Transcript ЗАВРШНИ РАД Четвероквадрантни појачавач снаге за управљање једносмјерним моторима Ментор: Доц. др Слободан Лубура Кандидат: Миљан Васковић Источно Сарајево, фебруар 2011.

ЗАВРШНИ РАД
Четвероквадрантни појачавач снаге за
управљање једносмјерним моторима
Ментор:
Доц. др Слободан Лубура
Кандидат:
Миљан Васковић
Источно Сарајево, фебруар 2011. године
Шта је урађено?

Увод,

Теоријска анализа проблема управљања
једносмјерним моторима,

Примјер практичне реализације појачавача за
управљање једносмјерним моторима,

Упоредни приказ реализованог појачавача са
појачавачима других произвођача,

Закључак.
Увод
Као посљедица жестоке борбе на свјетском тржишту за престиж у
квалитету и цијени производа, наметнула се потреба за великом
примјеном аутомата и робота у аутоматизацији производних процеса.
То је довело до снажног и врло динамичног развоја и примјене система
са регулисаним погонима (Motion control systems - MCS), односно
електронски регулисаних погона (Electronic motion control systems EMCS).
 Важност регулисања великих, снажних, електромоторних погона се
огледа у постизању што већег фактора искориштења, односно у
уштеди енергије, док је регулација малих електропогона важна са
становишта управљања (повећање брзине и прецизности обраде,
односно повећање ефикасности). Да би остварили ове предности
потребно је конструисати претварач снаге који ће нерегулисану
енергију мреже прилагодити електропогону.
 Тема овог дипломског рада јесте конструкција претварача снаге за
управљање малим електромоторним погонима (снаге до 1000[W]). На
основу теоријске анализе изабране су управљачке петље и топологија
претварача. У другом дијелу рада описан је реализовани претварач, са
назнакама за даље усавршавање.

Мотори једносмјерне струје (DC мотори)

Најбоље рјешење за реализацију мехатроничких система:
- Готово идеална илазна карактеристика М-ω
- Једноставно добијање промјењивог истосмјерног напона

Недостатак DC мотора:
- комутаторске четкице

Побољшане верзије DC мотора:
- Једносмјерни мотор са перманентним магнетом на статору
- Безколекторски једносмјерни мотори:
- BLDC (brushless DC motor)
- Једносмјерни корачни (step) мотори
Колекторски (класични) једносмјерни мотор
Роторски намотаји могу бити везани:
• Редно,
• Паралелно,
• Независно,
• Сложено.
Дијелови класичног једносмјерног мотора: 1-лежај, 2-осовина, 3-вентилатор, 4-кућиште лежаја, 5жељезни ротор са арматурним намотајем, 6-кућиште, 7-статорски пол са побудним намотајем, 8колектор, 9-четкице с'носачем четкица, 10-побудни намотај, 11-истакнути пол.
Безколекторски једносмјерни (brushless DC) мотор
• Мотор без четкица,
• Перманентни магнет на ротору,
• Електронски комутатор (сензор положаја).
Једносмјерни корачни (step) мотор
Три врсте корачних мотора:
1. Релуктантни или варијабилно-релуктантни корачни мотори. Корачни угао им
зависи од броја зуба ротора и од начина намотавања статорских фаза и начина
њихове побуде.
2. Са перманентним магнетом на ротору. Узастопним укључивањем појединих
статорских фаза перманентно-магнетски ротор се поставља у смјеру резултантног
статорског поља.
3. Хибридни степ мотори. Комбинују начине рада предходна два мотора.
1)
2)
3)
Регулациони кругови за управљање DC моторима
Каскадни регулатор који се састоји од три регулационе петље:
• Струјна (унутрашња) – даје реф. вриједност за формирање напона претварача,
• Брзинске – интерне или екстерне,
• Позиционе – екстерне.
Регулатори:
• Р – пропорционални (брзина),
• PI – пропорционално интегрални (брзина и тачност),
• PID – пропорционално интегрално диференцијални (брзина, тачност и робусност).
поремећај
i
Регулатор
положаја
θ*
–
θ
ω*
–
ω
Регулатор
брзине
Регулатор
струје
i*
–
i
y
Мотор
и
актуатор
m
ω
θ
Општа шема каскадне регулације
Топологије претварача за управљање DC моторима
Задатак претварача је да на основу излаза из регулационе структуре на мотору
формира напон одговарајуће вриједности и знака.
Према примарном извору претвараче можемо подијелити у двије групе:
1) AC/DC (монофазни или трофазни мрежни напон)
• Полууправљиви мосни претварач (диоде + тиристори)
• Пуноуправљиви мосни претварач (транзистори, тиристори, . . . )
2) DC/DC (исправљени мрежни напон, акумулаторска батерија, . . . )
• Једноквадрантни ,
• Двоквадрантни,
• Четвероквадрантни.
Различити типови транзистора BJT, IGBT, MOSFET (управљиво прекидање струје).
Тиристори (комутационо коло за прекидање струјног круга).
У пракси, доминантна је примјена DC/DC претварача за управљање једносмјерним
моторима у односу на AC/DC претвараче.
- Мотор за једносмјерну струју се користи за управљање кретањем манипулатора
или одређеним транспортом објеката.
- Полазак из почетног положаја, кретање према циљном положају, заустављање у
циљном положају и повратак назад, у почетни положај.
- Топологија претварача треба да омогући ово кретање.
θm
ωm
M
 m    m dt
m =
1
M dt
J
M  M em  M m
Промјена положаја, брзине и момента у једном циклусу
Преглед топологија
Једноквадрантни претварач
Ia
Ia
S
U
R
D
Ua
II
I
III
IV
L
Ea
Принципјелна шема једноквадрантног претварача
Ua
Двоквадрантни претварач
Ia
S1
D1
Ia
U
S2
D2
R
L
Ua
Ea
II
I
III
IV
Принципјелна шема двоквадрантног претварача
Ua
Четвероквадрантни претварач
Ia
D1
S1
S3
Ia
U
D2
R
L
Ea
Ua
S2
D3
S4
D4
II
I
III
IV
Принципјелна шема четвероквадрантног претварача
Ua
Четвероквадрантни претварач за управљање DC
мотора
- Омогућити кретање мотора кроз сва четири квадранта.
- Струјно-напонска карактеристика пролази кроз сва четири квадранта М-ω дијаграма.
- Четвероквдрантна топологија омогућава ову U-I карактеристику.
ΙΙ
M
G
M
ΙΙΙ
Ι
ω,U
UAB > 0
IAB < 0
UAB > 0
IAB > 0
UAB < 0
IAB < 0
UAB < 0
IAB > 0
M,I
G
ΙV
Принципјелна шема двоквадрантног претварача
Mem > 0, ωm > 0 (фаза 1),
моторни режим
Ia >0, Ua >0 (фаза 1), смјер 1,
Mem < 0, ωm > 0 (фаза 2), генераторски режим Ia <0, Ua >0 (фаза 2), смјер 1,
Mem < 0, ωm < 0 (фаза 3),
моторни режим
Ia <0, Ua <0 (фаза 3), смјер 2,
Mem > 0, ωm < 0 (фаза 4), генераторски режим Ia >0, Ua <0 (фаза 4), смјер 2.
Промјена арматурног напона примјеном ширинскоимпулснe модулације (PWM-a)
- Једносмјерни излазни напон који се континуално мијења.
- Излазни импулсни напон ui (+Е, -Е и 0).
- Напон ui у облику поворке импулса промјенљиве ширине.
- Континуална промјена тренутне вриједности напона.
- Континуална промјена ширине импулса - континуална промјена средње вриједности
напона мотора.
S1
S3
L
A
+
Ei
Ui
M
B
iu
S2
S4
- Промјена арматурног напона примјеном ширинско-импулснe модулације (PWM-a).
- Континуална промјена ширине импулса - континуална промјена средње вриједности
напона мотора.
- Средња вриједност излазног напона:
2tON  T
1
U sr   ui  t   dt 
E
T0
T
T
ui
Е
Usr
t
0
tON
- Фактор испуне сигнала D (Duty cycle):
D
tOFF
–Е
T
tON

T
Usr  Ea  Ei  2D 1
- Нископропусна природа електричних мотора (однос наизмјеничне компоненте струје
и напона) :
I  j 
1
1
 W  j  

U  j 
Ra  j La j La
Валовитост арматурне струје (eng. ripple)
- Највећа валовитост (индекс модулације једнак D = 0,5).
+Е
- Биполарни напонски сигнал:
TE
I  i  I bipol
4 La
ui
-Е
Isr + ∆I
- Униполарни напонски сигнал:
Iunipol
TE
TE Ibipol
2

DD  


2La
8La
2
t
Isr
t
Isr - ∆I
Валовитост струје
- Напон мањи два пута – валовитост мања два пута !!!
Управљање четвероквадрантног претварача
Технике генерисања PWM сигнала:
1. Примјеном дискретних аналогних и дигиталних компоненти,
2. Специјализованим интегрисаним колима - PWM чип,
3. Дигиталном техником и примјеном програмабилних логичких кола,
4. Микроконтролером и DSP процесорима.
Примјер:
Генератор
носећег сигнала
Модулишући
сигнал
Формирање PWM сигнала примјеном дискретних аналогних и дигиталних електронских
компоненти
Примјер:
Блок ССР1, микроконтролера PIC16F887, подешен као генератор PWM сигнала
Биполарно управљање прекидачким мостом
- Наизмјенично укључивање дијагонала Т1 – Т4 и Т2 – Т3.
- Тренутна вриједност излазног напона +Vсс и –Vсс .
- D=0.5 средња вриједност напона мотора једнака нули (укоченост вратила).
- Фактор испуне од 0.5 до 1 – један смијер.
- Фактор испуне од 0.5 до 0 – други смијер.
- Укоченост осовине мотора и неосјетљивост на дјеловање спољног момента.
T1
U
A
Ia
T3
R
L
Ea
B
Ua
T2
Четвероквадрантни претварач
T4
50%
5V
PWM
Т2 Т1
Т3 Т4
25%
75%
Т2
Т3
0V
5V
VА
0V
5V
VВ
0V
+Vсс
VА - VВ 0V
-Vсс
+
Излазна струја
0
од VА ка VВ
Изглед сигнала при биполарном управљању прекидачког моста
Униполарно управљање прекидачким мостом (Sign/Magnitude Control)
- Један смијер обртања мотора дијагонала Т1 – Т4 :
Т1 – укључен, Т4 – извршава PWM наредбу.
- Други смијер обртања дијагонала Т2 – Т3,
Т2 – укључен, Т3 – извршава PWM наредбу.
- Тренутна вриједност излазног напона Vсс и 0 (2 пута мањи напон – 2 пута мања
валовитост струје).
- Нема укочености осовине мотора.
T1
U
A
Ia
T3
R
L
Ea
B
Ua
T2
Четвероквадрантни претварач
T4
5V
Смјер
0V
50%
PWM
5V
0V
Т 1 Т1
Т4 Т3
25%
Т1
Т4
50%
Т3 Т 3
Т2 Т1
75%
Т3
Т2
5V
VА
0V
VВ
5V
0V
+Vсс
VА - VВ
0V
-Vсс
Излазна струја +
0
од VА ка VВ
Изглед сигнала при униполарном управљању прекидачког моста
Побољшана верзија униполарног управљања прекидачким мостом
- 4Q (четвероквадрантни) претварач посматра се као два независна 2Q:
Један 2Q претварач - једна грана Н-моста (транзистори Т1 и Т2),
Други 2Q претварач - друга грана Н-моста (транзистори Т3 и Т4).
- Независно формирање потенцијала тачака А и В.
- Поређење са носећим сигналом:
VZAD+ и негирана вриједност референтног сигнала VZAD- .
- Тренутна вриједност излазног напона Vсс и 0.
T1
U
A
Ia
T3
R
L
Ea
B
Ua
T2
Четвероквадрантни претварач
T4
vtr
Ttr
Предности:
VZAD+
vtrmax
- Елиминисање сигнала
за Смјер,
- Напон на мотору у
границама Vсс и 0,
- Равномјерна оптерећеност
транзистора у мосту,
- Повећање ефективне
фреквенције излазног
напона за 2 пута,
- Смањење валовитости
струје за 2 пута у односу на
униполарно управљање и
смањење 4 пута у односу
на биполарно управљање.
t
VZAD -
VА
+Е
t
VВ
+Е
t
ui
Ua
DTUNI
+Е
t
TUNI
Изглед сигнала при побољшаној верзији униполарног
управљања прекидачким мостом
Избор прекидачке фреквенције
1. Периода комутација (прекидачка фреквенција) на основу периода једносмјерног
мотора.
L
1
 TPWM  Ta  a
f PWM
Ra
2. Периода комутација дефинисана процентом допуштених варијација струје мотора.
f 
Ra
 PDV 
2 La ln 1 

100 

-
Проценат дозвољених варијација (PDV) представља процентуалну вриједност
разлике између максималне и минималне вриједности арматурне струје.
-
Роторска електрична отпорност редно везана са транзисторима:
Ra + (2 x RON)
25
20
Прек. 15
фрек.
[kHz] 10
5
0
0
20
40
60
80
Допуштена валовитост (%)
Прекидачка фреквенција у зависности од PDV-a
100
Реализовани четвероквадрантни појачавач за
управљање једносмјерним моторима
Управљачка структура појачавачког модула
Р
Vref/Iref
Brzinski PI
regulator
Strujni PI
regulator
DC
motor
TG
- Саставни дио затворене управљачке структуре.
- Прекидач P затворен активна само унутрашња струјна петља.
- Појачавач конфигурисан у струјном режиму као транскондуктантни појачавач са
појачањем КM = Imax / 10 [A/V]
Полазни захтјеви за развој четвероквадрантног појачавачког модула су:
• Напон напајања: 24÷80[VDC],
• Максимална излазна струја: ±10[A],
• Прекидачка фреквенција: >30[kHz],
• Струјна заштита прекидача у мосту,
• Прихватање сигнала крајњих прекидача погона,
• Прихватање сигнала са тахо-генератора,
• Реализација брзинске и/или струјне управљачке петље,
• Могућност повезивања са PCI/ISA PC картицама и интеграција са MATLAB/SIMULINK
окружењем,
• Компатибилност са постојећим модулима на тржишту,
• Ниска цијена,
• Задовољење EMC/EMI захтјева.
Блок шема појачавачког модула
Формирање задане
вриједности брзине
Прихватањ е сигнала
крај њих прекида ча
Брзински PI
регулатор
Ограни чење и блокада
струјног регулатора
Прихватање сигнала
тахо- генератора
Напојна јединица
Струјн и PI
регулатор
Улазни логички
сигнали
Генериса ње напона
за кочниц у мотора
Формира ње унипол.
PWM импулса
H- мост
Заш тита прекидача
у мосту
Мјерење и обрада
струје мотора
Напојна јединица
- Улазни напон, од 24÷80[VDC], излазни напон ±12[VDC].
- “flyback” претварач са интегрисаним прекидачем VIPer50, који ради у режиму са
прекидном струјом (DCM - Discontinious Current Mode). слика
- Појачавач конфигурисан у струјном режиму као транскондуктантни појачавач са
појачањем КM = Imax / 10 [A/V]
D62
L61
+12*
C610
F61
1
2
3
4
5
ZD61
C613
D61
D63
C612
C63
C65
D
IC61
VIPER50A
GND
CT/RT
C67
VCC
C68
R64
Vin
-12V
C66 C64
IC63 MC7912
D65 R65
ZD62
GND
V+
COMP
X61
C611
TR61
-12*
C61
C69
Q61
R61
C62
+12*
R63
IC62
TL431
R62
Блок за кашњење укључења напона напајања електронике
- Одгођено укључење напајања електронских блокова у односу на енергетски дио
појачавача.
τ=R68 C614
- Онемогућује појаву нерегуларних окидних импулса на транзисторима излазног
степена, односно спречава евентуалне хаварије енергетског дијела појачавача.
+12*
R69
D66
R68
R66
R67
Q63
LD61
+12*
Q62
-12*
REL61
D67
ZD63
C614
-12*
+12
-12
Блок за формирање задате вриједности брзине/момента
- Диференцијални појачавач на улазу:
Прихватање задате вриједности екстерног позиционог регулатора (PC рачунар),
Екстерни потенциометар (ручно задата брзина, V ZAD+ и V ZAD-),
Повећање имуности на EMI/RFI сметње.
ШЕМА
Блок за прихватање сигнала тахо-генератора
- Прекидач Р отворен, брзински PI регулатор у функцији.
- Прекидач типа DIP за одвајање блока од остатка шеме.
PI регулатор брзине
- Прекидач Р отворен, брзински PI регулатор у функцији:
'P' члана којим се подешава појачање у серво петљи,
'I' члана којим се подешава прескок при скоковитој задатој вриједности брзине.
Примјер: Дјеловање брзинског PI регулатора. Слика
- Краткоспојник KS врши преспајање интегралног дијела РI регулатора, односно
премоштавање брзинског PI регулатора (прекидач Р на упроштеној блок шеми
појачавача). Слика
- Транскондуктантни појачавач са појачањем КM = Imax / 10 [A/V].
- Брзинска/позициона регулациона петља се остварује преко екстерних регулационих
кругова (MATLAB/SIMULINK).
ШЕМА
Блок за прихватање сигнала граничних прекидача
- Детектовање крајњих стања и спречавање неконтролисаног кретања манипулатора.
- Блокада струјног PI регулатора.
- Струјни извор – отворени колектор.
- Употреба струјног сигнала повећава поузданост и неосјетљивост на сметње.
R29
+12
Q21
+12
I_DESNO1
+12
C213
D23
ZD24
R27
I_DESNO2
R24
R211
ШЕМА
C27
40106
IC53A
DESNO
ZD22
PI регулатор струје
- “Најбржи” дио у каскадној регулационој петљи, PI регулатор са малим интегралним
дејством. Слика
- Пореди задату вриједност струје (I_ZADANO) добијену од PI регулатора брзине или
са излаза I/O картице, уколико је брзинска управљачка петља преспојена, са стварном
струјом мотора (I_MJERENO) и на излазу даје сигнал грешке (I_REG).
- (I_REG) представља референтни модулишући сигнал за блок који формира (PWM)
импулсе за окидање транзистора у излазном степену.
ШЕМА
Блок за формирање PWM импулса
• Склоп за генерисање носећег троугаоног сигнала, шема
• Напонски компаратори за поређење носећег троугаоног сигнала са
сигналом грешке PI регулатора струје (I_REG), шема
• Склоп за додатну обраду генерисаних PWM импулса, шема
• Логичка кола за извршење системске наредбе reset, шема
• Драјвери за управљање транзисторима у излазном степену појачавача.
шема
Блок за мјерење и обраду струје мотора
- Струја мотора се мјери помоћу LEM-сонде LA-50P.
- Информација о струји мотора се води у струјни PI регулатор.
- Могућност мјерења струје другим методама (Холови сензори итд).
- Потенциометар Р51 - скалирање I_MJERENO.
C55
10n
R520
P51
-12 C51
I_MOT1
R510
R51
I_MJERENO
R58
I_MOT2
R512
IC52A
TL084
R514
C52
C59
+12
MONITOR_I
R52
IC52C
TL084
C56
IC52B
TL084
Блок за прихватање улазних сигнала и за заштиту прекидача у Н-мосту
- Улазни сигнали ‘ENABLE’ и ‘BREAK’ :
‘ENABLE’ – омогућење рада драјвера,
‘BREAK’ – омогућење генерисања напона кочнице.
- ‘Струјни лимит’ ограничава тренутну вриједност струје кроз прекидаче.
Тренутна вриједност струје мотора два пута већа од средње вриједности.
ШЕМА
Блок за генерисање напона кочнице
- Интегрисани напон кочнице.
- Омогућење генерисања напона кочнице – само сигнал ‘BREAK’.
- Напон кочнице формира се од напона напајања појачавача, приближно Vcc/2.
ШЕМА
Излазни степен појачавача
- Четвероквадрантни претварач (Н-мост).
- Управљање Н-мостом – побољшана верзија униполарног управљања:
• Ефективна фреквенција напона на мотору 2X већа од прекидачке фреквенције
транзистора у Н-мосту.
• У односу на биполарно управљање напона на мотору је 2X мањи.
• Валовитост (ripple) струје мотора 4X мања у односу на биполарно управљање и
2X пута мања у односу на класично униполарно управљање.
ШЕМА
Пропусност појачавача
- Излазни облици сигнала треба да буду идентичног облика као улазни сигнали.
- Излазни сигнали (струја мотора) се снимају помоћу LEM-сонде LA-50P и Холовог
сензора - коло CSA-1V (Sentron).
- На улазу појачавача се задају сигнали различитог облика и амплитуде:
Правоугаони
Троугаони
Синусоидални
Конструкција појачавачког модула
- Приликом конструкције појачавачког модула посебна пажња посвећена је захтјевима
које овакав производ треба испунити да би могао носити CE знак (EMC директива, LVD
директива, Директива о сигурности машина, Директива о општој сигурности
производа).
- Минимизација осјетљивости на сметње (диференцијални појачавачи, струјни сигнали,
отворени колектори, омогућавање вођења сигнала упреденим жицама, оптимално
везивање уземљења, GND потенцијала и ширмова, раздвојени сигнални и енергетски
каблови, интегрисана побуда кочнице.
- Jедноставно речено, уређај треба сигурно да ради при дозвољеном нивоу сметњи
које се јављају у његовом окружењу, а да истовремено не утиче негативно на то исто
окружење.
Радно окружење и реализовани појачавчки модуо
Упоредни преглед са другим произвођачима DC драјвера
- Реализовани појачавач има снагу 800[W], што га сврстава у класу појачавача за
покретање DC мотора мале снаге. Цијена реализованог појачавача износи 100EUR.
DC драјвери произвођача Parvex
- Alsthom Parvex CMS2 Servo driver
- Parvex Servo drive DSD1 3007
- Gec Alsthom Parvex CMS2 Servo drive/Pover supply unit
DC драјвери произвођача Maxon
- ADS 50/10, pulsed (PWM) 4-Q-DC Servoamplifier 50V/10A
- ADS_E 50/10, pulsed (PWM) 4-Q-DC Servoamplifier 50V/10A
- DEC 70/10, digital 4-Q-EC Amplifier 70V/10A,Speed and Current Cont.
- MCD Epos 60W Intelligent compact drive Vccmax=50V, Icont=2,6A
DC драјвер произвођача Galil-mc
- AMP-43040 (-D3040) Four 500W servo drives
- AMP-20341 ICM with four 20W servo drives
- AMP-20440 ICM with four 200W servo drives
$970
$675
$829
311EUR
352EUR
479EUR
693EUR
$700
$195
$595
Закључак
Истраживања у оквиру овог дипломског рада су заснована на рјешавању
проблема управљања DC мотором гдје је мотор, као извршни орган, покретач неког
механичког система (манипулатора).
Послије извршеног задатка можемо потврдити да је пројектовање драјвера за
покретање DC мотора један компликован посао јер је за његову реализацију било
потребно познавање више научних дисциплина, као што су: електричне машине (DC
мотори), електроника (аналогна и дигитална), енергетска електроника, аутоматика
(управљачке структуре, закони управљања, регулационе петље и др.), познавање рада
на специфичним уређајима и инструментима, као и познавање самог технолошког
поступка израде, конструкције, подешавања и тестног испитивања електронских
уређаја.
Поредећи реализовани појачавач са еквивалентним производима који се
презентују на тржишту уочавају се даљи правци развоја и унапређења овог
појачавачког модула. Као приоритетни правци даљег развоја постављају се задаци
реализације појачавача као микропроцесорског, микроконтролерског или DSP система
реализованог у SMD техници, који има могућност мултифункционалне комуникације са
својом околином (RS232, PROFIbus, INTERbus, CANbus и др.).
Овим унапређењима добија се на флексибилности самог драјвера (могућност да
драјвер ради под одговарајућим софтвером који омогућава лако мијењање параметара,
брзу промјену начина рада, могућност реализације интелигентног самоподешавајућег
регулатора и др.).