Elektromotorni pogoni bez davača na vratilu motora Prof. dr Veran Vasić FTN Novi Sad Doc. dr Milan Bebić ETF Beograd
Elektromotorni pogoni
bez davača na vratilu
motora Prof. dr Veran Vasić
FTN Novi Sad
Doc. dr Milan Bebić ETF Beograd
Shaft – Sensorless
Odsustvo davača na vratilu
2 / 31
Brzina obrtanja vratila motora može se
dobiti merenjem ili se može sračunati
uz pomoć adekvatnog matematičkog
aparata.
d
dt
Energetski efikasni elektromotorni pogoni
Pogoni bez davača na vratilu
Zašto SENSORLESS pogoni
zaokupljuju našu pažnju?
• Oslobađaju nas upotrebe jednog senzora (davača
brzine) - smanjuju složenost hardvera;
• U pogonu se koristi standardni asinhroni motor;
• Smanjuju ukupnu cenu pogona, složenost i
održavanje instalacije;
• Smanjuju potrebno kabliranje;
• Imaju povećan imunitet na smetnje;
• Povećavaju pouzdanost i raspoloživost pogona.
3 / 31 Energetski efikasni elektromotorni pogoni
Pogoni bez davača na vratilu
Potrebna je brzina () da bi
zatvorili povratnu spregu
4 / 31
Regulaciona struktura pogona sa jednosmernim motorom
M
Merenje
struje
induktaReg
Reg
ia
Gen.
impulsa
Reg
if
Gen.
impulsa
Merenje
struja
Merenje
struje
pobude
DB
Reg
ems
*
ai
fi
Energetski efikasni elektromotorni pogoni
Pogoni bez davača na vratilu
Potrebna je brzina () da bi
zatvorili povratnu spregu
5 / 31
Regulaciona struktura skalarno upravljanog AM
Invertor
( )s su
sDBM
PI
Reg.
**
r
Energetski efikasni elektromotorni pogoni
Pogoni bez davača na vratilu
Potreban je ugao (θ) da bi ostvarili
vektorsko upravljanje i zatvorili
povratnu spregu po brzini
6 / 31
Regulaciona struktura indirektno vektorski upravljanog AM
CRPWM Invertor
*
, ,a b c si
DP
MPI
Reg.
**
qsi
, ,as bs csi i i
2
3
*i
*i
dq
sje
s
*
dsi
*
*
1 qs
r ds
i
T i
d
dt
r
Energetski efikasni elektromotorni pogoni
Pogoni bez davača na vratilu
Jedan od načina za procenu brzine u
pogonima sa jednosmernim motorom
bez davača brzine
7 / 31
M
e
ai
Merenje
napona
indukta
Merenje
struje
indukta
aR
au
aLd
dt
LD
Merenje
struje
pobude
( )f fiˆ
f
Osim estimirane brzine, izračunava se fluks u motoru
i kontra-elektromotorna sila Energetski efikasni elektromotorni pogoni
Pogoni bez davača na vratilu
Jedan od načina skalarnog upravljanja
pogonom sa asinhronim motorom
bez davača brzine
8 / 31
Potrebno je poznavanje parametara motora da bi se
pravilno izračunala učestanost klizanja
Invertor
( )s su
sM
*
kl
sU
sIsaI
srI
si( )kl saI
Regulaciona struktura pogona sa
vektorski upravljanim asinhronim
motorom bez davača brzine
9 / 31
Invertor
*
, ,a b c suM
**
qsi
2
3
*u
*u
dq
sje
*
dsiReg. ids
Reg. iqs
dq
sje
s
qsi
dsi
Estimator
, r , ,a b c su
, ,a b c si
, ,a b c si
PI
Reg.
*
du
*
qu
Energetski efikasni elektromotorni pogoni
Pogoni bez davača na vratilu
Postoji više različitih strategija za procenu
brzine u pogonima sa asinhronim
motorom bez davača na vratilu motora
• Izračunavanjem klizanja
• Model Reference Adaptive System MRAS
• Luenberger opserver
• Žlebni harmonici
• Test signal
10 / 31 Energetski efikasni elektromotorni pogoni
Pogoni bez davača na vratilu
Izračunavanje klizanja
11 / 31
22rr
srsr
r
mkl
ii
T
L
Klizanje se može proceniti
ukoliko znamo napon,
struju i parametre motora
Energetski efikasni elektromotorni pogoni
Pogoni bez davača na vratilu
Izračunavanje klizanja
12 / 31
Brzina obrtanja: kldq
Sinhrona brzina je poznata (pogoni sa skalarnim
upravljanjem) ili se može izračunati:
2 2
2 2
r rr r
dq
r r
r s s s r s s s
r r
d d
dt dt
u R i u R i
Energetski efikasni elektromotorni pogoni
Pogoni bez davača na vratilu
Izračunavanje klizanja
13 / 31
0 0.4 0.8 1.2 -60
-40
-20
0
20
40
60 *
t
[s]
[rad/s]
,
*
0 0.4 0.8 1.2 -0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
t [s]
D*
Q
D
[Wb]
Odzivi:
Energetski efikasni elektromotorni pogoni
Pogoni bez davača na vratilu
Izračunavanje klizanja
Mane:
• Velika osetljivost na odstupanje
parametara motora od aktuelnih
parametara u estimatoru
• Problematična je direktna integracija
napona na motoru, kao i merenje napona.
• Šta se dešava ako parametri nisu dobro
podešeni?
14 / 31 Energetski efikasni elektromotorni pogoni
Pogoni bez davača na vratilu
Izračunavanje klizanja
15 / 31
0 1 2 3 4 5 0
5
10
15
20
25
t [s]
[rad/s]
*
0 1 2 3 4 5 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
t [s]
dq [ o ]
Promašićemo brzinu.
Pogon nije vektorski
upravljan. Energetski efikasni elektromotorni pogoni
Pogoni bez davača na vratilu
Model Reference Adaptive
System MRAS • Procena brzine primenom MRAS opservera
zasnovana je na redundansi.
• Postoji mogućnost da istu veličinu (fluks,
ems, reaktivnu snagu…) procenimo pomoću
dva različita estimatora.
• MRAS opserver u elektromotornim
pogonima sa asinhronim motorom
uobičajeno koristi estimatore rotorskog
fluksa. 16 / 31 Energetski efikasni elektromotorni pogoni
Pogoni bez davača na vratilu
Model Reference Adaptive
System MRAS Struktura MRAS opservera brzine
17 / 31
su
si
ˆrV
Diskriminator
greške
Estimator - I
Estimator - IIˆ
rI
Adaptivni
mehanizam
Energetski efikasni elektromotorni pogoni
Pogoni bez davača na vratilu
Model Reference Adaptive
System MRAS • Referentni-naponski (U-I) estimator
rotorskog fluksa.
• Integracija naponske jednačine statora.
18 / 31
ˆ s
s
s s s
du R i
dt
ˆ ˆs s r srr s m s
m m
L LLL i
L L
Energetski efikasni elektromotorni pogoni
Pogoni bez davača na vratilu
Model Reference Adaptive
System MRAS
19 / 31
Rs
Lr
Lm
1
p
Lm
us
is
+ +
_ _ss
s
srV
s
2
1 m
r s
L
L L
Energetski efikasni elektromotorni pogoni
Pogoni bez davača na vratilu
Model Reference Adaptive
System MRAS
• Podesivi-strujni (I-) estimator rotorskog
fluksa.
• Integracija naponske jednačine rotora.
20 / 31
ˆˆ ˆ ˆ
s
r s
r r r
dR i j
dt
ˆˆ
s
r m s
r
r
L ii
L
ˆ 1ˆ ˆ
s
r sms r
r r
d Li j
dt T T
Energetski efikasni elektromotorni pogoni
Pogoni bez davača na vratilu
Model Reference Adaptive
System MRAS
21 / 31
rr
r
LT
R
Energetski efikasni elektromotorni pogoni
Pogoni bez davača na vratilu
1
p+ _
rIs
1- j
Tr
iss
Tr
Lm
Model Reference Adaptive
System MRAS
22 / 31
Adaptivni mehanizam kojim se procenjuje brzina ima
strukturu PI regulatora:
eK
K Ip
pˆ
ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆs s
rI rV rI rVrI rVe
Signal greške je amplituda vektorskog proizvoda
fluksa rotora procenjenih naponskim i strujnim
estimatorom:
Energetski efikasni elektromotorni pogoni
Pogoni bez davača na vratilu
Model Reference Adaptive
System MRAS
23 / 31
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -10
0
10
20
30
40
50
60
t [s]
[rad/s]
*
,
*
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
t [s]
[Wb]
D
Q
Odzivi
Energetski efikasni elektromotorni pogoni
Pogoni bez davača na vratilu
Model Reference Adaptive
System MRAS
24 / 31
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
t [s]
mc [Nm] Odzivi
Energetski efikasni elektromotorni pogoni
Pogoni bez davača na vratilu
Model Reference Adaptive
System MRAS Slabosti MRAS opservera brzine:
• Osetljivost na varijaciju parametara motora
R-promene usled zagrevanja,
L-promene nivoa zasićenja.
• Greška u proceni pri maloj brzini, kao posledica
malog odnosa korisnog signala napona prema
šumu i dominantnog udela RI-napona.
• Na nultoj brzini nije moguće ni teoretski
detektovati dinamiku rotora u statorskim
veličinama. 25 / 31 Energetski efikasni elektromotorni pogoni
Pogoni bez davača na vratilu
Luenberger opserver
26 / 31
Model asinhronog motora u prostoru stanja:
T
s s r ri i X 0 0T
s su u U
2 2
2
2 2
2
0
0
0
0
m r r s m r m
s r s r s r
m r r s m m r
s r s r s r
m r r
r r
m r r
r r
L R L R L R L
L L L L L L
L R L R L L R
L L L L L L
L R R
L L
L R R
L L
A
00
00
10
01
s
s
L
L
B
0010
0001C
U matrici sistema figuriše ! Energetski efikasni elektromotorni pogoni
Pogoni bez davača na vratilu
Luenberger opserver
27 / 31
Algoritam adaptacije brzine:
dteeKeeK rsirsiIrsirsip
Model opservera: ss iidt
d ˆˆˆ
ˆGUBXA
X
Model motora
u prostoru stanja: UBXA
X
dt
d
Korekcija
Energetski efikasni elektromotorni pogoni
Pogoni bez davača na vratilu
Luenberger opserver
28 / 31
M
A
B
e G
x x
0x
Algoritam
adaptacije
brzine
G
Pojačanje
Cˆ ˆ,s s
ds qsi i
ˆsi
,s s
ds qsi i
siˆ ˆ,s s
dr qr
ˆ ˆ,s s
dr qr 0e
,ids iqse e
,s s
ds qsu u
Merenje ili
rekonstrukcija
napona
Merenje
struja
Energetski efikasni elektromotorni pogoni
Pogoni bez davača na vratilu
Žlebni harmonici
• Brzinu obrtanja rotora moguće je proceniti
na osnovu nesavršenosti samog motora
(nesimetričnost rotora, žlebni harmonici,
uticaj zasićenja, …).
• Zahteva se primena brzih FFT algoritama.
• Potrebno je poznavanje konstrukcionih
parametara motora (broja žlebova statora i
rotora, ...).
29 / 31 Energetski efikasni elektromotorni pogoni
Pogoni bez davača na vratilu
Injektovanje test signala
• U jednu komponentu statorskog napona ili struja
injektuje se test signal određenog talasnog oblika.
• Posmatra se odziv na injektovani signal u drugoj
komponenti, na osnovu kojeg se vrše izračunavanja.
• Potrebno je raditi sa malim signalima da bi se
izbegao negativan uticaj na osnovni zadatak
upravljanja pogonom.
• Zbog malih amplituda signala, dolaze do izražaja
sporedni efekti u pogonu (mrtvo vreme invertora,
padovi napona na komponentama invertora, i dr.).
30 / 31 Energetski efikasni elektromotorni pogoni
Pogoni bez davača na vratilu
Osnovna literatura
• Pregled metoda estimacije brzine na
različite načine u pogonima sa asinhronim
motorom, dat je u: Proceedings of the IEEE, Vol. 90, No. 8, Aug. 2002, pp. 1359-1394
Sensorless Control of Induction Motor Drives
Joachim Holtz, Fellow IEEE
Electrical Machines and Drives Group, University of Wuppertal, Germany.
• Veran Vasić, Doktorska teza (MRAS).
• Istraživanja u ovoj oblasti su veoma
aktivna i atraktivna.
31 / 31 Energetski efikasni elektromotorni pogoni
Pogoni bez davača na vratilu