Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 2/2013 (99) 259

Tomasz Rudnicki, Robert Czerwiński Politechnika Śląska, Gliwice

WYKORZYSTANIE PROCESORA SYGNAŁOWEGO DO

STEROWANIA SILNIKIEM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

THE USE OF THE DSP TO CONTROL OF PERMANENT MAGNET MOTOR

Streszczenie: W artykule opisano prototypowe stanowisko laboratoryjne do uruchamiania silników z magne-sami trwałymi. Stanowisko pozwala na badanie silników z magnesami trwałymi o mocy do ok. 1kW. To wy-magało wykonanie falownika o odpowiedniej mocy. Interfejs JTAG procesora sygnałowego pozwala na reje-strację wyników pomiarowych w czasie rzeczywistym. Abstract: The paper describes a laboratory workbench for prototyping and run tests of electric motors with permanent magnets. The workbench enables examination of permanent magnet motors with the power up to 1 kW. The solution required engineering of a frequency converter with sufficient output power. The workbench is provided with a signal processor with the JTAG interface to enable recording of test results in the real time mode.

Słowa kluczowe: stanowisko laboratoryjne, silnik z magnesami trwałymi, uśrednianie, procesor sygnałowy,

enkoder, przetwornik prądowy

Keywords: laboratory workbench, PMSM, average, DSP, encoder, current transducer

1. Wstęp

Silniki z magnesami trwałymi NdFeB mają najwyższą sprawność i największy moment ob-rotowy [1], a konstrukcja ich jest stosunkowo prosta. Stojan silnika jest zwykle identyczny jak w silnikóach indukcyjnych, zaś wirnik zawiera magnesy trwałe naklejone w odpowiedni spo-sób, przy czym istnieją dwie podstawowe kon-strukcje wirnika: z magnesami naklejonymi na powierzchni wirnika i z magnesami umieszczo-nymi wewnątrz jarzma wirnika) [1]. Najbar-dziej rozpowszechnione konstrukcje silników bezszczotkowych to: synchroniczny silnik bezszczotkowy PMSM (ang. Permanent Ma-gnet Synchronous Motor) oraz silnik bezsz-czotkowy prądu stałego BLDC (ang. Brushless DC electric motor). W silniku PMSM magnesy są umieszczone w jarzmie wirnika. Ich cechą charakterystyczną jest szeroki zakres regulacji prędkości obroto-wej [2,3,4,5]. Ponieważ silniki z magnesami trwałymi pozbawione są komutatora mecha-nicznego, problem sterowania rozwiązuje układ elektroniczny. Magnesy oraz uzwojenie twor-nika są umieszczone tak, by powstająca w wy-niku rotacji SEM miała postać sinusoidalną w przypadku silników PMSM oraz prostokątną w przypadku silników BLDC. Układ sterowania musi umożliwiać zasilanie silników odpowied-nio prądem sinusoidalnym i o charakterystyce

trapezowej. Silniki z magnesami trwałymi, oprócz wysokiej sprawności i momentu obro-towego, cechują się małą masą, co ma duże znaczenie w przypadku projektowania pojaz-dów. Po wykonaniu badań symulacyjnych przycho-dzi pora na sprawdzenie zaproponowanych metod sterowania w układzie rzeczywistym. W związku z tym istnieje konieczność zreali-zowania stanowiska badawczego pozwalające-go na wykonanie eksperymentów. Stanowisko powinno umożliwiać łatwą rekonfigurację sprzętową układu sterowania tzn. zastosowanie wybranego enkodera do pomiaru kąta obrotu wału czy podłączenie dowolnego silnika z ma-gnesami trwałymi nieprzekraczającego założo-nej mocy. W artykule opisano prototypowe stanowisko laboratoryjne do uruchamiania silników z ma-gnesami trwałymi. Stanowisko pozwala na ba-danie silników z magnesami trwałymi o mocy do ok. 1kW. To wymagało wykonanie falow-nika o odpowiedniej mocy. Interfejs JTAG pro-cesora sygnałowego pozwala na rejestrację wy-ników pomiarowych w czasie rzeczywistym.

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 2/2013 (99) 260

2. Stanowisko laboratoryjne

Stanowisko laboratoryjne składa się z kilku po-łączonych ze sobą modułów sprzętowych. Mo-żna wyróżnić następujące moduły: – moduł procesora sygnałowego, – moduł komunikacji z użytkownikiem, – moduł optoizolacji, – moduł pomiarowy, – moduł falownika, – moduł zasilania. Zdjęcie badawczego stanowiska laboratoryj-nego przedstawiono na Rys. 1.

Rys. 1. Badawcze stanowisko laboratoryjne

Moduł procesora sygnałowego składa się ze-stawu uruchomieniowego eZdspF2812 z proce-sorem sygnałowym TMS320F2812. Jednostka ta w swoim założeniu jest dedykowana do układów sterowania silnikami z magnesami trwałymi. Blok sterowania przedstawiono na Rys. 2 [4,7].

DSP

TMS320F2812

M

ia

ib

ic

E

T1

T2

T3

T4

T5

T6

n

F

Rys. 2. Blok sterowania silnikiem z magnesami

trwałymi

W jednostce tej ze względu na zasoby sprzę-towe zaimplementowano cały algorytm stero-wania silnikiem PMSM (Rys. 3.).

Rys. 3. Algorytm sterowania silnikiem PMSM

Jak można zauważyć z zasobów sprzętowych TMS320F2812 wykorzystano między innymi moduł PWM z wyjściami komplementarnymi, regulatory proporcjonalno-całkowe PI oraz przetwornik A/C. Do podłączenia enkodera E wykorzystano protokół SPI procesora sygnało-wego TMS320F2812. Moduł komunikacyjny z użytkownikiem za-wiera klawiaturę i wyświetlacz LCD. Klawia-tura służy do zadawania zarówno prędkości ob-rotowej jak i kierunku obrotu silnika. Wyświe-tlacz LCD pokazuje aktualną pozycję wału, prędkość zadaną oraz rzeczywistą prędkość ob-rotową. Moduł optoizolacji służy do separacji galwa-nicznej części cyfrowej układu sterowania od napięcia silnika z magnesami trwałymi. Moduł pomiarowy służy do pomiaru prądów fazowych silnika (ia, ib, ic) oraz do pomiaru kąta położenia wału silnika. W celu zmierzenia prą-dów fazowych zostały użyte przekładniki prą-dowe (ze wzmacniaczem pomiarowym) CASR 25-NP. Na Rys. 4 przedstawiono schemat blo-kowy zastosowanego przekładnika prądowego.

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 2/2013 (99) 261

Rys. 4. Schemat blokowy przetwornika pomia-

rowego CASR 25-NP

Sygnał napięciowy z układu CASR 25-NP jest mierzony przez wewnętrzny przetwornik A/C procesora sygnałowego TMS32F2812. Przetwornik A/C może pracować z maksymalną częstotliwością 50MHz, natomiast modulacja szerokości impulsów PWM pracuje z częstotli-wością 8kHz. Z tego wynika, że przetwornik jest w stanie dokonać 6250 pomiarów. Można zatem wprowadzić uśrednianie programowe. Uśrednianie to odbywa się na zasadzie kolejki tzn. pierwsza próbka jest eliminowana, a bie-żąca jest wpisywana na jej miejsce. Następnie jest liczona średnia arytmetyczna z tych próbek. Idea jest przedstawiona na Rys. 5. Oczywiście trzeba odliczyć czas na obliczenie tej średniej [6].

Rys. 5. Sposób wyznaczania średniej z 16 pró-

bek.

2200

2250

2300

2350

2400

2450

2500

0 50 100 150 200 250 300 350

Iaver16

Iaver32

Rys. 6. Sygnał napięciowy z układu CASR 25-

NP przy prędkości 700rpm po zmierzeniu przez

przetwornik A/C procesora TMS320F2812 po

wprowadzeniu uśredniania programowego

Na Rys. 6 przedstawiono przebieg sygnału z przetwornika pomiarowego CASR 25-NP po

zmierzeniu go przez wewnętrzny przetwornik A/C procesora sygnałowego TMS320F2812 oraz po wprowadzeniu uśredniania programo-wego z 16 oraz 32 próbek pomiarowych przy prędkości 700rpm [6]. Algorytm sterowania silnikiem PMSM wymaga obliczania aktualnego kąta położenia wału sil-nika. W przedstawionym stanowisku laborato-ryjnym można wykorzystać dowolny enkoder absolutny. Do badań silnika PMSM wykorzy-stano 12-bitowy enkoder absolutny MAB28 firmy Megatron, który został podłączony do procesora TMS320F2812 za pomocą interfejsu SPI. Moduł falownika to gotowy blok połączonych ze sobą sześciu tranzystorów IGBT. Jako moduł falownika wybrano moduł PM50RLA060. Schemat aplikacyjny podłączenia tego modułu przedstawiono na Rys. 7. Ze względu na wymagania optoizolacji ko-nieczne jest zastosowanie złożonego bloku za-silania układu sterowania. W związku z tym wykonano zasilacz, który posiada cztery nieza-leżne napięcia +15V oraz jedno +5V. Napięcia +15V zasilają transoptory, natomiast napięcie +5V zasila część cyfrową układu sterowania.

Rys. 7. Schemat aplikacyjny podłączenia modu-

łu PM50RLA060

Do pierwszych badań laboratoryjnych wyko-rzystano silnik z magnesami trwałymi PMSM o mocy 1kW, prędkości znamionowej 1000obr/min, prądzie znamionowym 14A oraz napięciu znamionowym 30V.

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 2/2013 (99) 262

3. Oprogramowanie procesora DSP

Oprogramowanie zaimplementowano w proce-sorze sygnałowym TMS320F2812. Oprogra-mowanie to realizuje: – odczyt z enkodera 12-bitowej pozycji wału

silnika, – przeliczanie pozycji na kąt obrotu wału, – obliczanie prędkości obrotowej silnika, – pomiar sygnału napięciowego z przekładni-

ków CASR 25-NP, – przeliczanie sygnału napięciowego na war-

tość prądu, – obsługa klawiatury i wyświetlacza LCD, – obliczanie transformat d-q, α-β oraz odwrot-

nej transformaty d-q, – sterowanie modułem PWM, – obsługa timerów sprzętowych procesora, – wykonywanie obliczeń związanych z regula-

torami PI. Na Rys. 8 przedstawiono schemat blokowy programu głównego.

Start

Konfiguracja układów

peryferyjnych

Odczyt klawiatury

Wysłanie danych do LCD

Oczekiwanie na

przerwania

Rys. 8. Schemat blokowy programu głównego

Na Rys. 9 przedstawiono schemat blokowy programu obsługi przerwania z timera 1.

Start

Obliczenia :

- α−β

- d-q

- regulatorów PI

- Va-Vb

- PWM

Koniec

Rys. 9. Schemat blokowy programu obsługi

przerwania z timera 1

Na Rys. 10 przedstawiono schemat blokowy programu przerwania z timera 2.

Start

- odblokowanie przerwań

- odczyt enkodera

- obliczanie prędkości obrotowej

Koniec

Rys. 10. Schemat blokowy programu obsługi

przerwania z timera 2

Na Rys. 11 przedstawiono schemat blokowy programu przerwania z przetwornika A/C.

Start

- odblokowanie przerwań

- odczyt 3-kanałów przetwornika A/C

- obliczanie średniej

Koniec

Rys. 11. Schemat blokowy programu obsługi

przerwania z przetwornika A/C.

Interfejs JTAG procesora sygnałowego TMS320F2812 pozwala na zapisywanie w pa-mięci RAM interesujących danych pomiaro-wych i dostęp do nich poprzez środowisko Code Composer Studio.

4. Podsumowanie

W artykule zamieszczono opis prototypowego stanowiska laboratoryjnego do badania silników z magnesami trwałymi. Poprzez zastosowanie budowy modułowej istnieje możliwość stoso-wania dowolnych modułów w zależności od badanego silnika. Istnieje możliwość zastoso-wania dowolnego enkodera, który będzie pod-łączony do układu za pomocą protokołu SPI. Można również zastosować dowolny sposób pomiaru prądów fazowych silnika, a sygnały napięciowe podłączyć do przetwornika A/C procesora TMS320F2812. Zastosowany moduł mocy falownika PM50RLA060 wraz z prze-kładnikami pomiarowymi CASR 25-NP po-

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 2/2013 (99) 263

zwala na badanie silników, których prądy fa-zowe nie przekraczają prądu 25A. Przeprowadzone testy z silnikiem PMSM o mo-cy 1kW udowodniły, że przyjęta koncepcja sta-nowiska laboratoryjnego okazała się prawidło-wa.

5. Literatura [1]. Glinka T.: Mikromaszyny elektryczne wzbudzane

magnesami trwałymi. Gliwice: Wydawnictwo Poli-techniki Śląskiej, 1995. [2]. Krishan R.: Electric motor drives modeling,

analysis and control. Prentice Hall, 2001. [3]. Lee G.B., Park J.S., Lee S.H., Kwon Y.A.: High-performance sensor-less control of PMSM us-

ing back-EMF and reactive power. ICCAS-SICE, 2009, pp.407-411 [4]. Łastowiecki J.: Elementy i podzespoły półprze-

wodnikowych układów napędowych. Warszawa: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 1999. [5]. Pillay P., Krishnan R.: Modeling, simulation,

and analysis of permanent-magnet motor drives.

Part I. The permanent-magnet synchronous motor

drive. IEEE Transactions on Industry Application, vol.25, no.2, 1989, pp.265-273 [6]. Rudnicki T., Czerwiński R.: Pomiar prądów

fazowych silnika z magnesami trwałymi. Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne nr 97, 2012, ss. 57-61. [7]. Rudnicki T., Czerwiński R.: Zastosowanie

enkodera absolutnego do sterowania silnikiem syn-

chronicznym z magnesami trwałymi. Elektronika Konstrukcje Technologie Zastosowania, 8/2012, ss. 121-125.

Autorzy

dr inż. Tomasz Rudnicki email: trudnicki@polsl.pl dr inż. Robert Czerwiński email: rczerwinski@polsl.pl Politechnika Śląska Wydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki Instytut Elektroniki

Informacje dodatkowe

Praca naukowa finansowana ze środków na na-ukę w latach 2010-2013 jako projekt badawczy Nr N N510 077638.