ZE SZ Y T Y N A U K O W E P O LITEC H N IK I ŚLĄSKIEJ Seria: EL E K T R Y K A z. 172
2000 N r kol. 1470
Janusz H E TM A Ń C ZY K K rzysztof K R Y K O W SK I
STEROWANIE NAPĘDEM DWUSILNIKOWYM Z SILNIKAMI BEZSZCZOTKOWYMI PRĄDU STAŁEGO
Streszczenie. W artykule przedstaw iono zagadnienia zawiązane z problem atyką sterow ania w spółbieżnie pracujących silników typu Brushless DC. Przedstaw iono struktury sterow ania napędem dw usilnikow ym . U kład sterow ania um ożliw ia pracę dla obu kierunków jazdy oraz zapew nia w ybór silnika w iodącego, względem którego je st sterowany drugi silnik.
Układy zostały w ykonane i przebadane na obiekcie rzeczyw istym . O m ów iono zalety i wady poszczególnych układów
CONTROL OF TWO MOTOR DRIVE WITH DC BRUSHLESS MOTORS
Sum m ary. The paper presents some aspects connected w ith control issues o f parallel w orking D C B rushless m otors. Control structures o f tw o-m otor drive are presented. The control system gives possibility o f operation in forward and reverse direction and provides choice o f a m aster m otor, w ith respect to w hich the second m otor is controlled. The control system s w ere m ade and exam ined in real conditions. Advantages and disadvantages o f each individual system are discussed in the paper.
1.W STĘP
Układy napędow e z silnikam i prądu stałego o m agnesach trw ałych stanow ią du żą grupę urządzeń małej i średniej m ocy. Zastosow anie m agnesów trw ałych pow oduje zwiększenie spraw ności m aszyn elektrycznych, co szczególnie uwidacznia się w zakresie m ałych mocy znam ionow ych.
Jednym z problem ów , który je st aktualny dla napędów z silnikam i B rushless DC Motor, je s t problem w spółbieżności ich pracy. W ystępuje nieraz potrzeba w spółpracy kilku silników pracujących w je d n y m układzie napędow ym . Prędkości obrotow e tych silników m uszą być w tedy synchronizow ane w szerokim zakresie pracy, ew entualnie ich prędkości m uszą być ze so b ą pow iązane.
A lgorytm sterow ania napędu dw usilnikow ego został tak zrealizow any, aby umożliwiał prace w sp ó łb ie żn ą z jed n ak o w y m i prędkościam i dla obu silników oraz prace w układzie, gdzie różnica prędkości w irow ania obu silników by ła narzucona przez układ sterowania.
C elem niniejszej pracy je st przedstaw ienie problem atyki związanej z p racą w spółbieżną dw usilnikow ego napędu oraz ocena przydatności rodzaju układów sterow ania do pracy w spółbieżnej.
2. S C H E M A T D W U SIL N IK O W E G O N A PĘ D U O R O Z D Z IE L O N Y M U K Ł A D Z IE S T E R O W A N IA
W artykułach [4,5] został przedstaw iony układ sterow ania pojedynczego silnika zrealizow any na sterow niku N E 5570. W ykorzystując pow yższy układ, zrealizowano dw usilnikow y napęd grupow y.
S truktura sterow ania napędów z silnikam i bezszczotkow ym i przypom ina strukturę sterow ania klasy czn y ch silników prądu stałego. Jednak ze w zględu na m a łą m oc silnika, w ykorzystanego w badanym układzie napędow ym , zastosow ano uproszczony układ sterow ania silnikiem . U kład regulacji silnika zaw iera regulator prędkości i ograniczniki prądu.
W zależności od w ym agań układu napędow ego m ożem y zastosow ać różne rozw iązania k onstrukcyjne układów sterow ania napędam i w ielosilnikow ym i. N a rysunku 1 została p rzedstaw iona struktura napędu z rozdzielonym sterow aniem dla dw óch silników układu napędow ego. M ikrokontroler nadrzędny pełni tutaj rolę układu zadaw ania prędkości i kierunku ja zd y układu, zaś m ikrokontroler podrzędny stanow ią w raz z sterow nikiem układ w ykonaw czy(m oduł sterow ania silnikiem ).
P rzedstaw iona struktura napędu um ożliw ia realizacje w ybranych algorytm ów sterow ania p rac ą p oszczególnych silników . U kład z m ikrokontrolerem nadrzędnym posiada gorsze w łasności d ynam iczne w stosunku do układu przedstaw ionego na rysunku 2 , a które w ynikają z transm isji szeregow ych, ja k ie w ystęp u ją pom iędzy m ikrokontroleram i. D u żą zaletą om aw ianej struktury je s t m ożliw ość uzyskania jednoczesnej reakcji silników układu dw usilnikow ego na zm ianę sygnału sterującego, podanego z klaw iatury.
82__________________________________________________________ J.H etm ańczyk, K .K rykow ski
Sterow anie napędem dw usilnikow ym . 83
Rys. 1. Schem at dw usilnikow ego napędu z nadrzędnym układem sterow ania w bezszczotko- w ych silnikach prądu stałego
Fig. 1. D iagram o f tw o-m otor drive w ith m aster control system o f DC Brushless m otor
W adą zaś tej struktury je s t niew ykorzystanie w pełni w szystkich możliwości m ikrokontrolerów podrzędnych, gdyż są one używ ane tylko w chw ilach transm isji danych do rejestrów sterujących, sterow nika silnika bezszczotkowego. W ystępow anie łącza szeregow ego kom plikuje oprogram ow anie układu. D odatkow o, duża liczba elem entów struktury pow oduje zw iększenie w ym iaru płytki drukowanej, a zarazem ro sn ą koszty układu sterow ania tego napędu.
3. S C H E M A T D W U SIL N IK O W E G O N A PĘ D U O W SPÓ L N Y M U K ŁA D ZIE ST E R O W A N IA
Z aletą sterow nika hybrydow ego, w ykorzystanego w układzie sterow ania silników , jest zdolność sterow ania p racą kilku silników pracujących w spółbieżnie. N a rysunku 2 została przedstaw iona struktura napędu o w spólnym sterowaniu silników (układ z jednym m ikrokontrolerem sterującym ).
84 J.H etm ańczyk, K .K rykow ski
Rys. 2. S chem at dw usilnikow ego napędu ze w spólnym sterow aniem bezszczotkow ych silników p rądu stałego
Fig. 2. D iagram o f tw o-m otor drive o f parallent control system o f D C B rushless m otor
S ygnałem u aktyw niającym poszczególne sterow niki silników je s t sygnał: enable. Gdy sygnał ten je s t aktyw ny, dw om a pozostałym i m agistralam i są przesyłane dane niezbędne do praw idłow ej pracy silnika. M ikrokontroler pełni tutaj rolę jednostki sterującej i realizującej w ybrane algorytm y zarządzania p rac ą silników napędu. W ystępow anie tylko jednej transm isji danych do sterow nika gw arantuje d u żą dynam ikę układu, dzięki czem u układ cechuje się sz y b k ą rea k cją na zm ianę sygnału sterującego, a prosta konstrukcja w ynika z małej liczby elem entów układu sterow ania.
4. B A D A N IA L A B O R A T O R Y JN E
B adane układy dw usilnikow e z silnikam i bezszczotkow ym i typu R T M c t8 5 -8 5 -l produkcji Z akładu D ośw iadczalnego Instytutu Elektrotechniki w M iędzylesiu, zasilane z baterii akum ulatorów , zostały przebadane. Jako układ dw usilnikow y w ykorzystano wózek inw alidzki. N a ry sunkach 3 i 4 przedstaw iono przebiegi napięcia i prądu silników zm ierzone
Sterow anie napędem dw usilnikow ym . 85
Rys. 3. Przebiegi napięcia silników z nadrzędnym układem sterow ania Fig. 3. V oltage w aveform s o f m otor with
m aster control system
Rys. 4. Przebiegi prądów w silnikach z nadrzędnym układem sterow ania Fig. 4. Current w aveform s o f m otor with
m aster control system
A -nap . m iedzyp rzew ., B-prad fazow y
JiJi . ' a inn n <•
I m liii nflirt
fil I P w \ \ i
i u U P
A Av e
r ~ y VY ■
Rys. 5. Przebiegi napięcia i prądu silnika Rys. 6. Przebiegi napięcia i prądu silnika dla prędkości 3000 [obr/m in] dla prędkości 3000 [obr/min]
Fig. 5. C urrent and voltage w aveform s o f Fig. 6. Current and voltage w aveforms of
m otor for 2000 rpm m otor for 3000 rpm
w układzie z je d n o stk ą nadrzędną, zaś na rysunkach 5 i 6 pokazano przebiegi prądu i napięcia silnika dla dw óch różnych prędkości obrotow ych. Zm ierzone opóźnienie, jakie w ystępuje pom iędzy reakcjam i silników w układzie z trzem a m ikrokontroleram i, je st rzędu m ikrosekund, zaś w układzie z jednym m ikrokontrolerem sięga dziesiętnych sekundy.
86 J.H etm ańczyk, K .K rykowski
5. P O D SU M O W A N IE
D obór układu sterow ania, napędów w ielosilnikow ych m oże być oparty na kryterium m inim alizacji kosztów budow y układu sterow ania lub n a kryterium m aksym alizacji jakości sterow ania układem . U zyskane w ten sposób struktury um ożliw iają sterow anie układem dw usilnikow ym , je d n a k w ybór jednej ze struktur narzuca m ożliw ości całego napędu podczas pracy. U kład o w spólnym sterow aniu napędu dw usilnikow ego cechuje prostota, duża d ynam ika na zm ianę sygnału sterującego oraz nie w ym aga w iększego nakładu finansowego.
S truktura z rozdzielonym sterow aniem (z je d n o stk ą nadrzędną) je st układem o stosunkowo gorszej dynam ice, ale pozw ala uzyskiw ać jednoczesną reakcję w szystkich silników układu dw usilnikow ego na zm ianę sygnału sterującego, co je s t niem ożliw e do uzyskania w układzie o w spólnym sterow aniu. U kład z jed n o stk ą nadrzędną w ym aga dodatkowego oprogram ow ania, co kom plikuje pracę i w prow adza opóźnienie. Z w łoka czasow a jaka w ystępuje w układzie o w spólnym sterow aniu silników, m oże pow odow ać nierów nom ierną pracę całego układu i tak dla w ózka inw alidzkiego zaobserw ow ano zm ianę toru jazdy.
Popraw ę w łasności układu o w spólnym sterow aniu m ożna uzyskać poprzez zastosow anie dodatkow ych buforów lub rejestrów przesuw nych um ożliw iających uzyskanie jednoczesnej transm isji do układu sterow nika albo przez zastosow anie m ultipleksow anej transm isji do poszczególnych sterow ników silników bezszczotkow ych prądu stałego.
LIT E R A T U R A
1. Engh L. F enger C .H adley L. L inebarger D.: N E5570. A theory o f operation and applications. P hilips S em iconductor 1988.
2. H adley L.: Sim plified DC brushless m otor control ffom a serial bus. M achinę Design 1987 N r 26 str. 145- 195.
3. G linka T.: M ikrom aszyny elektryczne wzbudzane m agnesam i trw ałym i. Podręcznik akadem icki. W yd. Pol. Śląskiej, G liw ice 1995.
4. H etm ańczyk J., B ielecki R., K rykow ski K.: M odułow y układ sterow ania bezszczotkow ego silnika prądu stałego z ograniczeniem prądu i regulatorem PW M. 8 Sym pozjum P P E E ’ 99, G liw ice - U stroń. 22-25 M arzec 1999.
5. H etm ańczyk J., K rykow ski K.: M odułow y układ sterow ania PW M dw usilnikow ym napędem z bezszczotkow ym i silnikam i prądu stałego. IV K rajow a K onferencja N aukow a S terow anie w E nerogelektronice i N apędzie E lektrycznym . S E N E ’99- Ł ódź 1999 . 6 . K rykow ski K., B odora A., Sajkowski M .:Sterow anie dw usilnikow ym napędem wózków
inw alidzkich. III K rajow a K onferencja N aukow a Sterow anie w Enerogelektronice i N apędzie E lektrycznym . S E N E ’97- Ł ódź 1997 .
7. Sochacki R. Ż y ck i Z.: M aszyny elektryczne małej m ocy. W NT, W arszawa 1978.
Sterow anie napędem dw usilnikow ym .. 87
Recenzent: Dr hab. inż. M aciej Tondos, prof. AGH
W płynęło do R edakcji dnia 4 kw ietnia 2000 r.
A bstract
The paper presents a control system o f a tw o-m otor drive w ith perm anent m agnet DC brushless m otor. The authors present tw o kinds o f parallel w orking m otors drive control system . Speeds o f parallel w orking m otors are synchronised.
F igure 1 show s the control system a tw o-m otor drive w ith com m on control o f the both m otors. The control system has very good dynam ic properties, sim ple, m odular structure but there are dealys betw een the control signals for each m otor. Fig. 2 show s the other control system a m aster control circuit. The structure w ith m aster control has w orse dynamic properties than the first system , but it does not generate delay time.
The experim ents w ere perform ed on tw o identical perm anent m agnet brushless DC m otor and integrated m otor controller (NE 5570). Figs. 3 and 4 show the shapes o f current and voltage w aveform s.
