12. fejezet - Háromfázisú végfok

Tartalom
12.1. Mezőorientált szabályozás, [3]
12.2. A Texas fejlesztő környezet, [5]
12.3. Saját hardver

12.1. Mezőorientált szabályozás, [3]

A szinkron motornál a rotor gerjesztését a permanens mágnes adja, melyet a tengelyre szerelnek fel. A szinkron motornál az erő és a mágneses mező egyetlen forrása az állórész fázis feszültsége. A DC motorral ellentétben a fluxus és a nyomaték egymás függvénye. A FOC (Field Oriented Control) célja, hogy a szinkron és aszinkron motoroknál külön tudjuk szabályozni a nyomatékot szolgáltató és a mágneses fluxus elemeit. A FOC lehetővé teszi számunkra ezek függetlenítését. A felbontott mágneses és nyomaték fluxusokkal független nyomatékszabályozást hozhatunk létre. A felbontáshoz szükséges matematikai műveleteket a mikrokontroller végzi el. Az elektromágneses törvény szerint a szinkron gép forgatónyomatéka megegyezik a mágneses terek vektoriális szorzatával.

T em = B stator × B rotor

(5.1)

Ez a kifejezés azt mutatja, hogy a nyomaték akkor maximális, ha az állórész és a forgórész mágneses tere egymásra merőleges. Ha ezt a feltételt folyamatosan fenn tudjuk tartani a fluxus megfelelő orientációjával, akkor csökkenthetjük a nyomaték lüktetését. Ehhez ismernünk kell a forgórész pozícióját.

A FOC során az állórész áramát egy vektorral reprezentáljuk. Ehhez a háromfázisú idő és sebesség függő rendszert egy két-koordinátájú (d, és q) idő független rendszerré kell transzformálnunk. A FOC szabályozott motoroknak két referenciára van szüksége: a nyomaték referencia (q-val reprezentálva), és a fluxus referencia (d-vel reprezentálva). Az AC motorok fázisai, áramai és fluxusai komplex térvektorokkal elemezhetők.

Az áramot tekintve a térvektor az egyes fázisok áramának összege a következő egyenlet szerint:

i s = i a +α i b + α 2 i c

(5.2)

ahol α= e j 2 3 π , α 2 = e j 4 3 π (5.3)

A következő ábra mutatja a komplex áram vektort. (5-1. ábra)

Az áram vektorok, [3]
12.1. ábra - Az áram vektorok, [3]


Ez egy háromfázisú szinuszos rendszer. Tovább kell alakítani kétkoordinátás idő független rendszerré. (5-2. ábra) Ehhez két lépésre van szükség:

  • Clarke transzformáció (a,b,c – α,β) – időfüggő rendszer

  • Park transzformáció (α,β – d,q) – idő független rendszer

Clarke transzformációnál egy másik referencia keretet veszünk fel két egymásra merőleges α,β tengellyel. α és a iránya megegyező. A vektorokat és koordináta rendszereket az alábbi ábra mutatja.

Clarke transzformáció, [3]
12.2. ábra - Clarke transzformáció, [3]


A transzformáció a következő egyenletekkel írható le:

i sα = i a

(5.4)

i sβ = 1 3 i a + 2 3 i b

(5.5)

Park transzformáció során a merőleges α,β koordináta rendszert d,q forgó koordináta rendszerbe alakítjuk. Ha figyelembe vesszük, hogy a rotor fluxus egybe esik a d tengellyel akkor a következő ábra mutatja a pillanatnyi áram vektort. (5-3. ábra)

Park transzformáció, [3]
12.3. ábra - Park transzformáció, [3]


Az áram fluxus és nyomaték komponensei a következő egyenletekkel írhatók le.

i sd = i sα cosθ+ i sβ sinθ a fluxus komponens(5.6)

i sq = i sα sinθ+ i sβ cosθ a nyomaték komponens(5.7)

Ezek az egyenletek az α,β áramvektoroktól és a rotor fluxus pozíciójától függnek. Ha tudjuk a rotor pontos pozícióját d,q komponensek konstansok.

A következő ábra összegzi a AC motorok FOC nyomaték szabályozását. (5-4. ábra)

nyomaték szabályozás, [3]
12.4. ábra - nyomaték szabályozás, [3]


A rotor pozíció a FOC szabályozáshoz elengedhetetlen információ. Az áram, feszültség és rotor fluxus ábrázolható a d,q forgó keretben. (5-5. ábra)

A forgó keret és vektorai, [3]
12.5. ábra - A forgó keret és vektorai, [3]


Szinkron gépeknél a rotor sebessége megegyezik a rotor fluxus sebességével és a rotor pozíciója is megegyezik a fluxus pozíciójával. Aszinkron gépeknél a rotor sebessége nem egyezik meg a rotor fluxus sebességével, így a rotor pozíció sem azonos a rotor fluxus pozícióval. Aszinkron gépek esetében általában az áramok méréséből kapott értékekkel számítjuk ki a rotor pozícióját. Ez jóval pontatlanabb érték, mint a szinkron gépeknél. A szinkron gépek pozícióját mérhetjük enkóderrel. A pozíció méréssel megvalósított szabályozó kör az alábbi ábrán látható. (5-6. ábra)

A háromfázisú motorok FOC szabályozása, [3]
12.6. ábra - A háromfázisú motorok FOC szabályozása, [3]


12.2. A Texas fejlesztő környezet, [5]

A háromfázisú végfok fejlesztése az én feladatom. A fejlesztő környezet háromfázisú (BLDC, AC, PMSM) motorokhoz készült 1,5 kW teljesítményig, 330 volt DC busz feszültséggel. A készlet fejlesztőkörnyezet révén nem stabil, és ipari környezetben egyáltalán nem használható, de rendelkezik a mezőorientált szabályozáshoz szükséges összes modullal. Hardveresen képes sebesség, nyomaték, és pozíciószabályozásra is. Egy háromfázisú végfok alapvetően rendelkezik egy egyenirányítóval a DC busz előállításához (egy vagy háromfázisú egyenirányító), egy háromfázisú inverterrel, az AC és PMSM motorok szinusz illetve a BLDC motorok trapéz feszültségének előállításához különböző frekvenciákon, és egy mikrokontrollerrel a mezőorientált számítások elvégzése miatt. Visszacsatolásként mérhetjük az áramot, a fázisok feszültségértékeit, a sebességet, pozíciót. A fejlesztő környezet tanulmányozása során rengeteg lehetséges hibát találtam. A legfőbb probléma az volt, hogy az elektromos zavarok miatt a processzor resetelte magát, egy nagyobb áramfelvétel, vagy feszültségingadozás esetén. A reset után, mivel a debugger a panelre volt kötve a processzor nem bootolt, így lábait lebegve hagyta. Ha véletlenszerűen egy félhíd alsó és felső PWM bemenete egyaránt magas jelet kapott az IGBT modul elégett a panelen, ami nagyon megnehezítette a mérést is, így fejlesztésre nem volt lehetőség. A hosszas tesztelés, alkatrészcsere és biztosítékok elégése után a panellal sikerült elérni a PMSM motor sebesség szabályozását. (5-7. ábra), (5-8. ábra), (5-9. ábra)

A TI fejlesztő környezet, [5]
12.7. ábra - A TI fejlesztő környezet, [5]


Az inverter, [3]
12.8. ábra - Az inverter, [3]


A teljes TI rendszer vázlata, [3]
12.9. ábra - A teljes TI rendszer vázlata, [3]


12.3. Saját hardver

A Texas körenyezetben használt IGBT modul félhíd driverei high illetve low side PWM jelet kaptak, melyek egymásnak invertáltjai. A saját tervezésű végfok első verzióját kisebb (1 kW) teljesítményre méreteztem FET-ekkel és félhidanként in/sd bemenetű FET driverekkel, melyek egy PWM bemenetet és egy engedélyező jelet kapnak. Ezzel a konstrukcióval hardveresen kiküszöböltem a félhidak rövidre zárásának lehetőségét. További probléma volt a processzor és az IGBT modul közös földje, amely tönkretette a mikrokontroller tápellátását és majdnem a magát a kontrollert is. A prototípuson a vezérlő elektronika és a teljesítmény elektronika összes jelét leválasztottam optocsatolókkal. (Az analóg jeleket is.) További fontos kiegészítés a Texas modulhoz képest, hogy a rendszer rendelkezik fék ellenállással, amely a motor generátoros üzeme esetén visszatöltött energiát képes elnyelni, hogy a DC busz feszültsége ne emelkedhessen 350 volt fölé. A modul tervezése során fontos volt a félhidaknál az alsó és felső FET-ek kapcsolási idejének hangolása, az optoleválasztások pontossága, sebessége, a sönt ellenállások, a FET-ek, drivere, a fék ellenállás, az egyenirányító, a DC tápok, biztosíték méretezése, és a számítási kapacitás optimális megválasztása. A feladatra a Texas által ajánlott 32 bites 60 MHz-es TMS320F28035 processzort (5-10. ábra) választottam. A gyártó kiadta az opensource mezőorientált motor control könyvtárát. Ezeket szabadon felhasználhatom a munkám során. A forráskódok egyedül pozíciószabályozással nem rendelkeznek, de ennek felépítése a sebesség szabályozó kör felé már nem nagy feladat. A kapcsolási rajz hosszas tervezése után a nyomtatott áramkör routolása még nagyobb figyelmet igényelt a teljesítmények, zavarvédettség, földek tápok és a nagyfrekvenciás analóg illetve digitális jelek miatt. A rendszerben 7 féle táp és 4 féle föld található.

A TMS320F28035 funciói, blokkvázlata, [4]
12.10. ábra - A TMS320F28035 funciói, blokkvázlata, [4]


A vezérlő elektronika és a teljesítmény elektronika külön nyomtatott áramkörön kapott helyet. A vezérlő elektronikán van a Texas DSP, a DSP tápellátása, debugger ledek, processzor specifikus konfiguráló jumperek, Jtag csatlakozó, és az oscillátor. A DSP megmaradt lábait kivezettem a kártya csatlakozóira. A processzor analóg modulja kaphat alsó és felső mérési referenciát kívülről, illetve a nyomtatott áramkörről analóg földet és 3,3 V-os tápot szintén referenciaként. Ennek beállítására további jumperekkel van lehetőség. A proceszor alatt közvetlenül földfólia helyezkedik el. A nyomtatott áramkör másik odalán, pedig ugyanott tápfólia található. A két fólia közt minden táplábnál elhelyeztem egy-egy 100 nF-os hidegítő kondenzátort. (5-11. ábra), (5-12. ábra), (5-13. ábra)

A control kártya blokkvázlata
12.11. ábra - A control kártya blokkvázlata


A control kártya felső oldala
12.12. ábra - A control kártya felső oldala


A control kártya nyomtatott áramköri terve
12.13. ábra - A control kártya nyomtatott áramköri terve


A teljesítmény elektronika nyomtatott áramkörén helyezkedik el a vezérlő elektronika csatlakozóinak párja. A vezérlő elektronika tápját 24 V DC-ből stabilizálom. Ez látja el táppal az USB-Uart átalakítót, a CAN kommunikációt, a control kártyát, és az optoleválasztások vezérlő elektronikai oldalát. A végfok fogad enkóder és hall jeleket. Méri a DC busz és a fázisok feszültségét, valamint áramát. A rendszer teljesítmény tápja 230 V AC egy biztosíték után fojtótekercsen, valamint egyenirányítón halad át. A FET driverek és egyéb periféria áramkörök tápellátását egy kisméretű transzformátor biztosítja, így a rendszernek csak 24 V DC és 230 V AC tápot kell adni. Található a rendszerben még fék ellenállás, a hozzá tartozó analóg komparátoros áramkör és ventilátor. A teljesítmény elektronika nyomtatott áramkörének tervezése során figyelni kellett az egyes részegységek izolálására. A nyomtatott áramkör egyik végén kapott helyen a DC-busz és a többi teljesítmény táp, illetve teljesítmény elektronikai elem. Középen helyezkedik el a háromfázisú inverter. A másik végén található a vezérlő elektronika. A dolgozat hosszából adódóan a működés további részleteire nem térek ki. (5-14. ábra), (5-15. ábra), (5-16. ábra), (5-17. ábra)

Az inverter blokkvázlata
12.14. ábra - Az inverter blokkvázlata


Az inverter nyomtatott áramköri terve
12.15. ábra - Az inverter nyomtatott áramköri terve


Az inverter alsó oldala
12.16. ábra - Az inverter alsó oldala


Az inverter felső oldala
12.17. ábra - Az inverter felső oldala