L4 Motor Cu Comutatie Electronica

7/21/2019 L4 Motor Cu Comutatie Electronica

http://slidepdf.com/reader/full/l4-motor-cu-comutatie-electronica 1/15

Sisteme integrate de conversie electromecanică -laborator

L4 – Realizarea unui sistem integrat de conversie electromecanică cu

motor sincron fără perii (motor cu comutaţie electronică).

Determinarea caracteristicilor funcţionale şi de performanţă pe

simulator fizic şi pe simulator virtual

1.1. Motorul cu comutaţie electronică. Generalităţi

Potrivit unui articol publicat în revista Embedded Magazine, Embedded Solutions for

Programmable Logic Design într-o locuinţă modernă pot să existe peste 334 de motoare electrice.

Acestea sunt prezente peste tot acolo unde există părţi în mişcare, de la echipamente electrocasnice

pnă la echipamente de calcul şi echipamente audio-video. !dată cu achiziţionarea unui echipament

din cate"oriile mai sus amintite, numărul acestor motoare creşte. #umai în cazul achiziţionării unui

echipament de calcul, numărul motoarelor conţinute de acesta este impresionant, 3 sau 4 motoare

pentru ventilatoare, 4 pentru unitatea $%$, & pentru hardis' şi multe altele pentru orice peri(eric

adău"at) imprimante, scaner, *o+stic' etc. $atorită (ormei compacte, raportului cupludimensiune

bun şi acurateţii controlului, mare parte dintre aceste motoare sunt de curent continuu (ără perii în

construcţie inversată cu comutaţie electronică/. Prin inversarea constructivă a maşinii electrice decurent continuu se obţine, de (apt, o maşină sincronă. $e aici, rezultă o ambi"uitate în denumirea

acestor motoare. 0senţială este modul în care se realizează comutaţia la noua maşină electrică,

motiv pentru care ea poate (i denumită (iind utilizată, cu predilecţie, în re"im de motor motor cu

comutaţie electronică.

1n motor de curent continuu (ără perii este, deci, un motor electric sincron alimentat în

curent continuu şi care are un sistem de comutaţie electronic în loc de un sistem mecanic cu perii. 2n

ast(el de motoare curentul şi cuplul, tensiunea şi turaţia sunt dependente liniar.2n continuare vom (olosi prescurtarea $5 brushless direct current/ pentru a (ace re(erire

la acest tip de motoare. 6otoarele $5 o(eră o serie de avanta*e (aţă de motoarele de cc cu perii,

printre care randament şi fiabilitate mai mare, nivel redus al zgomotului, durată de viaă mai mare,

eliminarea sc!nteilor ionizate de la colector şi reducerea generală a interferenelor

electromagnetice. 7ără bobine pe rotor acesta nu este supus (orţelor centri(u"ale, iar pentru că

ma"neţii sunt ataşaţi de stator aceştia se răcesc prin conducţie nemai(iind nevoie de ventilator

pentru răcire. 8ensiunea maximă ce poate (i aplicată unui $5 este (oarte mare, (iind limitată doar de căldura ce poate a(ecta ma"neţii.

"




Fig.1 Statorul unui motor cu comutaţie electronică

$upă cum spune şi numele motorul cu în(ăşurărare trapezoidală are o tensiune

contraelectromotoare trapezoidală, iar motorul cu în(ăşurărare sinusoidală are o tensiune

contraelectromotoare sinusoidală după cum se observă în (i"ura 3.

Fig. 2 Analiza comparativă a construcţiei motorului de c.c. convenţional şi a motorului cu comutaţie

electronică

Pe ln"ă tensiunea contraelectromotoare curentul de (ază are şi el variaţii trapezoidale şi

sinusoidale la aceste tipuri de motoare. Aceasta (ace ca variaţia cuplului la un motor sinusoidal să(ie mai lină dect la un motor trapezoidal. 8otuşi acest lucru se realizează cu un cost suplimentar

$




deoarece motorul sinusoidal are mai multe interconexiuni între în(ăşurări din cauza distribuţiei

bobinelor la peri(eria statorului mărind ast(el consumul de cupru.

Fig. 3 ensiunea contraelectromotoare! a" #n $ormă trapezoidală%

&" #n $ormă sinusoidală

Rotorul este prevăzut cu ma"neţi permanenţi şi poate avea între & şi < perechi de poli,

alternnd polul nord cu polul sud (i". 4/.

Fig. ' (otorul motoarelor cu comutaţie electronică

Pe baza densităţii cmpului ma"netic cerut în rotor materialul ma"netic adecvat este ales

pentru a realiza rotorul. 7eritele sunt materialul tradiţional pentru a (abrica ma"neţi permanenţi. Pemăsura avansării tehnolo"iei alia*ele de pămnturi rare devin pre(erate. 7eritele sunt mai ie(tine dar

au densitatea de (lux redusă pe unitatea de volum. Pe ln"ă densitatea de (lux mai mare pe unitatea

de volum, ma"neţii din alia*e au masă speci(ică redusă şi o(eră un cuplu mai mare pentru aceeaşi

dimensiune.

9pre deosebire de motorul de c.c. cu perii comutaţia motorului $5 este controlată

electronic. Pentru a roti motorul $5 în(ăşurările statorice sunt alimentate într-o anumită ordine.

0ste important să se cunoască poziţia rotorului pentru a şti care este următoarea în(ăşurare cetrebuie alimentată. Poziţia rotorului este determinată (olosind senzori $all (i". =/ a(laţi pe stator

sau traductoare optice/.

%




Fig. ) Secţiune longitudinală prin motor *+,C

6a*oritatea motoarelor $5 au trei senzori >all dar se utilizează - în anumite aplicaţii

şi şase pulsuri livrate traductoarelor de poziţie - (i". ?/. $e cte ori polii ma"netici ai rotorului trec

pe ln"ă senzorii >all dau un semnal @*os sau @sus indicnd trecerea polului nord sau a polului

sud pe ln"ă senzor. Pe baza combinaţiei acestor trei semnale secvenţa exactă de comutaţie poate (i

stabilită.

Fig. -. Scema de principiu / #n mediul 0SM / pentru comanda traductoarelor de poziţie cu senzori all

2n (i"ura = este prezentată secţiunea lon"itudinală a motorului $5 cu un rotor care are

poli alternanţi nord şi sud. 9enzorii >all se a(lă în partea staţionară a motorului stator/. Plasarea

senzorilor în stator este o operaţie di(icilă deoarece orice eroare de aliniere (aţă de ma"neţii

rotorului va "enera erori la determinarea poziţiei rotorului. Pentru a simpli(ica procesul de

amplasare a senzorilor >all pe stator unele motoare au ma"neţi senzori >all pe rotor pe ln"ă

ma"neţii de pe rotor. Aceştia sunt o replică la scară a rotorului, de aceea de cte ori rotorul se roteşte

ma"neţii senzor >all dau aceleaşi semnale ca şi ma"neţii rotorului. 9enzorii >all sunt amplasaţi de

&




obicei pe o placă de P5 şi (ixaţi de statorul motorului. Aceasta permite utilizatorilor să a*usteze

ansamblul de senzori >all, pentru a-i alinia cu ma"neţii rotorului, pentru a obţine cele mai bune

per(ormanţe.

Pe baza poziţiei (izice a senzorilor >all sunt două variante de semnale de ieşire) senzorii

>all pot detecta ?BC sau :&BC electrice. Pe această bază constructorul de(ineşte secvenţa de

comutaţie, care ar trebui urmată în (uncţionarea motorului.

1.3. Funcţionarea motoarelor cu comutaţie electronică

%.&.% Comutaţia cu senzori

5el mai uşor de a(lat momentul corect pentru a comuta este prin intermediul unui senzor de poziţie. 6ulţi producători de motoare cu comutaţie electronică (urnizează motoare cu trei senzori de

poziţie cu elemente cu e(ect >all. 7iecare senzor (urnizează un nivel di"ital @hi"h pentru :<Bo

electrice şi un nivel @loD pentru celelalte :<Bo electrice. 5ei trei senzori sunt de(azaţi cu ?Bo

electrice pentru ca (iecare ieşire a senzorilor să (ie aliniată cu un circuit electroma"netic.

! dia"ramă de temporizare arătnd relaţiile dintre ieşirile senzorilor şi tensiunea de

alimentare necesară este prezentată în (i"ura E.

Fig. emporizarea senzorilor all

9e observă în (i"ură că ieşirile celor trei senzori se suprapun în aşa (el înct crează şase

coduri pe trei biţi corespunznd celor trei (aze. 5ele trei numere reprezintă niveluri lo"ice ale

senzorilor unde cel mai semni(icativ bit este senzorul 5, iar cel mai puţin semni(icativ este senzorul

A.

'




7iecare (ază conţine un terminal al motorului a(lat în starea @hi"h un terminal al motorului

a(lat în starea @loD şi un terminal al motorului în starea @(loat. 1n circuit de comandă simpli(icat

este prezentat în (i"ura <.

Fig. 4. Secvenţa de comutaţie a $azelor motorului

! precauţie care trebuie luată cu aceste tipuri de circuite este aceea că ambele stări @hi"h

sau @loD ale aceluiaşi circuit de comutaţie nu trebuie activate în acelaşi timp. ! altă precauţie ce

trebuie avută în vedere - pentru ca ambele circuite să (ie activate în acelaşi timp - se numeştecontrolul timpului mort . a o tranziţie de la starea @hi"h la starea @loD trebuie aşteptat ca starea

@hi"h să devină inactivă înainte de a activa starea @loD. 5ircuitele de comutaţie au nevoie de mai

mult timp pentru a deveni inactive dect pentru a se activa, de aceea trebuie aşteptat un timp mai

mare pentru a (i si"uri că nu sunt activate ambele circuite. Acest timp mort este inerent motoarelor

cu comutaţie electronică tri(azate, deci un timp special pentru controlul timpului mort nu este

necesar.

%.&.'. Comutaţia fără senzori

5ontrollerele (ără senzor se bazează pe estimatoarele so(tDare care vor lua locul senzorilor

hardDare. 9arcina unui estimator este să (urnizeze aceleaşi in(ormaţii de calitate despre poziţia şi

viteza rotorului pe care senzorii hardDare le (urnizau. Azi se (olosesc multe tipuri de estimatoare) de

la observere matematice simple pnă la al"oritmi optimi avansaţi cum ar (i (iltrele Falman.

5ontrolul precis al invertoarelor PG6 şi măsurători exacte ale curenţilor motorului sunt necesare

pentru ca aceste estimatoare să (uncţioneze corect. 2n orice caz înlăturarea senzorilor hardDare produce un exces de calcule controllerului.

(




Procesorul de semnale di"itale $9P/ este tehnolo"ia care permite atin"erea de randamente

superioare, (iabilitate mărită, îmbunătăţire a nivelului de z"omot şi cost redus. Hncredibila viteză de

calcul a acestor dispozitive (ace ca cea mai mare parte a controlului motorului poate acum (i (ăcută

de so(t. 1n număr mic de pini combină puterea de calcul a $9P-ului cu un convertor analo"-

numeric inte"rat şi un PG6 tri(azat pentru a realiza cea mai mare parte a controlului (ără senzori.

%.&.'.% iltrul alman

5ontrolul (ără senzori estimează poziţia şi viteza rotorului pe baza valorilor curenţilor şi a

tensiunii măsurate. 9unt multe metode şi cteva îşi au (undamentul în matematicile teoriei

sistemelor. 7iltrul Falman este văzut ca (iind superior acestor metode deoarece (ace previziuni

exacte pentru mediul z"omotos în care se realizează controlul motorului. 6ai mult (iltrul Falman

produce o teorie "enerală pentu estimare ce poate (i aplicată oricărui tip de motor.

Pentru a (ace aceste estimări două tipuri de surse de in(ormaţie sunt (olosite. Prima sursă de

in(ormaţie (oloseşte un model matematic pentru modul în care se comportă acest tip de motor. A

doua sursă de in(ormaţii sunt măsurătorile instantanee ale mărimilor speci(ice motorului dat, ce sunt

(olosite pentru a a*usta estimările. Aceste măsurători ar putea include tensiuni şi curenţi, dar nu

poziţia sau viteza rotorului.

7iltrul Falman o(eră un mod optim de a combina aceste in(ormaţii) modelul şi măsurătorile.

Al"oritmul conţine două etape) predicţia şi corecţia. 2n etapa predicţiei modelul este (olosit pentru a

prezice în ce (el se va modi(ica starea motorului avnd în vedere valoarea tensiunii de alimentare.

$e asemenea prezice ce măsurători ar trebui observate avnd în vedere noua stare a motorului. 2n

etapa de corecţie se compară valoarea prezisă cu valoarea măsurată. $i(erenţa este multiplicată cu

cşti"ul Falman şi (olosită pentru a corecta estimarea privind starea motorului. a (iecare interval

de timp (iltrul Falman produce o estimare a stării motorului, dar în plus este calculată şi o

covarianţă. Această covarianţă este o măsură a încrederii în estimarea stării. 5şti"ul (olosit la

corecţie este bazat pe această covarianţă şi ast(el dacă este vreo îndoială asupra acurateţii estimării

cşti"ul este mare şi corecţia se produce rapid. 5nd avem mai multă încredere în estimare atunci

cşti"ul este mic şi ast(el z"omotul are un e(ect redus asupra estimării. )ceastă adaptibilitate a

c!ştigului de corecie este c*eia unui control fără senzori eficient şi ieftin.

%.&.&. Controlul soft*are şi +ard*are al motorului cu comutaţie electronică

2n sistemele de control tradiţionale rolul circuitului 7PIA era limitat, în "eneral, la

"enerarea semnalelor PG6 şi implementarea lo"icii necesare de pe partea de (eedbac' a sistemului

inter(aţa cu codi(icatorul/. 7uncţiile mai importante cum ar (i implementare controler PH$ şi

+




comunicare cu alte module erau preluate de un microcontroler sau de un procesor de semnal (i". J/.

$ezavanta*ul acestui tip de arhitectură constă în (aptul că bucla de control traversează de două ori

ma"istrala ce lea"ă cele două circuite. 2n această situaţie pot apărea con"estii iar per(ormanţele

devin "reu de evaluat.

7irma Kilinx a dezvoltat o metodă de control a motoarelor cu comutaţie electronică şi a

celor asincrone, aşa numita metodă so(tDare-hardDare. Această metodă a (ost implementată pe

circuitele 7PIA din (amiliile 9partan3 şi %irtex4 discrete/. #oua soluţie propusă de Kilinx

în"lobează toate componentele buclei de control pe un sin"ur circuit 7PIA (i". :B/. Partea

so(tDare, de inter(aţare, supervizare şi comunicare în reţea cu alte dispozitive este implementată pe

un microprocesor pe 3& biţi, numit Microlaze Partea hardDare include implementarea

controlerului PH$, a "eneratorului de semnal PG6 şi a lo"icii de inter(aţare cu semnalele de

(eedbac' şi de control. Hmplementarea hardDare a acestor componente permite o executare

simultană a tuturor procedurilor de control executare concurenţială/, de asemenea per(ormanţele

sistemului de control devenind deterministice. $in (i"ura :B se poate observa cum cele două

module, microprocesorul şi modulele implementate hardDare comunică între ele prin intermediul

unei ma"istrale. $at (iind (aptul că att partea de implementare so(tDare ct şi cea hardDare se a(lă

în interiorul aceluiaşi circuit, limitările produse de con"estia tra(icului dintre acestea sunt eliminate.

Fig. 5 6tilizarea tradiţională a circuitului F0GA #n sistemele de control

.




Fig. 17 Metoda so$t8are9ard8are de #nglo&are a #ntregii &ucle de control #ntr9un circuit F0GA

'. "istem integrat de conversie electromecanică realizat cu motoare cu comutaţie

electronică

6otoarele cu comutaţie electronică la (el ca motoarele pas cu pas sunt utilizate în

aplicaţii speci(ice sistemelor de re"lare incrementală a poziţiei.

2n (i"ura :: este prezentat un exemplu de inte"rare a motoarelor cu comutaţie electronică în

sistemele de monitorizare şi control 6H8 -$epartment o( 6echanical 0n"ineerin"/.

"/




Fig. 11. Sistem integrat cu motor cu comutaţie electronică :sursa! Massacusetts nstitute o$ ecnolog; / M"

! altă modalitate de lucru a acestor sisteme inte"rate cu motoare cu comutaţie electronică

este prezentată în (i". :&. Hnte"rarea trebuie înţeleasă la (el ca la 6PP-uri ca (iind asocierea

modul de comandă < motor o inte"rare @în mic/. ! inte"rare @în mare este realizată înmecatronică unde suplimentar intervin att sistemul de senzori şi traductoare (i". ::/ ct şi

mecanismul asupra căruia se execută un lucru mecanic capul de citirescriere de la un hard-dis',

braţul unui robot etc./.

""




Fig. 12 Sistem integrat cu motor cu comutaţie electronică :variantă"

Le(eritor la (i"ura :&, dacă semnalele marcate cu PG6x sunt închise sau deschise în

con(ormitate cu secvenţa de comutaţie motorul va (uncţiona la viteză nominală. Aceasta presupune

că tensiunea nominală a motorului este e"ală cu tensiunea ma"istralei de c.c. plus pierderile în

comutatoare. Pentru a modi(ica viteza aceste semnale este necesară modularea la o (recvenţă mai

mare dect (recvenţa motorului. 5nd durata de acţionare variază între secvenţe, tensiunea medie la

stator scade şi scade ast(el şi viteza motorului. 1n alt avanat* al PG6-ului este că dacă tensiunea pe

ma"istrala de c.c. este mai mare dect tensiunea nominală a motorului, aceasta poate (i controlată prin limitarea duratei de acţionare a PG6-ului, aducnd-o la valoarea nominală. Acest lucru (ace

controllerul (lexibil, (iind posibilă conectarea motoarelor de di(erite tensiuni nominale şi permite să

se a*usteze tensiunea medie a controllerului la tensiunile nominale ale motoarelor, controlnd durata

de acţionare a PG6-ului. 2n tabelele : şi & este explicitată (uncţionarea motorului cu comutaţie

electronică con(orm schemei de principiu prezentată în (i"ura :&.

8abelul :

9ecvenţ

a

Hntrarea senzorilor >all PG6-uri active 5urentul de (ază

A 5 A 5

: B B : PG6:M:/ PG64M4/ $5N !77 $5-

"#




& B B B PG6:M:/ PG6&M&/ $5N $5-!77

3 : B B PG6=M=/ PG6&M&/ !77 $5- $5N4 : : B PG6=M=/ PG6BMB/ $5- !77 $5N= : : : PG63M3/ PG6BMB/ $5- $5N !77? B : : PG63M3/ PG64M4/ !77 $5N $5-

8abelul &

9ecvenţa Hntrarea senzorilor >all PG6-uri active 5urentul de (azăA 5 A 5

: B : : PG6=M=/ PG6&M&/ !77 $5- $5N& : : : PG6:M:/ PG6&M&/ $5N $5- !773 : : B PG6:M:/ PG64M4/ $5N !77 $5-4 : B B PG63M3/ PG64M4/ !77 $5N $5-= B B B PG63M3/ PG6BMB/ $5- $5N !77? B B : PG6=M=/ PG6BMB/ $5- !77 $5N

0xistă di(erite metode de a controla motorul. $acă semnalele PG6 sunt limitate în

microcontroller comutatoarele superioare sunt acţionate întrea"a secvenţă, iar cele corespondente

in(erioare pot (i controlate de durata de acţionare necesară PG6-ului.

&. !odelarea şi simularea sistemelor integrate cu motoare cu comutaţie

electronică

Pentru a studia comportarea att în re"im dinamic ct şi în re"im cvasistaţionar a motoarelor cu comutaţie electronică se pot utiliza modele matematice "enerale sau simpli(icate, asemănătoare

cu cele (olosite în cazul motoarelor convenţionale.

! analiză simpli(icată la (el ca la motoarele şi servomotoarele de c.c. convenţionale

comutaţie mecanică/ se poate (ace cu a*utorul (uncţiei de trans(er. $eterminarea (uncţiei de

trans(er se realizează numai pentru circuite liniare, deoarece reclamă aplicarea trans(ormatei

aplace. 2n cadrul analizei comportării de re"im dinamic a unei maşini electrice analiză

simpli(icată a sistemului inte"rat/ de o deosebită importanţă sunt constantele de timp electrice,respectiv, mecanice.

2n cazul motorului cu comuaţie electronică, ecuaţiile care de(inesc constantele de timp

electrică şi mecanică, au aproximativ aceeaşi (ormă, cu mici modi(icări (aţă de cele ale motorului de

curent continuu. Pentru un motor cu comutaţie electronică - cu statorul conectat în stea - circuitul

electric echivalent va (i cel din (i"ura :3.

"$




*i&liogra$ie

O: 6ă"ureanu, L., %asile, #.) 9ervomotoare tip sincron (ără perii, 0ditura 8ehnică,

ucureşti, :JJB;O& 7ransua, Al., 6ă"ureanu, L.) 6aşini şi acţionări electrice. 0lemente de execuţie, 0ditura

8ehnică, ucureşti, :J<?;

O3 >arr+ Asada >.) Hntroduction to Lobotics, $epartment o( 6echanical 0n"ineerin",

6assachusetts Hnstitute o( 8echnolo"+, &BB?.

"&

L4 Motor Cu Comutatie Electronica

Documents

Transcript of L4 Motor Cu Comutatie Electronica