Sodobna orodja in postopki za načrtovanje algortimov vodenja

servopogonov

Miran Rodič, Karel Jezernik miran.rodic@uni-mb.si, karel.jezernik@uni-mb.si

http://www.ro.feri.uni-mb.si/

Avtomatizacija v industriji in gospodarstvu, Maribor, april 2003

Vsebina• Uvod• MATLAB/Simulink• dSPACE• Simulacijski pristop• Statično obremenjevanje• Dinamična emulacija mehanskih bremen• Primer izvedbe – testno mesto za

preizkušanje električnih motorjev• Zaključek

Uvod

Programiranje:• Preteklost - Assembler in C• Prihodnost – grafično programiranje

Simulacije:• Preteklost - Assembler in C & PC• Sedanjost – MATLAB/Simulink & PC• Prihodnost – dinamična emulacija

mehanskih bremen

MATLAB/Simulink

• Programsko orodje za tehnično računanje

• Vizualizacija

• Zmogljiv programski jezik

• Veliko število knjižnic in orodij

• Zelo razširjeno orodje – skoraj že standard!

Simulink

• Grafično orodje

• Podpora za simulacije linearnih in nelinearnih dinamičnih sistemov

• Možna avtomatska pretvorba v programski jezik C

Simulink – člen 1. reda

Člen 1. reda

Člen 1. Reda z omejitvijo

Simulink – Wattov regulator

2

2 2

2 sin 2

2 sineB ml Td

dt J ml

202

1sin 2 sin

2

d B g

dt ml l

d

dt

Shema

Model

1s

w_th

1s

w

1s

th

sin

sin

T_e

u2

u2

0.5*m*l^2

m*g*l

B_0

1/m/l^2

2*m*l^2

2*m*l^2

2

J

B

Simulink – Wattov regulator

Model v Simulinku

dSPACE

• Preprosto, popolnoma integrirano orodje za:

- “Rapid prototyping”

- “Hardware-in-the-loop”

• Grafični vmesnik

• Možna uporaba v vseh fazah projekta

dSPACE

Simulacijski pristop

• Ni potrebe po fizičnem objektu

• Potrebni so modeli sistemov - imamo bolj ali manj natančne približke

• Ni možnosti preizkusa sistema vodenja

Simulacijski pristop – MATLAB/Simulink

Statično obremenjevanje z uporabo elektromehanskega

sistema• Klasičen postopek meritev električnih motorjev

• Potreben je fizični objekt - pogon

• Možno preizkušanje sistemov vodenja

• Možno preiskušanje s konstantno ali statično obremenitvijo

• Emulacija v pogojih odprte zanke

Statično obremenjevanjeOsnovni princip:

e L

dJ T Tdt

Razni tipi bremen:

Linearno trenje:

Suho trenje:

Zračni upor:

L vT B

signL stT B

2L zuT B

Dinamična emulacija mehanskih bremen

• Nadgradnja sistema za statično obremenjevanje • Emulacija v pogojih zaprte zanke• V osnovi isti sistem kot pri statičnem obremenjevanju – drugi

algoritmi• Mogoče je direktno vključevanje modela mehanizma v

algoritem vodenja• Emulacija mehanskih karakteristik aplikacije brez uporabe

dejanskega mehanizma• Mogoča uporaba več mehanizmov na enem sistemu

Princip dinamične emulacije mehanskih bremen

G(s) Te(s) Gem(s) -1

G (s) -1 TL(s)

+

-

+

-

ω(s)

G(s) – dejanski sistem

Gem(s) – emulirani sistem

Princip dinamične emulacije mehanskih bremen z uporabo

sledenja hitrosti

G(s) – dejanski sistem

Gem(s) – emulirani sistem

Gt(s) – regulator navora

Gcomp(s) – kompenzacijski algoritem

Te(s) Gem(s)

ωem(s) Gcomp(s) Gt(s)

+

- G(s)

ω(s)

Primer izvedbe – testno mesto za preiskušanje električnih

motorjev

Eksperimentalni sistem

Pogonski motor (AM)

Aktivno breme (BLM)

Pretvornik-AM

TSM/SM

Tout

Krmilnik-AM (DSP)

r

DC link -BLMM

DC link -AM

Te

TL

meritev tokov

PC – nastavljenje referenc in parametrov, pridobivanje podatkov,

razvoj programske opreme

Krmilnik/ Pretvornik-BLM

Pogonski motor (AM):•Tip T100L8•1,5 kW•220/380 V•7,6/4,4 A•920 rpm

Aktivno breme (BLMM):•142UMD400CACAA•10,7 Nm/19,8 Nm•380/480 V•8,9/16,5 A•4000 rpm

Hardware-in-the-loop

Objekt vodenja

dSPACE - karta

DS1103 PPC Controller Board: •PowerPC 604e, 400 MHz•2 MB local SRAM•32 MB ali 128 MB global DRAM•16 A/D kanalov, 16 bitnih•4 A/D kanalov, 12 bitnih•8 D/A kanalov, 14 bitnih •Inkrementalni dajalnik (7 vhodov) •32 digitalnih I/O kanalov•Serijski vmesnik•CAN vmesnik •Eno in tri fazni PWM•4 capture vhodi•2 ADC enoti, 8 vhodov, 10 bitnih•18-bit digitalni I/O

VLT 5004

2.2 kW

Pretvornik za vodenje asinhronskega motorja

UNIDRIVE UNI 2402

11 kW

Pretvornik za vodenje aktivnega bremena

Algoritem vodenja

GETTING STARTED WITH DSPACE SYSTEMA SIMPLE PWM CONTROLLER

A TRIGGERED A/D SUBSYSTEMAN ENCODER INTERFACE

CURRENT AND DC VOLTAGE PROTECTIONS

by ret & mmb

f ref _in

ENf ref _out

freq_ramp

10

fref

enc_in enc_f il

enc_fi l

w_ref

is_abc

enc

usab_ref

theta

control_scheme

RTI Data

Param

Trigger()

enc

ENABLE

Ud

Tq_act

ia,b,c

Data_ready

MEASURE & CONTROL

DS1103SLAVE Board

PWM-Interruptsymmetric delay

DS1103SL_DSP_PWMINT

Trigger()enc

ENABLE

Ud

tq_act

ia,b,c

f ref

theta

usab_ref

CURRENT CONTROL

Glavno okno – vektorsko vodenje

Inicializacija – datoteka v Matlabu

Data acquisi tion

6

Data_ready

5

ia,b,c

4

T q_act

3

Ud

2

ENABLE

1

enc

Ud_v ol

Ud A/D

Software Interrupt

Software Interrupt

ia,b,c

enc

Ud_in

TRIP_OUT

SC Protection

speed, theta_m

ENCODER INT ERFACE

ia,b,c

Currents A/D

TRIP_IN

Ud_IN

enable

Control

1

Constt

act_tq

ACT _T Q A/D

f()

T rigger

Rs

Rs

Rr

Rr

Ls

Ls

Lr

Lr

Lm

Lm

Rr_z_Lr

Lm_z_Lr

Rs_

Lm_

Lr_

Lm_z_Ls

Rr_

Ls_

1

u1/Ls

1

u1/Lr

Vhodi v sistem in parametri

Vhodi Parametri

SIMPLE PWM MOTOR CONTROLLER FOR INDUCTION MACHINEwith STTH and deadtim e com pensation

input signals

by ret

[w_omr_meas]

w_om_meas

tq_act_in

tq_act_proc

f ref theta

theta_calc

(u>0)

da

db

dc

Ud

stat vol tage est

enc_in

speed proc

powerload_tq_ref

dc-max

ia,b,c

abc-dq

Ud_in

Ud proc

U

theta

Udc

da

db

dc

ST T H Modulator

theta_obs

theta_s

fref

EN

RUN

iabc

[iabc]

[EN]

[iabc]

[Ud]

[Ud]

Demux

ia,b,c

dta

dtb

dtc

Deadtime-comp

Duty cy cle a

Duty cy cle b

Duty cy cle c

DS1103SL_DSP_PWM3

Cartesian toPolar

f()

T rigger

8

usab_ref

7

theta

6

fref5

ia,b,c

4

tq_act

3

Ud

2

ENABLE

1

enc

f ref

Algoritem v realnem času - izhodi

2

theta

1

usab_ref

pi /30

wr_actual

d

q

theta

a

b

dq-ab

1s

angle

ia,b,c

theta

isd

isq

abc-dq

Teref

-K-

T_e

Tref

PsiRref

isd

isq

References

0.2

PsiRref

In Out

PI_reg_w

In Out

PI_reg_q

In Out

PI_reg_d

P

P

1s

ImR

[Rr_z_Lr] [Lm_]

[Lm_z_Ls]

Demux

x inv _x

1/x

3

enc 2

is_abc

1

w_ref

Algoritem vodenja – vektorsko vodenje

Reference load torque signal

by ret

0

tq_stopu(2)*sin(u(1)/10)

sin_theta

u(2)*sgn(u(1))

sgn_speed

7.2337e-6*u^2*sgn(u)

quadratic

0

no_load

max/min

4

load_sw

0.0104*u

l inear

5.0234e-9*u^3

cubic

0

ct_load-K-

Scale DAC0.*0.2

Ref_tq_offset

Mux

Mux

Load modelselection

[theta_obs]

[EN]

[n_meas]

DAC

DS1103DAC_C1

Vodenje aktivnega bremena

dSPACE – oblikovanje uporabniškega vmesnika

dSPACE – uporabniški vmesnik

dSPACE – sprotno spreminjanje parametrov

Zaključek

• Klasični simulacijski postopki ne zadoščajo več za uspešno načrtovanje algoritmov vodenja servopogonov

• Uporaba simulacijskih postopkov "Hardware-in-the-loop" omogoča prihranek časa, opreme in denarja

• Skrajšajo se časi med zamislijo in izdelkom• Ni več potrebe po gradnji posebnih testnih sistemov• Dodatno pridobimo še možnost izvajanja ponavljajočih

se kritičnih testov