Studii privind modelarea şi simularea dinamică: sistemul de comandă motor – roată

Studii privind modelarea şi simularea dinamică: sistemul de comandă

motor – roată

Etapa II

Mai 2007

Program CEEX, contract nr. X2C24/11.09.2006 Etapa 2

Precizări privind structura vehiculului

Prezentare generala a structurii sistemului de propulsie

Implementarile sistemului de

control


Alegerea structurii portante


a) Proiectarea şi realizarea unei structuri portante noi

b) Folosirea unui automobil existent

Soluţia prezintă următoarele avantaje: Dispunem de un vehicol construit conform normelor în vigoare,

capabil să transporte în condiţii de siguranţă şi confort două persoane;

Proiectarea şi execuţia modificărilor pentru dispunerea traţiunii electrice sunt de mai mică amploare şi pot servi drept experienţă pentru transformarea unui automobil clasic în unul electric. Aceste activităţi se încadrează în obiectivele prezentului contract;

Cheltuielile pentru achiziţia şi modificarea automobilului existent se reduc la jumătate;


Impactul asupra utilizatorilor este mare, deoarece se prezintă un automobil electric, care poate circula pe drumurile publice pe baza unei omologări individuale;

Alegerea judicioasă a automobilului existent poate mări interesul pentru aplicarea practică a rezultatelor cercetării.

Se propune ca pentru aplicarea tracţiunii electrice să se folosească un autoturism MATIZ, de pe care s-au îndepărtat următoarele componente:

grupul convenţional motor-transmisie; radiatorul; rezervorul de combustibil; acumulatorul electric; perna şi spătarul pentru locurile din spate.


Puntea din faţă precedentă fără grupul convenţional motor-transmisie

Modelarea şi simularea numerică a regimului dinamic pentru maşina de curent continuu


Descrierea modulului de putere

α µcontroller

Captor de curent

S1 S3

S2 S4

Baterie

M Circuit de comandă

Intreruptor de alimentare

Chopper 4Q

Comanda PWM

S-au realizat 4 strategii de comandă dintre care ultimele 2 sunt originale.

Tensiunea de

ieşire (us)

Starea de comu-taţie

Secvenţa de comandă

S1 S2 S3 S4

Ui P 1 0 0 1

-Ui N 0 1 1 0


Strategia PWM 1 Strategia PWM 2

Tensiunea de

ieşire (us)

Starea de comu-taţie

Secvenţa de comandă

S1 S2 S3 S4

Ui P 1 0 0 1

0O1

+ 0 0 0 1

O2- 0 1 0 0

-Ui N 0 1 1 0

Comanda PWM - Rezultate ale simulărilor PWM 1


PWM 2

Comanda PWM - Rezultate ale simulărilor PWM 3


PWM 4

Comanda numerică a maşinii de curent continuu


Conducător

auto Pedală de acceleraţie

+ - Iref Reg. de

curent Chopper

4Q Mcc Sarcină

Captor de curent

Rezultate ale simulării comenzii numerice

PWM 1


PWM 4

Rezultate ale simulării comenzii numerice

PWM 1


PWM 3

Concluzii


Strategiile propuse de membrii echipei PWM-3 şi PWM-4 sunt de tip unipolar cu trei niveluri de tensiune şi prezintă o frecvenţă aparentă de comutaţie egală cu dublul frecvenţei de comutaţie a dispozitivelor semiconductoare. Aceste avantaje conduc la reducerea ondulaţiilor curentului şi a pierderilor prin motorul de curent continuu cu magneţi permanenţi.

Dimensionarea modelului experimental pentru motorul de curent continuu şi predeterminarea caracteristicilor acestuia


Determinarea specificaţiilora. tensiunea maximă debitată de sursă: 120 Vcc

b. tensiunea maximă la bornele motorului(necesară pentru a atinge viteza maximă):

110 Vcc

c. tensiunea nominală la borne: 66 Vcc

d. puterea nominală: 2,5 kW

e. curentul nominal: 41.5 A

f. viteza de rotaţie nominală: 300 RPM

g. cuplul nominal: 80 Nm

h. cuplul maxim admis la viteza maximă de rotaţie: 225 Nm

i. curentul maxim admis la viteza maximă de rotaţie: 135 A

j. cuplul maxim admis în condiţii de demarare: 225 Nm

k. curentul maxim admis în condiţii de demarare: 135 A

Utilizarea unui motor de curent continuu cu o nouă

construcţie


Construcţia sistemului perii colector

Particularităţi privind funcţionarea motorului de

curent continuu ales Se fac aici câteva precizări care explică deosebirile fundamentale între un motor de curent continuu în construcţie clasică şi cel considerat în acest proiect:

Motorul de curent continuu clasic are un număr de căi de curent în paralel egal cu doi pentru motorul cu înfăşurare ondulată şi egal cu numărul de poli pentru cel cu înfăşurare buclată (la ordin de multiplicitate unitar), însă fiecare secţiune are cel puţin trei secţii în serie. Când o secţie comută, curentul pe calea de curent rămâne cvasiconstant, după cum şi tensiunea electromotoare la bornele unei căi de curent este cvasiconstantă la viteză de rotaţie constantă, încât se poate considera că la motorul de curent continuu în construcţie clasică avem de a face cu un curent cvasiconstant, atât la bornele motorului cât şi pe fiecare cale de curent în parte (desigur, la sarcină constantă);


Motorul utilizat în acest proiect are un număr de căi de curent în paralel egal cu numărul de perechi de poli magnetici, dar fiecare cale este constituită dintr-o singură bobină. Curentul prin fiecare bobină, precum şi tensiunea electromotoare sunt permanent variabile, dar curentul în circuitul de intrare în motor este cvasiconstant la sarcină constantă. În funcţie de configurarea relativă dintre lăţimea periei, lăţimea lamelei active a colectorului şi lăţimea izolaţiei dintre două lamele active pot fi următoarele situaţii: un număr de bobine conectate în paralel, iar celelalte bobine în serie şi conectate în paralel cu primele, sau un număr de bobine conectate în paralel, iar celelalte în serie şi conectate în scurtcircuit. Se preferă situaţia a doua pentru evitarea apariţiei cuplurilor de frânare în condiţiile în care secţiile în serie ar fi alimentate de la sursa de c.c.

Motorul de curent continuu în construcţie clasică este o maşină electrică reversibilă, în sensul că poate funcţiona şi ca generator întrucât tensiunea electromotoare a oricărei căi de curent este practic aceeaşi;


Motorul utilizat în acest proiect are tensiuni electromotoare diferite pe bobine, astfel că nu se poate utiliza ca generator. Din acest motiv, nu are sens noţiunea de tensiune electromotoare decât pe fiecare bobină pentru acest tip de motor, iar utilizarea sa fără o sursă de curent continuu la borne ar conduce la generarea unor curenţi de circulaţie între secţiile motorului; motorul se caracterizează pur şi simplu doar prin ceea ce defineşte utilitatea sa – cuplul electromagnetic, acesta fiind şi parametrul urmărit pe parcursul dimensionării motorului;

Motorul de curent continuu în construcţie clasică poate funcţiona într-o gamă largă de variaţie a parametrilor: tensiune de alimentare; curent absorbit; viteză de rotaţie;

Motorul utilizat în acest proiect funcţionează restricţionat în raport cu parametrii de mai sus, însă specificul construcţiei permite să se dezvolte parametri energetici de excepţie în comparaţie cu motorul de curent continuu clasic, ceea ce îl recomandă pentru aplicaţia din cadrul proiectului.


Modelul matematic al motorului


111111

11

1pueim

dt

diru

li

dt

d

pkkkkkk

kk ueim

dt

diru

li

dt

d 1

pnnnnnn

nn ueim

dt

diru

li

dt

d 1

Dimensionarea modelului experimental al motorului de curent continuu


Secţiune axială prin motor


Liniile câmpului magnetic pentru un curent total absorbit de 1 A

Predeterminarea caracteristicilor de funcţionare ale modelului experimental pentru motorul de curent continuu


Caracteristica de reglaj

a) funcţionare la cuplu util constant de 80 Nm (nominal)

b) funcţionare la cuplu util constant de 120 Nm

a) b)


Funcţionare la tensiune de alimentare constantă de 66 V (nominală)

a) carateristica puterilor

(Pa este puterea absorbită, Pu este puterea utilă)

b) caracteristica cuplului

a) b)


Funcţionare la tensiune de alimentare constantă de 66 V (nominală)

a) carateristica vitezei în sarcină

b) caracteristica randamentului

a) b)

Studiul damicii ansamblului motor – roată utilizând motorul de curent alternativ


Modelul matematic al motorului sincron cu magneţi permanenţi (PMSM)

qdqdqpme

se

qpmddqsqq

dqqdsdd

iiLLipM

pdt

dJ

MMp

dt

d

LiLiRudt

di

LiLiRudt

di

2

3

/

/

Modelul matematic al invertorului trifazat de tensiune


Schema de principiu a invertorului trifazat în punte

A B CdcU C

1T1D

3T3D

5T5D

6T6D

2T2D

4T4D

p

n

N

1C

4C

3C

6C

5C

2C

A B C

Z

Z

Z

Udc

C

n

p

Circuitul echivalent pentru invertorul trifazat în punte,

alimentând o sarcină trifazată în conexiune stea

inchisinferiorcelsideschisestesuperiorreruptorulint,0

deschisinferiorcelsiinchisestesuperiorrulintrerupto,1iS

CdcCn

BdcBn

AdcAn

SUu

SUu

SUu


NnCNCn

NnBNBn

NnANAn

uuu

uuu

uuu

BnAnCnCN

CnAnBnBN

CnBnAnNnAnAN

uuuu

uuuu

uuuuuu

3

1

3

1

3

23

1

3

1

3

23

1

3

1

3

2

Relaţii între tensiunile de ieşire ale invertorului şi tensiunile de fază ale sarcinii:

Utilizarea funcţiei de comutaţie pentru modelarea invertorului

BACdcCN

ACBdcBN

CBAdcAN

SSSUu

SSSUu

SSSUu

2

1

2

1

3

2

2

1

2

1

3

2

2

1

2

1

3

2


Diagrama bloc a modelului ansamblului invertor – motor de c.a.

Influenţa timpului mort asupra tensiunii de ieşire a invertorului


dt

dt

ONT 1

ONT 2

ONT 1

ONT 2

Ideal Real

Ideal Real

0

0

0

0

0

0t

t

t

t

t

t

)a

)b

)c

)d

Anu

Anu AnU

AnU 0Ai

0Ai

Efectul introducerii timpului mort asupra tensiunii de ieşire

Efectul timpului mort în cadrul funcţionării unui invertor se reflectă prin distorsionarea valorii medii-instantanee a tensiunii de ieşire. Printre efectele secundare ale timpului mort asupra funcţionării unui invertor se enumeră: apariţia armonicilor de frecvenţă joasă la ieşirea invertorului; reducerea amplitudinii componentei fundamentale a curentului la ieşire.

Simularea numerică a ansamblului invertor–motor


. .

. .

. .

<----- (a)

<----- (b)

<----- (c)

3

i_ C

2

i_ B

1

i_ Au_ A

u_ B

u_ C

theta_ e

u_ d

u_ q

Transf. Park

i_ d

i_ q

theta_ e

i_ A

i_ B

i_ C

Transf. I nv. Park

1/ s

Integrator3

1/ s

Integrator2

1/ s

Integrator1

1/ s

Integrator

-K-

Ld

Rs

Lq

1/ Lq

1/ Ld

3/ 2 P

1/ JP

-K-

-K-

Rs

4

M_ s

3

u_ C

2

u_ B

1

u_ A

u_ d

i_ d

i_ d

i_ d

i_ d

i_ d

i_ di_ d

u_ qi_ q

i_ q

i_ q

i_ q

i_ q

i_ q

M_ e

M_ e

M_ s

w_ e

w_ e

w_ e

w_ e

w_ e

theta_ e

theta_ e

theta_ e

Modelul Simulink al motorului PMSM


Modelul Simulink al invertorului cu considerarea

timpului mort

4

Udc

3

u_C

2

u_B

1

u_A

Switch6

Switch5

Switch4

Switch3

Switch2

Switch1

Product2

Product1

Product

Udc

POTENTI ALBORNA POZI TI VA = Udc

XOR

XOR

XOR

1/ 3

Gain

0

1

0

1

0

1

< 0

< 0

< 0

9

i_C

8

i_B

7

i_A

6

PWM 6

5

PWM 5

4

PWM 4

3

PWM 3

2

PWM 2

1

PWM 1S_A

S_B

S_C

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.40

500

1000

1500

2000

vite

za r

otor

[rp

m]

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4-20

-10

0

10

20

Me [

Nm

]

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4-10

-5

0

5

10

timpul [s]

i A [

A]


Pornire, mers la viteză nominală până la t = 0.25 sec, şi apoi frânare până la oprire.

Ciclul de mişcare este efectuat în gol

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4-1000

-500

0

500

1000

vite

za r

otor

[rp

m]

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4-20

-10

0

10

20

Me [

Nm

]0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

-10

-5

0

5

10

timpul [s]i A

[A

]

Pornire şi mers în gol la viteza nominală,

urmată de reversare de sens

Studiul şi dimensionarea sistemului de comandă de curent continuu


Convertizorul static poate funcţiona în două moduri:

a) Chopper de curent continuu în patru cadrane pentru acţionarea de c.c.; se asigură regimului dinamic de frânare pe rezistenţă atunci când nu sunt îndeplinite condiţii de recuperare a energiei.

b) Convertizor static de frecvenţă pentru alimentarea cu tensiune şi frecvenţă variabilă a motorului sincron.

Comanda de reglare a cuplului se face în cazul ambelor moduri, de la distanţă, de la un traductor de pedală de acceleraţie sau de frână.

Pe baza celor discutate s-a dedus caietul de sarcini.

Studiul şi simularea numerică a sistemului de supervizare tracţiune roţi


Modelul vehiculului cu tracţiune independentă la roţi

Modelul de tracţiune al vehiculului


Modelul cinematic al virajului la automobilul cu

două punţi

vint = vC = v*R/(R-B/2) vext = vD = v*R/(R+B/2)

Modelul cinetic al automobilului cu două punţi în viraj


Regimuri speciale ce pot fi implementate prin control numeric de supervizor

Modelul este un model cinematic. Mărimile de intrare sunt:- viteza vehiculului, care se presupune constantă, impusă din exterior; - unghiul dorit al volanului, care variază în timpul simulării;- poziţia iniţială a maşinii, dată de coordonatele x0, y0. Pe baza acestor date, se calculează viteza roţilor şi unghiul real al vehiculului, precum şi traiectoria vehiculului.


Schema blocului de calcul al coordonatelor

Subsistem simulare vehicul


Viteza ideală şi cea reală a roţii dreapta faţă

Viteza ideală şi cea reală a roţii stânga faţă

Simularea evoluţiilor vitezelor la roţi


Variaţia unghiului volan pentru constanta T = 300ms

Variaţia unghiului volan pentru constanta T = 500ms

Simularea diferenţelor de traiectorie dintre vehiculul real şi cel ideal


Traseul vehiculului ideal în planul (x0y)


Regimul de control al vitezei vehiculului

Relaţiile folosite sunt cele deja prezentate anterior, dar reproduse aici pentru unitatea prezentării:- regulatorul (PI) de viteza are funcţia de transfer:

( )Ki

H s Kps

- amplificatorul (chopper-ul) s-a simulat ca un element de întârziere cuT = 100 ms.- cuplurile roţilor sunt jumătate din cuplul total:

1

2

2

2

MM

MM


- curenţii prescrişi în motoarele roţilor sunt:

m

m

k

MI

k

MI

22

11

unde km este constanta de cuplu care poate fi exprimată în raport cu fluxul magnetic pe un pol kkm

- pentru obţinerea curenţilor reali 1 2,real realI I s-au folosit blocuri de întarziere de ordinul I (T=300 ms).

- acceleraţia se determină cu expresia:

1 2real realk I Ia

m R

unde m este masa vehiculului, iar R este raza roţii.- viteza reală este dată de relaţia de definiţie:

v a dt


Rezultatul simulării în bucla de viteză de formă variabilă

Rezultatul simulării în bucla de viteză cu referinţă treaptă


Rezultate

► Capitolul II 0În acest capitol:

● s-a precizat structura sistemului de comandă şi control.● s-a precizat structura vehicolului pe care urmează să fie montate motoarele.● s-a hotărât montarea motoarelor pe puntea din faţă. Alegerea efectuată a permis determinarea dimensiunilor de gabarit pentru un motor.

► Capitolul II 1În acest capitol:● s-a hotărât utilizarea aceluiaşi convertor static: punte trifazată cu şase braţe, care prin comandă poate fi utilizată ca chopper sau invertor.● s-a simulat funcţionarea în regim dinamic în ipoteza controlului vitezei, respectiv a cuplului (curentului).


● s-a elaborat şi implementat modelul matematic al ansamblului motor de cc – chopper şi s-au analiza patru strategii de comandă PWM.● s-a hotărât utilizarea controlului de cuplu şi s-a adoptat strategia de comandă corespuzătoare.

► Capitolul II 2În acest capitol:● s-au determinat datele nominale necesare pentru proiectare motorului de cc. ● s-a hotărât utilizarea unui motor de cc care are o construcţie inedită.● s-au prezentat particularităţile în funcţionare ale acestui motor şi modelul matematic. ● s-a dimensionat motorul în condiţiile de gabarit impuse. ● s-a realizat proiectul tehnic.● s-au predeterminat caracteristicile de funcţionare.


► Capitolul II 3În acest capitol:● s-a hotărât utilizarea unui motor sincron cu magneţi permanenţi.● s-a elaborat modelul matematic al ansamblului motor – roata - convertor static.● s-a simulat funcţionarea ansamblului pentru a testa modelul.

► Capitolul II 4Pe baza datelor nominale impuse motoarelor s-au ales modulele de forţă ale covertorului şi s-a elaborat un caiet de sarcini pentru acesta.

► Capitolul II 5 În acest capitol:● s-a prezentat rolul sistemului de supervizare al roţilor, atât pe traiectorie liniară, cât şi în curbă.● s-a prezentat structura unui sistem de supervizare în ipoteza că se controlează viteza, respectiv cuplul şi s-a simulat funcţionarea unui asemenea sistem.


Alte rezultate:

S-a prezentat o lucrare ştiinţifică la o conferinţă internaţională:C. Cepişcă, S.D. Grigorescu, M. Covrig, H. Andrei, “About the Efficiency of Real Time Sequences FFT Computing”, Proceedings of the “2007 IEEE Workshop on Design and Diagnostics of Electronic Circuits and Systems”, April 11-13, 2007, Krakov, Poland, pg. 211-214

Documents

Studii privind modelarea şi simularea dinamică: sistemul de comandă motor – roată