÍHO MOTOR Aynchronní motor klecovou kotvou je nejpoužívnější pohon v elektrických regulovných outvách. Pod pojmem regulovný e má n myli tkový pohon, u kterého řídíme otáčky, polohu, moment td. Pro utálené tvy i přechodné děje jou důležité hodnoty mplitud elektromgnetických veličin. Vzhledem k tomu, že je AM nelineární, vykytují e v jeho popiu diferenciální rovnice. [2] 2.3.1 Zákldní rovnice popiující AM Vzthy uvedené níže pltí pro všechny typy ynchronních motorů vycházejí z teorií o obecném elektrickém troji.[2] Vektorové rovnice popiující ttorová rotorová npětí: u u ψ + d = Ri + jωψ (2.5) dt dψ dt ( ω ω) ψ R R R = 0 = RRiR + + jz p (2.6) kde u je vektor ttorového npětí, R je odpor ttoru, R R je odpor rotoru, i je vektor ttorového proudu, i R je vektor proudu rotorového, dále ψ je mgnetický
14 tok ttorem ψ R je mgnetický tok rotorem, z p je počet pólových dvojic člen ( ω ω) je rozdíl hodnot úhlové rychloti mgnetického pole kutečné rychloti otáčení rotoru (viz. vzth 2.4), t je č. Ve vzthu (2.6) je u = 0, neboť e jedná o model motoru kotvou pojenou nkrátko, lépe řečeno jde o motor jehož rotorové vinutí je zpojeno do zkrtu. R Momentové rovnice: dω J = dt ( M M z ) [ ] (2.7) M = 1,5z p mψ i (2.8) kde J je celkový moment etrvčnoti motoru, člen M M ) udává velikot ( z rozdílu hodnot momentu motoru zátěžného momentu, člen z p udává počet pólových dvojic, ω je úhlová rychlot otáčení motoru, t je č. Z rovnic (2.6) (2.7) je vidět nelinerit modelu dného motoru, která je zde reprezentován diferenciálními rovnicemi prvního řádu. [2]
15 3. DENTFKACE PARAMETRŮ MOTOR V poledních deetiletích 20. toletí doáhnutý tupeň vývoje polovodičové mikroproceorové techniky umožnil použití nových lgoritmů pro řízení ynchronních motorů. Jedná e zejmén o metody, které dohují vyoké ttické dynmické přenoti při řízení elektromechnických veličin (proud, mgnetický tok, moment, otáčky, poloh). Mezi tyto metody řdíme npř. vektorové řízení momentu, klární řízení, přímé řízení momentu (v litertuře oznčováno jko DTC) d. Díky tomu jou pohony těmito motory chopny v plné míře konkurovt jednoměrným ervopohonům v dynmicky náročných plikcích. Použití třídvých ervopohonů v různých odvětvích průmylové utomtizce zznmenlo mrkntní nárůt, tento trend e udržuje ndále v ouviloti dlším vývojem tím pojeným zdokonlováním technologií třídvých pohonů dozná v budoucn nepochybně výrzných kroků měrem kupředu. Dnešní pohony muí být chopny vyhovět nejrůznějším poždvkům, které i kldou jejich dlší plikce, tj. npř. přená rychlá regulce úhlové rychloti motoru v ttickém i dynmickém provedení. Aby toto řízení bylo co nejpřenější by byly plněny poždvky, které jou v krátkoti zmíněny výše, muí exitovt metody nvržené k tomu, by nám přeně rychle identifikovly prmetry motných pohonů (tj. hodnoty odporů ttoru rotoru, indukčnotí, čových kontnt td.). Znlot těchto prmetrů je nutná k ntvení regulčních prvků v řídícím ytému z toho vyplývá, že bez přené identifikce není možné tyto pohony kvlitně regulovt či řídit ve vých pecifických plikcích. Některé prmetry jou téměř nezávilé n provozních podmínkách (indukčnoti ve ttoru rotoru), všk ty dlší z většiny jko odpory rotoru ttoru už jou ovlivnitelné celou řdou fktorů, z nichž mezi hlvními jou nepochybně teplotní změny ve trukturách použitých mteriálů, dále tké mgnetické dlší vltnoti želez (hytereze, permebilit).[2] 3.1 METODY PRO DENTFKAC Tyto metody e od ebe nvzájem liší způobem přítupu hledání určování prmetrů ynchronního motoru. Jedná e o metody off-line on-line.
16 3.1.1 On-line metody Tyto metody přítupy n nich zložené louží k určování prmetrů ynchronního motoru, který je právě v provozu (on-line). Stroj může být ztížen či jen běžet v režimu no-lod, tj. bez mechnického ztížení hřídele. Pohon vykzuje mechnický výkon roven přibližně výkonu nutnému ke krytí ztrát vlivem npř. tření či odporu vzduchu. Prmetry motoru e mění čem během činnoti proto jou tyto metody implementovány ohledem n tuto kutečnot. Stěžejními předpokldy u těchto metod jou kvlitní hodnoty počátečních podmínek. Metody jou znčně závilé n výkonu řídícího mikroproceoru (důrz n rel time). Právě chopnot identifikce v reálném če tví tyto metody n poměrně kvlitní pozici. [6] 3.1.2 Off-line metody Jedná e o metody identifikující prmetry zřízení, které je v utáleném tvu, tj. npř. před puštěním (nekoná otáčivý či dlší jiný pohyb). Zíkné identifikovné prmetry jou nutné k ntvení ložek regulátorů dlších prvků určených pro činnot pohonu. [6] 3.2 MODELY POŽTÉ V PRÁC Simulce, modelování motná implementce n DSP, potřebné k identifikci prmetrů ynchronního motoru, byly prováděny n již dříve vytvořeném modelu motoru, který je určen k beznímčovému řízení ynchronního motoru. Blokový model motného motoru, vytvořený z pomocí oftwre MATLAB-Simulink polečnoti MATHWORKS, plně kopíruje typ zřízení, který je n ÚAMT (Útv utomtizce měřící techniky) především v CAK (Centrum plikovné kybernetiky) využíván pro výzkumné účely. Tento model či blok je nvržen tk, by byl pokud možno přenou kopií reálného motoru, co e týče prmetrů ovlivňujících jeho chrkter. Obhuje dv vtupní porty (npájecí npětí, ztěžovcí moment M z ) dále výtupní u b, c porty, n kterých je možno ledovt veličiny typu proud ttorem i b, c,, celkový mgnetický tok rotorem ψ r či přípdně otáčky motoru ω. Připomínám, že model motoru je nelineární, tejně jko reálný motor, který je jeho předlohou. Jeho mtemtický popi je potven n diferenciálních rovnicích.
17 4. DGTÁLNÍ SGNÁLOVÉ PROCESORY Množtví informcí, jejich kvlit zejmén rychlot zprcování (práce v reálném če = rel time) ptří k rozhodujícím fktorům, které ovlivňují kvlitu průběhu jkéhokoliv proceu. Npř. zprcování znčného objemu informcí - zchycení obrzu, kompree, rozpoznání pecifických znků, záznm n tndrdní médium či odelání informcí obrzu jinému zřízení připojenému do komunikční ítě. Jiným příkldem může být průběžná (on-line) identifikce prmetrů regulovné outvy, kde jou prmetry zjišťovány npř. n zákldě frekvenčního pektr outvy dále toto pektrum n zákldě vtupních výtupních ignálů.[7] Hlvním nejčtějším úkolem digitálního ignálového řízení či regulce je zíkání informcí ze ignálu jejich zprcování. nformce mohou být obženy ve formě mplitudy, frekvence, pektrální hutoty, čového poměru. dnešních DSP je tndrdem 16 bitové nebo 32 bitové binární čílo, reprezentující v dném okmžiku jednu ložku ignálu, což je co e týče rozhu dottečně velké čílo pro hodnověrné přené vyjádření ignálu ve většině průmylových, řídicích monitorovcích plikcích. Použití těchto digitálních ignálových proceorů nchází tále větší upltnění téměř ve všech obltech elektroniky, nejen v průmylu, le tké v televizní, udio potřební elektronice. Je totiž výhodnou lterntivou nlogových ytémů ložených z mnoh oučátek, ve rovnání digitálním ignálovým proceorem. Vltní oučátky u nlogových zpojení tvoří zprvidl ložitý hrdwre, který je nhrzen méně komplikovným zpojením DSP, kde je podttná čát výpočtů řízení provázen právě v proceoru n zákldě nprogrmovného oftwru. Tím je možné doáhnout podttně nižších výdjů z zřízení rovntelné ne-li výkonnotně kvlittivně lepší. [7]. Mezi přední větové výrobce digitálních ignálových proceorů vývojových deek ptří koncerny jko Freecle Semiconductor, Anlog Device, Tex ntrument dlší.
18 4.1 VÝVOJOVÁ DESKA FREESCALE 56F8300 DEMO Digitální ignálový proceor má obdobné vltnoti způob progrmování jko univerzální proceor (mikroproceor). Rozdíly jou především v odlišné rchitektuře intrukčním ouboru. Hlvní výhodou všk je mnohem rychlejší účinnější výpočet pomocí nejpoužívnějších mtemtických opercí při čílicovém zprcování ignálu (operce náobení, dikrétní trnformce, čílicová filtrce d.). Převážná většin DSP je zložen n tzv. hrvrdké rchitektuře odděleným zprcováním intrukcí dt, což umožňuje oučnou (prlelní) mnipulci dty i dremi bez jkékoliv možnoti momodifikce či poškození progrmu (Von Neumnn rchitektur). Hrvrdká rchitektur e dne pro vé vltnoti řdí n první míto před Von Neumnn co e týče využití. rodiny proceorů 56800E e využívá duální hrvrdká rchitektur. Vyoké rychloti výpočtu e dohuje, podobně jko u univerzálních proceorů rchitekturou, prlelním zprcováním úloh více proceory njednou zvyšováním tktovcí frekvence, která e pohybuje v řádech deítek MPS (MPS = 1 000 000 intrukcí provedených z 1). Dek je ozen ptřící do vývojové řdy či rodiny 56800E. Jádro těchto proceorů v obě kombinuje výpočetní výkon ignálového proceoru progrmovcími vltnotmi mikroproceorů určených pro řídící plikce. Zákldem DSP je 16-bitová centrální řídící jednotk (CP) univerzální intrukční oubor. Význmným prvkem tohoto DSP je integrce emulátoru přímo do čipu proceoru. V prxi to znmená, že odpdá nutnot používt pro ldění plikcí dlší externí zřízení, le tčí propojit PC vývojovou deku přílušnými prvky. Typy proceorů z řdy DSP56800E e od ebe nvzájem odlišují hlvně počtem typem periferií zejmén kpcitou pmětí pro progrm či dt (RAM FLASH). 4.1.1 Klíčové ryy proceorů z rodiny DSP56800E Architektur DSP56800E v obě družuje široké vltnoti jko npř. vyoký výpočetní výkon, nižší cenu plikcí zejmén zjednodušují poměrně ndný vývoj. Typické ryy pro DSP z rodiny DSP56800E jou náledující: Vyoký výkon rchitektur DSP56F800E podporuje většinu tředně výkonných DSC plikcí (DSC = Digitl Signl Controller).
19 Komptibilit podpor komptibility plikcí vytvořených pro DSP z rodiny DSP56800 n novější vrintu DSP56800E. Sndné progrmování je velmi podobné klickému progrmovní trdičních mikroproceorů. ntrukční d podporuje jk frkční (zlomkovou) tk celočíelnou ritmetiku pokytující pružnot, která je důležitá pro optimální implementci lgoritmů. Podpor vyšších progrmovcích jzyků především jzyk C, jko jeden z vyšších progrmovcích jzyků, je vhodný k DSP56800E rchitektuře Bohtot intrukční dy pokytuje řízení, bitové mnipulce celočíelné procení intrukce. Silné drení módy řd dtových formátů je rovněž pokytován. Výledkem je kompktní vyoce účinný kód. Vyoká hutot kódu zákldní intrukční lovo pro DSP56800E má rozh 16-bit polu více lovními intrukcemi pro více komplexních opercí, ze kterého vyplývá optimální hutot kódu Multi-tking podpor implementce operčního ytému reálného ču nebo jednoduchého multi-tking ytému je mnohem ndnější n DSP56800E než n DSC. Architektur pokytuje plnou podporu pro oftwrové záobníky, rychlá 32-bit ouvilot mezi ukládáním obnovením do nebo ze ytémového záobníku Přenot rchitektur umožňuje přené výpočty. Prlelimu ouběžnot prováděných intrukcí Ldění v reálném če technologie emulátoru implementovného n čipu (Enhnced OnCE) pokytuje jednoduché, levné, nerušivé zejmén čové nezávilé přitupování do vnitřní truktury jádr DSP56800E. Při využití OnCE má progrmátor plnou kontrolu nd proceorem prováděnými opercemi, zjednodušující zrychlující ldění bez toho, niž by bylo nutné zdržovt výpočetní jádro Právě tyto výše uvedené vltnoti pokytují rchitektuře DSP56800E vyoký výkon plikovtelnot pro řdu plikcí. Jou vynikjící volbou pro bezdrátové DSC plikce, průmylové řízení či pro dlší embedded DSC plikce, které potřebují ke vé činnoti vyoký výpočetní výkon. [9]
20 4.1.2 Periférie prvky n dece Obrázek 1: Vývojová dek FREESCALE 56F8300DEMO[9] Vývojová dek 56F8300DEMO v obě družuje náledující komponenty periférie: CP MC56F8323VF RESET přepínč RQ přepínč SW1 přepínč GPO / SERAL port TMER/ PWM port ADC Port (10 port) JTAG / OnCE Port (14 port) Hot JTAG Port (P1- DB25P) COM1 Port - SC - RS-232 CAN Port - 1Mb trnceiver PWR konektor npájení Power indikce
21 10 vltních indikátorů (LED) Mikrofon e zeilovčem Stereo Audio výtup filtry AMP 3.5mm Stereo konektor + reproduktor N vývojové dece 56F8300DEMO je tedy ozen čip CP MC56F8323VF. Dek dále obhuje ériový port COM pro rozhrní RS-232, dále prlelní port LPT. K dipozici jou tké dlší porty to JTAG či rozhrní High peed CAN. N dece jou rovněž implementovány jednoduché pínče, dále ignlizční LED diody. Npájení deky je řešeno pře npájecí port pomocí přídvného npěťového zdroje. Vzhledem k tomu, že je n dece implementován npěťová regulce, je možné využít běžné npájení +5V DC +3.3V DC. 4.1.3 CP MC56F8323 Jedná e tedy o proceor ptřící do rodiny digitálních ignálových proceorů 56800E, který v obě krývá řdu vltnotí uvedených v kpitole 4.1.1. Jedná e tedy o 16-bitový proceor vytvořený n duální hrvrdké rchitektuře, někdy oznčovné jko modifikovné. Její rozdíl oproti klické hrvrdké je v tom, že obhuje minimálně tři prlelně prcující ritmetické jednotky. Jedn louží ke zprcování dt, druhá k výpočtu dre třetí umítěná v řdiči k obluze progrmového čítče k obvodové podpoře progrmových cyklů. Prmetry jádr proceoru: Výkonné jádro z rodiny 56800E zložené n modifikovné hrvrdké rchitektuře Výpočetní výkon je 60 MPS při frekvenci jádr 60MHz 16 16-bit prlelní Multiplier-kumulátory (MAC) 4 36-bit kumulátory obhující rozšiřující bity Prlelní intrukční d e pecifickými dreovými módy Tři interní dreové běrnice Čtyři interní dtové běrnice ntrukční d podporující obojí DSP řídící funkce JTAG/OnCE rozhrní pro odldění progrmu Výkonný kompilátor pro jzyk C podporou lokálních proměnných
22 4.2 PROSTŘEDÍ CODEWARROR DE Tvorbu progrmu při řešení konkrétní úlohy dným typem proceoru lze provádět zhrub ve třech úrovních. Nejnižší způob vyžduje znlot tzv. trojového kódu (číelná form intrukce), což znčně znendňuje tvorbu ldění progrmu. Využití jzyku ymbolických dre předtvuje vyšší úroveň progrmování. ntrukce, drey dt jou zde reprezentovány becedně čílicovými ymboly, což zvyšuje přehlednot rozumitelnot progrmu. Jzyk ymbolických dre je pk do trojového kódu předkládán peciálním progrmem - emblerem. Třetí nejvyšší zřejmě nejpoužívnější úroveň progrmování DSP předtvují tzv. vyšší progrmovcí jzyky - Bic, Pcl, C, Fortrn, j. Jeho přednoti jou především v tom, že zdrojový kód jzyk C je mnohem čitelnější než embler, je jednodušší ho zpt nvíc je náze přenoitelný n jiné rchitektury. Vytvořený zdrojový text plikčního progrmu je přeložen překldčem (kompilátorem) jzyk C do jzyk ymbolických dre z něj potom pomocí embleru do trojového kódu, který už zprcovává motný proceor. Progrmovcí protředí CodeWrrior DE verze 5.6.1. 1658 pochází od polečnoti Metrowerk, která e pecilizuje n vývoj progrmovcích protředí pro profeionální tvorbu plikcí. Obrázek 2: Pohled n uživtelké rozhrní progrmu CodeWrrior 5.6
23 Progrmovcí protředí obhuje několik oken, z nichž mezi nejpoužívnější ptří okno pro pní motného zdrojového kódu, dále tké okno pro přehled použitých periferií zřízení, připojených ouborů (zdrojové oubory, hlvičkové oubory j.). Ve vé podttě e jedná vým grfickým uživtelkým provedením o kompilátor překldč zdrojového kódu podobný npř. MS Viul C++ pod. Překld kódu e děje po tiknutí klávey F7 (Mke) náledné puštění progrmu e děje pomocí klávey F5 (Debug). Smotný progrm je dále možné krokovt vcelku pohodlně ldit. Součátí protředí je mozřejmě tndrdně Nápověd, která je při práci v protředí nemlým pomocníkem. Obhuje mozřejmě vyhledávč, do něhož lze zdt klíčová lov pro npř. hlednou intrinickou funkci či informce k dtovému typu pod. Nápověd e v průběhu řešení tává výkonným pomocníkem. Obrázek 3: Okno Nápověd pro CodeWrrior
24 4.3 SFO TOOLBOX SFO znmená zkrtku pro S-function input output. Hlvním úkolem tohoto toolboxu je pomoci uživteli při přenou lgoritmu ze chémtu vytvořeném v Simulinku do DSP. Přeno je relizován blokovým způobem krok po kroku což je zřejmě nejjednodušší řešení. Dlším ryem tohoto toolboxu je možnot mít přehled nd kontrolou fyzického ytému běžícího v Simulinku pomocí lgoritmu, který je nimplementován v reálném zřízení. Jedná e o jkéi přemotění mezi imulcí běžící v protředí MATLAB/Simulink opercemi n reálném hrdwre, který je využit v průmylové plikci. Nvzdory exitenci ouboru bloků v Simulinku jko npř. FXED PONT BLOCKSET, REAL TME WORKSHOP či EMBEDDED TARGETS pokytuje tento oftwre řdu výhod, z nichž mezi nejdůležitější ptří: levnot ndná ovldtelnot univerzlit SFO toolbox e kládá ze dvou čátí. První čát běží pod MATLABem. Podttou je S-funkce, oubor fio.dll dlší doprovázející MATLAB funkce, které zjednodušují použití. Tento oubor relizuje komunikci n trně PC. Druhá čát toolboxu závií n vybrném zřízení, do kterého je lgoritmu ze Simulinku přenášen který relizuje komunikci n trně zřízení. [10]
25 4.4 MPLEMENTACE DENTFKAČNÍCH ALGORTMŮ Jk bylo zmíněno n zčátku práce zejmén v zdání, je třeb identifikční metody píše jejich lgoritmy modifikovt hlvně implementovt tk, by jejich lgoritmu mohl být zprcován n trně digitálního ignálového proceoru. Zádní rozdíl počívá v přidání některých bloků do truktury imulčních chémt, které mjí přímou ouvilot lgoritmem výpočtu běžícím n DSP. Jedná e npř. o bloky Tvrovč, které v obě krývjí tvrovč nultého řádu převádí tudíž pojitý ignál n dikrétní při pevně zvolené frekvenci vzorkování f vz (přidržuje ktuální hodnotu po dobu T vz ). Vzhledem k tomu, že DSP prcuje dikrétně f vz = 8kHz, tj. periodou vzorkování T vz = 125µ, je tto frekvence rovn právě frekvenci n které vzorkuje DSP ignály. Dlšími novými bloky jou bloky obhující proce normlizce hodnot pro čílicové zprcování n DSP (cle_u cle_i). Proce normlizce e děje v ouviloti použitím frctionl ritmetiky. Je třeb i nejprve určit mximální možnou hodnotu fyzikální veličiny, kterou může nbývt v průběhu řešení. Npř. pro npětí je to hodnot 400V, vyjádřeno ve frctionl ritmetice je to hodnot 32768 neboli 1. Podíl 400 = 0. 0112 vyjdřuje hodnotu cle hodnoty. Jedná e o 32768 hodnotu, kterou když e podělí npř. hodnot npětí 10V, tk je výledkem čílo vyjádřené ve frctionl ritmetice. Hodnoty těchto cle prmetrů pro npětí proud jou uložené v přiloženém m-file ouboru pro Mtlb. Ten je nutné před puštěním imulce inicilizovt jeho puštěním. Význm frctionl ritmetiky bude zmiňován u kždé identifikční metody n konkrétním přípdě jejího použití. Hlvním předpokldem pro implementci je lepoň čátečná kvlitní znlot jzyk C, která e ukáže být v průběhu řešení jko velmi užitečná či píše přímo nutná. Důležitým pomocníkem byl po dobu řešení implementce identifikčních metod kvlitní litertur o zákldech lgoritmizce v jzyce C. mplementce jednotlivých metod vychází vým zákldem i trukturou ze vých výchozích předpokldů.
26 5. DC TEST Jk i vyplývá z názvu této identifikční metody pro zik určitého prmetru AM, jedná e metodu využívjící tejnoměrného proudu. Sttorové vinutí vykzuje elektrický odpor R či impednci Z v přípdě průchodu tejnoměrného DC či třídvého proudu AC tímto vinutím. Hlvní důvod, proč identifikovt velikot odporu ttoru R S, je zik předtvy o fyzikálních vltnotech dného mteriálu, ze kterého je vinutí zhotoveno především náledná znlot kutečných hodnot nutná pro ntvení ložek regulátorů pod. Závilot mezi změnou odporu ttoru v záviloti n teplotě dného vinutí je možno povžovt z téměř lineární či píše přeněji z mírně exponenciálně rotoucí v če t, jk je možné hlédnout v článku [3]. V přípdě tohoto tetu e účinky teploty vinutí znedbávjí, neboť e motný motor při tetu netočí (npájí e DC npětím), oteplení vlivem npř. mechnického tření v ložicích motoru je tudíž nulové je tedy možno klidem motné teplotní vlivy úplně znedbt. Tet by e všk dl provét n zřízení, které by bylo po nějké době provozu odtveno n jehož prmetrech by e tudíž teplotní změny již upltnily dly konzultovt. Teplot e všk tává výrzným rušivým činitelem při průběžné identifikci jiných prmetrů pomocí dlších metod, při kterých e rotor motoru otáčí (No-lod tet). 5.1 BLOKOVÉ SCHÉMA SMLACE V SMLNK Obrázek 4: Blokové chém DC tetu Obrázek 4 vyjdřuje blokové upořádání identifikce pomocí DC tetu. Hlvním prvkem truktury je nepochybně model ynchronního motoru, který byl
27 vytvořen motným vedoucím diplomové práce. Cílem tohoto obrázku je především ntínit blokovou trukturu motné identifikční metody. Bloková truktur je vytvořen čitě v Simulinku výpočet tedy běží n trně MATLABu. Vzhledem k tomu, že cílem práce je implementovt tuto metodu tk, by byl její výpočetní lgoritmu zprcován n DSP, proto vychází náledná implementce právě z této truktury jk bude dokázáno později. 5.2 PRNCP DC TEST Modelová truktur je tvořen ouborem bloků (viz Obrázek 4), která polu blokem AM tvoří zákld pro identifikční metodu DC tet. Blok názvem DC npětí, vyjdřující tejnoměrné npájecí npětí, je žlutý blok připojený n vorku motoru u který je reprezentován vektorem u = [ 10;10; 10] bc. Hodnoty jou uvedeny v zákldních jednotkách vyjdřující elektrické npětí, tj. ve voltech. Vzhledem tedy k tomu, že model AM motoru je 3 fázový, je nutné ho i při tomto tetu npájet tejnoměrným npětí n kždé fázi motoru (3f tejnoměrným). Blok názvem Mechnické ztížení reprezentuje mechnickou zátěž motoru M Z, která je při tomto tetu nulová, tj. motor je zcel v neztíženém tvu pltí M = 0 [Nm]. V bloku AM je možné kromě dlších prmetrů ntvit hodnotu momentu etrvčnoti J, která je v přípdě imulce ntven n nekonečnou hodnotu, což má z náledek tv zřízení, že rotor nelze pře tk velkou hodnotu J jkkoliv roztočit. Modrý blok názvem Výpočet v obě zhrnuje vzth pro výpočet prmetru odporu ttoru R S z veličin, které jou v průběhu imulce k dipozici či je lze eventuelně n reálném pohonu měřit (proudy procházející kždou fází). Výpočet je uveden v dlší kpitole. V blocích Mgnetický tok Úhlová rychlot je možné ledovt okmžité hodnoty těchto veličin v če t. Z
28 5.2.1 Výpočet odporu ttoru Z prmetrů zíkných během imulce lze dlším výpočtem tnovit konečný výledek v podobě odporu ttoru R S. Ze znloti tejnoměrného npětí, připojeného n ttorové vinutí z proudu, který prochází tímto vinutím je jkoby důledkem připojeného npětí, je možno dle Ohmov zákon vypočítt prmetr R S. [5] Součet hodnot ttorových proudů,, muí být roven nule. Tto podmínk pltí všeobecně pro oučet všech proudů připojených k uzlu v motoru: + = 0 (5.1) + b c kde v tomto přípdě po dození hodnot proudů tekoucích ttorem přibližně pltí 7.457 + 7.457 + ( 14.91) = 0 (5.2) b c R S 2 = 3 (5.3) Obrázek 5: Sttorové vinutí připojeným npětím Důležitým předpokldem pro výpočet je nutná znlot způobu tečení proudů jednotlivými fázemi nkonec motný způob zpojení (viz Obrázek 5). V imulci n přílušném modelu byl velikot npájecího npětí zvolen, jk je uvedeno (viz vektor u ) = 10V proud tekoucí vinutím ttoru byl při toku proudu vinutím fáze ttoru o velikoti odporu R S tím pádem roven hodnotě
29 = 7. 457A. Jednoduchým dozením dných hodnot do vzthu (5.3) byl zíkán hodnot prmetru R S. Výledky, které nám metod pokytuje, nejou závilé n velikoti npájecího npětí. Důvod je protý, neboť npětí připojené n vorky ttoru způobí při uzvřeném obvodu vinutím elektrický proud, který je tedy jeho důledkem. Dozením hodnot do vzthu (5.3) 2 2 10 R S = = = 0. 894Ω (5.4) 3 3 7.457 5.3 MPLEMENTACE DC TEST NA DSP Smotná implementce DC tetu n DSP vychází nepochybně ze imulce, která je zprcován v protředí MATLAB/Simulink popiuje ji Obrázek 4. Pro co nejlepší názornot kvlitní přeprcování imulce zejmén výpočtů při DC tetu tk, by výpočet běžel n trně DSP, je implementce relizován podobně jko imulce, jejíž výpočetní lgoritmu je prováděn v MATLABu. 5.4 BLOKOVÉ SCHÉMA MPLEMENTACE NA DSP Obrázek 6: Blokové chém implementce DC tetu n DSP Obrázek 6 obhuje blokové chém imulce DC tetu, jehož lgoritmu výpočtu běží n DSP. Struktur imulce je velmi podobná vycházející ze imulce jejíž výpočet běží n trně MATLABu.
30 Jk již bylo řečeno, lgoritmu implementce DC tetu je nprogrmován v jzyce C v protředí CodeWrrior (Obrázek 2). Schém obhuje přidné funkční bloky, n kterých je vyobrzeno logo polečnoti Freecle. Jedná e o bloky z SFO toolboxu, které mjí z úkol npř. ntvovt prmetry komunikce po ériové lince RS-232 (SFO) potom tké neméně význmné bloky, které v obě nepřímo krývjí nprogrmovné čáti zdrojového kódu či píše funkce výpočetního lgoritmu dné identifikční metody (Výpočet). Do chémtu jou tké přidány bloky pro normlizci fyzikálních veličin pro DSP (1/cle_u 1/cle_i) či proce normlizce výtupního prmetru zíkného identifikcí n kutečnou hodnotu proceem dělení hodnotou 32767. 5.5 ALGORTMS DC TEST V JAZYCE C Při pní zdrojového kódu lgoritmu pro výpočet odporu ttoru, tj. výledného prmetru zíkného identifikcí bylo kvlitním zdá e že i ektivním potupem vycházet ze truktury dle Obrázek 4. Smotný potup výpočtu odporu ttoru R S ze vtupních prmetrů je podrobně rozebrán v Kp. 5.3. Zdrojový kód, pný jzykem C (oubor dc_tet.c) v protředí CodeWrrior, obhuje n vém zčátku deklrci knihoven jko npř. knihovny zjišťující komunikci konfigurci tkových prmetrů mezi DSP MATLABem (fio.h, fio_cfg.h), dále tndrdní knihovnu pro /O operce (tudio.h) či tké knihovnu dinující přílušné dtové typy (type.h) d. Převážnou čát ouboru dc_tet.c tvoří deklrce funkce, která e vytvoří utomticky po oznčení SFO bloku názvem Výpočet, který má předem ndinovné ntvené vtupní výtupní porty dle principu výpočtu, náledném puštění příkzu codegen npného přímo n příkzový řádek MATLABu. Náleduje ihned výpi těl funkce Výpočet, který je možné vložit implicitně do přílušného zdrojového ouboru. Jk lze vidět z Obr. 5.3, SFO blok obhuje dv vtupní jeden výtupní port. Vtupní porty tvoří jednorozměrné pole e 3 hodnotmi npětí, přivedeného n vorky AM dále jednorozměrné pole e 3 hodnotmi proudů, které z bloku AM vytupují. Ve funkci Výpočet jou tto pole ndinován jko pole obhující hodnoty typu hort uložené ve truktuře reprezentující vtupní veličiny dného bloku (nstruct). (Pozn.: Struktur je družený dtový typ). Výtupní veličinou tohoto bloku je výledný
31 prmetr R S uložený v dtovém typu hort, který je uložen ve truktuře (OutStruct) reprezentující dný výtupní port. Dále tělo funkce obhuje čát výčtovým typem, který v obě obhuje kontnty, které lze použít všude tm, kde lze zdt celé čílo. Právě v tomto výčtovém typu jou položky obhující velikot vtupních, výtupních tvových proměnných v jednotkách byte. (Npř. vzhledem k fktu, že truktur pro výtupní veličinu obhuje jedinou položku to dtový typ hort mjící rozh typicky 16b, je proto v položce výčtového typu StructSize pro výtupní veličinu uložen hodnot 2 tkto LENGTHOF_OutStruct = 2, ). Tělo funkce dále obhuje řádky kódu, které mjí npř. z úkol inicilizovt tuto funkci při puštění imulce v Simulinku pod. Mimo to všk tělo této funkce obhuje neméně důležitou čát to yntxi motného výpočtu výledného prmetru ze vtupních veličin. Tu tvoří jeden řádek kódu. ttoru pout->r = div_l(l_mult(pn->u_abc[0], dvetretiny), pn->i_abc[0]) Tbulk 1: Výpočet odporu ttoru Tbulk 1 obhuje finální podobu výpočetního lgoritmu pro určení odporu R S. Ten vychází ze vzthu 5.3 tk, že je výpočet rozdělen n několik kroků. Nejprve e provede výpočet oučinu dvou 16b číel (dvetretiny pn->u_abc[0]) pomocí intrinické funkce L_mult, která vrcí výledek operce v rozhu 32b číl. Veličin dvetretiny je lokální proměnnou funkce Výpočet hodnotou 21845 (Frc16 má rozh -32768 ž 32767), která ve FRACTONAL ritmetice (rozh hodnot -1 ž +1) reprezentuje právě hodnotu podílu 3 2. Poté zbývá ještě provét mtemtickou operci dělení 32b číl, zíkného z předchozího kroku, čílem 16b (pn->i_abc[0]) pomocí dlší z intrinických funkcí div_l. Je n mítě připomenout, že hodnoty npětí tk i proudů potřebné pro výpočet jou normlizovány pro výpočet n DSP (viz. Kp. 4.4). Po těchto krocích je výpočet kompletní, tj. proměnná pout->r obhuje již hodnotu, která e ice v průběhu identifikce mění, le konverguje všk ke kutečné hodnotě identifikovného prmetru AM, tj. k hodnotě R = 0. 894Ω. S
32 5.6 ZHODNOCENÍ MPLEMENTACE DC TEST NA DSP Rozdíl mezi hodnotou zíknou jen imulcí v MATLABu hodnotou zíknou výpočtem n DSP prkticky není. Z zádní odlišnot lze povžovt především tkovou možnot, že by bylo možné po určité úprvě plikovt implementci identifikční metody n reálný AM. Oproti běžné imulci (Obrázek 4). kdy e jedná výhrdně o výpočet v MATLABu, e identifikční metody díky implementci n DSP poouvjí kupředu vtříc plikci už ne v rámci imulce le už n reálné zřízení bez použití imulčních protředků. Relizce by byl zřejmě zložen n digitálním měření třídvých proudů npětí, které jou vtupními veličinmi pro výlednou identifikci. Problém dikretizce pojité fyzikální veličiny je v imulci řešen pomocí přidržovče nultého řádu (viz. Kp. 4.4). V náledující kpitole jou vykreleny okmžité hodnoty některých veličin v če t. 5.7 PRŮBĚHY OKAMŽTÝCH HODNOT VELČN V ČASE Náledující obrázky názorně poukzují n typické průběhy přechodových chrkteritik pro okmžité hodnoty proudů ttorem (Obrázek 7) či pro obě ložky mgnetického toku rotoru (Obrázek 8). 10 7 5 = 7.457A b = 7.457A 0 [A] -5-10 c = -14.91 A -15 0 5 10 15 t [] Obrázek 7: Okmžitý průběh proudů ttorem
33 1.5 1.4 lf-ložk mgnetického toku rotoru Mgneticky tok [Wb] 1 0.8 0.5 bet-ložk mgnetického toku rotoru 0 0 5 10 15 t [] Obrázek 8: Okmžitý průběh ložek toku rotorem 6 x 10-7 5 hlov rychlot [rd/] 4 3 2 1 0-1 -2 0 5 10 15 t [] Obrázek 9: Okmžitý průběh úhlové rychloti
34 6. NO LOAD TEST Podttou tohoto tetu prováděném obecně n AM je určení ztrát v točivém mgnetickém poli motného motoru zejmén identifikce některého z jeho prmetrů. Jk z názvu vyplývá, tet je prováděn n neztíženém motoru (no lod = bez ztížení). Neztížený motor je všk doti zvádějícím pojmem, neboť tento tv prkticky neexituje není možné ho jkýmkoliv způobem nvodit. Je to proto, že v prxi není možné znedbt vůči tetu účinky vlivého tření v ložicích motoru či přípdně odpor vzduchu ventilátoru potřebného ke chlzení motného pohonu, pokud jím je tedy vybven. Při tomto tetu e předpokládá tv, kdy jou mechnické ztráty nulové tudíž neovlivňují motnou identifikci ( M = 0 ). Výledkem tetu z jou velikoti prmetrů rozptylové indukčnoti ttorového vinutí L l mgnetizční indukčnoti L m. [5] 6.1 BLOKOVÉ SCHÉMA SMLACE V SMLNK Obrázek 10: Blokové chém imulce No-lod tetu
35 6.2 PRNCP SMLACE Princip imulce vychází z blokového modelu uvedeného n Obrázku 10. Zákldem je, tejně jko u DC tetu, blok modelu ynchronního motoru. Schém obhuje bloky, které reprezentují npájení, dále bloky pro nlýzu zprcování jednotlivých ignálů. V této metodě e využívá 3f npájení ttorového vinutí. V tomto modelu je npájecím prvkem outv třech bloků (oznčeny šedou brvou), která jou přiveden n motor. Tento zdroj je tvořen třemi inuovými průběhy, které reprezentují jednotlivá fázová npětí mjí vé mplitudy rovny 220V vé fáze vzájemně pounuty o 120 (viz. vzth 2.1). Moment ztížení motoru ymbolizuje blok Mechnické ztížení ( M = 0 ). Měřitelné veličiny n výtupu z motoru jou z veličiny jko mgnetický tok rotoru Ψ r, proud úhlová rychlot ω. Tyto veličiny ymbolizují bloky Mgnetický tok Úhlová rychlot. Jk je vidět z Obrázku 10, je hodnot proudu kždé fáze motoru dále využit polečně hodnotou npětí kždé fáze k výpočtu činného výkonu, jehož konečný výpočet je uveden v bloku Činný výkon. Jedná e o celkový výkon motoru n všech jeho fázích. Signál z tohoto bloku je dále veden do multiplexeru, kde e chází tento ignál polu e ignálem z bloku RMS, který počítá ektivní hodnotu z fázového npětí e ignálem z dlšího bloku RMS, který vypočítá ektivní hodnotu z proudu. Pomocí dlšího bloku, který ymbolizuje mtemtické operce, potřebné ke tnovení výledku identifikce, je náledně vypočten prmetr L + L této identifikční l m metody. Veškeré mtemtické operce jou uvedeny v náledujících odtvcích. 6.3 RČENÍ PARAMETR L SL + L M rčení prmetrů L + L v obě krývá několik fyzikálních kutečnotí l m tké mtemtických výpočtů z nich vyplývjících. Smotné výpočty kroky jou ukryty v modelu imulce (viz. Obrázek 10). V náledujícím bude zmíněn výčet detilní popi těchto opercí, které vedou ke tnovení výledných prmetrů AM, které z No-lod tetu vyplývjí.
36 6.3.1 Blok RMS Blok RMS (nglicky Root Men Squre), obžený v modelu No-lod tetu, v obě krývá výpočet ektivní hodnoty veličiny (v tomto dlších tetech npř. hodnoty proudu ektivní hodnoty npětí ). Pro obecný mtemtický vzth výpočtu ektivní hodnoty veličiny pltí: X = t0 + T 1 2 T t0 x ( t) dt (6.1) kde X je ektivní hodnot dné veličiny, T je period ignálu, t 0 je počáteční dob, x 2 ( t ) je druhá mocnin vtupní veličiny. Obrázek 11: Blokové chém bloku RMS Princip zíkání ektivních hodnoty veličin, ť už proudu či npětí, počívá ve výpočtu druhé odmocniny z integrce mocniny vtupní hodnoty pře jednu periodu ignálu T. N Obrázku 11 je uvedeno blokové upořádání jednotlivých bloků, které vyplývá přímo ze vzthu (6.1). Tento blok je ice oučátí určitého toolboxu Simulinku, který všk není k dipozici. Proto bylo nutné i tento blok vytvořit z běžných protředků, které Simulink pokytuje. Tento blok je nedílnou oučátí mtemtického výpočtu dlších metod k určení prmetrů AM, které jou náplní diplomové práce (Locked rotor tet, One phe tet). 6.3.2 Princip identifikce Tto metod vychází z několik podmínek X či l + X m (6.2)
37 Q X l + X m = (6.3) 2 kde ymboly X + X znčí oučet rozptylové rektnce ttoru l m mgnetizční rektnce, je podíl ektivní hodnoty npětí ektivní hodnoty Q proudu jedné fáze podíl 2 je tvořen jlovým výkonem n jedné fázi mocninou ektivní hodnoty proudu touto fází. To znmená, že pro nlezení oučtu rektncí (viz. 6.2) (viz. 6.3), je možné použít dvou přítupů, le způob využívjící vzth (6.2) je poněkud nepřený. Nepřenot vychází z náledujícího. V přípdě No-lod tetu teče převážná čát okmžitého proudu ttoru i ériovým zpojením odporu ttoru R jeho rozptylové indukčnoti L l polu mgnetizční indukčnotí L m. To znmená, že podle vzthu (6.2) e znedbává úbytek npětí n odporu R. Pro mlé hodnoty odporu ttoru R může být tento přítup možno povžovt v jkém i ohledu z kvlitní, le pro větší hodnoty tohoto odporu už by výledek dný tímto přítupem mohl být velmi nepřený tudíž nepoužitelný. Proto je lepší zvolit cetu, kterou určuje vzth (6.3) je plikovtelný n jkýkoliv přípd, tj. určit jlový výkon náledně ho podělit mocninou ektivní hodnoty proudu. 6.3.3 Výpočet prmetrů L l + L m Jk je uvedeno ve vzthu (6.3), je možné určit prmetry L + L, rep. l m X l + X m pomocí znloti jlového výkonu Q ektivní hodnoty proudu. K tomu je všk mimo to nutné znát velikot účiníku co ϕ, který je možno určit z činného výkonu P. Výpočet účiníku udává náledující vzth P coϕ = (6.4) 3 kde P je celkový činný výkon motoru, fázového npětí proudu. jou ektivní hodnoty Pro výpočet jlového výkonu n jedné fázi motoru pltí náledující vzth
38 Q = inϕ (6.5) kde Q je jlový výkon jou ektivní hodnoty fázového npětí proudu. V rovnici (6.3) e prmetry určují jen n jedné fázi, proto je třeb počítt jen jlovým výkonem jedné fáze. Z rovnic (6.4) (6.5) je možno mtemtickou opercí zíkt rovnici (6.3), Q přeněji zíkt podíl 2, který je přímo roven oučtu rozptylové rektnce ttoru mgnetizční rektnce. Náledující rovnice obhují mtemtickou interpretci výše uvedených tvrzení vycházející z rovnic (6.4) (6.5) odvozují vzth pro výpočet L + L. 2 2 in ϕ + co ϕ = 1 (6.6) l m 2 in 1 P ϕ = 3 (6.7) Rovnice (5.5) obhuje člen trny rovnice (5.7) in ϕ, který je po omottnění vložen do levé Q = 1 P 3 2 (6.8) Q V tomto vzthu je n levé trně nutné omottnit levou čát n podíl 2, tj. je nutné obě trny této rovnice vynáobit podílem. Výledkem je vzth Q 2 = 2 P 1 (6.9) 3 Tento vzth udává oučet rozptylové rektnce ttoru mgnetizční rektnce. No-lod tet všk identifikuje prmetry přepočítt rektnce n indukčnoti dle náledujícího vzthu L l + L m Q L + L, proto je tedy nutné 2 = (6.10) 2 π f l m
39 Dozením konkrétních hodnot veličin, které obhuje vzth (6.10) by byly vypočítány prmetry, které v imulci vyšly rovny hodnotě Ll + Lm = 0. 1192H. Tyto mtemtické operce jou ve chémtu imulce reprezentovány blokem f(u), který je vytvořen jko funkce obhující vzthy (6.9) (6.10). 6.4 MPLEMENTACE NO-LOAD TEST NA DSP Potup při relizci implementce výpočetního lgoritmu do DSP opět vychází vým pojetím ze imulce běžící výhrdně v MATLABu jko u DC tetu tejně tk i u dlších identifikčních metod uvedenými v této práci. Opět bylo dobré pro názornot přehlednot vycházet z původního blokového upořádání popiujícího No-lod tet (Obrázek 10) implementci provét co nejnázorněji vzhledem k tomuto přítupu. Podtt implementce tedy počívá v nprogrmování zdrojového kódu pro DSP tk, by byl výpočetní lgoritmu No-lod tetu zprcován právě n DSP. Zdrojový kód, pný jzykem C (oubor no_lod.c) v protředí CodeWrrior, obhuje n vém zčátku tndrdně deklrce knihoven jko npř. knihovny zjišťující komunikci konfigurci prmetrů mezi DSP MATLABem (fio.h, fio_cfg.h), dále tndrdní knihovnu pro /O operce (tudio.h) či tké knihovnu dinující přílušné dtové typy (type.h) d. Převážnou čát ouboru no_lod.c tvoří deklrce funkcí krývjící podttu jednotlivých bloků, které e vytvoří utomticky po oznčení SFO bloků názvy Generování či Výpočet prmetrů, které má předem ndinovné ntvené vtupní výtupní porty dle principu výpočtů (počet portů d.), náledném puštění příkzu codegen npného přímo n příkzový řádek MATLABu. Vygenerovné zdrojové kódy jou poté vloženy do zdrojového ouboru no_lod.c, kde jou do jejich těl vepiovány potřebné příkzy či vltní funkce dle konkrétního přípdu použití. Součátí těchto funkcí jou truktury, tj. družené dtové typy jzyk C, obhující položky pro dtové typy vtupních, výtupních tvových proměnných.
40 6.5 BLOKOVÉ SCHÉMA MPLEMENTACE NA DSP Obrázek 12: Blokové chém implementce No-lod tetu n DSP Obrázek 12 obhuje blokové chém imulce No-lod tetu, jehož výpočetní lgoritmu je prováděn n DSP. Struktur imulce je velmi podobná vycházející ze imulce, jejíž výpočet běží n trně MATLABu. Jk již bylo řečeno, lgoritmu implementce No-lod tetu je opět nprogrmován v jzyce C v protředí CodeWrrior (Obrázek 2). Simulční chém obhuje některé přidné funkční bloky neoucí log polečnoti Freecle. Jedná e o identické bloky jko v přípdě DC tetu z SFO toolboxu, které mjí z úkol npř. ntvovt prmetry komunikce po ériové lince RS-232 (SFO) potom tké neméně význmné bloky nejdůležitější, které v obě nepřímo krývjí nprogrmovné čáti zdrojového kódu či píše funkce výpočetního lgoritmu dné identifikční metody (Výpočet prmetrů Generování). Do chémtu jou rovněž tké přidány bloky pro normlizci fyzikálních veličin pro lgoritmu n DSP přípdný zpětný přepočet 1/cle_i Bck_cle). 6.6 ALGORTMS NO-LOAD TEST V JAZYCE C Podttu podobnoti výše uvedených blokových chémt (Obrázek 10 Obrázek 12) je možné poznt vzájemným porovnáním. Hlvní myšlenkou implementce celé imulce je to, že tkřk celý výpočetní lgoritmu běží n trně DSP. Jedná e zejmén o generování npájecího npětí, dále výpočet ektivních hodnot npájecího npětí výtupního proudu náledným konečným výpočtem identifikovných prmetrů Ll+Lm. Podtt implementce tedy závií n vytvoření
41 výpočetního lgoritmu, který bude tyto výpočty řešit. Konkrétní potup výpočtů, tedy popi funkcí jednotlivých bloků je popán jednotlivě v dlších kpitolách. Celá implementce je oučátí zdrojového ouboru názvem no-lod.c. 6.6.1 Generování npájecího npětí Smotný zdrojový kód pný jzykem C v protředí CodeWrrior, který je podttou funkce bloku Generování, v obě krývá vytvoření npájecího npětí, který jk je obecně známo tvoří inuový periodický ignál. Hlvním pektem před návrhem potupu nprogrmování inuového průběhu, jehož jednotlivé vzorky budou pevně uloženy v pměti DSP proceoru, je právě využití pměťového protoru. Bylo tedy nutné nvrhnout tkové řešení, které bude co nejméně náročné n obzení fyzické pměti n vývojové dece. Jko dobré optimální řešení při progrmování e jeví nejprve vygenerovt ¼ periody inuového ignálu (tj. 1 kvdrnt) n zákldě proceu interpolce mezi hodnotmi pevně uloženými v jednorozměrném poli, pomocí níž lze jednoduchými mtemtickými opercemi dotvořit celou periodu pokrývjící 4 kvdrnty původní ¼ periody. (Pozn.: Hodnoty uložené v jednorozměrném poli názvem Vzorky byly vygenerovány pomocí kriptu v MATLABu, který vypočítá 128 hodnot z ¼ periody inuového ignálu, jehož mplitud je 32767 tím, že polední vzorek je 16384-tý). Zdrojový kód tvoří funkce Sinu, jejíž rgument tvoří hodnot úhlu, která je generován žlutým blokem z Obrázek 12 vytupujícím pod názvem Čový vektor vtupující do SFO bloku Generování. Jím generovný čový vektor pro jednu periodu vzniká n zákldě generátoru hodinového ignálu, který je přímo úměrný frekvenci f. T je pro přípd imulce ntven n hodnotu 50Hz. Pro motné generování inuového ignálu e využívá lgoritmu interpolce hodnot, které jou uloženy pevně v jednorozměrném poli. Jednorozměrné pole je jk už bylo zmíněno zplněno 128 vzorky, n které e poté plikuje interpolční lgoritmu, který je chopen dopočítt zbývjící vzorky mezi těmi pevně uloženými v poli. Tj. po úpěšně provedené interpolci tvoří čtvrtperiodu inuového ignálu 128 128 = 16384 vzorků. Z toho vyplývá, že celkovou periodu inuového ignálu tvoří 4 16384 = 65536 vzorků. Vzhledem k tomu, že rgument funkce je 16-bitovou proměnnou typu Word16, jejíž rozh je -32768 ž 32767, dochází při inkrementci úhlu ž k hodnotě 32767 k přetečení, kterého lze velmi ektně využít
42 právě při generování úhlu vtupujícího do funkce jejíž prototyp je Word16 Sinu(Word16 uhel). Výtupem této funkce je hodnot vzorku inuového ignálu n zákldě vtupního úhlu. Smotné npájecí npětí je generováno SFO blokem pod názvem Generování je tvořeno 3-fázovým npětím, tj. 3-mi inuovými průběhy vzájemně pounutými o úhel 120. Tto čát je obžen právě ve funkci reprezentující blok Generování. Jedná e o 3- náobné volání funkce, které mjí počáteční hodnotu úhlu vzájemně od ebe pounutou o 120. Smotná funkce vznikne tkřk utomticky vygenerováním n zákldě příkzu codegen v MATLABu, který e ktivuje polu oznčením přílušného SFO bloku, v tomto přípdě blok Generování. Funkce poté obhuje informce o tomto bloku (vtupně/výtupní veličiny, jejich dtové typy td.). Smotnou čát, která nee volání vltní funkce Sinu či dlší příkzy, bylo třeb doprogrmovt vltními ilmi vložit do čáti funkce Generování k tomu určené. Před připojením npětí n vorky motoru je nutno toto npětí normlizovt (viz. Kp. 4.4) z mximálního rozhu 32767, čemuž odpovídá hodnot 400V ve FRACTONAL ritmetice n hodnotu 220V (frctionl přibližně 18022), která tvoří zvolenou mplitudu npájecího npětí. Poté je nutno tuto hodnotu, vyjádřenou ndále v 16-bitovém formátu Word16 převét z pomocí bloku cle_u n hodnotu použitelnou pro motné připojení n blok motoru, tj. provét převod z FRACTONAL vyjádření n vyjádření v dekdickém vyjádření kutečné hodnoty npájecího npětí. Stejně tk je poté nutné normlizovt proud vytupující z bloku AM zpět n hodnoty použitelné pro náledné mtemtické operce běžící opět n trně DSP, tj. podělit výtupní proud hodnotou uvedenou v bloku cle_i. Hodnoty cle_u cle_i jou pevně uloženy jko kontnty v m-file ouboru, který je nutné vždy před imulcí putit, by byly tyto hodnoty kceptovány pro výpočty, kde e právě ony kontnty voljí. 6.6.2 Algoritmu výpočtu ektivní hodnoty RMS ze ignálu n DSP Smotný lgoritmu výpočtu ektivní hodnoty je oučátí zdrojového kódu pného v jzyce C. Přeněji řečeno, je oučátí funkce, která vznikl n zákldě vytvoření SFO bloku názvem Výpočet prmetrů, který je oučátí blokové truktury n Obrázek 12.
43 Vytvoření lgoritmu pro výpočet ektivní hodnoty z npájecího npětí či ttorového proudu AM předchází úvh nd motným výpočetním vzthem (6.1) či blokovým chémtem vytvořeným n zákldě předchozího vzthu. Obecně vzto, e jko zřejmě největší problém při řešení ukázl proce vytvoření lgoritmu integrce ignálu pře jednu jeho celou periodu T. V čílicových opercích je možno operci integrce ignálu n přeně dném úeku chápt jko umci kždého vzorku z dného ignálu. Výledkem výpočtu určitého integrálu z libovolné mtemtické funkce jedné proměnné je poté velikot obhu plochy pod křivkou, která tvoří ohrničení polu e tnovenými mezemi pro oblt integrování. ntegrce tedy předtvuje umci jednotlivých vzorků pře jednu periodu ignálu. Jedn period obhuje 160 vzorků. Tto hodnot vychází z frekvence vzorkování f vz = 8kHz, což při frekvenci npájecího npětí 50Hz znmená právě 160 vzorků n periodu při dné frekvenci npájecího npětí. Proto dochází při běhu kódu k odpočítání konce periody pomocí proměnné index, která e inkrementuje o hodnotu 1 kždým cyklem ž po neinkrementování n hodnotu 160 dojde k výpočtu odmocniny pomocí funkce jejíž prototyp má tvr Word16 = mfr32sqrt(word32). Při integrci vzorků dochází k tomu, že mocninou e kždý vzorek změní z typu hort n dtový typ long ten e umuje ottními po dobu celé periody. Hodnoty ignálu tvoří celočíelná 16-bitová číl hort, proto bylo možné využít intrinické funkce pro náobení těchto dvou 16-bitových číel L_mult, jejímž výledkem je 32-bitové čílo long. Rozh tnovený pro long je - 2 147 483 647 ž 2 147 483 647. Při umci k přetečení nedochází, tudíž je tento typ chopný pojmout hodnotu integrálu celé periody ignálu. Dále je ještě hodnot integrálu celé periody náoben hodnotou 205. Poté je hodnot předán jko rgument funkci prototypem Word16 = mfr32sqrt(word32), která provede výpočet odmocniny. Podtt výpočtu je tejná i pro výpočet ektivní hodnoty proudu. Operce výpočtu ektivní hodnoty npětí ektivní hodnoty proudu budou využity v náledující kpitole. 6.6.3 Algoritmu výpočtu prmetrů L l + L m n DSP Algoritmu výpočtu prmetrů L l + L m pomocí implementce No-lod tetu běžícího n trně DSP je podttou bloku SFO pod názvem Výpočet prmetrů
44 jeho funkce e tejným názvem, která je oučátí ouboru no_lod.c. Jedná e výpočetní blok mjící dv vtupní porty jeden výtup. Prvním vtupem jou 3 vektory okmžitých hodnot npájecích npětí u_abc[3], které jou výtupem z SFO bloku Generování, podobně jko v přípdě (Obrázek 10). Druhým vtupem tejného bloku jou rovněž 3 vektory, le okmžitých hodnot výtupních proudů i_abc[3] z AM. Výtupní port je vyhrzen pro hodnotu výledné proměnné X, ymbolizující oučet rozptylové induktnce ttoru mgnetizční induktnce X l + X m. Jk vyplývá z Kp. 6.3.3, kde je uveden podrobný popi principu celého výpočtu pro zíkání prmetrů L l + L m, z něhož jou finální záležitotí vzthy 6.9 6.10, bylo nutné tedy nprogrmovt některé kroky vedoucí k ziku jednotlivých členů dných vzthů polu mtemtickými opercemi, které tyto vzthy krývjí n kterých je dný vzth zložen. Podtt opět vychází ze imulce běžící výhrdně n trně MATLABu (Obrázek 12). V Kp. 6.3.2 je uveden princip lgoritmu pro výpočet ektivní hodnoty jk npětí tk i proudu využívjící integrce dného ignálu pře jednu jeho periodu T. V dlším je nutné tnovit činný výkon P. Jk je uvedeno v blokovém chémtu dle Obrázek 10, je činný výkon počítán jko oučet oučinů okmžitých hodnot npětí proudů pro kždou fázi. Pro výpočet tohoto výkonu je využito proceu integrce podobně jko v přípdě výpočtu ektivní hodnoty pro proud npětí. V tomto přípdě e všk jedná o umci jednotlivých vzorků vypočteného činného výkonu, tj. oučinu okmžitého npětí okmžitým proudem pře jednu periodu T. Tento proce vnáší do řešení určité zpřenění výledku, neboť e jedná jkoby o zprůměrňování celkové hodnoty činného výkonu pře 160 jeho vypočtených vzorků. Tj. opět je využit proměnná pstte->index, která ymbolizuje počet ktuálních zprcovávných vzorků. K tomuto účelu je v lgoritmu vytvořen jednoduchá podmínk if(pstte->index > 159), která pokud je plněn tk putí dlší dílčí výpočty včetně konečného výpočtu činného výkonu uvedeného ve tvové proměnné pstte->p, dále tké putí výpočet odmocnění pro přípd tnovení ektivních hodnot pro npájecí npětí výtupní proud poté hlvně konečný výpočet ze zmiňovných veličin vedoucí k ziku výledných prmetrů
45 AM. Konečný výpočet ebou n první pohled nepřináší žádné problémy při jeho přepiu do jzyk C. Využívá e opět intrinických funkcí jko npř. L_mult, div_l, mult_r dlších. Jedná e o optimlizovné funkce, které jou ideálním řešením při progrmování zákldních mtemtických opercí n DSP. Skutečnotí všk jou některé zvláštnoti, které komplikují řešení o kterých je nutné e tedy nepochybně zmínit. Jko hlvní problém e jeví kutečnot, že ektivní hodnot npětí ve tvové proměnné pstte->u_rm nbývá mnohem větší hodnoty než-li ektivní hodnot proudu pstte->i_rm (konkrétní hodnoty ze imulce jou přibližně = 155. 6V = 4.153A). Problém to nee v přípdě operce podílu těchto dvou hodnot (viz. 6.9), kdy je nutné ošetřit vzniklou turci. Podmínku, zd je řeší if(pstte->i_rm < pstte->u_rm). Dný problém e řeší tkovým způobem, že e provádí operce bitových pounů u proměnných tk, by byl plněn > podmínk >. Skutečnou hodnotu obhující počet mít, o kolik e má dné čílo bitově pounout, řeší náledující zápi num_hift = norm_(pstte->i_rm) - norm_(pstte->u_rm); ntrinická funkce norm_ určí kldnou hodnotu, o kolik mít e může dná hodnot 16-bitového číl hort pounout vlevo tk, by byl výledek této operce pořád 16-bitového rozhu, tj. nedošlo k přetečení pltného rozhu. (Pozn.: Operce bitových pounů vlevo vprvo ymbolizují mtemtické operce náobení dělení hodnotou 2). [8] Výše uvedený zápi obhuje výpočet, z kterého je možné uoudit, že počet pounutí hodnoty v proměnné pstte->i_rm je vyšší, než u hodnoty proměnné pstte->u_rm,což je vhledem ke kutečným hodnotám dných proměnných prvdou. Zpětné bitové pounutí je provedeno už n celkovém výledku (viz. vzth 6.9), kdy je znám hodnot podílu ze ituce e turcí >, která je náoben členem pod druhou odmocninou. Tento celkový výledek je nutné bitově pounout doprv o hodnotu 16-num_hift, neboť e jedná o 32-bitové čílo long. Konečný výledek opercí n DSP reprezentuje výledek, který je poté n výtupním portu bloku Výpočet prmetrů. Dlším poledním krokem je provedení
46 zpětné normlizce dných fyzikálních veličin, které byly oučátí výpočtu n DSP dle (6.9) tké přepočet z induktnce n indukčnot. To vše je oučátí bloku cle _ u Bck_cle, kde e nchází přepočetní vzth, který v obě 15 cle _ i 2 π 50 2 krývá vzth (6.10). 6.7 ZHODNOCENÍ MPLEMENTACE NO-LOAD TEST NA DSP V přípdě No-lod tetu, který je v práci odimulován v Simulinku jehož výpočty provádí MATLAB, jehož výpočetní jádro prcuje n proceoru oobního počítče, e jedná o čitou imulci No-lod tetu jko tkového. Jedná e o vrintu řešení, která více či méně poukzuje n funkčnot dného přítupu dné metody, než-li n kvlitu eventuelní použití této imulce pro reálnou plikci. V druhém přípdě e imulce, jejíž výpočetní lgoritmu je zprcováván n digitálním ignálovém proceoru, už krůček po krůčku blíží reálnému využití n kutečném zřízení, jehož prmetry jou předmětem zkoumání. Po určitých pecifických úprvách by bylo možné tuto implementci pounout vojí funkčnotí ž k reálnému AM. Mezi hlvní dá e říci i nejdůležitější úprvy by ptřilo zejmén kvlitní měření kutečných veličin pomocí přílušných měřících zřízení implementovným převodem dné veličiny do čílicové podoby tkovým způobem, by bylo možné náledné zprcování n přílušném výpočetním protředku, npř. přímo n DSP. Ob přítupy dávjí ve vé podttě kvlitní výledek v podobě identifikovných prmetrů AM pomocí No-lod tetu, tj. oučet rozptylové indukčnoti ttoru mgnetizční indukčnoti Ll + Lm = 0. 1192H. V polední kpitole pojednání o No-lod tetu jou n obrázcích uvedeny průběhy okmžitých hodnot některých veličin v če. Tyto obrázky mjí ilutrtivní chrkter pro názornot průběhu změn dných veličin v če. 6.8 PRŮBĚHY OKAMŽTÝCH HODNOT VELČN V ČASE N výše uvedených obrázcích je možné hlédnout typické průběhy pro Nolod tet, tj. chrkteritiky výtupních veličin v če t.
47 80 60 40 Proud rotorem [A] 20 10 6 0-20 -40-60 0 0.5 1 1.5 t [] Obrázek 13: Okmžité průběhy proudů ttorem 120 100 Úhlová rychlot [rd/] 80 60 40 20 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 t[] Obrázek 14: Okmžitý průběh úhlové rychloti
48 7. LOCKED ROTOR TEST Hlvní náplní tohoto tetu je identifikovt prmetry L + L, tj. oučet l rl rozptylových indukčnotí ttoru rotoru. Nvíc je tm přidán identifikce R + R, tj. odporu ttoru rotoru. Locked rotor tet je vým přítupem velice podobný tetu No-lod. Využívá tkřk identický potup při výpočtech dílčích čátí lgoritmu, tk tké obdobného chémtu imulce jko předchozí metod menšími rozdíly v jeho blokové truktuře. Tím hlvním rozdílem je všk odlišnot v principu tetu to tková, že je moment etrvčnoti motoru ntven z hodnoty J 2 = 0.35kg m (přípd No-lod tetu) n nekonečnou hodnotu J = inf (inf = nekonečně velká hodnot). Význm tohoto počívá v nvození tkového tvu, kdy rotor motoru není chopen díky vlivu tohoto prmetru e jkkoliv roztočit. Veškerý činný výkon, který je v imulci určen je výkon pálící e n vinutích ttoru rotoru. Pro imulci identifikci je nutné vinutí ttoru npájet npětím menším než je jmenovité npětí poté je nutno měřit ttorové proudy ttorová npětí nkonec z těchto hodnot určit výkon motoru, tj. činný tké jlový. Využívá e opět tejného modelu motoru jko v předešlých tetech. [5] 7.1 BLOKOVÉ SCHÉMA SMLACE V SMLNK r Obrázek 15: Blokové chém Locked rotor tetu
49 7.2 PRNCP SMLACE Jk již bylo zmíněno, Locked rotor tet je obdobou No-lod tetu menšími rozdíly. Při tomto tetu je rotor jkoby mechnicky ukotven. Je to způobeno momentem etrvčnoti J = inf, který je implicitně ntven v bloku motoru jko počáteční prmetr nedovolí tudíž rotoru e vlivem jeho nekonečně velké hodnotě momentu etrvčnoti e roztočit. Princip imulce vychází z blokového modelu uvedeného n Obrázek 15. Zákldem je, tejně jko u DC No-lod tetu blok modelu AM. Schém obhuje bloky, které reprezentují npájení, dále bloky pro nlýzu zprcování jednotlivých ignálů. V této metodě e rovněž využívá 3f npájení ttorového vinutí. v tomto modelu je npájecím prvkem outv třech bloků (oznčeny šedou brvou), která je přiveden pomocí vzeb n motor. Tento zdroj (ve chémtu šedé bloky) je tvořen třemi inuovými průběhy, které reprezentují jednotlivá fázová npětí mjí vé mplitudy rovny 120V vé fáze vzájemně ymetricky pounuty o 120 (viz. 2.1). Moment ztížení motoru ymbolizuje blok Mechnické ztížení je roven nule ( M = 0 ). Výtupem z motoru jou veličiny jko mgnetický tok Ψ r, proud z úhlová rychlot ω. Tyto veličiny ymbolizují bloky Mgnetický tok Úhlová rychlot. Jk je vidět z Obrázek 15, ignál z bloku Činný výkon, který krývá výpočet činného výkonu je dále veden do multiplexeru, kde e chází tento ignál polu e ignály z bloků RMS, který počítá ektivní hodnotu z fázového npětí podobným, který vypočítá ektivní hodnotu z proudu. Pomocí dlších bloků, které ymbolizují mtemtické operce, potřebné ke tnovení výledku identifikce, je v bloku Výpočet L + L vypočten poté zobrzen výledek této l rl identifikční metody. Tyto operce budou uvedeny v dlších odtvcích z této identifikční metody. 7.3 RČENÍ PRAMETRŮ L SL +L RL dentifikce je zložen n tejném principu jko No-lod tet. Znedbává e všk mgnetizční indukčnot L proud tedy teče pře odpor ttoru R, dále pře m rozptylovou indukčnot ttoru L l, poté pře rozptylovou indukčnot rotoru
50 nkonec motným odporem rotoru R r. Princip identifikce vychází, tejně jko u No-lod tetu, z určení prmetrů protřednictvím činného výkonu P, ze kterého e určí fáze ϕ (pře účiník 7.3.1 Blok RMS co ϕ ) pomocí něj e určí jlový výkon Q. Jk je uvedeno ve chémtu imulce Locked rotor tetu (viz. Obrázek 15), je znovu využit blok RMS vytvořený v předchozím tetu. Schém bloku RMS je uvedeno n Obrázek 11 polu detilním popiem včetně výpočetního principu ektivní hodnoty dných veličin. Efektivní hodnoty proudu ektivní hodnoty npětí jou potřebné k výpočtu prmetrů AM L l + Lrl. 7.3.2 Princip identifikce Metod vychází ze tejných rovnic jko No-lod tet. Pro rozptylové rektnce ttoru rotoru pltí Q X l + X rl = (7.1) kde Q podíl 2 touto fází. 2 X l je rozptylová rektnce ttoru, X rl je rozptylová rektnce rotoru, udává jlový výkon n jedné fázi ku mocnině ektivní hodnoty proudu 7.3.3 Výpočet prmetrů L l + L rl Jk je uvedeno ve vzthu (6.1), je možné určit prmetry L + L, rep. l rl X l + X m pomocí znloti jlového výkonu Q ektivní hodnoty proudu. K tomu je všk mimo to nutné znát velikot fáze ϕ z účiníku určit z činného výkonu P. Výpočet účiníku udává náledující vzth co ϕ, který je možno P coϕ = (7.2) 3 kde P je celkový činný výkon motoru, jou ektivní hodnoty fázového npětí proudu. Pro výpočet jlového výkonu n jedné fázi motoru pltí náledující vzth
51 Q = inϕ (7.3) kde Q je jlový výkon jou ektivní hodnoty fázového npětí proudu. V rovnici (6.1) e prmetry určují jen n jedné fázi, proto je třeb počítt jen jlovým výkonem jedné fáze. Z rovnic (7.2) (7.3) je možno mtemtickou opercí zíkt rovnici (7.1), Q přeněji tedy zíkt člen 2, který je přímo roven oučtu rozptylové rektnce ttoru rozptylové rektnce rotoru, který jou pro dlší přepočet n indukčnoti těžejní. Náledující rovnice obhují mtemtickou interpretci výše uvedených tvrzení vycházející z rovnic (7.2) (7.3) odvozují vzth pro výpočet Pltí obecný vzth pro oučet mocnin funkcí e tejným rgumentem L + L. l m in ϕ co ϕ 2 2 in ϕ + co ϕ = 1 (7.4) z něj e mtemtickou úprvou nálednou plikcí vzthu (6.2) dotne 2 in 1 P ϕ = 3 (7.5) Rovnice (7.3) obhuje člen trny rovnice (7.5) in ϕ, který je po omottnění vložen do levé Q = 1 P 3 2 (7.6) Q V tomto vzthu je n levé trně nutné omottnit levou čát n podíl 2, tj. je nutné obě trny této rovnice vynáobit podílem mtemtická úprv. Výledkem je vzth, což je běžná Q 2 = 2 P 1 (7.7) 3 Tento vzth udává oučet rozptylové rektnce ttoru rozptylové rektnce rotoru. Locked rotor tet všk identifikuje prmetry L + L, proto je tedy nutné l rl
52 přepočítt rektnce n indukčnoti dle náledujícího vzthu, tj. podělit induktnce členem 2 π f L l + L rl Q 2 = 2 π f kde π je kontnt f je frekvence npájecí ítě. (7.8) Dozením konkrétních hodnot veličin, které obhuje vzth (7.7) by byly vypočítány prmetry, které v imulci vyšly rovny hodnotě Ll + Lrl = 0. 01304H. Mtemtické operce vzthy jou ve chémtu imulce reprezentovány blokem Výpočet (viz. Obrázek 15), který obhuje vzthy (7.7) (7.8). Výledek imulce celé metody je zobrzen ve výtupním zobrzovcím bloku jko kutečná hodnot zíkných prmetrů. 7.3.4 Výpočet prmetrů R + R r Kroky k zíkání těchto prmetrů jou přidány k Locked rotor tetu jko by nvíc. Již v DC tetu uvedeném v kpitole 5 je určen hodnot prmetru odporu ttoru vzthu R. rčení oučtu odporu ttoru rotoru R + R vychází z náledujícího R + R r = 3 P r (7.9) Tento vzth e dá zjednodušit, neboť člen uvedený v závorkách je vltně přímo roven účiníku co ϕ (viz 7.2) R + Rr = coϕ (7.10) Tyto mtemtické operce jou ukryté ve funkčním bloku Výpočet R + R. r 7.4 MPLEMENTACE LOCKED ROTOR TEST NA DSP Potup při relizci implementce výpočetního lgoritmu do DSP opět vychází vým pojetím ze imulce běžící výpočetně v MATLABu jko u předchozích identifikčních metod. Opět bylo dobré pro názornot přehlednot vycházet z původního blokového upořádání popiujícího Locked rotor tet (Obrázek 15) implementci provét co nejnázorněji vzhledem k tomuto přítupu.
53 Podtt implementce tedy počívá v nprogrmování výpočetního lgoritmu pro DSP tk, by byl výpočetně zprcován právě n DSP. Zdrojový kód, pný jzykem C (oubor locked_rotor.c) v protředí CodeWrrior, obhuje n vém zčátku tndrdně deklrce knihoven jko npř. knihovny zjišťující komunikci konfigurci prmetrů mezi DSP MATLABem (fio.h, fio_cfg.h), dále tndrdní knihovnu pro /O operce (tdio.h) či tké knihovnu dinující přílušné dtové typy (type.h) d. Převážnou čát ouboru locked_rotor.c tvoří deklrce funkcí krývjící podttu jednotlivých bloků, které e vytvoří utomticky po oznčení SFO bloků názvy Generování či Výpočet prmetrů, které má předem ndinovné ntvené vtupní výtupní porty dle principu výpočtů (počet portů d.), náledném puštění příkzu codegen npného přímo n příkzový řádek MATLABu. Vygenerovné zdrojové kódy jou poté vloženy do zdrojového ouboru locked_rotor.c, kde jou do jejich těl vepiovány potřebné příkzy či vltní vytvořené funkce dle konkrétního řešení. Součátí těchto funkcí, reprezentující SFO bloky, jou truktury, tj. družené dtové typy jzyk C, obhující položky pro dtové typy vtupních, výtupních tvových proměnných. 7.5 BLOKOVÉ SCHÉMA MPLEMENTACE NA DSP Obrázek 16: Blokové chém implementce Locked rotor tetu n DSP Obrázek 16 obhuje blokové chém imulce Locked rotor tetu, jehož výpočetní lgoritmu je prováděn n DSP. Struktur imulce je velmi podobná vycházející ze imulce, jejíž výpočet je zprcován n trně MATLABu (Obrázek 15).
54 Algoritmu implementce Locked rotor tetu je opět nprogrmován v jzyce C v protředí CodeWrrior. Simulční chém obhuje některé přidné funkční bloky neoucí log polečnoti Freecle. Jedná e o identické bloky jko v přípdě předchozích tetů, tj. bloky SFO toolboxu, které mjí z úkol obtrávt komunikci po ériové lince RS-232 (SFO) mezi DSP PC potom tké neméně význmné bloky, které v obě nepřímo krývjí nprogrmovné čáti zdrojového kódu či píše funkce výpočetního lgoritmu dné identifikční metody (Výpočet prmetrů Generování). Do chémtu jou rovněž tké přidány důležité bloky pro normlizci fyzikálních veličin pro lgoritmu n DSP přípdný zpětný normlizční přepočet (1/cle_i Bck_cle). 7.6 ALGORTMS LOCKED ROTOR TEST V JAZYCE C Hlvní myšlenkou implementce celé imulce je to, že tkřk celý výpočetní lgoritmu běží n trně DSP. Jedná e zejmén o generování npájecího npětí, dále výpočet ektivních hodnot npájecího npětí výtupního proudu náledným konečným výpočtem identifikovných prmetrů L + L, tj. oučet rozptylových l rl indukčnotí ttoru rotoru. Podtt implementce tedy závií n vytvoření lgoritmu, který bude tyto výpočty řešit. Konkrétní potup popi lgoritmů výpočtů, tedy popi funkcí jednotlivých bloků je popán jednotlivě v dlších kpitolách. Celá implementce je oučátí zdrojového ouboru názvem locked_rotor.c. 7.6.1 Generování npájecího npětí Řešení generování 3 - fázového npájecího npětí je identické jko v přípdě implementce No-lod tetu n DSP. Opět e jedná o zápi funkce v jzyce C, která má jeden vtupní prmetr (úhel z bloku Čový vektor) výtupem je vypočtená funkční hodnot dné funkce. Celý vytvořený lgoritmu je podrobně popán v kpitole 6.6.1 není nutné ho tedy v těchto mítech znovu zmiňovt dále popiovt. 7.6.2 Algoritmu výpočtu ektivní hodnoty RMS ze ignálu n DSP K výpočtu prmetrů AM je třeb, tejně jko v předešlém No-lod tetu, výpočtu ektivních hodnot jk npětí tk i proudu. Celý lgoritmu výpočtu
55 vyvětlením principu jeho přepáním do jzyk C je popán v kpitole 6.6.2. Princip obecného výpočtu ektivních hodnot je uveden v kpitole 6.3.1. 7.6.3 Algoritmu výpočtu prmetrů L l + L rl n DSP Algoritmu výpočtu prmetrů L l + L rl pomocí implementce Locked rotor tetu běžícího n trně DSP je předmětem SFO bloku pod názvem Výpočet prmetrů jeho funkce e tejným názvem, která je oučátí ouboru locked_rotor.c. Jedná e výpočetní blok mjící dv vtupní dv výtupní porty. Prvním vtupem jou 3 vektory okmžitých hodnot npájecích npětí u_abc[3], které jou výtupem z SFO bloku Generování, podobně jko v přípdě (Obrázek 15). Druhým vtupem tejného bloku jou rovněž 3 vektory, le okmžitých hodnot výtupních proudů i_abc[3] z AM. Jeden výtupní port je vyhrzen pro hodnotu výledné proměnné X ymbolizující oučet rozptylové induktnce ttoru rozptylové induktnce rotoru rotoru R + Rr. dentifikce prmetrů Rr X + X druhý pro výledek oučtu odporu ttoru l rl R + pomocí této metody není tndrdně její oučátí je implementován do metody jkoby nvíc. Hlvním předpokldem je všk fkt, že Locked rotor tet je určitou modifikcí No-lod tetu. Výpočty prmetrů ze známých či vypočtených veličin jou identické jko v přípdě No-lod tetu jejich vyvětlení je předmětem kpitoly 7.3. 7.6.4 Algoritmu výpočtu prmetrů R + R r n DSP Podtt určení prmetrů R + R vychází ze vzthu (7.9). Jedná e o protý r výpočet pomocí účiníku co ϕ, který tvoří právě člen v závorkách. Tento člen je oučátí dílčího výpočtu pro určení prmetrů L l + L rl. Ve vzthu (7.9) je možné mtemtickou opercí krácení docílit zjednodušeného vzthu. R + R r P = 3 (7.11) Dlší možnotí je nekrátit výrz (7.9) řešit to pomocí dlších dílčích opercí, u kterých je nutno řešit problém e turcí vzniklou při podílu dvou hodnot, z nichž hodnot čittele je větší než jmenovtele. Konečným krokem je zpětná normlizce veličin pomocí bloku Bck_cle, cle _ u který obhuje vzth. 15 cle _ i 2
56 7.7 ZHODNOCENÍ MPLEMENTACE LOCKED ROTOR TEST NA DSP Rozhodnutí o kvlitě zprcování, obecně kždého problému, dávjí ž náledné tety tkového řešení. Ob přítupy imulce Locked rotor tetu zmíněné v práci dávjí ve vé podttě kvlitní výledky v podobě identifikovných prmetrů AM, tj. výledkem je oučet rozptylové indukčnoti ttoru rozptylové indukčnoti rotoru Ll + Lrl = 0. 01314H. dentifikovný oučet odporu ttoru rotoru, který je v práci řešen dodtečně vyšel roven R + = 1. 577Ω. R r 7.8 PRŮBĚHY OKAMŽTÝCH HODNOT VELČN V ČASE N níže uvedených obrázcích je možné poukázt n některé jevy, které jou v Locked rotoru přítomny tojí nepochybně z zmínku. Npř. úhlová rychlot je po celou dobu imulce nulová (rotor ukotven) (viz. Obrázek 17) či okmžité průběhy obou ložek mgnetického toku rotorem, tj. momentotvorné ložky (zelená) tokotvorné ložky (modrá) (Obrázek 18). 30 27 20 Proudy rotoru [A] 10 0-10 -20-27 -30 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22 t [] Obrázek 17: Okmžité průběhy proudů ttorem
57 Mgneticky tok rotoru [Wb] 0.2 0.08 0.05 0-0.05-0.08 lf lozk bet lozk -0.2 0 0.5 1 1.5 t [] Obrázek 18: Okmžité průběhy ložek mgnetického toku rotorem 1 0.8 0.6 hlov rychlot [rd/] 0.4 0.2 0-0.2-0.4-0.6-0.8-1 0 0.5 1 1.5 t [] Obrázek 19: Okmžitý průběh úhlové rychloti
58 8. ONE PHASE TEST Tto metod ptří mezi dlší zároveň polední identifikční metody zmiňovné v této práci. Svojí podttou vychází z Locked rotor tetu, jehož princip je zmíněn v předchozí čáti této práce. Cílem One phe tetu je, tejně jko u Locked rotor tetu, identifikovt L + L, tj. zíkt oučet rozptylových indukčnotí ttoru l rl rotoru. Opět je do imulce přidán identifikce odporů ttorového R rotorového vinutí R. Hlvní podtt principu tohoto tetu je ve tnovení prmetrů AM při r ituci, kdy e nvodí tková konfigurce npájení AM, by jednou fází netekl proud (tj. by pltilo npř. = 0A ). Z tohoto předpokldu vychází řešení, které je uvedeno v dlších čátech práce. [4] 8.1 BLOKOVÉ SCHÉMA SMLACE V SMLNK Obrázek 20: Blokové chém imulce One phe tetu 8.2 PRNCP SMLACE Simulce vychází z blokového chémtu (viz. Obrázek 20) je velmi podobné chémtům předchozích tetů (No lod tet, Locked rotor tet) jk podobou tk i motným principem identifikce. Zákldem je, tejně jko u předchozích tetů, blok modelu ynchronního motoru. Stejně jko u Locked rotor tetu je rotor AM
59 jkoby mechnicky ukotven. Je to způobeno opět volbou momentu etrvčnoti J = inf (inf = nekonečná velikot), který nedovolí rotoru e vlivem půobení mgnetického pole n jeho vinutí roztočit. Schém obhuje bloky, které reprezentují npájení, dále bloky pro nlýzu zprcování jednotlivých ignálů. V této metodě e rovněž využívá 3f npájení ttorového vinutí. v tomto modelu předtvuje zdroj npájení outv třech bloků (oznčeny šedou brvou), která je přiveden pomocí vzeb přímo n blok motoru. Tento zdroj (ve chémtu šedé bloky) je tvořen třemi inuovými průběhy, které reprezentují jednotlivá fázová npětí mjí vé mplitudy m rovny 120V (vorky b c ) 60V (vork ). Proč je tomu tk, že jedno fázové npětí je menší než ottní, bude vyvětleno později n konkrétním přípdě. Moment ztížení motoru ymbolizuje blok Mechnické ztížení je roven nule ( M z = 0Nm ). Výtupem z motoru jou veličiny jko mgnetický tok rotorem Ψ r, proudy všech fází,, úhlová rychlot otáčení rotoru ω. Tyto b c veličiny ymbolizují bloky Mgnetický tok Úhlová rychlot. 8.3 RČENÍ PRAMETRŮ L SL +L RL Podtt identifikce pomocí One phe tetu počívá ve vytvoření určitých podmínek v npájení ttorového vinutí v náledném výpočtu identifikovtelných prmetrů z potřebných veličin, jejichž velikoti nám tento tet přináší je možné je přípdně změřením výpočtem určit. Jk již bylo řečeno, je nutné npájet ttorová vinutí fázovými npětími typickými prmetry. Podtt npájení motoru v tomto tetu počívá v připojení npájecího npětí b c jen n dvě vorky b c. Tzn., že první vork není jkoby obzen neteče jí tedy žádný proud. 8.3.1 Blok RMS Jk je uvedeno ve chémtu imulce One phe tetu (viz. Obrázek 20), je opět využit blok RMS vytvořený v No-lod tetu. Schém bloku RMS je uvedeno n Obrázek 11 polu náledným detilním popiem včetně výpočetního principu ektivních hodnot dných ignálových veličin. V tomto tetu jou ektivní hodnoty jk proudu, tk i ektivní hodnoty npětí jou potřebné ke tnovení
60 prmetrů L + L. Oproti Locked rotor tetu je nutné ještě určit ektivní hodnotu l rl z činného výkonu P. 8.3.2 Princip identifikce První krok identifikce je zložen n určení (výpočtu) npětí, které e muí připojit n npájecí vorku ttoru. Tento úkol muí tedy zbezpečit jev, by touto vorkou tekl nulový proud, tj. ituce, kdy je dný vodič přerušen. Proudy tedy tečou ttorem jen pře vinutí, která jou pojen e vorkmi b c. Z této úvhy je možno jednoduše zjitit npětí n jedné z těchto vorek pomocí ní dále pokrčovt v identifikci prmetrů pomocí One phe tetu. Způob určení npájecího npětí pro vorku je uveden n náledujícím odvození. [4] Pro fázová npětí připojená ke vorkám ttoru b c pltí b c = = m m in( ω t) 0 2 π in( ω0t ) 3 (8.1) Pro určení npájecího npětí pro vorku je nutné npájecí npětí obou vorek (8.1) ečít podělit dvěmi. Výledkem tedy bude npětí, které e poté připojí n vorku. Pltí + b = (8.2) 2 2 π m in( ω0t) + m in( ω0t ) = 3 (8.3) 2 2 π m in( ω0t) + in ω0t 3 = (8.4) 2 kde mtemtickou úprvou z použití vzthu pro oučet dvou goniometrických funkcí různými rgumenty pltí x + y x y in x + in y = 2 in co (8.5) 2 2 kde po plikci vzthu (8.5) n vzth (8.4) pltí
61 2 π in 2ω 2 0t π m = 3 2 co 3 2 2 2 (8.6) π π = m in ω0t co 3 3 (8.7) m π = in ω0t 2 3 (8.8) Při připojení npětí n vorku, jehož velikot udává vzth (8.8), je zručeno, že touto vorkou poteče nulový proud = 0. Tím pádem pltí, že připojením npájecího npětí b c vznikne v ymetrických (rovnocenných) vinutích ttoru důledek v podobě proudů b c, které mjí tejnou velikot le opčná znménk, tj. jejich oučet je nulový, což je reálné. Pro výpočet npětí b c mezi vorkmi b c tedy pltí rgumenty b c b c = (8.9) 2 2 π m in( ω0t) m in( ω0t ) = 3 b c (8.10) 2 2 π m in( ω0t) m in( ω0t ) = 3 b c (8.11) 2 Zde je nutné použít vzth pro rozdíl goniometrických funkcí různými x + y x y in x in y = 2 co in (8.12) 2 2 kde potom pltí 2 π 2 π = 3 b c m co 2 ω0t in (8.13) 3 2 kde pltí, že funkce co ( x) je funkcí udou, je možné vzth (8.13) zjednodušit n
62 3 π b c = m co ω0t (8.14) 2 3 kde převedením n funkci in ( x) pomocí obecného vzthu π co( x ) = in x + (8.15) 2 pltí 3 π b c = m in ω0t + (8.16) 2 6 Ve vzthu (8.16) je uvedeno npětí, které je v (viz. Obrázek 20) vypočteno z pomocí rozdílového členu (žlutý blok) náledně jeho hodnot náoben hodnotou 0.5 (větle modrý blok). 8.3.3 Výpočet prmetrů L l + L rl rčení prmetrů L l + Lrl, rep. l X m X + pomocí znloti jlového výkonu Q ektivní hodnoty proudu je tejné jko v Locked rotor tetu či No-lod tetu. K tomu je nutné znát velikot fáze ϕ z účiníku co ϕ, který je možno určit z činného výkonu P. Výpočet účiníku udává náledující vzth P coϕ = (8.17) 3 kde P je ektivní hodnot celkového činného výkonu motoru, jou ektivní hodnoty npětí (npětí mezi vorkmi - b) proudu (fáze b). proudu. Pro výpočet jlového výkonu n jedné fázi motoru pltí náledující vzth Q = inϕ (8.18) kde Q je jlový výkon jou ektivní hodnoty fázového npětí Z rovnic (8.17) (8.18) je možno mtemtickou opercí zíkt člen, přeněji Q tedy zíkt podíl 2, který je přímo roven oučtu rozptylové rektnce ttoru rozptylové rektnce rotoru, který je pro dlší přepočet n indukčnoti těžejní. Náledující rovnice obhují mtemtickou interpretci výše uvedených tvrzení vycházející z rovnic (8.17) (8.18) odvozují vzth pro výpočet L + L. l rl
63 Pltí obecný vzth pro oučet mocnin funkcí e tejným rgumentem in ϕ co ϕ 2 2 in ϕ + co ϕ = 1 (8.19) z něj e mtemtickou úprvou nálednou plikcí vzthu (8.17) dotne 2 P inϕ = 1 (8.20) 3 Rovnice (8.18) obhuje člen trny rovnice (8.20) in ϕ, který je po omottnění vložen do levé Q = P 1 3 2 (8.21) Q V tomto vzthu je n levé trně nutné omottnit levou čát n podíl 2, tj. je nutné obě trny této rovnice vynáobit podílem mtemtická úprv. Výledkem je vzth, což je běžná Q 2 = 2 P 1 (8.22) 3 Tento vzth udává oučet rozptylové rektnce ttoru rozptylové rektnce rotoru. Locked rotor tet všk identifikuje prmetry L + L, proto je tedy nutné přepočítt rektnce n indukčnoti dle náledujícího vzthu, tj. podělit rektnce členem 2 π L l f + L rl Q 2 = 2 π f kde π je kontnt f je frekvence npájecí ítě. l rl (8.23) Dozením konkrétních hodnot veličin, které obhuje vzth (8.23) by byly vypočítány prmetry, které v imulci vyšly rovny hodnotě Ll + Lrl = 0. 01304H. Tyto mtemtické operce vzthy jou ve chémtu imulce reprezentovány blokem Výpočet L + L (viz. Obrázek 20), které jou vytvořeny l rl
64 jko funkce obhující tyto vzthy (8.22) (8.23). Výledek imulce celé metody je zobrzen ve výtupním bloku. 8.3.4 Výpočet prmetrů R + R r Kroky k zíkání těchto prmetrů jou přidány k One phe tetu jko by nvíc. rčení oučtu odporu ttoru rotoru R + R vychází z náledujícího vzthu R + R r = P 3 r (8.24) Tento vzth e dá zjednodušit, neboť člen uvedený v závorkách je vltně přímo roven účiníku co ϕ (viz 8.17) R + Rr = coϕ (8.25) Tyto mtemtické operce jou ukryté ve funkčním bloku Výpočet R + R. Výledek imulce, tj. R + Rr nvzuje n blok Výpočet Rr R + je uveden jko blok, ve kterém je tento údj přímo zobrzen (viz. Obrázek 20). dentifikcí vyšl hodnot R + = 1. 577Ω. R r r 8.4 MPLEMENTACE ONE PHASE TEST NA DSP Potup při relizci implementce výpočetního lgoritmu do DSP opět vychází vým pojetím ze imulce běžící výpočetně v MATLABu jko u předchozích identifikčních metod. Opět bylo dobré pro názornot přehlednot vycházet z původního blokového upořádání popiujícího One phe tet (Obr. 8.1) implementci provét co nejnázorněji vzhledem k tomuto přítupu. Podtt implementce tedy počívá v nprogrmování výpočetního lgoritmu pro DSP tk, by byl výpočetně zprcován právě n DSP. Zdrojový kód, pný jzykem C (oubor one_phe.c) v protředí CodeWrrior, obhuje n vém zčátku opět tndrdně deklrce knihoven jko npř. knihovny zjišťující komunikci konfigurci prmetrů mezi DSP MATLABem (fio.h, fio_cfg.h), dále tndrdní knihovnu pro /O operce (tdio.h) či tké knihovnu dinující přílušné dtové typy (type.h) d. Převážnou čát ouboru one_phe.c tvoří deklrce funkcí krývjící podttu jednotlivých bloků,
65 které e vytvoří utomticky po oznčení SFO bloků názvy Generování či Výpočet prmetrů, které má předem ndinovné ntvené vtupní výtupní porty dle principu výpočtů (počet portů d.), náledném puštění příkzu codegen npného přímo n příkzový řádek MATLABu. Vygenerovné zdrojové kódy jou poté vloženy přímo do zdrojového ouboru one_phe.c, kde jou do jejich těl vepiovány potřebné příkzy či vltní vytvořené funkce dle konkrétního řešení. Součátí těchto funkcí, reprezentující SFO bloky, jou truktury, tj. družené dtové typy jzyk C, obhující položky pro dtové typy vtupních, výtupních tvových proměnných. 8.5 BLOKOVÉ SCHÉMA MPLEMENTACE NA DSP Obrázek 21: Blokové chém implementce One phe tetu n DSP Obrázek 21 obhuje blokové chém imulce One phe tetu, jehož výpočetní lgoritmu je prováděn n DSP. Struktur imulce je velmi podobná vycházející ze imulce, jejíž výpočet je zprcován n trně MATLABu (Obrázek 20). Simulční chém obhuje některé přidné funkční bloky neoucí log polečnoti Freecle. Jedná e tkřk o identické bloky jko v přípdě předchozích tetů, tj. bloky SFO toolboxu, které mjí z úkol obtrávt komunikci po ériové lince RS-232 (SFO) mezi DSP PC potom tké neméně význmné bloky, které v obě nepřímo krývjí nprogrmovné čáti zdrojového kódu či píše funkce výpočetního lgoritmu dné identifikční metody (Výpočet prmetrů Generování). Do chémtu jou rovněž tké přidány důležité bloky pro normlizci fyzikálních veličin pro lgoritmu n DSP přípdný zpětný normlizční přepočet (1/cle_i Bck_cle).