Tudván azt, hogy háztartási környezetben a motoros kiskészülékek az elektromosenergia-fogyasztásnak akár 64%-át is kitehetik, a motorrendszerek fejlesztésével jelentős energiafelhasználási és költségmegtakarítások érhetők el. A BLDC (kefenélküli egyenáramú) motorokat ipari és végfelhasználói alkalmazásokban is használják kompakt méreteik, kedvező vezérelhetőségük és jó hatásfokuk miatt. Alkalmazási példák a légkondicionáló berendezések kompresszorai, a közvetlen meghajtású mosógépek, hűtőgép-kompresszorok stb. Cikkünkben leírjuk, hogy a BLDC-motorok permanens mágneses szinkron motorfajtájához (PMSM) hogyan implementálható a szenzormentes FOC (Field-Oriented Control) háztartási rendszerekben.
Az egyik legáltalánosabb háztartási berendezés, a mosógép rendelkezik egy dobbal, amely BLDC-motorból, motorvezérlő kártyából és gombsorral, LCD-vel és hőmérsékletmérő szenzorokkal felszerelt felhasználói interfészkártyából épül fel. A felhasználói interfészkártya soros kommunikáció útján közli a motorvezérlő kártyával a gép terhelését, az öblítés paramétereit és egyéb, mosásra vonatkozó adatokat. A motorvezérlő kártya ezután a kapott adatoknak megfelelően állítja be a motor sebességét és nyomatékát. Könnyen belátható tehát, hogy a PMSM vezérlőkártyán végzett fejlesztések jelentős energia- és költségmegtakarításhoz vezethetnek.
Field-Oriented Control (FOC) implementálása digitális jelvezérlőkkel
Image
Ha az állórészre szinuszos bemeneti áramot kapcsolnak, forgómágneses fluxus keletkezik. A forgórész sebessége a forgó fluxusvektorral közvetlen viszonyban áll. A fluxusvektor-forgórész mágneses pólusaihoz viszonyított helyzetét fenn kell tartani minden időpillanatban annak érdekében, hogy a motor a maximális nyomaték leadására legyen képes.
Az 1. ábra mutatja a teljes folyamatot a koordináta-transzformációkkal, PI-iterációval, visszatranszformálással és PWM-generálással, megadva a FOC-vezérléshez szükséges funkciókat. A folyamat a háromfázisú motoráram mérésével kezdődik. Koordináta-transzformációk sorozatával az – állandósult állapotban – időinvariáns nyomaték- és fluxusértékek indirekt módon számíthatók és vezérelhetők a klasszikus PI-vezérlőhurkokkal.
A hibajelek az Id, Iq és referenciaértékek segítségével állíthatók elő. Az Id referencia rotormágnesező fluxust vezérel.
Az Iq referencia a motor nyomatékkimenetét vezérli. A hibajelek a PI-kontrollerek bemenetére kerülnek, a kontrollerek kimenetein pedig megjelennek a Vd és Vq jelek, amelyek a motorra küldött feszültségvektorokat takarják. Az új koordinátatranszformációs szöget a motorsebesség, a forgórész elektromos időállandója, valamint az Id és Iq alapján határozzák meg. A FOC-algoritmus az új szög alapján helyezi el a következő feszültségvektort az aktuális működési feltételeknek megfelelő slip létrehozására. A Vd és Vq kimeneti értékeket az új szög alapján a stacionárius referenciakeretre terelik vissza. Ez a kalkuláció adja meg a vα és vß és kvadratúra-feszültségértékeket. A következőkben a va és vb értékeket visszatranszformálják a va, vb és vc jelű háromfázisú feszültségértékekre. A háromfázisú feszültségértékeket az új PWM kitöltési tényező számítására fogják be, amellyel a várt feszültségvektor állítható elő.
A FOC-algoritmusos módszerrel a háromfázisú szeparált PWM-jeleket szinuszosan modulálják az SVM (Space Vector Modulation) módszerrel és kötik rá a motor háromfázisú tekercselésére. Söntellenállásokkal monitorozzák a tekercsáramokat és vetik össze azokat egy, a motor karakterisztikáin alapuló elektromos modellel. A motor tekercselési karakterisztikáit a motorbeszállító szolgáltatja, bár azok a tekercselések induktivitás- és ellenállás-értékei alapján számíthatók is. A forgórész pozíciószámítását indirekt módon a Back EMF (Back Electromotive Force) mérésével végzik, amelynek alapja szintén a motormodell.
A Back EMF-et a motor modelljéből vonják ki az áramok kikövetkeztetésével.
A FOC előnyei
A PMSM motorteljesítmény-vezérlésben a FOC alkalmazása számos előnnyel kecsegtet.
Többek között a PMSM-motorok dinamikus reagálása FOC alkalmazása esetén javul, amelynek például mosógépes felhasználásban van nagy jelentősége. A FOC ebben ott nyújt támogatást, hogy optimális nyomatékgenerálást biztosít, amely kevesebb áramot használ, mivel az áram amplitúdóját és fázisát vezérli, az állórész és forgórész mágneses mezőit egymáshoz képest 90°-ban tartja. Az áramerősség eredendően korlátozott, mivel a FOC minden PWM-ciklusban lehetővé teszi az áram vezérlését.
A BLDC-motorok klasszikus vezérlése az állórészt hat lépésben hajtja meg, amely a generált nyomatékban oszcillációt hoz létre. Ebben az esetben egy tekercspárba táplálnak energiát addig, amíg a forgórész eléri a következő pozíciót, amelyet követően a motor a következő fázisba kommutál. A FOC alkalmazásakor a motor folyamatosan szinuszos hullámot követően kommutált, vezérelt áramfázisokkal. Ezáltal a nyomatékgenerálás lineáris marad a motor forgása alatt. Mivel a nyomatékgenerálás folyamatosan kommutált, nyomatékhullámzás nem jelentkezik, csökken a motor mechanikai rezgése is.
Ez azt eredményezi, hogy a motor hallható zaja jelentősen kisebb lesz, csendesebb gépek építését lehetővé téve.
A készüléktervezésben digitális jelvezérlőket alkalmazva lehetséges szoftveres alapú motorrendszerek fejlesztése, amelyekkel több piac is megcélozható. Például egy DSC-s és FOC-algoritmusos motorvezérlés alapján egy általános platform hozható létre, amelyre mosógépcsaládokat lehet építeni. Ugyanígy például légkondicionálók, hűtőgépkompresszorok szintén felépíthetők egy szimpla platform segítségével, az egyetlen szükséges módosítás a FOC-algoritmus paramétereinek változtatása, amely az algoritmus magját, a vezérlőkártya hardverét és a DSC-t változatlanul hagyja.
Irodalom
[1] Microchip Online Motor Control Design Center: www.microchip.com/motor
[2] Microchip dsPIC33F Motor Control Family: www.microchip.com/dsPIC
További információ
