Politechnika WrocławskaWydział Elektroniki

KIERUNEK: Automatyka i robotykaSPECJALNOSC: Robotyka

PRACA DYPLOMOWAMAGISTERSKA

Badanie własnosci napedów elektrycznychstosowanych w robotyce

Testing of robotic electric driverscharacteristics

AUTOR:Michał Juszczak

PROWADZACY PRACE:dr inz. Marek Wnuk

OPIEKUN:dr inz. Marek Wnuk

OCENA PRACY:

Wrocław 2006

prace dedykuje Rodzicom

Składam serdeczne podziekowania Panudr Markowi Wnukowi za poswiecony czas,cenne wskazówki i wyrozumiałosc.

Spis tresci1 Wstep 5

2 Silnik BLDC 62.1 Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2 Budowa silnika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.3 Model matematyczny silnika pradu stałego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.4 Sterowanie silnikiem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.4.1 Struktura układu sterowania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.4.2 Komutacja z wykorzystaniem czujników Hall’a . . . . . . . . . . . . . 142.4.3 Komutacja z wykorzystaniem kodera kwadraturowego . . . . . . . . . 172.4.4 Komutacja z wykorzystaniem SEM indukowanej w uzwojeniach stojana 18

3 Konstrukcja stanowiska 213.1 Moduł sterownika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.1.1 Moduł z procesorem MC68332 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.1.2 Zasilacz lokalny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.2 Układ docelowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.2.1 Silnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.2.2 Obciazenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.2.3 Wzmacniacz mocy z logika sterujaca . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.2.4 Układ pomiaru pradu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.2.5 Koder kwadraturowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.2.6 Interfejs uzytkownika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.3 Zasilacz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4 Oprogramowanie sterownika 384.1 Struktura oprogramowania CPU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.1.1 Kolejkowy interfejs szeregowy QSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.1.2 Regulator predkosci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.2 Oprogramowanie TPU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.2.1 Konfiguracja TPU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.2.2 Funkcja COMM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.2.3 Funkcja HALLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.2.4 Funkcja FQD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.2.5 Funkcja PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.2.6 Funkcja FQM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5 Obsługa i mozliwosci stanowiska 50

6 Eksperymenty 54

7 Podsumowanie 60

1

Spis rysunków1 Budowa silnika BLDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Konfiguracja trójkat i gwiazda uzwojen stojana . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Konstrukcje silników BLDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Schemat zastepczy silnika BLDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Schemat blokowy układu sterowania silnikiem BLDC . . . . . . . . . . . . . . 116 Przebiegi napiec sterujacych silnika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Kierunek przepływu pradu w kolejnych fazach komutacji . . . . . . . . . . . . 138 Schemat układu wzmacniacza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Rozkład wektorów pól stojana dla róznych stanów czujników Hall’a . . . . . . 1510 Polaryzacja faz wraz kierunkiem natezenia pola stojana przed komutacja . . . . 1611 Polaryzacja faz wraz kierunkiem natezenia pola stojana po komutacji . . . . . . 1612 Przebieg sygnałów na wyjsciu kodera kwadraturowego . . . . . . . . . . . . . 1713 Podział etapów komutacji na 6 sektorów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1714 Charakterystyki zwrotnych SEM indukowanych w fazach silnika . . . . . . . . 1815 Zaleznosc miedzy sygnałami na wyjsciu czujników Hall’a a przebiegiem indu-

kowanych SEM w uzwojeniach stojana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1916 Układ detekcji przejscia SEM przez punkt neutralny . . . . . . . . . . . . . . . 2017 Układ detekcji ze sztucznym punktem neutralnym . . . . . . . . . . . . . . . . 2018 Budowa stanowiska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2119 Schemat blokowy czesci elektronicznej stanowiska . . . . . . . . . . . . . . . 2220 Płytka sterownika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2221 Lokalny zasilacz płytki sterownika +5V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2322 Stojan silnika BLDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2423 Wirnik silnika BLDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2424 Układ dyskretyzujacy napiecie wyjsciowe czujników Halla . . . . . . . . . . . 2525 Przebieg napiecia na wyjsciu komparatora i odpowiadaja mu wartosci logiczne 2626 Złacze Z4 i Z5 silnika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2727 Układ sprzegajacy silnik z pradnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2728 Charakterystyka pradnicy dla róznych wartosci rezystancji obciazenia . . . . . 2829 Tor pomiarowy napiecia pradnicy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2930 Złacze Z1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2931 Mechanizm hamujacy - rzut boczny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3032 Mechanizm hamujacy - zdjecie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3033 Schemat ideowy półmostka mocy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3134 Układ pomiaru pradu silnika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3235 Układ AS5040 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3236 Układ podłaczenia kodera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3337 Płytka kodera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3438 Mocowanie kodera na wale silnika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3439 Złacze Z6 i Z7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3540 Schemat połaczenia sterownika LCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3541 Złacze Z3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3642 Schemat zasilacza +10V, 3A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3643 Diagram działania głównej petli programu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3844 Cykl pomiarowy kolejki SPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4045 Bajt sterujacy dla MAX1270 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4146 Struktura układu regulatora predkosci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4147 Schemat obsługi zdarzen przez TPU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2

48 Struktura stanu w tablicy komutacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4549 Charakterystyka predkosci silnika dla komutacji z kodera kwadraturowego po

przekłamaniu licznika pozycji funkcji FQD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4850 Widok płyty czołowej stanowiska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5051 Konstrukcja menu uzytkownika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5152 Zaleznosc predkosci silnika od wypełnienia sygnału sterujacego napieciem za-

silania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5453 Charakterystki w otwartym układzie regulacji przy wymuszeniu PWM=100% . 5554 Charakterystki w otwartym układzie regulacji przy wymuszeniu PWM=70% . . 5555 Charakterystyka w otwartym układzie regulacji dla róznych wartosci współ-

czynnika PWM (bez obciazenia silnika) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5556 Charakterystyka regulatora PD dla Kp = 50 = const. . . . . . . . . . . . . . . 5657 Charakterystyka regulatora PD dla Kp = 30 = const. . . . . . . . . . . . . . . 5658 Charakterystyka regulatora PD dla Kp = 20 = const. . . . . . . . . . . . . . . 5759 Charakterystyka regulatora PD dla Kp = 10 = const. . . . . . . . . . . . . . . 5760 Charakterystyka regulatora PD dla Kp = 10 = const. . . . . . . . . . . . . . . 5761 Charakterystyka regulatora PD dla Kp = 5 = const. . . . . . . . . . . . . . . . 5862 Charakterystyka regulatora PD dla Kp = 5 = const. . . . . . . . . . . . . . . . 5863 Charakterystyki silnika w zamknietym układzie regulacji dla Set speed = 5850,

Kp=10, Kd=14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5864 Charakterystyki silnika w zamknietym układzie regulacji dla Set speed = 3516,

Kp=20, Kd=14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5965 Charakterystyki silnika w zamknietym układzie regulacji dla Set speed = 2110,

Kp=20, Kd=14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5966 Charakterystyki silnika w zamknietym układzie regulacji dla Set speed = 1055,

Kp=20, Kd=14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5967 Schemat ideowy stopnia mocy z logika sterujaca . . . . . . . . . . . . . . . . 64

3

Spis tablic1 Opis wyprowadzen silnika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 Polaryzacja uzwojen i odpowiadajace jej stany wyjsciowe czujników Hall’a . . 273 Opis złacza Z1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 Zaleznosc sygnałów sterujacych mostka od biegunu napiecia zasilajacego silnik 315 Opis wyprowadzen kodera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 Opis wyprowadzen wyswietlacza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 Spis wykorzystanych funkcji z przydziałem kanałów i priorytetów obsługi . . . 438 Tablica komutacji dla trybu bezczujnikowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459 Tablicy komutacji dla trybu z wykorzystaniem funkcji HALLD . . . . . . . . . 4610 Sposób dekodowania stanu wyjsc czujników Hall’a przez funkcje HALLD . . . 47

4

1 WstepRobotyka jest interdyscyplinarna dziedzina nauki łaczaca w sobie m.in. zagadnienia kon-

strukcji mechanicznych, teorii układów sterowania i elektroniki. Jej opanowanie pozwala natworzenie maszyn spełniajacych najrózniejsze, czesto bardzo wysokie oczekiwania ludzi co dorodzaju i jakosci wykonywanych przezen prac. Roboty powstały z mysla o zastapieniu czło-wieka przy wykonywaniu zadan którym ludzie nie sa wstanie sprostac ze wzgledu na swojeograniczenia. Dlatego od tradycyjnego robota wymaga sie przede wszystkim duzej precyzji ipowtarzalnosci wykonywanych ruchów. Za ruch robota odpowiadaja bezposrednio jednostkinapedowe z których przewazajaca czesc stanowia silniki elektryczne. Znaczna wiekszosc roz-wiazan robotycznych wykorzystuje silniki pradu stałego (DC), jednak nalezy równiez wspo-mniec o bardzo dobrych własnosciach silników pradu zmiennego (AC) ze sterowaniem wekto-rowym, których popularnosc stale wzrasta. W chwili obecnej przewazaja jednak silniki pradustałego. Maja one dobre charakterystyki i wyrózniaja sie stosunkowo prostym układem sterowa-nia, który pozwala na regulacje wybranych parametrów ruchu. Lista dostepnych silników DCjest bardzo szeroka, niemniej kazdy silnik ze wzgledów konstrukcyjnych mozna sklasyfikowacdo jednej z czterech podstawowych grup:

• z magnesami trwałymi

• szeregowych

• bocznikowych

• szeregowo - bocznikowych

Kazda grupe cechuje inny obwód wzbudzenia silnika, który rzutuje na jakosc jego cha-rakterystyki elektromechanicznej. Prawie wszystkie silniki pradu stałego wyposazone sa wmechaniczny komutator, który jest głównym powodem ich wad i ograniczen. Wyjatek stanowipodgrupa silników z magnesami trwałymi, w których role komutatora pełni układ elektronicznywytwarzajacy sygnały sterujace w oparciu o informacje sprzezenia zwrotnego od połozeniawirnika. Rozwiazanie takie pozwoliło wyeliminowac niedogodnosci zwiazane z obecnosciamechanicznego komutatora, zwiekszajac jednoczesnie mozliwosc łatwego kształtowania cha-rakterystyk. Bezkomutatorowe silniki pradu stałego (BLDC) stały sie alternatywa dla silnikówszczotkowych. Przy takich samych charakterystykach elektromechanicznych gwarantuja wyz-sze maksymalne predkosci obrotowe, lepsza dynamike i daja mozliwosc bardziej precyzyjnegosterowania połozeniem wirnika.

Szczególne własnosci napedów z tego typu silnikami skłoniły do podjecia tematu i bliz-szego przyjzenia sie im w niniejszej pracy. Praktyczne podejscie do zagadnienia narodziłopomysł powstania stanowiska badawczo - dydaktycznego, które w przystepny sposób pozwolina zapoznanie sie z róznymi technikami komutacji tego typu silników i stworzy mozliwoscpomiaru jego rzeczywistych charakterystyk.

5

2 Silniki BLDC

2.1 WprowadzenieBezkomutatorowe silniki pradu stałego naleza do grupy silników synchronicznych. Ozna-

cza to, ze pola wytwarzane przez uzwojenia stojana i magnesy trwałe osadzone na wirniku,poruszaja sie z tymi samymi predkosciami. Sposób zasilania faz silnika jest zalezny od sygna-łów sterujacych, które generowane sa w oparciu o sygnał sprzezenia zwrotnego od połozeniawirnika. Odpowiednie zsynchronizowanie ich pozwala uzyskac stały moment i predkosc obro-towa silnika. Zastapienie komutatora mechanicznego elektronicznym jest powodem wielu zalettego silnika. Brak szczotek na komutatorze oznacza brak wyładowan łukowych. Powoduje tozmiejszenie zakłócen radioelektrycznych i pozwala na prace silnika w srodowiskach agresyw-nych i wybuchowych. Brak szczotek zwieksza równiez bezawaryjnosc silnika i jego zywotnosc.Zaleta zastosowania komutatora elektronicznego jest mozliwosc stosunkowo łatwego kształto-wania charakterystyk silnika (np. mozna stabilizowac wybrany parametr). Mimo, ze silnikBLDC jest silnikiem synchronicznym nie wystepuje w nim zjawisko utraty synchronizmu wprzypadku przeciazenia silnika, co jest wada innych maszyn synchronicznych. Własciwoscta wynika ze sposobu generowania wirujacego pola magnetycznego. Pole to jest wytwarzanew dziedzinie kata mechanicznego połozenia wirnika wzgledem stojana a nie jak w typowychmaszynach synchronicznych w dziedzinie czasu.

2.2 Budowa silnikaBudowa silnika BLDC z wirujacym magnesem jest w zasadzie odwróceniem silnika ko-

mutatorowego z magnesami trwałymi: uzwojenia znajduja sie w stojanie a wirnik wykonanyjest z odpowiednio ukształtowaniego magnesu. Mechaniczny komutator w silniku BLDC zo-stał zastapiony elektronicznym przełacznikiem, którego stan wyjsciowy okreslony jest funkcjapołozenia rotora.

Rysunek 1: Budowa silnika BLDC

Ze wzgledu na liczbe uzwojen, silniki BLDC mozemy podzielic na jednofazowe, dwufa-zowe i trójfazowe. Najbardziej popularne i najszerzej stosowane sa silniki trójfazowe, dlategotez beda one głównym obiektem rozwazan i badan w ninejszej pracy. W przeciwienstwie do sil-ników jedno czy dwufazowych silniki trójfazowe zapewniaja ciagłosc oddziaływania momentunapedowego na wirnik. Ponadto pozwalaja ze znacznie wieksza dokładnoscia sterowac połoze-niem wirnika. Z powodów tych znajduja one coraz czesciej zastosowanie w aplikacjach, które

6

wymagaja duzej precyzji, czyli m.in. takich jak robotyka.

Dla silników trójfazowych wyróznic mozna dwie metody połaczenia uzwojen stojana:

• gwiazda

• trójkat (delta)

Rysunek 2: Konfiguracja trójkat i gwiazda uzwojen stojana

Sposób połaczenia uzwojen ma wpływ na metode sterowania i parametry silnika. Sterowa-nie silnikami z uzwojeniami połaczonymi w gwiazde jest bardziej skomplikowane niz silnikamipracujacymi w konfiguracji delta. W pierwszym wypadku silnik moze wymagac zasilania tylkodwóch faz, podczas gdy trzecia faza pozostaje nieobciazona. Warunek ten powoduje, ze układlogiczny sterujacy koncówka mocy staje sie troche bardziej złozony. Konfiguracja delta uzwo-jen stojana wymaga obciazenia wszystkich faz podczas pracy silnika. Silniki z uzwojeniamipołaczonymi w gwiazde charakteryzuja sie wiekszym momentem, mniejsza predkosca obro-towa i mniejszym poborem pradu niz silniki o uzwojeniach połczonych w trójkat. Trójkatnepołaczenie uzwojen zapewnia wiesza moc silnika, wieksza predkosc obrotowa, powoduje jed-nak wiekszy pobór pradu i nagrzewanie sie silnika. Nie stanowi to jednak wiekszego problemu,poniewaz uzwojenia silnika BLDC zamontowane sa na stojanie silnika co pozwala w łatwy spo-sób odprowadzac nagromadzone ciepło. W silniku trójfazowym liczba biegunów stojana jestzawsze równa wieloktotnosci liczby trzy.

Wirnik silnika wykonany jest z odpowiedniego materiału magnetycznego o parzystej liczbie na-przemian porozmieszczanych biegunów magnetycznych N i S. Rodzaj stosowanego materiałuuwarunkowany jest wymaganym natezeniem generowanego pola. Do wytworzenia stałego polamagnetycznego tradycyjnie uzywa sie magnesu ferrytowego. Wraz z rozwojem nowych tech-nologii, pojawiły sie nowe stopy magnetyczne o znacznie lepszych parametrach. Chociaz kosztstosowanie magnesu ferrytowego jest najnizszy, to posiada on wade, która jest mały stosunekwytwarzanego pola do objetosci materiału. Stosowanie stopów magnetycznych zapewnia duzowieksza wartosc tego współynnika. Powoduje to, ze wirnik jest lzejszy, a zatem charakteryzujesie mniejszym momentem bezwładnosci. Dzieki temu parametry dynamiczne silnika ulegajaznacznej poprawie. W przeciwienstwie do stojana, liczba par biegunów wirnika jest zawszeparzysta.

Wyróznic mozna dwie konstrukcje wirnika:

• z magnesami naklejonymi na powierzchnie wirnika

7

• z magnesami umieszczonymi promieniowo

Liczba biegunów stojana i wirnika determinuje wiele parametrów silnika. Ich stosunek okreslakrok silnika i wpływa na jakosc wytwarzanego momentu. Wieksza liczba biegunów gwaran-tuje bardziej równomierne rozłozenie momentu napedowego a maniejszy krok pozwala uzyskacwieksza moc przy małych predkosciach obrotowych. Ponizej przedstawiono przykładowe kon-strukcje silników BLDC:

Rysunek 3: Konstrukcje silników BLDC

Zaleznosc miedzy iloscia par biegunów stojana i wirnika okresla równiez tzw. współczynnikobrotu, który mówi ile pełnych obrotów pola magnetycznego przypada na jeden obrót mecha-niczny. Przykładowo dla silnika o szesciu biegunach stojana i osmiu wirnika współczynnik tenwynosi 2. Natomiast gdy liczbe biegunów wirnika zwiekszymy do dziesieciu to na jeden obrótwirnika bedzie przypadac piec obrotów pola.

2.3 Model matematyczny silnika pradu stałegoPunktem wyjscia do budowy modelu matematycznego silnika [12], [7] jest jego schemat

zastepczy przedstawiony na ponizszym rysunku:

Rysunek 4: Schemat zastepczy silnika BLDC

W pierwszej kolejnosci nalezy rozpatrzyc indukcyjnosc uzwojen stojana. W celu okresle-nia wartosci strumienia magnetycznego skojarzonego z uzwojeniem fazy a, nalezy uwzglednicstrumienie od pradu Ia płynacego w fazie a oraz pradów Ib i Ic w uzwojeniach faz b oraz cskojarzone z uzwojeniem fazy a.

8

Zatem strumien magnetyczny skojarzony z uzwojeniem fazy a stojana wyrazony bedzie zalez-noscia:

ψa = IaLaa + IbLab + IcLac (1)

Dla wszystkich faz otrzymamy: ψaψsψc

=

Laa Lab LacLba Lbb LbcLca Lcb Lcc

IaIbIc

(2)

przy czym:Ia, Ib, Ic - prady fazowe stojanaψa,ψb,ψc - strumienie magnetyczne skojarzone odpowiednio z faza A, B i C stojanaLaa,Lbb,Lcc - indukcyjnosci własneLab,Lac,Lba . . . - indukcujnosci wzajemne

Korzystajac z drugiego prawa Kirchoffa, na podstawie schematu zastepczego (rysunek 4) wy-znaczamy równania napieciowe obwodu twornika: Vas− vn

Vbs− vnVcs− vn

=

Rs 0 00 Rs 00 0 Rs

IaIbIc

+ddt

Laa Lab LacLba Lbb LbcLca Lcb Lcc

IaIbIc

+

EaEbEc

(3)

gdzie:Rs - rezystancje uzwojen faz stojanaEa,Eb,Ec - siły elektromotoryczne indukowane w uzwojeniach stojanaVas,Vbs,Vcs - potencjały na zaciskach faz uzwojen stojanavn - potencjał punktu neutralnego uzwojen stojana, który wyraza sie zaleznoscia:

vn =13

[Vas +Vbs +Vcs]−c

∑k=a

Ek (4)

Indukowana SEM w uzwojeniach twornika ma przebieg trapezoidalny. Wartosc szczytowa ta-kiego przebiegu wyznaczamy z równania:

Ep = λω (5)

Jezeli załozymy, ze uzwojenia fazowe silnika sa symetryczne to ich indukcyjnosci własne bedatakie same:

Laa = Lbb = Lcc = L (6)

Podobnie jednakowe beda indukcyjnosci wzajemne faz a−b,a−c,b−c w odniesieniu do jed-nej fazy:

Lab = Lac = Lbc = Lba = Lca = Lcb = M (7)

Po uwzglednieniu zaleznosci (6) i (7) równanie (3) przyjmie postac: Vas− vnVbs− vnVcs− vn

= Rs

1 0 00 1 00 0 1

IaIbIc

+ddt

L M LM L MM M L

IaIbIc

+

EaEbEc

(8)

9

Jezeli przyjmie sie, ze suma pradów fazowych jest równa zeru (Ia + Ib + Ic = 0) to ostatecznieotrzymamy: Vas

VbsVcs

= Rs

1 0 00 1 00 0 1

IaIbIc

+ddt

L−M 0 00 L−M 00 0 L−M

IaIbIc

+

EaEbEc

(9)

Równanie strumieniowo - pradowe (2) i pradowo-napieciowe (8) stanowia układ równan wiaza-cych wielkosci elektryczne symetrycznego trójfazowego silnika synchronicznego pradu stałegoz trapezoidalnym rozkaładem pola w szczelinie powietrznej.

Dla pełnego opisu silnika nalezy jeszcze uwzglednic zaleznosc okreslajaca wartosc wytwarza-nego momentu elektromagnetycznego Te. W wytwarzaniu tego momentu uczestnicza składowezalezne od zmian energii elektromagnetycznej przy obrocie wirnika:

Te =[EaIa +EbIb +EcIc]

ω(10)

Wartosc SEM indukowana w odpowiednich fazach silnika:

Ea = fa(θ)λω

Eb = fb(θ)λω

Ec = fc(θ)λω

(11)

Funkcje fa(θ), fb(θ), fc(θ) maja przebieg o kształcie indukowanej SEM i przyjmuja wartosci zprzedziału [−1,1].Predkosc katowa wirnika ω powiazana jest z czestotliwoscia generowanej SEM zaleznoscia:

dθ

dt=

p2

ω (12)

gdzie:p - liczba biegunów

Równania stanu silnika BLDC w postaci macierzowej mozna wyrazic w nastepujacy sposób:

x = Ax+Bu (13)

Wektor stanu x:

x =

IaIbIcθ

ω

(14)

Macierz silnika A:

A =

RsLl

0 0 (λp fa(θ))Ll

0 RsLl

0 (λp fb(θ))Ll

0 0 RsLl

(λp fc(θ))Ll

(λp fa(θ))Ll

(λp fb(θ))Ll

(λp fc(θ))Ll

−BJ

0 0 0 p2

(15)

10

Macierz wymuszenia B:

B =

1Ll

0 0 00 1

Ll0 0

0 0 1Ll

00 0 0 −1

J0 0 0 0

(16)

Wektor wymuszenia u:

u =

VaVbVcTl

(17)

gdzie:Va,Vb,Vc - napiecia fazoweTl - moment obciazenia

2.4 Sterowanie silnikiemJak wspomniano wczesniej, silnik BLDC jest silnikiem pradu stałego pozbawionym komu-

tatora mechanicznego. Powoduje to, ze komutacja tego rodzaju silnikami przebiega w całko-wicie odmienny sposób niz tradycyjnych silników szczotokowych. Role komutatora pełni tutajukład elektroniczny, który wytwarza sygnały sterujace dla silnika w oparciu o sygnal sprzezeniazwrotnego od połozenia wirnika.

2.4.1 Struktura układu sterowania

Na ponizszym rysunku przedstawiono ogólny schemat blokowy układu sterowania silni-kami BLDC. Jest on własciwy dla wszystki rodzajów silników bezszczotkowych, zarównopradu stałego jak i zmiennego.

Rysunek 5: Schemat blokowy układu sterowania silnikiem BLDC

W układzie sterowania wyróznic mozna trzy główne elementy:

11

• jednostka sterujaca

• wzmacniacz

• czujnik połozenia

Zadanie jednostki sterujacej polega na wygenerowaniu odpowiednich sygnałów sterujacychdla wzmacniacza, który załacza odpowiednie fazy silnika, zgodnie ze wczesniej zaprogramo-wanym schematem komutacji [10]. Do utrzymania synchronizmu jednostka sterujaca wyko-rzystuje sygnały z czujników połozenia wirnika. Dla silników pradu stałego kształty napiecsterujacych sa prostokatne i zaleza od konstrukcji silnika. Dla trójfazowego silnika z uzwoje-niami połaczonymi w gwiazde przedstawiaja sie nastepujaco:

Rysunek 6: Przebiegi napiec sterujacych silnika

Przesuniecie fazowe napiec sterujacych wynika ze sposobu rozmieszczenia kolejnych par bie-gunów magnetycznych stojana, które na osi stojana porozmieszczane sa wzgledem siebie co120 stopni. Warto zwrócic uwage, ze w kazdym momencie komutacji jedna faza silnika po-zostaje nieobciazona. Jest to cecha charakterystyczna silników trójfazowych o uzwojeniachstojana połaczonych w gwiazde.

12

Kierunki przepływu pradu w uzwojeniach silnika odpowiadajace sygnałom sterujacym zrysunku 6 przedstawiono ponizej:

Rysunek 7: Kierunek przepływu pradu w kolejnych fazach komutacji

13

Wzmacniacz przetwarza sygnały komutacji o niskich energiach dostarczonych z jednostkisterujacej na sygnały, którymi mozna bezposrednio wysterowac uzwojenia silnika.

Rysunek 8: Schemat układu wzmacniacza

Wzmacniacz zbudowany jest z trzech par komplementarne połaczonych tranzystorów mocytworzacych mostek. Konstrukcja mostka zapewnia bipolarne sterowanie uzwojeniami silnika.Zeby wybrana faze silnika spolaryzowac dodatnim napieciem zasilania nalezy właczyc górnytranzystor odpowiedniej pary komplementarnej przy jednoczesnym blokowaniu dolnego tran-zystora. Zasilenie fazy napieciem ujemnym uzyskujemy przez odwrotna polaryzacje tranzy-storów. Faza silnika pozostaje nieobciazona przy jednoczesnym blokowaniu obu połaczonychkomplementarnie tranzystorów.

Czujniki połozenia dostarczaja jednostce sterujacej informacje o aktualnym połozeniu wir-nika. Sterownik wykorzystuje ja do wytworzenia sygnałów komutacji dla silnika. Wyróznicmozna trzy główne sposoby okreslania pozycji wirnika wzgledem biegunów magnetycznychstojana:

• czujniki Hall’a

• koder kwadraturowy

• pomiar SEM indukowanej w uzwojeniach stojana

Wszystkie trzy sposoby dostarczaja sygnały sprzezenia zwrotnego o róznym charakterze,dlatego kazda metoda wymaga innej struktury komutatora i algorytmów sterowania.

2.4.2 Komutacja z wykorzystaniem czujników Hall’a

Komutacja zapewnia odpowiedni rotacje pola stojana [8]. Dla własciwej pracy silnika wy-maga sie aby wektory pola wytwarzane przez uzwojenia stojana i magnesy wirnika były mozl-wie prostopadłe. Jak przedstawiaja przepiegi sygnałów sterujacych na jeden pełen obrót polaprzypada szesc kolejnych kombinacji zasilania uzwojen silnika, odpowiada to równiez sze-sciu kolejnym zmianom wektorów pól stojana. Zmiana wektora pola musi nastapic w scisleokreslonym momencie. Najprostrzym i najpardziej popularnym sposobem okreslenia momentukomutacji jest wykorzystanie czujników Halla’a. W silniku trójfazowym wykorzystuje sie trzyczujniki Hall’a, które dostarczaja trzech sygnałów, reprezentujacych szesc stanów komutacji.

14

Kazdej kombinacji sygnałów z czujnika Hall’a odpowiada jeden wektor natenia pola stojana.Wszystkie kombinacje sygnałów wyjsciowych czujników Halla i odpowiadajace im wektorynatezenia pola przedstawione sa na rysunku 9

Rysunek 9: Rozkład wektorów pól stojana dla róznych stanów czujników Hall’a

Sygnały A, B i C z czujników Halla przyjmuja wartosci logiczne 0 i 1. Zaleza one od tego,nad którym biegunem pola wirnika (N albo S) znajduje sie okreslony czujnik. Dwie nastepneilustracje prezentuja kolejne fazy komutacji. Biezacej pozycji wirnika z rysunku 10 odpowiadastan wyjsciowy czujników Hall’a ABC[110] (zgodnie z rysunkiem 9). Polaryzacje +Udb fazieA zapewnia tranzystor Q1. Faza C jest zwierana do −Udb za pomoca Q4, faza B pozostaje nie-obciazona. Po osiagnieciu okreslonej pozycji wirnika, nastepuje zmiana sygnałw wyjsciowychczujników Hall’a z ABC[110] na ABC[100] (rysunek 11). Jednoczesnie nastepuje zmiana po-laryzacji uzwojen stojana, która utrzyma własciwy kierunek wektora pola stojana wzgledempola wirnika.

Wytwarzanie wirujacego pola magnetycznego w szesciu kolejnych krokach komutacji niepozwala utrzymac stałego kata miedzy wektorami pola stojana i wirnika. Podczas obrotu wir-nika kat miedzy wektorami zmienia sie od 60 do 120 stopni.

15

Rysunek 10: Polaryzacja faz wraz kierunkiem natezenia pola stojana przed komutacja

Rysunek 11: Polaryzacja faz wraz kierunkiem natezenia pola stojana po komutacji

16

2.4.3 Komutacja z wykorzystaniem kodera kwadraturowego

Z kodera kwadraturowego, podobnie jak z czujników Hall’a otrzymujemy trzy sygnałysprzezenia zwrotnego, ale o zupełnie innym charakterze [8]. W przeciwienstwie do czujni-ków Hall’a, sygnały z kodera kwadraturowego nie okreslaja bezwzglednej pozycji wirnika imomentu komutacji. Na wyjsciach A i B czyjnika, wytwarzane sa dwa przebiegi prostokatneprzesuniete w fazie o 90 stopni. Liczba kolejno zliczonych zboczy sygnałów na wyjsciach Ai B kodera pozwala dokładnie okreslicz przemieszczenie katowe wirnika. Stopien dokładno-sci pomiaru zalezy od rozdzielczosci zastosowanego kodera. Pomiar obrotu dokonywany jestwzgledem ustalonego punktu odniesienia. Punktem tym moze byc tzw. impuls indeksujacy ztrzeciego wyjscia kodera, który pojawia sie raz na pełen obrót. Przemieszczenie mozna równiezmierzyc wzgledem uprzednio ustalonej pozycji wirnika.

Rysunek 12: Przebieg sygnałów na wyjsciu kodera kwadraturowego

Poniewaz komutacja silnika BLDC powinna nastapic w szesciu scisle okreslonych momen-tach, zastosowanie kodera kwadraturowego wymaga przydzielenia całej sekwencji elektrycz-nych komutacji szesciu równych sektorów:

Rysunek 13: Podział etapów komutacji na 6 sektorów

17

Powyzej załozono, ze na jeden obrót mechaniczny silnika, czujnik połozenia wytwarza naobu wyjsciach łacznie 1000 impulsów. Jezeli przyjmiemy, ze na jeden obrót wirnika przypadajeden obrót pola stojana to komutacja silnika powinna nastepowac po zliczeniu 166 kolejnychimpulsów. Zadaniem sterownika jest ciagłe zliczanie sygnałów czujnika i zmiana sygnałówsterujacych w chwili przekraczania graniac kolejnych sektorów.

2.4.4 Komutacja z wykorzystaniem SEM indukowanej w uzwojeniach stojana

W metedzie tej wykorzystuje sie fakt, ze podczas komutacji jedna z faz silnika pozostajenieobciazona [7]. W wyniku obrotu wirnika w uzwojeniach stojana indukuja sie zwrotne siłyelektromotoryczne. Zwrotna SEM indukowana w nieobciazonym uzwojeniu stojana mozna włatwy sposób zmierzyc i wykorzystac jej charaktertstyczny przebieg do wytworzenia sygnałówsprzezenia zwrotnego od połozenia wirnika.

Rozkłady pól magnetycznych wytwarzane przez magnesy wirnika i przebiegi zwrotnychSEM przedstawiono na rysunku ponizej:

Rysunek 14: Charakterystyki zwrotnych SEM indukowanych w fazach silnika

18

Kształt indukowanych SEM przypomina trapez, stad tego typu przebiegi nazwa sie trapezo-idalnym. Wartosci SEM okreslone sa wzgledem punktu neutralnego uzwojen twornika. Prze-bieg indukowanej SEM oscyluje wzgledem potencjału punktu w którym skupiaja sie wszystkieuzwojenia silnika. Moment zmiany sygnału sprzezenia nastepuje, gdy punkt neutralny silnikai zacisk nieobciazonej fazy osiagaja takie same potencjały. Kazdej zmianie sygnałów sprzeze-nia zwrotnego odpowiada zmiana sygnałów sterujacych silnikiem (podobnie jak dla komutacjiz czujnikami Halla). Zwiazek miedzy sygnałami na wyjsciu czujników Hall’a a przebiegiemSEM w fazach silnika przedstawiono ponizej:

Rysunek 15: Zaleznosc miedzy sygnałami na wyjsciu czujników Hall’a a przebiegiem indukowanych SEM wuzwojeniach stojana

Klasyczny układ generujacy sygnały sprzezenia zwrotnego w oparciu o indukowana SEMprzedstawiono na rysunku 16. Do detekcji przejscia indukowanej SEM przez punkt neutralnysilnika wykorzystuje sie komparatory napiecia. Na wejsciu komparatorów nalezy dodatkowowłaczyc filtr RC, który tłumi zakłócenia powstajace w wyniku przłaczania tranzystorów wcho-dzacych w skład mostka. Stan wejsc multipleksera zalezy od etapu komutacji i zapewnia wybórwyjscia odpowiedniego komparatora.

Układ z rysunku 16 zakłada, ze punkt neutralny silnika został wyprowadzony na zewnatrz.Pomiar SEM nie przedstawia wtedy wiekszych problemów i sprowadza sie do podłaczeniawejsc komparatora miedzy odpowiednie zaciski wyjsciowe silnika. Czesto jednak dostep dopunktu neutralnego silnika jest niemozliwy. W takich przypadkach, do pomiaru SEM stosujesie rózne techniki. Jedna znich polega na stworzeniu sztucznego punktu neutralnego z trzechodpowiednio połaczonych rezystorów. Potencjał tego punktu jest teoretycznie taki sam jakpunktu neutralnego uzwojen stojana. Układ pomiarowy w tym przypadku jest identyczny jakpoprzednio z tym, ze teraz jedno z wejsc komparatora jest właczone w srodek gwiazdy stwo-rzonej z układu rezystorów (rysunek 17).Metoda sterowania z wykorzystaniem SEM indukowanych w uzwojeniach silnika (sensorless

control) nie wymaga zadnych dodatkowych zewnetrznych czujników połozenia. Jest to główna

19

Rysunek 16: Układ detekcji przejscia SEM przez punkt neutralny

Rysunek 17: Układ detekcji ze sztucznym punktem neutralnym

i własciwie jedyna zaleta takiego rozwiazania. Niedogodnosci zwiazane z ta technika to przedewszystkim ograniczenie dolnej, minimalnej predkosci obrotowej. Problem ten zwiazany jest zwarunkiem wytworzenia SEM o odpowiednio duzej amplitudzie. Z warunkiem tym zwiazanajest równiez wrazliwosc silnika na gwałtowne zmiany obciazenia, które moga wyprowadzicsilnik z synchronizmu.

Przedstawione wyzej techniki sterowania silnikiem, oparte na pomiarze zwrotnej siły elek-tromotorycznej nie zostały zaimplementowane podczas konstrukcji stanowiska badawczego.Własciwosci silnika z tego typu sterowaniem eliminuja go z zastosowan w dziedzinach w któ-rych wymaga sie duzej dynamiki przy czestych zmianach kierunku ruchu i przyspieszen. Roz-dział ten pokrótce omówił podstawowe zagadnienia zwiazane z budowa i sterowaniem silnikamiBLDC. Kolejne rozdziały przedstawia konkretne rozwiaza układowe i głebsza analize wybra-nych problemów.

20

3 Konstrukcja stanowiskaBadajac własnosci napedów elektrycznych nalezy wziac pod uwage nie tylko te cechy,

które wynikaja z własnosci samego silnika, nalezy rozpatrzyc silnik wraz z układem sterowa-nia jako całosc. Czesto to bowiem mozliwosci samego układu sterowania decyduja o osiagachkonkretnego silnika. Szczególnie bezszczotkowe silniki pradu stałego sa jednostkami napedo-wymi, których działanie w równym stopniu zalezy od parametrów silnika co układu sterowa-nia. Jednym z głównych załozen podczas realizacji pracy, było stworzenie stanowiska badaw-czego, które w jak najszerszym aspekcie bedzie prezentowało zagadnienia zwiazane z silnikamiBLDC. Uwzgledniajac powyzsze, konieczne stało sie podzielenie fizycznego stanowiska namoduły, które rozdzielaja układ sterownika od reszty stanowiska. Stwarza to dodatkowa moz-liwosc sprawdzenia i przetestowania róznych układów sterowników pod katem wykorzystaniaich w aplikacjach z tego typu silnikami.

W skład stanowiska wchodza trzy główne elementy:

• Moduł sterownika

• Moduł układu docelowego

• Zasilacz mocy

Schemat blokowy stanowiska przedstawiono na rysunku 18.

Rysunek 18: Budowa stanowiska

Moduł sterownika łaczy sie z układem docelowym za pomoca złacz Z1, Z2 i Z3. Elemen-tem dodatkowym jest komputer nadrzedny, który przechwytuje dane pomiarowe sterownika ipozwala na ich wygodna analize. Obecnoc komputera daje dodatkowa mozliwosc zmiany pro-gramu sterownika, co pozwala np. na zaimplementowanie własnych algorytmów sterowaniasilnikiem.

21

Schemat blokowy układu elektronicznego stanowiska pokazano na rysunku 19.

Rysunek 19: Schemat blokowy czesci elektronicznej stanowiska

3.1 SterownikDo zadan sterownika nalezy zbieranie i przetwarzanie danych z czujników, obsługa inter-

fejsu uzytkownika, generowanie sygnałów komutacji dla silnika i komunikacja. Sterownik zo-stał zmontowany na płytce uniwersalnej na której głównym elementem jest moduł z proesoremMC68332. Ponadto płytka sterownika zawiera zasilacz lokalny i interfejs RS232. Płytke układusterownika przedstawiono na rysunku 20.

Rysunek 20: Płytka sterownika

22

MAX232 słuzy do dopasowania napiec miedzy układem transmisji szeregowej procesoraMC68332, a układem UART płyty głównej komputera, umozliwiajac realizacje transmisji wstandardzie RS232. Złacza Z1, Z2 i Z3 łacza płytke sterownika z układem docelowym i zostanaopisane przy okazji omawiania kolejnych elementów stanowiska.

3.1.1 Moduł z procesorem MC68332

Sercem modułu jest 32-bitowy mikrokontroler MC68332 firmy Motorola [6]. Oprócz mi-krokontrolera w skład modułu wchodzi zestaw niezbednych towarzyszacych mu elementówtakich jak zewnetrzna pamiec programu i danych, rezonator kwarcowy, rezystory wymuszajaceodpowiednie stany logiczne na okreslonych portach. Dodatkowe zworki i złacza zwiekszajaelestycznosc układu, umozliwiajac wybór trybu pracy. Wyprowadzone złacze BDM daje do-step do wewnetrznego emulatora mikrokontrolera, który w bardzo wygodny sposób pozwala namodyfikowanie i testowanie pisanych programow z poziomu PC.

Podstawowe własnosci mikrokontrolera MC68332:

• 32-bitowa jednostka centralna CPU

• wewnetrzny programowalny dekoder adresowy

• układ watchdog

• moduł transmisji szeregowej SQM, w skład którego wchodza, układ transmisji asynchro-nicznej SCI, oraz kolejkowy interfejs szeregowy QSPI

• wewnetrzny układ emulatora BDM

• specjalizowany, programowalny układ procesora czasowego TPU, umozliwiajacy reali-zowanie róznych zadan czasowo-licznikowych na 16 oddzielnych kanałach

• 2KB szybkiej pamieci RAM, która moze zostac wykorzystana przez jednostke centralna,badz pracowac jak pamiec programu dla układu TPU

Na szczególna uwage zasługuje układ TPU, który wykonuje cała prace zwiazana ze stero-waniem silnikiem BLDC. Zostanie mu poswiecony osobny rozdział w którym beda przedsta-wione szczegóły dotyczace konfiguracji kanałów i funkcji TPU odpowiedzialnych za okreslonedziałania.

3.1.2 Zasilacz lokalny

Do zasilania układów płytki sterownika słózy lokalny zasilacz o stabilizowanym napieciuwyjsciowym równym +5V. Schemat zasilacz przedstawia rysunek 21.

Rysunek 21: Lokalny zasilacz płytki sterownika +5V

23

Mostek B1 zapewnia poprawna polaryzacje napiecia wejsciowego stablizatora. Role stabi-lizatora pełni popularny układ 7805 o pradzie obciazenia 1A. Zworka J1 pozwala na zasilanieukłdów płytki sterownika z zewnetrznego zródła. Dioda LED sygnalizuje stan pracy stabiliza-tora.

3.2 Układ docelowy3.2.1 Silnik

Jedna z pierwszych decyzji, która trzeba było podjac na wczesnym etapier pracy, był dobórodpowiedniego silnika. Ze wzgledów praktycznych silnik powinien był charakteryzowac siemałymi gabarytami, i byc wyposazony w czujniki Halla. Wymagania takie spełniaja silniczkistosowane w napedach CD-ROM, gdzie sa wykorzystywane do obracania nosnikami CD. Zdje-cia silnika przedstawiono na rysunku 22 i 23.

Rysunek 22: Stojan silnika BLDC

Rysunek 23: Wirnik silnika BLDC

24

Parametry konstrukcyjne silnika:

• silnik trójfazowy

• uzwojenia stojana połaczone w gwiazde

• 9 biegunów magnetycznych po stronie stojana

• 18 par biegunów magnetycznych wirnika

• 3 czujniki Halla z wyjsciami analogowymi

• brak wyprowadzenia punktu neutralnego

Parametry robocze:

• napiecie zasilania 10-12V

• predkosc obrotowa ok. 11000 obr/min

• max. prad rozruchowy ok. 600mA

• prad znamionowy ok. 350mA

Konstrukcja silnika zapewnia mu krok 10 stopni. Przy szesciostopniowej sekwencji komu-tacji, jednemu obrotowi pola magnetycznego stojana odpowiada mechaniczne przemieszczeniewirnika o 60 stopni. Zatem na jeden obrót mechaniczny przypada szesc kolejnych szesciostop-niowych sekwencji komutacji.

Ze wzgledu na analogowy charakter sygnałów wyjsciowych czujników Halla, koniecze byłozastosowanie dodatkowego układu przetwarzajacego ciagły sygnał wyjsciowy na wartosci dys-kretne. Schemat układu realizujacego te zadanie przedstawiono na rysunku 24

Rysunek 24: Układ dyskretyzujacy napiecie wyjsciowe czujników Halla

25

Przebieg napiecia miedzy para wyjsc czujnika Halla i odpowiadajace mu wartosci dyskretneprzedstawiono na rysunku 25. Role przetwornika w układzie z rysunku 24 pełnia zwykłe kom-paratory napiecia. Wyjscie komparatora nasyca sie do jednego z biegunów napiec zasilaniaw zaleznosci od polaryzacji jego wejsc. W przypadku, gdy potencjał wejscia nieodwracaja-cego komperatora jest wiekszy od potencjału wejscia odwracajacego, wyjscie układu nasycasie do napiecia +5V. Stopien wyjsciowy układu LM311 z otwartym kolektorem, wymaganadodatkowo rezystorów podciagajacych. Wyjscia komparatorów sa bezposrednio łaczone z ka-nałami wejsciowymi TPU, na których działa funkcja HALLD. Eliminacje zakłócen (przerzu-tów) powstajacych przy zmianie polaryzacji wyjsc czujników Halla, zapewniaja filtry cyfrowew stopniach wejsciowych kanałów TPU. Filtr tłumi impulsy o czestotliwosci przekraczajacej 4takty zegara CPU. Diody LED dołaczone do wyjsc komparatora odzwierciedlaja stany sygna-łów sprzezenia zwrotnego z czujników połozenia.

Rysunek 25: Przebieg napiecia na wyjsciu komparatora i odpowiadaja mu wartosci logiczne

Opis wyprowadzen silnika znajduje sie w tabeli 1.

Nr. Oznaczenie Opis1 U Faza U silnika2 V Faza V silnika3 W Faza W silnika4 H1− Ujemne wyjscie 1 czujnika Hall’a5 H1+ Dodatnie wyjscie 1 czujnika Hall’a6 H2− Ujemne wyjscie 2 czujnika Hall’a7 H2+ Dodatnie wyjscie 2 czujnika Hall’a8 H3− Ujemne wyjscie 3 czujnika Hall’a9 H3+ Dodatnie wyjscie 3 czujnika Hall’a10 UH− Ujemny biegun zasilania czujników Hall’a11 UH+ Dodatni biegun zasilania czujników Hall’a

Tablica 1: Opis wyprowadzen silnika

26

Sygnały zasilajace uzwojenia stojana i sygnały sprzezenia zwrotnego zostały rozdzielone iłacza sia z płytka układu docelowego za pomoca złacza Z4 i Z5.

Rysunek 26: Złacze Z4 i Z5 silnika

Polaryzacje uzwojen silnika i odpowiadajace im zdyskretyzowane stany wyjsciowe czujni-ków Halla przedstawiono w tabeli 2.

Faza U Faza V Faza W Czujnik H1 Czyjnik H2 Czujnik H3-U +U +U 0 0 1-U -U +U 1 0 1+U -U +U 1 0 0+U -U -U 1 1 0+U +U -U 0 1 0-U +U -U 0 1 1

Tablica 2:

3.2.2 Obciazenie

Obciazenie silnika BLDC stanowi silnik szczotkowy z magnesami stałymi, pracyujacy wtrybie pradnicowym. Sprzezenie mechaniczne silnika i pradnicy, realizowane jest za pomocakół pasowych o przełozeniu 2 do 1 (rysunek 27).

Rysunek 27: Układ sprzegajacy silnik z pradnica

1. Koło pasowe silnika

2. Silnik BLDC

3. Koło pasowe pradnicy

4. Pradnica

5. Pasek sprzegajacy

27

Moment hamujacy wytwarzany na wale pradnicy ma charakter dynamiczny i zalezy od predko-sci obrotowej silnika napedzajacego. Układ taki doskonale symuluje zjawisko tarcia lepkiego.Przy ustalonej predkosci silnika, siła hamowania pradnicy zalezy tylko od pradu obciazenia ijest do niego proporcionalna. Wartosc pradu onciazenia mozna wyznaczyc z zaleznosci:

Iobc =U

Robc(18)

przy czym:

U - napiecie na zaciskach wyjsciowych pradnicy

Robc - rezystancja obciazenia pradnicy

Napiecie U na zaciskach wyjsciowych pradnicy:

U = E − IobcRt (19)

gdzie:

Rt - rezystancja uzwojen twornika

E - SEM indukowana w uzwojeniach twornika

Wartosc indukowanej SEM jest proporcionalna do preedkosci obrotowej wirnika:

E = kω (20)

Ostatecznie wartosc napiecia na zaciskach pradnicy wyznacza równanie (21)

U =E

1+ RlRobc

(21)

Zaleznosc napiecia na zaciskach pradnicy od predkosci dla róznych wartosci rezystancji obcia-zenia uzyskana w trakcie eksperymentu przedstawiono na rysunku 28.

Rysunek 28:

28

Im wieksza rezystancja obciazenia, tym mniejsze oddziaływanie twornika pradnicy, a co za-tym idzie mniejszy moment hamujacy. Dla bardzo duzych rezystancji charakterystyka pradnicypraktycznie nie rózni sie od charakterystyki biegu jałowego. Do regulacji momentu hamowaniasłuzy układ mikroprzełaczników, który obciaza wyjscie pradnicy róznymi wartosciami rezy-stancji.Liniowa charakterystyka pradnicy (silnika) w pełnym zakresie predkosci sprawia, ze mozna jaz powodzeniem wykorzystac do okreslania predkosci obrotowej silnika. W tym celu do wyj-scia pradnicy oprócz obciazenia podłaczono układ umozliwiajacy pomiar napiecia wyjsciowegopradnicy (rysunek 29).

Rysunek 29: Tor pomiarowy napiecia pradnicy

Na wejsciu układu pomiarowego zastosowano dzielnik napiecia złozonu z rezystorów R9 iR10. Zadaniem dzielnika jest ograniczenie maksymalnej wartosci napiecia wyjsciowego prad-nicy na wejsciu kolejnego stopnia toru pomiarowego do ok. 4V. Ze wzgledu na duza wartoscnapiecia pulsacji (max.2V) do wyjscia dzielnika dołaczono aktywny dwubiegunowy filtr dol-noprzepustowy o duze stałej czasowej RC. Filtr tłumi równiez składowa duzej czestotliwoscinapiecia wyjsciowego pochodzaca od iskrzenia na szczotkach. Duza wartosc stałej czasowejfiltru byłaby niepozadana, gdybysmy napiecie pradnicy wykorzystali jako sygnał sprzezeniazwrotnego od predkosci. Zwiekszyło by to bowiem znacznie stałe czasowe układu regulacji.Wyjscie filtru łaczy sie z dwunastobitowym przetwornikiem analogowo-cyfrowym MAX1270firmy MAXIM [17], który komunikuje sie ze sterownikiem za pomaca interfejsu SPI poprzezzłacze Z1 (rysunek 30). W tabeli 3 znajduje sie opis wyprowadzec SPI.

Rysunek 30: Złacze Z1

Nr Oznaczenie Nr Oznaczenie1 GDN 6 VCC2 PCS1 7 PCS13 PCS2 8 PCS34 SCK 9 MISO5 MOSI 10 GDN

Tablica 3: Opis złacza Z1

29

Role obciazenia statycznego pełni układ mechaniczny ze sprezyna (rysunek 31), która po-przez sworzen dociska tarcze hamujaca umieszcona na kole pasowym pradnicy. Moment ha-mujacy ma charakter tarcia suchego i jest proporcionalny do siły nacisku sprezyny.

Rysunek 31: Mechanizm hamujacy - rzut boczny

1. Pokretło regulacji siły hamowania

2. Obudowa układu dociskowego sworzen - prezyna

3. Sworzen dociskowy

4. Tarcza hamulca

5. Pradnica

Rysunek 32: Mechanizm hamujacy - zdjecie

Pokretło umieszczone na ramieniu wysiegnika pozwala na płynna regulacje siły tarcia.

30

3.2.3 Wzmacniacz mocy z logika sterujaca

Energie do silnika dostarcza stopien mocy, którego kompletny schemat ideowy przedsta-wiono na w dodatku B (rysunek 67). Wzmacniacz składa sie z trzech identycznych, niezalezniesterowanych półmostków mocy (rysunek 33).

Rysunek 33: Schemat ideowy półmostka mocy

Stopien wyjsciowy półmostka tworzy para komplementarnie połaczonych tranzystorów bi-polarnych T2 i T3. Dolny tranzystor półmostka T3 zapewna ujemne zasilanie fazy silnika. Bazatranzystora T3 wysterowywana jest z wyjscia bramki AND U1C. Rezystor R3 słuzy do ograni-czenia pradu bazy T3, natomiast rezystor R5 zapewnia blokowanie tranzystora na wypadek roz-warcia sygnałów sterujacych. Konstrukcja układu logicznego w stopniu wejsciowym mostkagwarantuje, ze niezaleznie od sygnałów sterujacych (IN1, E i PWM) wyjsciowe tranzystory T2i T3 nigdy nie beda właczone jednoczesnie. Stan wejscia IN1 decyduje o kierunku napiecia nawyjsciu stopnia mocy. Jedynka na wejsciu powoduje, ze górny tranzystor T2 wchodzi w stan na-sycenia, natomiast T3 jest blokowany. w przypadku, gdy IN=0 sytuacja jest odwrotna. WejscieE uaktywania lub blokuje okreslony półmostek. Stan niski powoduje, ze oba tranzystory stop-nia wyjsciowego sa blokowane. Przy właczonym półmostku stan tranzystorów wyjsciowychokreslony jest sygnałem sterujacym wejscia IN. Wejscie górnego tranzystora T2 sterowane jestz wyjscia bramki U2A poprzez tranzystor T1. Rezystory R1,R3, R4 ograniczaja prady baz tran-zystorów T1,T3 i T2, a rezystor R2 pełni taka sama funkcje jak R5 w dolnej czesci mostka. Tabela4 przedstawia zaleznosc miedzy sygnałami sterujacymi, a biegunem napiecia podawanego nafaze silnika. Wejscie PWM reguluje wartosc skuteczna napiecia zasilania. Do sygnalizacjipolaryzacji uzwojen stojana uzyto dodatkowo dwukolorowych diod LED.

IN1 E T2 T3 V LED0 0 OFF OFF - nie swieci0 1 OFF ON -U zielony1 0 OFF OFF - nie swieci1 1 ON OFF +U czerwony

Tablica 4:

31

3.2.4 Układ pomiaru pradu

Tor pomiaru pradu silnika pokazano na rysunku 34 Przetwornik prad - napiecie tworza

Rysunek 34: Układ pomiaru pradu silnika

dwa równolegle połaczone rezystory pomiarowe o rezystancji 1Ω kazdy. Napiecie z rezysto-rów pomiarowych podawane jest na wzmacniacz U12. Na wejsciu wzmacniacza zastosowanofiltr przeciwzakłóceniowy EMI skadajacy sie z R33,C8,R34,C9iC10. Stałopradowe wzmocnieniewzmacniacza wyznacza zaleznosc:

ku =−R35

R33(22)

Na wyjsciu wzmacniacza znajduja sie dwa kaskadowo połaczone dolnoprzepustowe filtry ak-tywne Sallen Keya. Ich zadaniem jest ograniczenie pasma sygnału na wejsciu przetwornikaA/C. Wyjscie filtru dołaczono do drugiego kanału przetwornika MAX1270 [17].

3.2.5 Koder kwadraturowy

Wyjsciowe sygnały kodera kwadraturowego wykorzystywane sa nie tylko jako sygnałysprzezenia zwrotnego w procesie komutacji. Moga byc one równiez zródłem informacji okierunku i predkosci wirnika. Zastosowano 10 - bitowy koder magnetyczny AS5040 firmyAustriamicrosystem (rysunek 35). Wewnatrz obudowy układu umieszczony jest zespół czuj-

Rysunek 35:

ników Halla, przedwzmacniacz analogowy, regulator napiecia i interfejs cyfrowy [9]. AS5040jest czujnikiem bezkontaktowym i wymaga jedynie umieszczenia niewielkiego magnesu na lubpod obudowa. Dziesieciobitowa rozdzielczosc pozwala na wykrycie 1024 pozycji przy pełnymobrocie o 360 stopni. Dzieki duzej skali integracji czujnik wymaga minimum obwodów ze-wnetrznych. Jest alternatywa dla koderów optycznych z uwagi duza niezawodnosc działania imałe wymiary.Syganały wyjsciowe wyprowadzone sa w kilku wariantach:

32

• przez interfejs szeregowy

– połozenie wzgledne (sygnały A, B, Index) - tryb 1

– połozenie bezwzgledne (sygnały Lsb, Dir) - tryb 2

• wyjscie PWM

Układ moze pracowac z dwoma poziomami napiec zasilania (3,3V i 5V). Rozdzielczosckodera jest programowalna w zakresie od 7 do 10 bitów. Domyslna wartoscia jest 10 bitów.Bardzo ciekawa własnoscia układu jest to, ze moze on pracowac jako komutator silnika bezsz-czotkowego. Wymaga to przeprogramowania układu w inny tryb pracy. Po przeprogramowaniuwszystkie trzy wyjscia kodera kwadraturowego, zostaja zastapione sygnałami sterujacymi U, V,W silnika. Wykorzystanie układu AS5040 bezposrednio jako komutatora ogranicza sie do ste-rowania silnikami tylko o okreslonej konstrukcji. Wymagany jest silnik trójfazowy o 1 lub 2parach biegunów magnetycznych wirnika.

Zastosowany układ pracuje w trybie 1 (domyslnym) w którym dostepne sa 3 wyjscia ko-dera kwadraturowego (A, B, Index). Schemat połaczenia układu przedstawiono na rysunku 36.Wyjscia A i B kodera łaczone sa z kanałami TPU, na których działa funkcja FQD. Dioda LED

Rysunek 36:

sygnalizuje, czy połozenie czujnika wzgledem magnesu jest własciwe, zapewniajac tym samymwaznosc odczytywanych danych. Układ AS5040 został zmontowany na osobnej płytce (rysu-nek 37). Mechaniczne sprzezenie kodera z silnikiem przedstawiono na rysunku 38. W tabeli5 zanajduje sie opisy wyprowadzen kodera. Poszczególne wyjscia kodera i sygnały zasilaniałacza sie z płytka elektroniki układu docelowego za pomoca złacz Z5 i Z6 (rysunek 39)

33

Rysunek 37: Płytka kodera

Rysunek 38: Mocowanie kodera na wale silnika

34

Nr. Sygnał Opis1 A 1 kanału kodera2 B 2 wyjscie koder3 MagINCn+MagDeCn sygnalizacja4 Vss masa zasilania5 Vdd zasilanie +5V

Tablica 5: Opis wyprowadzen kodera

Rysunek 39: Złacze Z6 i Z7

3.2.6 Interfejs uzytkownik

Komunikacja z uzytkownikiem realizowana jest za pomoca trzech monostabilnych przyci-sków i wyswietlacza LCD, umieszczonych na płycie czołowej urzadzenia. Przyciski połaczonesa z wejsciami kanałów TPU. Stany przycisków skanowane sa z zadana czestotliwoscia przezodpowiednio skonfigurowana funkcje DIO [17].Elementem wizualizacyjnym jest alfanumeryczny wyswietlacz LCD, wmozliwiajacy wyswie-tlanie w kazdej z 2 linii do 16 znaków. Moduł wyswietlacza zawiera własny sterownik, któryrealizuje wszystkie zadania zwiazane z umieszczaniem danych na matrycy. W skład modułusterujacego wyswietlaczem wchodzi kontroler, sterownik linii i kolumn samej matrycy graficz-nej, oraz pamiec RAM ekranu. Interfejs kontrolera przystosowany jest do bezposredniej współ-pracy z szyna mikrokontrolera MC68332. Połaczenie miedzy sterownikiwm wyswietlacza amikrokontrolerem przedstawiono na rysunku 40.

Rysunek 40: Schemat połaczenia sterownika LCD

Opis wszystkich wyprowadzen wyswietlacza zamieszczono w tabeli 6. Wewnetrzna orga-

35

Nr. Sygnał Opis1 Vss masa zasilania2 Vdd zasilanie +5V3 V0 kontrast4 RS 0:rozkaz, 1:znak5 R/W 0:zapis, 1:odczyt6 E strob 1->0

7...14 D0...D7 szyna danych

Tablica 6:

nizacja pamieci w układzie MC68332 wymaga, aby urzadzenia 8 - bitowe łaczyły sie z mi-krokontrolerem za pomoca górnej połówki magistrali. Wybór układu wyswietlacza zapewniasygnał CS9 wewnetrznego dekodera adresowego. Stan linii adresowej A0 decyduje czy danena magistrali maja byc traktowane jako rozkaz, czy jako kod zanku do wyswietlenia.

Wyswietlacz zamontowany jest płytce elektroniki układu docelowego, i łaczy sie z płytkasterownika za pomoca zacza Z3 (rysunek 41)

Rysunek 41: Złacze Z3

3.3 ZasilaczZe wzgledu na parametry silnika, konieczne stało sie skonstruowanie zewnetrznego zasi-

lacza o napieciu wyjsciowym 12V i minimalnej wydajnosci pradowej 0.6A. Schemat ideowyzasilacza przedstawiono na rysunku 42.Na wejsciu układu zastosowano transformator troidalny o napieciu uzwojenia wtórnego 12V i

Rysunek 42: Schemat zasilacza +10V, 3A

pradzie obciazenia 4.1A. Napiecie wyjsciowe transformatora prostowane jest w układzie mostkaB1, i dalej poprzez konensator 4700µF podawane na wejscie stabilizatora LM350. Zada-niem kondensatora jest ograniczenie amplitudy napiecia tetnien na wejsciu stabilizatora. UkładLM350 nalezy do grópy trójkoncówkowych stabilizatorów o dobieranej wartosci napiecia wyj-sciowego. Zamiast wyprowadzenia masy posiada on wyjscie regulacji napiecia, którego poten-cjał w czasie normalnej pracy stabilizatora, jest zawsze o 1,25V nizszy od potencjału koncówki

36

wyjsciowej stabilizatora. Układ wymusza na rezystorze R2 napiecie o wartosci 1,25V, ustalajactym samym prad, który przez niego płynie. Poniewaz przez wyprowadzenie regulacji napieciapłynie prad o bardzo małej wartosci, napiecie wyjsciowe stabilizatora wyznacza sie z zalezno-sci:

Uwy = 1,25(1+Ra +P1

R2) (23)

Potencjometr P1 pozwala na płynna regulacje napiecia wyjsciowego w zakresie 4V . Od-powiednio wysoka wartosc pojemnosci kondensatora na wyjsciu stabilizatora zapewnia czesto-tliwosciowa kompensacje petli sprzezenia zwrotnego stabilizatora. Dodatkowy kondensator opojemnosci 10µF miedzy koncówka słuzaca do ustalania napiecia wyjsciowego a masa układu,zwieksza tłumienie tetnien i zakłócen impulsowych. Dioda D1 słuzy do razładowywania kon-densatora C2. Diode D2 chroni stabilizator przed uszkodzeniem w przypadku zwarcia jegozacisków wejsciowych.

37

4 Oprogramowanie sterownikaPoniewaz cały ciezar sterowania silnikiem, jak tez zbieranie niektórych danych pomia-

rowych spoczywa bezposrednio na procesorze czasowym TPU, który jest jednostka autono-miczna, działajaca niezaleznie od CPU wykonujaca własny program (zwany mikrokodem), opisoprogramowania podzielono na dwie czesci. Pierwsza z nich przedstawia zadania wykonywaneprzez procesor główny, natomiast druga stanowi opis zagadnien zwiazanych z konfiguracja idziałaniem funkcji jednostki TPU.

4.1 Struktura oprogramowania CPUUproszczony diagram przedstawiajacy działanie głównej petli programu CPU pokazano na

rysunku 43.

Rysunek 43: Diagram działania głównej petli programu

38

Po starcie programu w pierwszej kolejnosci nastepuje inicjalizacja zmiennych i konfigu-racja urzadzen zewnetrznych współpracujacych z mikrokontrolerem. Działanie petli głównejprogramu ograniczone jest do obsługi interfejsu uzytkownika i wysyłania sygnałów sterujacychdo urzadzen zewnetrznych. W skład interfejsu uzytkownika wchodzi wielopoziomowe menu,które pozwala na wybór trybu pracy i ustawienie wielu parametrów zwiazanych z praca silnikam.i. takich jak:

• nastawa współczynnika wypełnienia PWM (przy wyłaczonym regulatorze)

• nastawa predkosci (regulator właczony)

• nastawa kierunku ruchu

• nastawa parametrów regulatora

• wybór trybu komutacji

– z koderem

– z czujnikami Hall’a

– reczna

• automatyczne zdejmowanie charakterystyk silnika

– charakterystyki dynamiczne

– charakterystyki elektromechaniczne

Wiekszosc parametrów to dane wejsciowe funkcji TPU, które CPU przekazuje za posred-nictwem wspólnego obszaru pamieci RAM.

Pomiary, przetwarzanie danych pomiarowych i algorytm regulacji realizowane sa w trzechpodprogramach obsługi przerwan, których zródłem sa:

• kolejkowy interfejs szeregowy QSM

• funkcja FQM jednostki TPU

• układ przerwan cyklicznych PIT

4.1.1 Kolejkowy interfejs szeregowy QSM (Queued Serial Module)

Moduł QSM jest jednym z dodatkowych elementów na wyposarzeniu mikrokontrolera,który umozliwia mu komunikacje z urzadzeniami zewnetrznymi za pomoca dwóch interfejsówszeregowych[10]:

• asynchronicznego SCI

• kolejkowego, synchronicznego SPI

SCITransmisja synchroniczna wykorzystywana jest do komunikacji z komputerem nadrzednym.Konfiguracja interfejsu nastepuje po wywołaniu funkcji SciInit. Predkosc transmisji ustawionajest na sztywno i wynosi 9600 bodów. Inne funkcje bezposrednio zwiazane z modułem SCI toSciStart i SCIPutText. Funkcja SciStart wlacza moduł sterownika SCI, natomiast SCIPutTextwysyła dane do bufora transmisji SCI.

39

SPIKolejkowy interfejs szeregowej transmisji synchronicznej SPI komunikuje sie ze wczesniejwspomnianym przetwornikiem ADC MAX1270, który odpowiedzialny jest za próbkowaniei przetworzenie ciagłych w czasie sygnałów pomiaru pradu silnika i napiecia pradnicy. Mecha-nizm kolejkowy kontrolera podmodułu SPI pozwala na dokonanie całych serii pomiarów bezinterwencji i wykorzystania cennych zasobów CPU. Mozliwe jest zaprogramowanie do 16 nie-zaleznych transmisji. Dla kazdej przewidziany jest własny rejestr sterujacy, rejestr danych prze-znaczonych do wysłania i rejestr odbiorczy. Rejestr sterujacy zwieksza funkcjonalnosc układuumozliwiajac ustawienie dla kazdego zadania indywidualnie niektórych parametrów transmi-sji. Do konfiguracji podmodułu SPI słuzy funkcja SpiInit. Ustala ona m.in. predkosc transmisji(4Mhz) i szerokosc ramki danych (16-bitów). Wykorzystanie pełnej kolejki, czyli 16 transmisjido obsługi 2 kanałów pomiarowych przetwornika pozwala uzyskac duza czestotliwosc prób-kowania mierzonego sygnału. Schemat działania cyklu pomiarowego SPI przedstawiono narysunku 44.

Rysunek 44: Cykl pomiarowy kolejki SPI

W celu zainicjowania pomiaru na okreslonym kanale nalezy wysłac do przetwornika ramkesterujaca o strukturze jak na rysunku 45. Do wyboru kanału, z którego przetwornik pobiera

40

Rysunek 45: Bajt sterujacy dla MAX1270

próbke sygnału do przetworzenia słuza bity SEL2, SEL1 i SEL0 [11]. Bit RNG ustawla zakrespomiarowy przetwornika, natomiast pozycja BIP pozwala na pomiar napiec ujemnych. Podczaskazdej transmisji nastepuje inicjacja pomiaru na jednym kanale i jednoczesny odczyt pomiaruz kanału drugiego. Po wykonaniu pełnej kolejki sterownik SPI zgłasza przerwanie do CPU irozpoczyna kolejna sterie 16 pomiarów. W programie obsługi przerwania nastepuje cyfrowafiltracja zebranych pomiarów. Filtracji dokonuje funkcja Mediana, która sortuje wyniki po-miaru, a nastepnie odrzuca wartosci skrajne (najwieksza i najmniejsza). Koncowym wynikiemprzetwarzania jest srednia arytmetyczna z pozostałych nieodrzuconych pomiarów.

4.1.2 Regulator predkosci

Podczas gdy komutacja zapewnia własciwy obrót wirnika silnika BLDC, jego predkosczalezy wyłacznie od amplitudy napiecia zasilania. Do modulacji wartosci skutecznej tego na-piecia wykorzystuje sie technike PWM. W celu uzyskania zadanej predkosci obrotowej silnikaskonstruowano regulator, którego strukture przedstawiono na rysunku 46.

Rysunek 46: Struktura układu regulatora predkosci

Zastosowany regulator działa w oparciu o algorytm PD, który wyraza sie nastepujacym rów-naniem [4]:

u(t) = kpe(t)+ kdde(t)

dt(24)

Zaimplementowanie algorytmu w sterowniku wymaga przekształcenia go do postaci dyskret-nej:

u(k) = up(k)+ud(k) (25)

up = kpe(k) (26)

ud =kd

T(e(k)− e(k−1)) (27)

gdzie:

41

u(k) - sygnał wyjsciowy regulatora

up(k) - sygnał wyjsciowy czesci proporcjonalnej

ud(k) - sygnał wyjsciowy czesci rózniczkowej

e(k) - bład w kroku k

e(k−1) - bład w kroku k-1

T - czas próbkowania

kp - wzmocnienie czesci proporcjonalnej

kd - wzmocnienie czesci rózniczkowej

Algorytm PD w oparciu o uchyb regulacji wytwarza sygnał sterujacy, wyrazony czasem wy-pełnienia, który jest parametrem wejsciowym funkcji PWM układu TPU[13]. Za wykonaniealgorytmu regulacji odpowiedzialna jest funkcja Regulat działajaca na strukturze pd_reg, którazawiera wszystkie wczesniej wymienione parametry regulatora. Górna wartosc sygnału zwra-canego przez regulator u(k) jest ograniczona parametrem PWMPER funkcji PWM[13]. Uzycieregulatora jest opcjionalne i zalezy od stanu zmiennej reg_on.

4.2 Oprogramowanie TPU (Time Processor Unit)Wielka zaleta mikrokontrolera MC68332 jest obecnosc układu TPU. Jest to zarazem główny

powód, dla którego mikrokontroler ten znakomicie nadaje sie do sterowania róznego rodzajusilnikami. Celem wprowadzenia układu TPU było odciazenie procesora CPU od realizacjiskomplikowanych zadan czasowo-licznikowych z jakimi tez bez watpienia wiaze sie komutacjaszybkimi sinikami BLDC. TPU umozliwia obsługe wielu róznych funkcji czasowych na 16 nie-zaleznych kanałach. Zasoby sprzetowe układu zapewniaja duza szybkosc wykonywania wieluzadan jednoczesnie. TPU udostepnia tryb emulacji w którym pamiec ROM mikrokodu zostajezastapiona pamiecia TPURAM. Rozwiazanie takie stwarza mozliwosc pisania i uruchamianiawłasnych zestawów funkcji TPU.

4.2.1 Konfiguracja TPU

Przed uruchomieniem TPU nalezy układ skonfigurowac [5]. Do najwazniejszych ustawienzalicza sie:

– czestotliwosc pracy zegara TCR1

– czestotliwosc pracy zegara TCR2

– tryb pracy (układ pracuje w trybie emulacji)

W celu zapewnienia duzej niezawodnosci i minimalnych opóznien obsługi zdarzen dzia-łajacych funkcji TPU, przed przystapieniem do ich konfiguracji nalezy uwaznie rozwazyc do-bór kanałów i priorytetów. Mechanizm kolejkowania zadan TPU zapewnia odpowiedni przy-dział czasu procesora dla funkcji o danym priorytecie. Ogólny schemat według którego TPUpodejmuje decyzje o wykonaniu zadan w zaleznosci od priorytetu przedstawiono na rysunku47. Schemat obsługi zdarzen TPU gwarantuje, ze funkcje o priorytecie najwyzszym (H) bedaczterokrotnie czesciej wykonywane niz funkcje o priorytecie najnizszym (L), i dwukrotnie cze-sciej niz funkcje ze srednim priorytetem (M). W tabeli 7 przedstawiono zestaw wykorzystanych

42

Rysunek 47: Schemat obsługi zdarzen przez TPU

Nr kanału Funkcja Priorytet13 COMM MASTER H14 COMM 1 -15 COMM 2 -0 COMM 3 -1 COMM 4 -2 COMM 5 -3 HALLD A H4 HALLD B -5 HALLD C -6 PWM M7 FQD A H8 FQD B H10 FQM H9 DIO L11 DIO L12 DIO L

Tablica 7: Spis wykorzystanych funkcji z przydziałem kanałów i priorytetów obsługi (złacze Z2)

funkcji TPU wraz z przydzielonymi im kanałami i priorytetami obsługi.

W tak skonstruowanym systemie (tabela 7) krytyczna sprawa jest obsługa funkcji zwiaza-nych z komutacja silnika. Kazde opóznienie moze wiazac sie z pogorszeniem jakosci ruchusilnika, jakoscia wytwarzanego momentu, moze doprowadzic do rozsynchronizowania komu-tacji, a nawet do zatrzymania ruchu wirnika. Z tego wzgledu wszystkim funkcjom bioracymbezposredni udział w generowaniu sygnałów komutacji został przydzielony arbitralnie priorytetnajwyzszy. Jednak nawet najwyzszy priorytet nie zawsze zapewnia obsługe wszystkich zadan wwymaganym czasie. Dlatego konieczna jest analiza najgorszego przypadku (WCL-Worst CaseLatency) , która pozwala okreslic maksymalne dopuszczalne opóznienia zdarzen krytycznych.Dzieki temu uzyskujemy informacje o warunkach w których komutacja silnikiem moze prze-biegac bezawaryjnie. Dla funkcji niezwiazanych z komutacja silnika analiza taka była zbednaze wzgledu na charakter wykonywanych przez nie zadan.

4.2.2 Funkcja COMM

COMM [19] jest główna funkcja wykorzystywana w procesie sterowania silnikiem BLDC.Jej podstawowym zadaniem jest generowanie sygnałów komutacji. Funkcja jest bardzo ela-styczna i moze byc wykorzystana do sterowania silnikami zarówno trój jak i czterofazowymi.Działanie funkcji obejmuje dwa tryby:

• czujnikowy (Sensored Mode)

• bezczujnikowy (Sensorless Mode)

43

Tryb pracy okresla zródło, z którego funkcja COMM czerpie inforamcje o aktualnym po-łozeniu wirnika. Dla trybu bezczujnikowego zródłem tym jest funkcja FQD [14], która zliczaimpulsy z kodera umieszczonego na wale silnika. W trybie czujnikowym sygnały sprzezeniazwrotnego przekazywane sa za posrednictwem funkcji HALLD [16] dekodujacej stany wyjsc zczujników Hall’a. Inicjalizacja funkcji COMM nastepuje po wywołaniu procedury InitComm,której parametrem wejsciowym jest zmienna okreslajaca tryb jej pracy. Ponizej zestawiono iopisano wszystkie parametry funkcji COMM odpowiedzialne za jej działanie:

• COUNTER_ADDR - parametr ten przechowuje adres pod którym znajduje sie licznikpozycji funkcji FQD (wykorzystywany tylko przez tryb bezczujnikowy).

• NO_OF_PINS - okresla liczbe kanałów wykorzystywanych do wytwarzania sygnałówkomutacji.

• STATE_NO - zmienna przechowuje numer pozycji w tablicy komutacji, odzwierciedla-jacy biezacy stan komutacji. W trybie sensorycznym zawartosc rejestru nadpisywana jestprzez funkcje HALLD.

• OFFSET - parametr, który pozwala na regulacje kata miedzy wektorem pola stojana iwirnika. OFFSET uzywany jest m.in. do wytworzenia momentu startowego, kompensacjiopóznien, hamowania silnika i okreslenia kierunku ruchu. (tylko sensorless mode)

• UPDATE_PERIOD - słuzy do okreslenia czestotliwosci z jaka funkcja COMM dokonujeporównania miedzy suma licznika pozycji FQD i parametru OFFSET z parametrami UP-PER i LOWER.

• UPPER i LOWER - zawieraja górna i dolna wartosc pozycji licznika po przekroczeniuktórej powinna nastapic komutacja. Z chwila gdy suma licznika pozycji FQD i parame-tru OFFSET przekroczy wartosc przechowywana w rejestrze UPPER nastapi zwiekszeniezawartosci zmiennej STATE NO o jeden. Spowoduje to jednoczesnie zmiane stanów wyj-sciowych kanałów funkcji COMM zgodnie z nowa pozycja STAT_NO w tablicy komuta-cji. Zawartosc rejestru UPPER zostaje zaktualizowana w sposób zapewniajacy własciwesterowanie silnikiem. Analogiczna sytuacja jest ze zminna LOWER, z tym ze zawartoscSTAT_NO jest dekrementowana w kazdym kolejnym etapie komutacji.

• NO_OF_STATES - osmiobitowy parametr, który okresla liczbe stanów wyjsciowych ge-nerowanych przez funkcje. Liczba mozliwych stanów jest ograniczona i zalezy od ob-szaru pamieci RAM zajmowanego przez kolejne kanały funkcji COMM, nie liczac kanałuCOMM MASTER.

Ustawienia najwazniejszych parametrów funkcji COMM dla trybu bezczujnikowego:

NO OF PINS=6,NO OF STATES=18,UPDATE PERIOD=2,UPPER=9,LOWER=-9,OFFSET=64 (dla ruchu silnika w prawo)

Ponizej pokazano sposób konstruowania tablicy komutacji (równiez dla trybu sensorless).Strukture pojedynczego stanu w tablicy komutacji przedstawiono na rysunku 48.

gdzie:

44

Rysunek 48: Struktura stanu w tablicy komutacji

E1,E2,E3 - sygnały uaktywnijace poszczególne półmostki stopnia mocy.

IN1, IN2, IN3 - pozycje ustalajace biegun napiecia zasilania faz silnika

Długosc stanu - zawiera liczbe impulsów po zliczeniu których powinna nastapic przejscie dokolejnego etapu komutacji. Długosc stanu wyznaczono z zaleznosci:

Długosc stanu =Nk

Nsk ∗Np=

10246∗6

= 28.4 (28)

gdzie:

Nk - rozdzielczosc kodera AS5040.

Nsk - liczba sekwencji komutacji przypadajaca na jeden obrót pola magnetycznrgo stojana

N p - liczba obrotów pola magnetycznego stojana przypadajaca na jeden obrót mechanicznywirnika.

Podczas wypełniania tablicy komutacji wykorzystano dane zdobyte podczas identyfikacji sil-nika (podrozdział 3.2.1). Po uwzglednienu wyniku równania 28 i wykorzystaniu danych z tabeli2 (str. 26) wpis w tablicy komutacji przedstawia sie nastepujaco:

Nr stanu Długosc stanu Konfiguracja wyjsc kanałów0 28 0111111 29 0101112 28 1101113 29 1101014 28 1111015 29 0111016 28 011117 29 010118 28 1101119 29 1101010 28 1111011 29 0111012 28 0111113 29 0101114 28 11011115 29 1101016 28 1111017 28 01110

Tablica 8: Tablica komutacji dla trybu bezczujnikowego

45

Konfiguracja funkcji COMM dla trybu pracy z wykorzystaniem czujników Hall’a jest znacz-nie prostsza. Wynika to z odmiennego charakteru sygnału sprzezenia zwrotnego dostarczanegoprzez inna funkcje wejsciowa. Podczas, gdy dla trybu sensorless obliczenie numeru stanu wtablicy komutacji (STATE_NO) spoczywało na samej funkcji COMM, to w przypadku drugiegotrybu parametr ten jest gotowym produktem wyjsciowym funkcji HALLD [8]. Dla funkcjiCOMM ustawiamy tylko NO OF PINS=6. Tablice komutacji dla trybu czujnikowego Hall,aprzedstawiono na rysunku 9.

Nr stanu Konfiguracja wyjsc kanałów0 0000001 0000002 0111113 1111014 1101115 0111116 0101117 0111018 1111019 11011110 01110111 11010112 11010113 01011114 00000015 000000

Tablica 9: Tablicy komutacji dla trybu z wykorzystaniem funkcji HALLD

4.2.3 Funkcja HALLD

Funkcja HALLD [16] jest przeznaczona do współpracy z funkcja COMM. Została stwo-rzona, zeby umozliwic funkcji COMM sterowanie silnikami wyposazonymi w czujniki Hall’a.Wykorzystuje dwa lub trzy kanały wejsciowe do dekodowania stanów wyjsciowych tych czuj-ników. Podstawowe parametry funkcji to:

• DIRECTION - ustawia kierunek ruchu silnika

• PINSTATE - reprezentuje biezacy stan na wejsciu kanału

• STATE_NO_ADDRE - zawiera adres, pod którym funkcja umieszcza wynik swojegodziałania, czyli numer stanu reprezentujacy odpowiednia pozycje w tablicy komutacji(nalezy wpisac adres, pod którym umieszczona jest zmienna STATE_NO funkcji COMM).

Współpraca funkcji HALLD z COMMZ chwila, gdy nastapi zmiana stanu na jednym z kanałów wejsciowych, funkcja HALLD (we-dług wzorca z tabeli 10) generuje nowy stan wyjsciowy i umieszcza go w parametrze STATE_NOfunkcji COMM. Po umieszczeniu danej reprezentujacej nowa pozycje w tablicy komutacji,HALLD powiadamia COMM o nowej wartosci w rejestrze STATE_NO, w wyniku której po-minna nastapic zmiana stanu na wyjsciach kanałów funkcji COMM.

46

Kanał HALLD A Kanał HALLD B Kanał HALLD C DIRECTION STATE_NO0 0 0 0 00 0 1 0 20 1 0 0 40 1 1 0 61 0 0 0 81 0 1 0 101 1 0 0 121 1 1 0 140 0 0 1 10 0 1 1 30 1 0 1 50 1 1 1 71 0 0 1 91 0 1 1 111 1 0 1 131 1 1 1 15

Tablica 10: Sposób dekodowania stanu wyjsc czujników Hall’a przez funkcje HALLD

4.2.4 Funkcja FQD

FQD [14] dostarcza funkcji COMM sygnałów sprzezenia zwrotnego od połozenia wirnika wpostanci wartosci licznika pozycji. Wykorzystuje dwa kanały, do których podłaczono wyjsciakodera kwadraturowego AS5040. Wartosc licznika pozycji odzwierciedla połozenie wirnikawzgledem stojana. Licznik jest inkrementowany badz dekrementowany w zaleznosci przesu-niecia fazowego miedzy sygnałami na wejsciach kanałów A i B. FQD moze pracowac w dwóchtrybach:

• normalnym (normal mode)

• szybkim (fast mode)

W trybie normalnym rejestr licznika pozycji ulega zwiekszeniu, lub zmniejszeniu przyzmianie stanu któregokolwiek z 2 sygnałów wyjsciowych kodera. Tryb ten w przeciwienstwiedo trybu szybkiego, zapewnia wykorzystanie pełnej rozdzielczosci kodera. W trybie szybkimkanł B jest niewykorzystywany, a zmiana licznika pozycji nastepuje tylko przy zboczu nara-stajacym sygnału na wejsciu kanału pierwotnego. W ten sposób maksymalne dopuszczaleneopóznienie obsługi zdarzen funkcji FQD zwieksza sie czterokrotnie, gwarantujac jednoczesnieprawidłowa aktualizacje licznika pozycji przy znacznie wiekszych czestotliwosciach zmian sy-gnału wejsciowego. Do inicjalizacji FQD słuzy procedura FqdInit, która odpowiada za usta-wienia nizej przedstawionych pól konfiguracyjnych w pamieci RAM obu kanałów:

• POSITION_COUNT - inicjalizacja licznika pozycji (tylko kanał pierwotny)

• CORR_PINSTATE_ADDR - adres parametru CHAN_PINSTATE drugiego kanału FQD.

• EDGE_TIME_ADDR - pole powinno wskazywac parametr EDGE_TIME rezydujacegow obszarze RAM kanału pierwotnego.

Zmiana trybu pracy funkcji FQD nastepuje po wywołaniu procedury FqdMode. Przełacze-nie trybu moze nastapic w dowolnym momencie, jednak funkcja FQD powinna zawsze rozpo-czynac działanie w trybie normalnym (normal mode). W programie sterownika przełaczenie

47

trybu jest warunkowe i nastepuje po przekroczeniu ustalonych predkosci obrotowych silnika.Progi przełaczenia trybu zostały dobrane w wyniku eksperymentu. Jego wynik pozwolił usta-lic maksymalna predkosc silnika, przy której TPU zapewnia poprawne zliczenie wszystkichzboczy impulsów na obu obu wejsciach kanałów.

Na rysunku 49 przedstawiono skutki przekroczenia dozwolonych predkosci, przy komutacjisilnika z wykorzystaniem funkcji FQD pracujacej w trybie normalnym. Przy wysokich pred-kosciach silnika funkcja FQD nie jest w stanie policzyc wszystkich zboczy szybkozmiennegosygnału z obu wyjsc kodera kwadraturowego, wskutek czego nastepuje przekłamanie zawarto-sci licznika pozycji. Wpływa to bezposrednio na kat miedzy wektorami pola stojana i wirnikai objawia siezmiana predkosci obrotowej silnika. Zmiana kata bedzie nastepowała tak długo,az silnik zwolni do predkosci przy której nastapi prawidłowe zliczanie wszystkich zboczy im-pulsów z obu wyjscia kodera. Na rysunku 49 widac, ze próg przy którym powinno nastapicprzeaczenie funkcji FQD z trybu normalnego na szybki i na odwrót miesci sie w okolicach4200rpm.

Rysunek 49: Charakterystyka predkosci silnika dla komutacji z kodera kwadraturowego po przekłamaniu licznikapozycji funkcji FQD

4.2.5 Funkcja PWM

PWM jest funkcja wyjsciowa wykorzystana do modulacji wartosci skutecznej napiecia za-silajacego silnik. Wyjscie kanału funkcji PWM łaczy sie z wejsciem (PWM) logiki sterujacejstopnia mocy (rysunek 33). Pozadana wartosc napiecia zasilania uzyskujemy poprzez regula-cje wypełnienia przebiegu prostokatnego o stałym okresie. Inicjalizacja funkcji nastepuje powywołaniu procedury PwmInit. Ponizej przedstawiono główne parametry definiujace działaniefunkcji:

• PWMHI - ustawia wypełnienie sygnału

• PWMPER - odpowiada za ustawienie okresu impulsu

Wartosc skuteczna napiecia zasilajacego fazy silnika Usk wyznacza zaleznosc:

48

Usk =PWMHI

PWMPERUz (29)

gdzie:

Uz - napecie zasilajace stopien mocy

4.2.6 Funkcja FQM

Działanie funkcji FQM (Frequency Measurement) polega na zliczaniu impulsów wejscio-wych w zadanym przedziale czasu. Jej głównym przeznaczeniem jest pomiar czestotliwosci.Funkcja moze pracowac w dwóch trybach, z których jeden obejmuje wykonanie pojedynczegopomiaru, a drugi zapewnia ciagłosc ich wykonywania. Wywołanie procedury FqmInit zapewniafunkcji inicjalizacje nastepujacych parametrów:

• CHANNEL_CONTROL - rejestr sterujacy kanał zawierajacy pola TBS, PAC i PSC. TBSsłuzy do wyboru zegara podstawy czasu dla kanału, natomiast PAC okresla rodzaj wy-krywanego zbocza. Pole PSC jest niewykorzystywane.

• WINDOW_SIZE - wartosc w tym rejestrze ustala okres pomiarowy.

Funkcja została skonfigurowana do pracy w trybie ciagłym. Jest wykorzystana do pomiarupredkosci obrotowej silnika. Sygnał pomiary predkosci pobierany jest z drugiego wyjscia ko-dera kwadraturowego (kanał B). Po wykonaniu pojedynczego pomiaru FQM zgłasza przerwa-nie do CPU. W programie obsługi przerwania w oparciu o dane pomiarowe funkcji FQM na-stepuje wyliczenie predkosci obrotowej silnika.

49

5 Obsługa i mozliwosci stanowiskaJak wspomniano w rozdziale (3.2.6) komunikacja z uzytkownikiem realizowana jest za po-

moca przycisków i wyswietlacza LCD umieszczonych na płycie czołowej układu docelowego.W skład interfejsu wchodza równiez diody sygnalizacyjne, mikroprzełaczniki i mechanizm re-gulacji siły docisku (rysunek 50).

Rysunek 50: Widok płyty czołowej stanowiska

Na płycie czołowej urzadzenia wyróznic mozna nastepujace elementy:

1 - wyswietlacz LCD.

2 - pradnica .

3 - diody sygnalizujace stany wyjsciowe czujników Hall’a.

4 - silnik BLDC.

5 - diody sygnalizujace polaryzacje faz silnika.

6 - dioda sygnalizujaca własciwe umieszczenie czujnika AS5040 wzgledem magnesu

7 - mechaniczny układ regulacji siły docisku

8 - mikroprzełacznik do wyboru rezystancji obciazenia pradnicy

9 - układ trzech przycisków słuzacych do przemieszczania sie po menu, wykonywania nastaw,inicjacji pomiarów itd.

50

Ze wzgledu na duza liczbe dostepnych funkcji stanowiska konieczne stało sie skonstru-owanie wielopoziomowego menu i przydzielenie kazdemu z przycisków kilku znaczen. Menuzostało zaprojektowane w sposób zapewniajacy łatwa i wygodna obsługe stanowiska. Jegostrukture przedstawiono na rysunku 51.

Rysunek 51: Konstrukcja menu uzytkownika

51

Najwyzszy poziom menu składa sie z pozycji, które reprezentuja cztery główne tryby pracystanowiska:

• Komut.HALLD - komutacja silnika nastepuje w oparciu o sygnały sprzezenia zwrotnegoz czujników Hall’a. Uzytkownik mam mozliwoc regulacji takich parametrów jak:

– Set kier. - ustawia kierunek ruchu silnika

– Set pwm - moduluje wartosc skuteczna napiecia zasilajacego silnik poprzez regula-cje wypełnienia przebiegu prostokatnego. Przy zmianie tego parametru silnik pra-cuje bez regulatora predkosci (jezeli wczesniej regulator był właczony to z chwilapierwszej zmiany parametru PWM nastepuje jego automatyczne wyłaczenie).

– Set rpm - słuzy do nastawy pozadanej wartosci predkosci silnika. Silnik pracuje podkontrola regulatora predkosci PD.

• Komut.AS5040 - w trybie tym silnik sterowany jest z wykorzystaniem sygnałów z ko-dera kwadraturowego AS5040. W tym przypadku istnieje mozliwosc regulacji takichsamych parametrów jak to miało miejsce w ostatnio omawianym punkcie. Dodatkowymparametrem regulacji jest:

– Set offset - pozwala na regulacje kata miedzy wektorami pola stojana i wirnika.

Dla obu wymienionych wyzej trybów pracy w czasie regulacji dostepnych parametrówistnieje mozliwosc obserwacji napiecia generowanego na wyjsciu prodnicy tachometrycz-nej, pradu silnika i jego predkosci obrotowej.

• Komut.Reczna - pozwala przesledzic w trybie krokowym kolejne etapy komutacji sil-nika. Uzytkownik zmienia polaryzacje faz silnika poprzez reczna zmiane parametruSTATE_NO, która reprezentuje stan w tablicy komutacji. Zespół diod na panelu stano-wiska daje mozliwosc zaobserwowania polaryzacji faz silnika, jak tez stanu wyjsc czuj-ników Hall’a w róznych fazach komutacji.

• Charakterystyki - podmenu zostało stworzone w celu przeprowadzenia automatycznychpomiarów wybranych charakterystyk. Zawiera pola ustawiajace warunki pomiarowe, jaktez pozycje wyboru pozadanej charakterystyki:

– Set Kp - pole nastawy wzmocnienia czesci proporcionalnej regulatora

– Set Kd - nastawa wzmocnienia czesci rózniczkujacej regulatora

– Set pwm - nastawia wartosc napiecia zasilania silnika w chwili jego startu przy ste-rowaniu w petli otwartej

– Set speed - zadaje wartosc predkosci silnika przy sterowaniu z wykorzystaniem re-gulatora predkosci PD.

– Set offset - ustawia kat miedzy wektorem pola stojana i wirnika w chwili startusilnika dla komutacji z wykorzystaniem kodera kwadraurowego.

– Nr charakterystyki - umozliwia wybór mierzonej charakterystyki. Stanowisko umoz-liwia pomiar do siedmiu róznych charakterystyk. Ich opis znajduje sie ponizej.

52

Opis dostepnych charakterystyk

CH0 (SPEED - Up) - charakterystyka pradnicy tachometrycznej. Pomiar dokonywany jest przykomutacji silnika z wykorzystaniem czujników Hall’a i rozpoczyna sie od maksymalnejpredkosci, zgodnie z wartoscia na pozycji Set speed.

CH1 (PWM -SPEED) - mierzy zaleznosc napiecia zasilania (wypełnienia sygnału sterujacego)silnika od predkosci.

CH2 (T - SPEED) - bada odpowiedz silnika na wymuszenie skokiem napiecia o wartosciokreslonej parametrem Set pwm (regulator predkosci wyłaczony).

CH3 (SPEDD - I) - umozliwia pomiar pradu silnika w funkcji pedkosci w warunkach rozru-chowych i przy zmianie obciazenia.

CH4 (T - SPEED) - bada własnosci dynamiczne silnika przy sterowaniu z wykorzystaniemczujników Hall’a i przy właczonym regulatorze predkosci PD. Przed pomiarem charak-terystyki nalezy ustawic wzmocnienia Kd i Kp regulatora, zadac predkosc silnika poprzezustawienie parametru w polu Set speed, oraz dobrac obciazenie silnika (za pomoca mi-kroprzełaczników, badz mechanicznego układu dociskowego).

CH5 (OFFSET - SPEED) - bada wpływ parametru Offset na predkosc silnika (komutacja zkodera). Przed wykonaniem pomiaru nalezy ustawic parametr Set pwm. Przeprowadzenieserii pomiarów dla róznych wartosci tego parametru pozwala ustalic optymalne wartosciOFFSET dla róznych predkosci obrotowych silnika.

CH6 (SPEED - T) - Bada odpowiedz silnika na wymuszenie skokiem napiecia o wartsci okre-slonej przez paramter Set pwm. Przed wykonaniem pomiaru nalezy ustalic warunki po-czatkowe poprzez ustawienie parametrów Set pwm i Offset.

53

6 EksperymentyW rozdziale tym przedstawiono próbke mozliwosci skonstruowanego urzadzenia. Skupiono

sie na przeprowadzeniu tylko kilku doswiadczen, które pozwoliły scharakteryzowac podsta-wowe własnosci badanego napedu. Wykonano m.in. eksperymenty testujace dynamike silnikadla róznych wymuszen i momentów obciazenia. Pomiarów dokonano zarówno w petli otwartej,jak tez z wykorzystaniem zaimplementowanego regulatora predkosci PD.

Przy sterowaniu predkoscia silnika w otwartym układzie regulacji podstawowa sprawa jestznajomosc charakterystyki, która okresla zaleznosc miedzy predkoscia obrotowa silnika a na-pieciem przyłozonym do jego zacisków. W celu sprawdzenia własnosci zastosowanego silnikaBLDC przy takim sterowaniu, eksperymenty zaczeto od zbadania tego typu charakterystyki.

Rysunek 52: Zaleznosc predkosci silnika od wypełnienia sygnału sterujacego napieciem zasilania

Pomiary przeprowadzono dla trzech róznych momentów obciazenia. Na kazdym z trzechprzedstawionych na rysunku 52 wykresów mozna wyróznic dwa charakterystyczne odcinki (ok.5000rpm i 2500rpm) w których predkosc pozostaje stała mimo zmiany napiecia zasilajacego sil-nik. Jest to spowodowane czestotliwoscia przebiegu modulujacego napiecie zasilania silnika,która w pewnym momencie pokrywa sie z czestotliwoscia komutacji. Zjawisko to jest szcze-gólnie widoczne przy wiekszych momentach obciazenia, gdzie dopiero zmiana wypełnienia ook. 15% doprowadza do zmiany predkosci obrotowej silnika. Zmiana predkosci jest skokowa,co uniemozliwia uzyskanie predkosci posrednich (np. miedzy 4000 a 5000rpm). Przypadłosc tazatem eliminuje zastosowanie otwartego układu regulacji w sytuacji, gdy wymagana jest płynnaregulacja predkosci silnika w pełnym mozliwym zakresie jej zmian.

W kolejnym etapie badan zdjeto rodzine charakterystyk silnika, które prezentuja zarównojego własciwosci dynamiczne jak tez elektromechaniczne. Badano odpowiedz silnika na wy-muszenie skokiem napiecia o wartosci programowanej parametrem PWM. Pomiary wykonanodla róznych momentów obciazenia. Ze wzgledu na stosunkowo mały moment elektromecha-niczny rozwijany przez silnik, dla napiec zasilania ponizej 60%PWM pomiarów dokonano przybiegu jałowym silnika (rysunek 55).

54

Rysunek 53: Charakterystyka silnika przy PWM=100%

Rysunek 54: Charakterystyka silnika przy wymuszeniu PWM=70%

Rysunek 55: Charakterystyka w otwartym układzie regulacji dla róznych wartosci współczynnika PWM (bezobciazenia silnika)

55

Przed wykonaniem analogicznych charakterystyk w zamknetym układzie regulacji predko-sci, przetestowano zachowanie regulatora dla róznych wartosci współczynników wzmocnieniaKp i Kd . Testy przeprowadzono dla jednej zadanej predkosci silnika (5680rpm) i bez jego obcia-zenia (rysunki od 56 do 62). Okazało sie, ze najlepsze warunki regulacji zapewniaja współczyn-niki wzmocnienia Kp=10 i Kd=14. Przy wartosciach Kp>20 układ zachowywał sie niestabilnie(wystepowały przeregulowania) co w konsekwencji znacznie wydłuzyło czas ustalania odpo-wiedzi.

Po wstepnej identyfikacji optymalnych nastaw regulatora zbadano charakterystyki dla róz-nych obciazen i zadanych predkosci silnika (rysunki od 63 do 66). Pierwszy pomiar wykonanodla takiej samej wartosci zadanej predkosci jak to miał miejsce podczas testowania parameterówregulatora. Na rysunku 66 widac, ze nastawy Kp=10 i Kd=14 zapewniaja bardzo podobny prze-bieg charakterystyki dynamicznej dla róznych obciazen silnika (z wyjatkiem sytuacji, gdy war-tosc momentu obciazenia przekroczyła maksymalny moment rozwijany przez silnik dla zadanejwartosci predkosci). Dla wiekszych obciazen silnika ostrosc charakterystyki uległa lekkiemuspłaszczeniu. Sytuacje mogłoby poprawic zwiekszenie wzmocnienia czesci proporcionalnejregulatora. Dla mniejszych nastaw predkosci, w celu zachowania równie dobrej dynamiki ko-nieczne stało sie zwiekszenie wzmocnienia Kp.

Rysunek 56: Odpowiedz regulatora dla KP = 50

Rysunek 57: Odpowiedz regulatora dla KP = 30

56

Rysunek 58: Odpowiedz regulatora dla KP = 20

Rysunek 59: Odpowiedz regulator dla KP = 10

Rysunek 60: Odpowiedz regulator dla KP = 10

57

Rysunek 61: Odpowiedz regulator dla KP = 5

Rysunek 62: Odpowiedz regulator dla KP = 5

Rysunek 63: Predkosc zadana Set speed = 5850, Kp=10, Kd=14

58

Rysunek 64: Predkosc zadana Set speed = 3516, Kp=20, Kd=14

Rysunek 65: Predkosc zadana Set speed = 2110, Kp=20, Kd=14

Rysunek 66: Predkosc zadana Set speed = 1055, Kp=20, Kd=14

59

7 PodsumowanieWynikiem niniejszej pracy jest kompletne stanowisko badawczo - dydaktyczne dajace moz-

liwosc zapoznania sie z własciwosciami i róznymi metodami sterowania bezkomutatorowychsilników pradu stałego BLDC. Główna przesłanka podczas tworzenia stanowiska była checumozliwienia jego uzytkownikom łatwego przyswojenia wiedzy, jak tez nabrania pewnej in-tuicji w zakresie tematów zwiazanych z komutacja tego typu silnikami. Rozdzielenie modułusterownika od czesci silnikowej zwiekszyło uniwersalnosc całej konstrukcji, stwarzajac szansewykorzystania i sprawdzenia wielu róznych układów sterowników pod katem zastosowania ichw aplikacjiach z tego typu silnikami.

Poniewaz jest to m.in. stanowisko badawcze konieczne stało sie zaimplementowanie me-chanizmów pozwalajacych na tworzenie charakterystyk, które sa podstawowym zródłem in-formacji o własnosciach kazdego silnika. Zawsze duza zaleta jest mozliwosc testowania cha-rakterystyk obiektów rzeczywistych. Istnieja co prawda inne metody badawcze w postaci mo-deli matematycznych i odpowiedniego oprogramowania, jednak wyniki ich działania sa zwyklewyidealizowane. Wiaze sie to z trudnoscia zamodelowania wszystkich zjawisk fizycznych za-chodzacych w rzeczywistym srodowisku. Nienalezy oczywiscie zapominac o wielu dobrychstronach takiego podejscia do problemów. W oparciu o model matematyczny silnika BLDC,który został przedstawiony w rozdziale 2 stworzono pakiet do symulacj w srodowisku Simulink.Wyniki jego działania mogłyby byc pewnym punktem odniesienia dla rzeczywistych pomiarówprzeprowadzonych z wykorzystaniem tego stanowiska.

Oprogramowanie sterownika umozliwia pomiar do siedmiu róznych charakterystyk dla dwóchtrybów komutacji. Podstawowa zaleznoscia decydujacym o mozliwosci wykorzystania silnikado konkretnego zadania jest stosunek momentu rozwijanego przez silnik do jego predkosci ob-rotowej. W celu umozliwienia zbadania tych zaleznosci konieczne stało sie skonstruowaniemechanizmu regulujacego moment obciazenia silnika. Wykorzystano dwie metody obciazeniaodzwierciedlajace dwa rózne rodzaje tarc. Role obciazenia dynamicznego, charakteryzujacegotarcie lepkie pełni pradnica tachometryczna, natomiast tarcie suche realizowane jest za pomocaukładu mechanicznego ze sprezyna dociskowa. Bardzo wazna cecha silnika jest jego dyna-mika. Stanowisko stawarza równiez mozliwosc pomiaru tego typu charakterystyk zarówno wpetli otwartej jak tez z wykorzystaniem zaimplementowanego regulatora predkosci PD. Przysterowaniu w petli otwartej istnieje mozliwosc regulacji wymuszenia poprzez ustawienie wy-pełnienia przebiegu prostokatnego sterujacego napieciem zasilania silnika. Przy korzystaniu zregulatora nalezy zadbac o ustawienie wzmocnien Kp i Kd i pedkosci Set speed. Sposób za-pisu wyników pomiarowych przez sterownik umozliwia łatwe i szybkie wykonanie wykresówz wykorzystaniem np. programu Matlab.

Oprócz automatycznego zdejmowania charakterystyk mozliwa jest reczna zmiana wybra-nych parametrów sterowania dla okreslonego trybu komutacji. Zastosowanie wyswietlaczaLCD pozwala na bezposrednia obserwacje pomiarów pradu silnika, napiecia pradnicy, czy tezpredkosci obrotowej silnika. Zespół diod sygnalizacyjnych pozwala przesledzic sposób ge-nerowania sygnałów komutacji w zaleznosci od sygnałów sprzezenia zwrotnego od połozeniawirnika wzgledem czujników Hall’a.

W ramach pracy przeprowadzono kilka pomiarów charakterystyk prezentujacych czesc moz-liwosci stanowiska. Załaczono równiez instrukcje obsługi, która krok po kroku prowadzi uzyt-kownika przez wszystkie czynnosci niezbedne do własciwego przeprowadzenia pomiaru wy-branych charakterystyk.

W ramach propozycji kontynuacji prac nalezy wymienic zaimplementowanie ostatniegotrybu sterowania silnikiem, w którym sygnały komutacji generowane sa na podstawie pomiaruSEM indukowanych w nieobciazonych uzwojeniach silnika. Moze sie to jednak wiazac z ko-niecznoscia uzycia innego silnika BLDC, niz ten który został wykorzystany w pracy. Konstruk-

60

cja tego silnika zapewnia prawidłowa komutacje z wykorzystanie czujników Hall’a i kodera,jednak nie zmierzono charakterystyk przebiegów SEM, które gwarantowały by mozliwosc za-stosowania bezczujnikowej techniki komutacji.

61

Dodatek AInstrukcja obsługi stanowiska

Ponizej zaprezentowano przykładowa procedure postepowania przy pomiarze wybranej cha-rakterystyki silnika z wykorzystaniem stanowiska. Do pomiaru charakterystyki niezbedny jestdostep do komputera PC, który umozliwi prezentacje wyników pomiaru w odpowiedniej for-mie. Załózmy, ze chcemy zmierzyc charakterystyke silnika dla trybu komutacji z czujnikamiHall’a przy wykorzystaniu regulatora predkosci PD. W tym celu nalezy przeprowadzic naste-pujace czynnosci:

1. W menu głównym wybieramy pozycje Charakterystyki (prawy przycisk)

2. W podmenu Charakterystyki znajdujemy pole Parametr Kp (przycisk srodkowy) i usta-wiamy wartosc wzmocnienia czesci proporcionalnej regulatora (przycisk prawy lub lewy).

3. Podobnie dla czesci rózniczkujacej Kd regulatora (Parametr Kd).

4. Na pozycji Set speed ustawiamy pozadana wartosc predkosci.

5. W kolejnym kroku zaleca sie dobór obciazenia silnika. Dokonujemy tego za pomoca mikro-przełaczników umieszczonych na płycie czołowej stanowiska (rysunek 50), badz hamulcamechanicznego zamocowanego na wysiegniku obok pradnicy (rysunek 31).

6. Nastepnie przechodzimy do podmenu Nr Charakterystyki i wybieramy numer charaktery-styki odpowiadajacy naszym wymaganiom.

7. Po wykonaniu powyzszych czynnosci mozna zainicjowac pomiar naciskajac najpierw przy-cisk srodkowy i trzymajac go jednoczesnie wcisnac przycisk lewy.

62

8. Przed wysłaniem wyników pomiaru do komputera PC nalezy uruchomic i skonfigurowacprogram Hyperterminal, czyli:

– ustawic własciwy numeru portu

– predkosc transmisji (9600bodów)

– wybrac katalog do odbioru plików

9. Po wykonaniu ustawien mozna przeprowadzic transmisje danych do komputera.

10. Ostatnim etapem jest wizualizacja wyników pomiarów. Do tego celu zaleca sie wykorzy-stanie programów Matlab albo Gnuplot, które w wygodny sposób pozwalaja na prezen-tacje i analize uzyskanych wyników pomiaru.

63

Dodatek B

Rysunek 67: Schemat ideowy stopnia mocy z logika sterujaca

64

Literatura[1] Dziadecki.A., Szklarsk.L., Strycharz.J., Jaracz.K.: Automatyka napedu elektrycznego.

Kraków, WAGH 1996

[2] Dyson.A., Bannoura.M.: TPU Microcoding for Beginners. Austin, ATM 1999

[3] Czyz.W.: Rodzina M680xx. Gdansk, ARTEX 1994

[4] Greblicki.W.:Teoretyczne podstawy automatyki. Wrocław, Oficyna Wydawnicza Politech-niki Wrocławskiej 2001

[5] Hanselman.H.: Brushless Permanent Magnet Motor Design.

[6] Wnuk.M.: Moduł z procesorem MC68332.

[7] 3-phase BLDC Motor Control with Sensorless Back-EMF ADC Zero Crossing Detectionusing 56F80x. @Freescale Semiconductor, Inc.

[8] 3-Phase BLDC Motor Control with Quadrature Encoder using 56F800/E. @FreescaleSemiconductor, Inc.

[9] AS5040 10 bit 360 Programmable Magnetic Rotary Encoder - Data Sheet. Austriamicro-system.

[10] Brushless DC Motor Controla Made Easy. Microchip Technology Inc. - AN857.

[11] Brushless DC Motor Fundamentals. Microchip Technology Inc. - AN885.

[12] Brushless DC Motor Simulink Simulator - Usage Manual. Department of Electronics andCommunication Engineering, National Institute of Technology Karnataka.

[13] Discrete Input/Output TPU Function (DIO). @Motorola Inc - TPUPN18/D.

[14] Fast Quadrature Decode TPU Function (FQD). @Motorola Inc - TPUPN02/D.

[15] Frequency Measurement TPU Function (FQM). @Motorola Inc - TPUPN03/D.

[16] Hall Effect Decode TPU Function (HALLD). @Motorola Inc. - TPUPN10/D.

[17] MAX1270 - Data Sheet

[18] Motor Control Sensor Feedback Circuits. Microchip Technology Inc. - AN894.

[19] Multiphase Motor Commutation TPU Function (COMM). @Motorola Inc - TPUPN09/D.

[20] Time Processor Unit - Reference Manual. @Motorola Inc.

[21] Queued Serial Module - Reference Manual. @Motorola Inc.

65