Современная электроника №6/2019

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 61 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2019 ● блоки Clarke, Park, Reverse Park и Circle реализуют математические преобразования, требуемые для FOC. Библиотека встроенного программ- ного обеспечения MC оптимизирова- на для машин SM-PMSM и I-PMSM. Регу- лируя токи двигателя через их компо- ненты I qs и I d , FOC управляет крутящим моментом и током. Б ЕССЕНСОРНЫЙ АЛГОРИТМ НАБЛЮДАТЕЛЯ CORDIC Измерения положения и скорости ротора играют решающуюроль в FOC- управлении. Бессенсорные алгоритмы определения положения и скорости находят широкое применение по при- чине их невысокой стоимости. Библи- отека микропрограмм MC предлагает эффективное решение для обнаружения положения без датчика обратной свя- зи по положению (например, энкодера), которое основано на теории наблюда- теля состояния. В библиотеке реализо- ван алгоритм, применимый к синхрон- ным двигателям SM-PMSMи I-PMSM [5]. Наблюдатель состояния в теории управления представляет собой систе- му, которая обеспечивает оценку вну- треннего состояния системы с учётом её входных и выходных параметров. В данном случае внутренними состо- яниями двигателя являются обратные ЭДС ифазные токи. Наблюдаемые состо- яния анализируются на предмет соот- ветствия реальной системе через фазу тока, а результат измерений использу- ется для настройки модели через вектор усиления ( K 1 , K 2 ). Обратные ЭДС двига- теля определяются следующим образом: e α = Φ m ρω r × cos( ρω r × t ), e β =– Φ m ρω r × sin( ρω r × t ). Как видно, они содержат инфор- мацию об угле ротора. Обратная ЭДС передаётся в блок, который восстанав- ливает электрический угол и скорость вращения ротора. Данный блок может быть системойфазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) или цифровым вычис- лителем координат вращения (CORDIC), в зависимости от выбора пользовате- ля. Кроме того, модуль обрабатывает выходные данные и тем самым реали- зует функцию безопасности, которая обнаруживает состояние заблокиро- ванного ротора или его неисправность. На рисунке 4 показана общая блок- схема захвата полезного сигнала во время работы двигателя с FOC- управлением. На рисунке 5 жёлтым и красным цветом показаны синусоиды обратных ЭДС e α и e β . Осциллограмма синего цвета – сигнал от датчика Холла. Зелёная синусоида – измеренный ток. Важнымидля расчёта значениймодели двигателя являются следующие егопара- метры: сопротивление обмотки R s , индук- тивность обмотки L s , время выборкиалго- ритма без датчика T , которое совпадает с выборкой FOC и токов статора, и чис- лопарполюсов, влияющее на конечную скорость двигателя. Собственные значе- ния моделимогут быть рассчитаны как: e 1 =1–( R s × T / L s ), e 2 =1. Собственные значения наблюдателя: e 1 obs = e 1 / f , e 2 obs = e 2 / f . Как правило, f=4. Начальные значе- ния K 1 и K 2 могут быть рассчитаны как: K 1 =( e 1 obs + e 2 obs –2/ T )– R s / L s , K 2 =( L s × (1 − e 1 obs − e 2 obs + e 1 obs × e 2 obs ))/ T 2 . За правильность расчёта отвеча- ет графический интерфейс ST MC. Эти значения можно также изменить после генерации проекта в файле drive_ parameters.h. Классы, которые реализо- ваны в алгоритме без датчиков, нахо- дятся в библиотеке как скомпилиро- ванные объектные файлы (файлы с расширением * .lib ). Их содержимое невозможно посмотреть или изменить. Нанизкихоборотах,от0до250об./мин (0–8 Гц для двигателей с номинальной частотой 50 Гц), величины обратных ЭДС e α и e β недостаточны для захвата наблюдателем и, соответственно, для определения положения ротора. Поэ- тому необходимо разогнать двига- тель, используя виртуальный сенсор (VIRTUAL) в системе управления, до ско- рости более 250 об./мин, когда генера- ция обратных ЭДС становится достаточ- ной для определения положения ротора. Вфункциях автомата управления двига- телем отслеживается надёжность рабо- тынаблюдателя, и, как только расчётные данные скорости становятся стабиль- ны, происходит переключение с вир- туального сенсора (режим разомкнуто- го контура регулирования) на CORDIC (режим замкнутого контура регулирова- ния), а состояние автомата изменяется на START_RUN (проходное состояние) и последующее RUN (стойкое состояние – двигатель запущен). Проиллюстрируем работу сенсоров Virtual и CORDIC с помощью осцилло- Рис. 4. Общая блок-схема алгоритма без датчика Рис. 5. Обратные ЭДС, которые обнаруживает алгоритм наблюдателя без датчика Пребразователь мощности ICS/ shunts U a,b,c I αβ s U αβ s b-emf β ω r ai14830 U DC meas U BUS I abc s θ r el b-emf α Трёхфазный инвертор Вычисление пространственно- векторной ШИМ Измерение тока Преобразо- вание Кларка Измерение напряжения в шине Двигатель с постоянными магнитами в роторе I αβ s U α′β′ s Вычисление обратных ЭДС Вычисление угла/ скорости ротора