controllo sensorless

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  • Tesina diAUTOMAZIONE INDUSTRIALECONTROLLO VETTORIALE SENSORLESS PER MOTORI AC-BRUSHLESSdi Donato SciunnacheUNIVERSIT DEGLI STUDI DI ROMALA SAPIENZADIPARTIMENTO DI INGEGNERIA ELETTRICAANNO -ACCADEMICO 2002/2003

  • AZIONAMENTI BRUSHLESSUsano un motore sincrono a magneti permanentiPiccole potenze, inferiori ai 50 KwSemplicit costruttivaElevata velocit ed accelerazione

  • PRINCIPALI CAMPI DUSOMacchine utensili a controllo numericoAutomatismi industrialiRoboticaFunzionamento in ambienti ostiliTrazione elettrica di piccoli carichi

  • CARATTERISTICHE GENERALI AZIONAMENTI AD ASSEDestinati ai moti di avanzamento.Il compito quello di portare in rotazione un albero ad una determinatavelocit, imposta da un opportuno riferimento, indipendentemente dallacoppia resistente e quindi dalla coppia motrice.REQUISITITotale bidirezionalit dellazionamento con zona morta praticamente nulla intorno allo zero di velocit, sia in condizioni statiche che dinamiche.il rapporto tra velocit massima e minima regolabile deve essere indicativamente maggiore di 10 con coppia nominale e, passando da vuoto a carico nominale, la velocit non deve diminuire pi di 1/10 della velocit massima.

  • CARATTERISTICHE GENERALI AZIONAMENTI A MANDRINODestinati ai moti di lavoro dellutensile o del pezzo a seconda del tipo dimacchina.REQUISITICoppia elevata anche alle bassissime velocit.Controllo di posizione estremamente raffinato al fine di eseguire tagli di precisione entro le tolleranze imposte.

  • MOTORE SINCRONO A MAGNETI PERMANENTIPROCONTROelevati:rapporto potenza/pesoaffidabilitcapacit di sovraccaricovelocitassenza di spazzolebassa inerziaelevate accelerazionicalore solo sullo statorela potenza fornita genera solo coppia e non campofunzionamento in ambiente ostilecosti elevatiproblemi:smagnetizzazione alle alte temperaturein ambienti con polveri ferromagnetichevelocit massima limitata dalla tensione

  • MODELLO DEL MOTORE SINCRONOStatore cilindrico con avvolgimento trifase simmetrico che genera una forza magneto motrice al traferro sinusoidale.Rotore dotato di magneti permanenti montati sulla superfice

  • Dalle equazioni degli avvolgimenti di statore e dai legami tra i flussi e le correnti, nel riferimento dq0 solidale col rotore, si ha:Vdq = RIdq + pdq + jrdqd = LId + mdq = LqIqDove Vd e Vq sono le proiezioni sugli assi d e q, solidali col rotore, del vettore tensione.Vd = 3 V sin(t-)Vq = 3 V cos(t-)

  • Per un motore a magneti permanenti sulla superficie rotorica con una coppia di poli statorica, si hanno le equazioni elettriche:Vd = RId + LpId - rLIqVq = RIq + LpIq + rmd + rLIdCm = n mdIqCe = Cl + Jpr + BrE quella meccanica:

  • La coppia erogata Ce risulta dipendente dalla sola corrente Iq .Per velocit inferiori alla nominale si mantiene id=0 e la componente iq pari al valore massimo consentito (imax) in modo da lavorare in un tratto a coppia costante e pari alla massima possibile.Per velocit superiori alla nominale non si pu pi mantenere iq=imax perch l'ulteriore aumento della E richiederebbe una tensione di alimentazione superiore a quella fornita dall'inverter che gi la massima disponibile: in tale regione dunque occorre ridurre la iq.Si pu allora sfruttare tale situazione per introdurre una componente id negativa e tale che risulti sempre:

  • Si ha limplementazione in ambiente Matlab:

  • VARIABILI DINTERESSE NEL MOTOREVARIABILI DIFORZAMENTOVARIABILI DISTATOVARIABILICONTROLLATEVd, VqId, Iq,CerCOSTANTIR, L, md,J, BDISTURBIClINGRESSIUSCITE

  • FINALITA DEL SISTEMA DA CONTROLLAREFARE VARIARE LA VELOCIT DI ROTAZIONE NEL FUNZIONAMENTO A REGIME PERMANENTE ENTRO UN CAMPO DI ESCURSIONE PREFISSATOPORTARE IN ROTAZIONE IL ROTORE A VELOCIT FISSAPORTARE IN ROTAZIONE IL ROTORE SENZA PROVOCARE OSCILLAZIONI TORSIONALIASSICURARE CHE IL ROTORE RAGGIUNGA LA VELOCIT DI REGIME IN UN INTERVALLO DI TEMPO PREFISSATOASSICURARE CHE A REGIME PERMANENTE LA VELOCIT DI ROTAZIONE NON SI DISCOSTI DI UNA ENTIT PREFISSATA DAL VALORE DESIDERATO

  • RENDERE STABILE IL SISTEMA DA CONTROLLAREATTENUARE LEFFETTO DEI DISTURBI DETERMINISTICI E/O CASUALI SULLA VARIABILE CONTROLLATARAGGIUNGERE LA PRECISIONE DESIDERATA NEL FUNZIONAMENTO A REGIME PERMANENTERAGGIUNGERE LA PRECISIONE DESIDERATA NELLINSEGUIMENTO DELLA VARIABILE DI RIFERIMENTORAGGIUNGERE LA ROBUSTEZZA DI COMPORTAMENTO DEL SISTEMA CONTROLLATO PER VARIAZIONI LIMITATE DEI PARAMETRI FISICI DEL SISTEMA DA CONTROLLARERAGGIUNGERE LA ROBUSTEZZA DI COMPORTAMENTO DEL SISTEMA CONTROLLATO PER AMPIE VARIAZIONI DEI PARAMETRI FISICI DEL SISTEMA DA CONTROLLAREOBIETTIVI DEL CONTROLLO

  • IL CONTROLLO VETTORIALESi basa su unopportuna scelta degli assi d, q di riferimento utilizzati dal regolatore dellinverter in modo tale che tale che una componente della corrente statorica agisca esclusivamente sul flusso, mentre l'altra sulla coppia al traferro.In questo modo il motore sincrono viene regolato come una macchina c.c. in cui si agisce separatamente sulla corrente di eccitazione e su quella di indotto.

  • Il passaggio al riferimento dq, solidale col rotore, effettuato mediante la trasformazione di Park.Essa ha la propriet di eliminare dalle equazioni delle tensioni della macchina sincrona tutte le variabili nel tempo che dipendono dalla presenza di circuiti elettrici in moto relativo e circuiti magnetici a riluttanza variabile.

  • Loperazione di antitrasformazione data da:Con k=2/3 ed h=1 per mantenere linvarianza rispetto alle ampiezze.La trasformazione eseguita da:

  • Limplementazione in ambiente Matlab per la trasformazione :

  • Limplementazione in ambiente Matlab per lantitrasformazione :

  • SCHEMA DI BASE DI UN AZIONAMENTO BRUSHLESSConsiste in:Motore sincrono a magneti permanentiConvertitore staticoSensore di posizioneDispositivo di controllo

  • SCHEMA TIPICO DI CONTROLLO VETTORIALEMotoreInverterMisura dicorrenteSensore diPosizione evelocitTrasf.abc > qd0RegolatorevelocitTrasf.qd0 > abcRegolatoredi correnteRegolatoredi tensione*Idq*iIabcIdqVdq*

  • VARIABILI DINTERESSE NEL SISTEMAVARIABILI DIFORZAMENTOVARIABILI DISTATOVARIABILICONTROLLATEr*Id, Iq, Vd, Vq CerCOSTANTIR, L, md,J, BDISTURBIClINGRESSIUSCITE

  • CONTROLLO VETTORIALE SENSORLESSLa posizione angolare del rotore fornita da uno stimatore anzich da un misura diretta.Lo stimatore calcola la posizione a partire da misure di tensione e corrente.Il controllo vettoriale necessita della posizione angolare e della velocit del rotore per calcolare le trasformazioni di Park.

  • CONTROLLO VETTORIALE SENSORLESSPROCONTROmaggiore resistenza allusurafornisce valori praticamente continui della posizione del rotorenon soggetto al riscaldamento del motorenon si basa su misure di campo ma sul modello del motoremisurando la temperatura si pu calcolare il valore della resistenza per il modello.funzionamento in ambiente ostile perch il sistema protetto.costi elevativalori pi approssimati per basse velocitoccorrono pi strumenti per la misura di tensioni e correntimaggiore complessit computazionale

  • ANALISI DEL SISTEMA DI CONTROLLOIl sistema costituito da:Motore sincrono a magneti permanenti (PMSM)Inverter a tensione impressaBlocchi di trasformazione e antitrasformazione dal riferimento statorico a quello rotorico (trasformata di Park)Anello di controllo della correnteAnello di controllo della velocitStimatore di velocit e posizione angolare del rotore

  • MotoreInverterMisura dicorrenteSensore diPosizione evelocitTrasf.abc > qd0RegolatorevelocitTrasf.qd0 > abcRegolatoredi correnteRegolatoredi tensione*Idq*Vdq*IabcIdqSTIMATORE^ ^^^^DALLO SCHEMA DEL CONTROLLO VETTORIALEi

  • INVERTER A TENSIONE IMPRESSANel campo di modulazione larmonica fondamentale della tensione di uscita proporzionale al segnale in ingresso.Linverter pu essere considerato unamplificatore di tensione.Se il segnale in ingresso ha unampiezza eccessiva, in uscita si ha la saturazione che accentua leffetto della dinamica secondaria ed incerta, portando allinstabilit.

  • Si ha limplementazione in ambiente Matlab:

  • SCHEMA DELLO STIMATOREDal modello matematico del motore:Vd = RId + LpId - rLIqVq = RIq + LpIq + rmd + rLIdLe due equazioni forniscono due possibili stimatori di posizione angolare del rotore.

  • Dalla prima:Vd = RId + LpId - rLIqDa cui:

  • Si ha limplementazione in ambiente Matlab:

  • Dalla seconda:Da cui:Vq = RIq + LpIq + rmd + rLId

  • Si ha limplementazione in ambiente Matlab:Gli integratori sono realizzati con algoritmo STIFF.

  • ANELLO DI CONTROLLO DELLA CORRENTELa coppia erogata dal motore dipende solo dalla corrente Iq in quadratura al campo rotorico.La componente diretta Id viene mantenuta nulla per minimizzare la corrente totale e non avere una riduzione del flusso al traferro.Si valuta lerrore i e mediante un controllore PID, si ricava la Vdq* di riferimento per linverter.

  • I coefficienti dei controllori PID sono tarati per ottenere:rapida risposta alle variazioni del riferimento di coppia o del caricobreve transitorio privo di sovraelongazioni ed oscillazioni

  • ANELLO DI CONTROLLO DELLA VELOCITALa velocit di riferimento * viene confrontata con quella dello stimatore ^Si compensa lerrore dovuto alla stima di velocitIl riferimento di corrente Iq* viene generato dallerrore di velocit mediante un controllore PID.

  • I coefficienti dei controllori PID sono tarati per ottenere:rapida risposta alle variazioni del riferimento di velocit o del caricobreve transitorio privo di sovraelongazioni ed oscillazioni

  • SISTEMA COMPLESSIVO

  • PROVE E TARATUREIl carico considerato proporzionale alla velocit angolare.Si verifica la bont del transitorio in avviamento, al