ZESZY TY N A U K O W E P O LITEC H N IK I ŚLĄSKIEJ Seria: E L EK TR Y K A z. 172
2000 N r kol. 1470
A rkadiusz D O M O R A C K I
WPŁYW SPOSOBU STEROWANIA KOMUTATOREM
ELEKTRONICZNYM NA WŁAŚCIWOŚCI RUCHOWE SILNIKA BEZSZCZOTKOWEGO
Streszczenie. W artykule przedstaw iono koncepcję m etody sterow ania kom utatorem elektronicznym silnika bezszczotkowego nazw aną kom utacją przyspieszoną. M etoda ta po
lega na w cześniejszym załączaniu poszczególnych zaw orów kom utatora elektronicznego, niż m a to m iejsce w klasycznej m etodzie sterowania. Jej zastosow anie pozw ala poprawić niektóre w łaściw ości ruchow e silnika jedynie na drodze sterow ania (bez konieczności in
gerencji w konstrukcję silnika). Przedstaw iono w yniki badań sym ulacyjnych dla obu m e
tod sterow ania w różnych przypadkach pracy silnika. Zam ieszczono także uzyskane zależ
ności pom iędzy w arunkam i pracy a najkorzystniejszym kątem w ysterow ania kom utatora.
INFLUENCE OF THE ELECTRONIC COMMUTATOR CONTROL METHOD ON PROPERTIES OF A DC BRUSHLESS MOTOR
Sum m ary. The idea o f a dc brushless electronic com m utator control m ethod, called over-com m utation, is presented in the paper. The m ethod consists in earlier sw itching on transistors the in electronic com m utator than in the classical control m ethod. U sing this m ethod it is possible to im prove the m otor m otion properties only by control (without ne
cessity o f interference in m otor construction). Com puter research results for the both con
trol m ethods for various cases o f the drive operating conditions are presented. The obtained relationships betw een the operating conditions and optim al over-com m utation angle o f electronic com m utator are given.
I. O B IE K T BA DAŃ
O biektem prow adzonych badań są silniki bezszczotkowe z m agnesam i trwałym i o trape
zow ym rozkładzie siły elektrom otorycznej rotacji i kom utacji elektronicznej (ang. PM D B lub brushless D C m otor w skrócie: BLDC). K onstrukcja tej klasy m aszyn je st szeroko omawiana w literaturze ([1], [2], [3], [5]) i nie stanowi podstaw ow ego kierunku badań. Silnik oraz od
pokazano m odel kom puterow y zbudow any w program ie M atlab/Sim ulink. M odel m atem a
tyczny opisujący podstaw ow e zależności zachodzące w silniku zaprezentow any je st dokładnie w literaturze [1], [2], [5]. Z alety tego typu silników , w stosunku do silników prądu stałego, to:
w ysoka spraw ność, duży w spółczynnik m ocy na je dnostkę objętości, proste sterow anie (m e
toda klasyczna), n iski poziom em itow anych zakłóceń. N ajistotniejsze w ady natom iast to: tęt
nienia, m om ent elektrom agnetycznego (do 30% w artości m om entu znam ionow ego) oraz prędkości. W ady te w y n ik a ją p o części z konstrukcji silnika oraz z m etody sterow ania.
Rys. 1. K onstrukcja a) oraz m odel obw odow y silnika b) Fig. 1. C onstruction a) and Circuit m odel o f m otor b )
G łów nym przedm iotem badań s ą sposoby sterow ania kom utatorem elektronicznym i ich w pływ na w łaściw ości ruchow e silnika. A nalizow ane są zarów no m etody czujnikow e [2], [3], [5] oraz bezczujnikow e [1], [5], P odstaw ow ym zagadnieniem je st m inim alizacja niekorzyst
nych cech silnika jed y n ie na drodze sterow ania, bez konieczności ingerencji w konstrukcję silnika. P odejście takie prow adzi do m inim alizacji kosztów w przypadku realizacji praktycz
nej, gdyż opracow ana m etoda sterow ania m oże być aplikow ana w pracujących ju ż napędach.
C ałkow ita elim inacja ujem nych cech tej klasy silników jedynie poprzez odpow iednie stero
w anie nie je s t m ożliw a, je d n ak odpow iednie sterow anie m oże prow adzić do ich znacznego zm niejszenia.
B adaniom sym ulacyjnym prow adzonym w oprogram ow aniu M atlab/Sim ulink został pod
dany silnik typu PM 40, którego najistotniejsze parametry to: napięcie zasilania U N = 24 V, prąd znam ionow y IN = 12,5 A , w ejściow a m oc znam ionow a P N = 300 W , prędkość obrotow a nN = 3000 obr/m in, rezystancja jednej fazy R x = 0,14 i i oraz indukcyjność jednej fazy L x = 0,35 mH.
a) b)
W pływ sposobu sterow ania.. 29
Sterow anie
Rys. 2. M odel kom puterow y silnika (M atlab/Sim ulink) Fig. 2. C om puter m odel o f m otor (M atlab/Sim ulink)
2. KO M U TACJA PRZYSPIESZONA
Jako alternatyw ną metodę sterownia, m ogącą minimalizować niekorzystne zjawiska występują
ce w przypadku klasycznej metody sterowania, zaproponowano komutację przyspieszoną. Termin komutacja przyspieszona rozumiany jest jako wcześniejsze (w stosunku do klasycznej metody sterownia) załączanie poszczególnych zaworów komutatora elektronicznego. Ideę tej metody ste
rowania (w porównaniu z m etodą klasyczną) przedstawiono graficznie na rysunku 3.
Całkowity m om ent elektromagnetyczny silnika jest sum ą momentów wytworzonych w po
szczególnych fazach. M om ent wytworzony w jednej fazie jest proporcjonalny do iloczynu prądu płynącego w uzwojeniu oraz siły elektromotorycznej (SEM) w danej fazie. W przypadku sterowa
nia klasycznego (rys. 3a) prąd zaczyna płynąć wówczas, gdy sem m a stałą wartość - załączana zostaje wówczas odpowiednia para tranzystorów. M oment zaczyna narastać od zera ze stromością zbliżo n ą do strom ości im pulsu prądow ego. W zw iązku z tym całkow ity m om ent elektro
m agnetyczny zaw iera znaczne pulsacje, które przenoszą się także na przebieg prędkości obrotowej. W cześniejsze załączanie poszczególnych par tranzystorów komutatora elektronicz
elektromagnetycznego pojedynczej fazy i szybsze osiągnięcie wartości ustalonej. W konsekwencji całkowity m om ent elektromagnetyczny silnika, ja k również przebieg prędkości obrotowej zawiera
j ą m niejszy poziom pulsacji. Taki sposób sterowania nazwano kom utacją przyspieszoną.
Rys. 3. P orów nanie sterow ania klasycznego a) i kom utacji przyspieszonej b) Fig. 3. C om parison betw een classical control a) and over-com m utation b)
3. B A D A N IA S Y M U L A C Y JN E
Prow adzone badania przebiegały dw uetapow o. W pierw szej części eksperym entu zbadano wpływ przyspieszenia chw il załączania poszczególnych par tranzystorów na przebieg m om en
tu elektrom agnetycznego silnika.
' Y f / f f m r f . r r r f f w
0 05 01 015 02
«W
a) alfa = 2°, M 0t,c = 3 N- m,
IW
b) alfa - 5°, M obc = 3 N- m,
0 O t» 01 015 02
IW
c) alfa = l ( f , M„bc = 3 N- m,
Rys. 4. Przebiegi m om entu elektrom agnetycznego rozw ijanego prze silnik w przypadku warto
ści kąta przyspieszenia komutacji: zbyt małej a), właściwej b ) oraz zbyt dużej cj przy jednakow ym m om encie obciążenia
Fig. 4. W aveform s o f m otor electrom echanical torque in case o f over-com m utation angle: too low a), proper b) and too high c) at the same load torque
W pływ sposobu sterow ania. 31
O kazało się, że zm iana w artości kąta przyspieszenia prowadzi do m inim alizacji pulsacji m om entu, i że kąt ten je s t różny dla różnych obciążeń silnika. N ie m ożna je d n ak zbytnio przy
spieszać chw il załączania tranzystorów - prowadzi to do pogorszenia kształtu przebiegu m o
mentu w ytw arzanego przez silnik. M ożna zatem w ykazać, że dla danych warunków pracy silnika istnieje tylko je d n a w artość kąta przyspieszenia kom utacji zapew niająca m inim alizację tętnień m om entu. Ilustracją tej części badań są przykładow e przebiegi zam ieszczone na ry
sunku 4.
D ruga część badań polegała na porównaniu właściwości ruchowych silnika w przypadku zastosow ania różnych m etod sterowania.
200
150
*«5 100
50
0
k o m u ta cja - s te r o w a n ie k la syczn i? p rz y s p ie s z o n a
0.05 0.1
t [ s ]
0.15
■--- ^ p iiy a p ifl& z a n a
r
\ s te ro w a n ie kla s y c z n e/
/
i0.1 t[s ]
E Ł 5
2
\ stero
ko m u ta cja wanle kla syczne p rzysp ie szo n a
-
---t ......
H n r w m t f m m f t r m
0.2
a) Mobt = 1 N- m
0.1 tls ]
0.15 0.2
k o m u ta c ja
b) M (,bc = 3 N- m
Rys. 5.Przebiegi m om entu elektrom agnetycznego oraz prędkości silnika przy sterow aniu kla
sycznym i w przypadku kom utacji przyspieszonej
Fig. 5. W aveform s o f m otor torque and velocity for classical control m ode and in case of over-com m utation
M o m e n t o b c ią ż e n ia [N m ]
Rys. 6. C harakterystyka elektrom echaniczna silnika w przypadku sterow ania klasycznego oraz kom utacji przyspieszonej
Fig. 6. E lectrom echanical characteristics o f m otor in case o f classical control and over
com m utation
Z estaw iono przebiegi m om entu elektrom agnetycznego i prędkości obrotow ej silnika w różnych w arunkach pracy przy sterow aniu klasycznym oraz w przypadku w łaściw ego zasto
sow ania kom utacji przyspieszonej (rys. 5). O kazało się, że w łaściw e zastosow anie kom utacji przyspieszonej nie tylko m inim alizuje pulsacje m om entu i prędkości silnika, ale prowadzi rów nież do w zrostu obu tych w artości (rys. 5 i 6).
4. P O D SU M O W A N IE
N a p o d sta w ie w yników badań w yznaczono zależność pom iędzy w łaściw ym kątem przy
spieszen ia k om utacji a m om entem o bciążenia oraz p ręd k o ścią obrotow ą. Jej graficzną in
te rp retac ję p rze d staw io n o n a rysunku 7. B adany m odel silnika nie był w yposażony w regu
lator prędkości. W zw ią zk u z tym w ykreślona zależność ogranicza się do jed n ej krzyw ej, która stanow i g ran icę płaszczy zn y sterow ania. W celu uzyskania całej płaszczyzny sterow a
n ia n ależy p rze p ro w ad z ić b ad a n ia sym ulacyjne d la m odelu silnika w yposażonego w regula
to r p rędkości - b ad a n ia te s ą ak tualnie prow adzone.
W pływ sposobu sterow ania.. 33
R ys. 7. Z ależności pom iędzy optym alnym kątem przyspieszenia kom utacji a m om entem ob
ciążenia i p rędkością obrotow ą silnika
Fig. 7. R elationship betw een the optim al over-com m utation angle load torque and velocity o f a m otor
Popraw ne stosow anie kom utacji przyspieszonej przynosi następujące korzyści: m inim alizację pulsacji w przebiegach m om entu elektrom agnetycznego oraz prędkości silnika; wzrost m o
m entu silnika o około 6% - 10% i nieznaczny w zrost prędkości (do 5%); je s t to rów nież przy
c zy n ą polepszenia dynam iki silnika.
W adą stosow ania tej m etody je st potrzeba ciągłego w yliczania kąta przyspieszenia kom u
tacji (A 0 z rysunku 3b); w iąże się to z koniecznością stosow ania złożonych układów stero
w ania opartych na procesorach sygnałow ych.
LITER A TU R A
1. C hałupa L.: Sensorless speed control for brushless DC m otor with a low -cost m icro con
troller: M C 68H C (7)05M C 4. P C IM ’97, June 10-12 1997, s. 167-177.
2. D om oracki A ., K rykow ski K.: M odel obw odow y silnika bezszczotkowego o trapezoidal- nym rozkładzie SEM . S E N E ’99 Łódź-A rturow ek, 17-19 listopada 1999.
3. D ote Y., K inoshita S.: B rushless servom otors - Fundam ental and A pplications. Clarendon Press, O xford 1990.
4. G linka T.: M ikrom aszyny elektryczne wzbudzane m agnesam i trw ałym i. W ydawnictwo P olitechniki Śląskiej, G liw ice 1995.
5. M iller T. J. E.: B rushless Perm anent-M agnet and Reluctance M otor Drives. Clarendon Press, O xford 1989.
W płynęło do R edakcji dnia 10 kw ietnia 2000 r.
A bstract
The aim o f research is exam ination o f control m ethod influence on a DC brushless m otor properties. In case o f the classical control m ethod the electrom echanical torque o f a motor includes significant ripples (up to 30% o f the torque nom inal value); the velocity contains ripples, too. T hey are m ain disadvantages o f the motor. O ver-com m utation is suggested as an alternative control m ethod. The term “over-com m utation” m eans earlier (in com parison with the classical control) sw itching on the transistors o f an electronic com m utator. Figure 3 shows the com parison o f the both control m ethod.
In sim ulation investigations the softw are M atlab/Sim ulink was used. The com puter model o f a m otor is presented in F ig.2 (the accurate m odel o f a m otor is given in literature [2]). The sim ulation w as m ade in tw o stages. A t the first stage o f research the over-com m utation angle value (A© o f Fig.3b) influence on w aveform s o f the electrom agnetic torque and ripple value was considered (Fig. 4). N ext, the com parison betw een the m otor m otion properties for both control m ethods w as perform ed. The results o f investigations are show n in Figs. 5 and 6. Bas
ing on the obtained out results it is possible to draw the follow ing conclusions:
a) proper application o f the over-com m utation results in torque and velocity ripples m inim isa
tion; m otor torque increases by 6% - 10% and insignificant velocity (increases up to 5%) - this causes im provem ent o f m otor dynam ics;
b) disadvantage o f this m ethod is need o f continuous over-com m utation angle (A© in Fig. 3b) calculation; it is connected w ith necessity o f application o f com plex control system s based on DSP.
