Transcript IRD 2 - University of Maribor

Evgen Urlep
Brezsenzorsko vodenje PMSM
“Sensorless Sliding – mode Control of PM Synchronous Machine”
Predstavitev Individualnega Raziskovalnega Dela
IRD 2
Address : Smetanova 17, SI-2000 Maribor, Slovenia;
Tel.: +386 2 220 7311, Fax.: +386 2 220 7315;
E-mail: [email protected] http://www.ro.feri.uni-mb.si
Maribor, 14. 9. 2004
http://www.ro.feri.uni-mb.si
Vsebina










Uvod
Model PMSM
Predlagan sistem vodenja
Tokovni regulator v drsnem režimu
Opazovalnik rotorskega magnetnega sklepa v
drsnem režimu
Ocenitev hitrosti in kota rotorja
Kompenzacija nelinearnosti pretvornika
Adaptacija statorske upornosti
Eksperimentalni rezultati
Zaključek
2
http://www.ro.feri.uni-mb.si
Uvod
Za brezsenzorsko vodenje je nujna rekonstrukcija
spremenljivk stanj izmeničnega motorja
1. Metode, ki uporabljajo izražene lastnosti motorja
(saliencies),
2. Metode, ki uporabljajo direktne ali indirektne
metode izračuna na osnovi matematičnega modela
motorja – algoritmične metode in
3. Metode, ki temeljijo na uporabi mehke logike ali
nevronskih mrež.
3
http://www.ro.feri.uni-mb.si
Model PMSM
Statorska napetost
us  Rs  is  Ls
Rotorski magnetni sklep
di s
 er
dt
Inducirana napetost
Ψ r  PM  R(r )
Navor
er  p PM  R(r  2 )

Stacionarni koordinatni sistem (a,b)
d 3
J
 p Ψ r  is  Tl
dt 2
 cos  r 
R( r )  

sin

r 

4
http://www.ro.feri.uni-mb.si
Hitrostna regulacija v orientaciji rotorskega
magnetnega sklepa
• Kaskadna struktura
• Tokovna regulacija v (a,b)
• Hitrostna regulacija
• Uporaba ocenjene inducirane napetosti
• Opazovalnik je uporabljen za določitev kota in hitrosti rotorja
5
http://www.ro.feri.uni-mb.si
Tokovna regulacija v drsnem režimu
Referenčna vrednost statorskega toka je izražena kot
d
d
i
usd  Rs  isd  Ls s  esd
dt
Razlika med referenčno in dejansko


Δus  esd  es  Rs Δis  L
d
Δis
dt
Drsna ploskev je definirana
+ kompenzacija vpliva inducirane napetosti
+ ni križne sklopljenosti
+ robustno na spremenbe parametrov
- kompleksni algoritem
- netrivialna določitev parametrov reg.
S  i : σI (i, t )  GσI  0; σI  isd  is
6
http://www.ro.feri.uni-mb.si
Tokovna regulacija v drsnem režimu
Lyapunov stabilnostni kriterij
V  σTI σ I
V  σTI σ I / 2
Če določimo odvod kandidata Ljapunove funkcije na način:
V  σTI DσI
0
D je pozitivno definitivna matrika
Pogoj dosega
dσ I
 DI σ I  0; σ I  isd  is
dt
Krmilna funkcija zagotavlja doseg v obliki
y(t )  y(t  )  (GB)1 ( D   ), t  t   ,   0
7
http://www.ro.feri.uni-mb.si
Tokovna regulacija v drsnem režimu
Aproksimacija z zadnjo diferenco
d (k )  ( k )   ( k  1)

dt
T
Rotacijska matrika
Povratnozančni del
K
us [k ]  us [k  1]  Is ( I  TDI )σ I [k ]  σ I [k  1]
T
 cos  r sin  r 
C 

  sin  r cos  r 
 r   r  k    r  k  1
Povratnozančni del z upoštevanjem predikcije
us [k  1]  C (2)  us [k  1] 
Krmilni izhod
u k 1  eˆr k   Δus k 1
d
s
K Is
 (( I  TDI )  C ()  σ I [ k ]  C (2)σ I [ k  1])
T
Predkrmiljenje
 Ψˆ rb 
eˆ r  p  ˆ 

ˆ
 Ψ ra 
8
http://www.ro.feri.uni-mb.si
Opazovalnik rotorskega magnetnega sklepa
Korekcija amplitude rot. mag. skl,
Opazovalnik na osnovi napetostne enačbe
dψ s
 us  Rs is
dt
+ pasovna širina opazovalnika
+ delovanje blizu hitrosti 0
- občutljiv na spremembe statorske upornosti
- zahtevano je poznavanje začetnega pogoja
9
http://www.ro.feri.uni-mb.si
Regulator opazovalnika v drsnem režimu
Stikalna funkcija
dσO
 DO σO  0; σO  ψˆ rd  ψˆ r
dt
Korekcijski člen
uk (k ) 
KOs
( I  TDO )σO (k )  σO (k  1)
T
Pogoj delovanja opazovalnika
(ψs  ψˆ s )  Ls (is  isd )  (ψr  ψˆ r )
10
http://www.ro.feri.uni-mb.si
Ocenjevanje kota in hitrosti rotorja
Ocenjen kot rotorja magnetnega sklepa
ˆ  arctan 2(ˆ rb ,ˆ ra )
Ocenjena hitrost mag. sklepa
ˆ 
1 d ˆ

p dt
Odvod rotorskega magnetnega sklepa
•
•
•
•
Diskretno odvajanje
PLL zanka
Estimatorji
Uporaba statorskega mag. sklepa
Ocenjena hitrost rotorja
dΨˆ r
ˆ
Ψ 
1 r dt
ˆ 
p Ψˆ 2
dΨˆ s
ˆ
Ψ 
1 s dt
ˆ 
p Ψˆ 2
r
dˆ sb ˆ dˆ sa
ˆ

 sb
1 sa dt
dt

2
2
p
ˆ sa ˆ sb
s
z
z
z
Ψ s  Ls is  Ψ r (V primeru majhne Ls)
11
http://www.ro.feri.uni-mb.si
Nelinearnost tranzistorskega mosta
u*
UDC
tm
TOP
BOT
T1
D1 i
T2
D2
i >0 u
i <0 u
i>0 : T1,D2
t
i<0 : T2,D1
12
http://www.ro.feri.uni-mb.si
Kompenzacija nelinearnosti
 Tokovno odvisna napetostna kompenzacija
i R ,
ti   i td
 Tk ,
Tk  ii Rtd  Tk
ii Rtd  Tk
, i  1, 2,3
 Kompenzacija na osnovi meritev povprečne vrednosti
napetosti,
 Kompenzacija na osnovi meritev stikalnih zakasnitev
13
http://www.ro.feri.uni-mb.si
Komenzacija zakasnitev
t*
Kompenzacijski člen
*
u
tic (k )  ti* (k )  tie (k  1), i  1, 2,3
tm
t1e
t4e
uc
i >0 u
t4 c
t1c
Ts
tiC3 (k )  ti 3* (k )  t(i 3) e (k )
+ robustna na spremembe parametrov
+ enostaven kompenzacijski algoritem
+ uporabljeni napetostni komparatorji
+ detekcija napačnih preklopov
+ ocenitev faznih napetosti
- dodatne meritve in časovniki
- kompleksen modulator
14
http://www.ro.feri.uni-mb.si
Kompenzacija nelinearnosti
udc
us*
SVM
tic
ti*
us
udc
2
M
3~
z-1
meas
ti
^
us
eq 1
Povprečna vejna napetost
Vejna napetost
T
U
1
ui   ui (t )dt  dc ti
Ts 0
Ts
uˆs (k ) 
U dc
ti (k )
Ts
Ocenjena vejna napetost
uˆs (k )  uic (k ) 
U dc
(tia (k )  tib (k ))
Ts
15
http://www.ro.feri.uni-mb.si
Adaptacija statorske upornosti
Predpostavljamo, da je napaka ocenjenega
odvoda statorskega magnetnega sklepa
odvisna le od statorske upornosti
dψˆ s
s
qˆ  is 
dt


q  iss  uss  Rs iss  iss  uss
Adaptacija statorske upornosti
K
Rˆ s  k  1  Rˆ s  k   i (q[k ]  qˆ[k ])
Ts
16
http://www.ro.feri.uni-mb.si
Eksperimentalni sistem
Krmilnik bremena
-Semikron
-DSP-2
Krmilnik pogona
-MOSFET most
-DSP-2
Breme
IM
Un=24 V
In=30 A
p=2
Pogon
PMSM AMG6308
Un=48 V
Pn=0.8 kW
p=6
Rs=0.15 , Ls=237 H, PM=0.02 Vs
17
http://www.ro.feri.uni-mb.si
Eksperimentalni rezultati
60
0.02
50
0.015
0.01
40
rb
ra
psi , psi
mo q
20
w ,w ,i
m
0.005
30
wdm (rad/s)
-0.005
wm (rad/s)
wmo (rad/s)
10
0
-0.01
iq (A)
psirae
psirbe
0
psira-psirae
-0.015
psirb-psirbe
-10
0
0.02
0.04
0.06
0.08
t (s)
0.1
0.12
0.14
0.16
Stopnični odziv na ref. hitrosti
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
t (s)
0.1
0.12
0.14
0.16
Ocenjen rotorski mag. sklep
18
http://www.ro.feri.uni-mb.si
Eksperimentalni rezultati
 (rad/s), o (rad/s)
40
 (rad/s)
o (rad/s)
30
20
10
0
-10
0
0.5
1
1.5
2
t (s)
2.5
3
3.5
4
 (rad), o (rad)
8
 (rad)
o (rad)
6
4
2
0
0
0.5
1
1.5
2
t (s)
2.5
3
3.5
4
Sledenje hitrosti in kota (-10 rad/s2)
19
http://www.ro.feri.uni-mb.si
Eksperimentalni rezultati
Neobremenjen pogon
Obremenjen pogon
4
4
compensated
uncompensated
3
Tl=0 Nm
3
Tl=0.5 Nm
2
2
1
1
-o (rad)
-o (rad)
Tl=0.5 Nm unc
0
0
-1
-1
-2
-2
-3
-3
-4
-5
0
5
10
15
20
 (rad/s)
25
30
35
40
-4
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
 (rad/s)
Kotni pogrešek v odvisnosti od hitrosti
20
http://www.ro.feri.uni-mb.si
Eksperimentalni rezultati
Neobremenjen pogon
0.8
10
0.6
0.4
5
w (rad/s)
w (rad/s)
0.2
0
0
-0.2
-5
-0.4
wd (rad/s)
wm (rad/s)
-10
wd-wm (rad/s)
-0.6
wd-wo (rad/s)
wo (rad/s)
0
2
4
6
t (s)
8
10
12
Počasno reverziranje (-1 rad/s2)
-0.8
0
2
4
6
t (s)
8
10
12
Sledilni pogrešek ob reverziranju
21
http://www.ro.feri.uni-mb.si
Experimentalni rezultati
0.025
15
0.02
10
0.015
0.01
5
,i
mo q
Td,w -w
0
m
Odziv
0.005
-0.005
0
-5
-0.01
-0.015
psirae
-0.02
-0.025
-10
Td (Nm)
wm-wmo (rad/s)
psirbe
uka
0
0.2
0.4
0.6
t (s)
0.8
1
iq (A)
-15
1.2
Ocenjen rotorski magnetni
pretok pri nizki hitrosti (10 rad/s)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
t (s)
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Navor, hitrostni pogrešek
in tok pri nizki hitrosti
22
http://www.ro.feri.uni-mb.si
Experimentalni rezultati
0.22
Rs0=0.2 
R
se
( )
0.2
Rs0=0.12 
0.18
0.16
0.14
0.12
0
1
2
3
4
5
6
7
4
5
6
7
t (s)
k Rse ( )
10
5
0
-5
0
1
2
3
t (s)
Adaptacija Rs
23
http://www.ro.feri.uni-mb.si
Zaključek
 Predstavljeno je brezsenzorsko vodenje PMSM
osnovano na opazovalniku rotorskega magnetnega
sklepa ,
 Ocenjena inducirana napetost in predikcija je
vključena v tokovni regulator za izboljšavo
dinamičnih lastnosti,
 Sistem je robusten na spremembe bremena,
parametrov in navora,
 Delovno območje brezsenzorskega vodenja je
razširjeno z uporabo linearizacije nelinearnosti
pretvornika
24