A Nyomaték Orientált Szabályzás (FOC) Mélyreható Magyarázata a Motorvezérlésben
Az erő forgató hatását nyomatéknak nevezzük. A forgatónyomaték jele M. Nagysága a merev testre ható F erő és az erő forgásponttól mért merőleges távolságának (k) szorzatával egyenlő. Ebből következően azonos nagyságú erő forgató hatását úgy tudjuk növelni, ha az erőkart növeljük. A forgatónyomaték is vektormennyiség. Ebből következően van iránya, nagysága, értelme és támadáspontja. A nyomatékvektor iránya a forgás síkjára merőlegesen kifelé mutat. A nyomaték képlete: M = F×k, ahol F jelöli a ható erőt, k pedig az erő karját. Az értéket newtonméterben (Nm) fejezzük ki. Ez azt jelzi, hogy ha például egy csavart 0,5 m hosszú kulccsal és a kulcs végére ható 100 Newton erővel húzunk meg, akkor a menetet összeszorító nyomaték 50 newtonméter lesz. A nyomaték pontos szabályozása számos iparágban kiemelten fontos, különösen ott, ahol precíz mozgásvezérlésre van szükség, mint például az elektromos motorok esetében.
A Nyomaték Orientált Szabályzás (FOC) Alapjai
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. 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.
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).
Áramvektor transzformációk a FOC-ban
A komplex áramvektor egy háromfázisú szinuszos rendszerben a motor működésének alapja. Ezt a rendszert tovább kell alakítani kétkoordinátás idő független rendszerré, hogy a nyomaték és a fluxus elemeit függetlenül tudjuk kezelni.
A Clarke transzformációnál egy másik referencia keretet veszünk fel két egymásra merőleges α,β tengellyel. Az α és az 'a' fázis iránya megegyező. Ezt követi a Park transzformáció, amely 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 ez a forgó rendszer lehetővé teszi a fluxus és a nyomaték komponenseinek elkülönítését. Ezek az egyenletek az α,β áramvektoroktól és a rotor fluxus pozíciójától függnek. Az AC motorok FOC nyomaték szabályozását egy átfogó blokkséma összegzi, amely vizuálisan bemutatja a transzformációk és a szabályozási hurkok kapcsolódását.
Rotor Pozíció Érzékelés és Szabályozás
A rotor pozíció a FOC szabályozáshoz elengedhetetlen információ. Az áram, feszültség és rotor fluxus ábrázolható a d,q forgó keretben. 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 pontos visszacsatolást biztosít a motor optimális működéséhez.
A Háromfázisú Végfok Fejlesztése a FOC Megvalósításához
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 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.
Fejlesztési Kihívások és Megoldások
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 Texas környezetben 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, beleértve 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 választottam. A gyártó kiadta az opensource mezőorientált motor control könyvtárát, melyek szabadon felhasználhatóak a munkám során. A forráskódok egyedül pozíciószabályozással nem rendelkeznek, de ennek felépítése a sebesség szabályozó kör felé már nem nagy feladat. A hosszas tesztelés, alkatrészcsere és biztosítékok elégése után a panellel sikerült elérni a PMSM motor sebesség szabályozását.
A Vezérlő és Teljesítmény Elektronika Fizikai Elrendezése
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 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 oszcillátor. 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 processzor alatt közvetlenül földfólia helyezkedik el, a nyomtatott áramkör másik oldalán, pedig ugyanott tápfólia található. A két fólia közt minden táplábnál elhelyeztem egy-egy 100 nF-os hidegítő kondenzátort.
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.
Útmutató az ablaktörlő motor karbantartásához
tags: #nyomatek #orientalt #szabalyzas #magyarázat