ES2903009B2

ES2903009B2 - Procedimiento de correccion de vibraciones para motores electricos rotativos con control orientado a campo

Info

Publication number: ES2903009B2
Application number: ES202030982A
Authority: ES
Inventors: Cadaval Enrique Romero; Acedo Jaime Pando; Gonzalez Fermin Barrero; Romera Eva Gonzalez; Montero Maria Isabel Milanes
Original assignee: Universidad de Extremadura
Current assignee: Universidad de Extremadura
Priority date: 2020-09-30
Filing date: 2020-09-30
Publication date: 2022-08-04
Anticipated expiration: 2040-09-30
Also published as: ES2903009A1

Description

DESCRIPCIÓN

PROCEDIMIENTO DE CORRECCIÓN DE VIBRACIONES PARA MOTORES

ELÉCTRICOS ROTATIVOS CON CONTROL ORIENTADO A CAMPO

SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención encuentra aplicación dentro de área de la mecánica, en el campo de los motores rotativos y el control de efectos no deseados en los mismos, en particular, de las vibraciones.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En las aplicaciones que utilizan motores pueden producirse vibraciones por causas propias del sistema en el que se acopla el motor (como, por ejemplo, alineamiento incorrecto de ejes) o aquellas debidas a las condiciones de uso de dicho sistema (fluctuaciones de la carga que debe mover el motor). Estas vibraciones se extienden por toda la estructura del sistema pudiendo causar molestias en las personas y defectos en la maquinaría, llegando en ocasiones a inutilizarla.

Existen diversos estudios y patentes que abordan el problema de la detección y corrección de las vibraciones que se producen en sistemas acoplados a máquinas rotativas eléctricas. Las técnicas de control que permiten la corrección de las mismas reciben el nombre de control activo de vibraciones. En A. J. Fleming, S. O. R. Moheimani, and S. Member, "Inertial Vibration Control Using a Shunted Electromagnetic Transducer,” IEEE/ASME Trans. Mechatronics, vol. 11, no. 1, pp. 84-92, 2006, se estudia la viabilidad de incorporar electroimanes para la cancelación de las vibraciones estructurales. Este sistema tiene la ventaja de no necesitar sensores adicionales. Por otro lado, en A. G. Wills, D. Bates, A. J. Fleming, B. Ninness, and S. O. R. Moheimani, "Model predictive control applied to constraint handling in active noise and vibration control,” IEEE Trans. Control Syst. Technol., vol. 16, no. 1, pp. 3-12, 2008, se exploran los límites de operación de las técnicas de control predictivo en este ámbito, que permiten la inclusión de dichos límites en la acción de control, consiguiendo mejores resultados.

En el caso de los automóviles existe un gran interés en la corrección de las vibraciones, ya estas que influyen directamente en la experiencia de conducción. La referencia W. Sun, H. Gao, and B. Yao, "Adaptive robust vibration control of full-car active suspensions with electrohydraulic actuators,” IEEE Trans. Control Syst. Technol., vol. 21, no. 6, pp. 2417 2422, 2013, desarrolla un modelo completo del vehículo donde se actúa sobre la suspensión, implementando controladores que incorporan como entradas virtuales las fuerzas de los actuadores, resultando en unos controladores robustos ante la incertidumbre de parámetros. En C. Gohrle, A. Schindler, A. Wagner, and O. Sawodny, "Design and vehicle implementation of preview active suspension controllers,” IEEE Trans. Control Syst. Technol., vol. 22, no. 3, pp. 1135-1142, 2014, también se actúa sobre la suspensión del vehículo, pero en esta ocasión se incorporan datos al modelo sobre la carretera provenientes de sensores ya presentes en el vehículo, con el fin de anticiparse para mejorar la respuesta. CN109941120 describe un control capaz de atenuar las vibraciones de torsión generadas por los cambios en la referencia de par del motor del vehículo, que se utiliza también para generar una señal que cancele las vibraciones.

Las vibraciones producidas por las máquinas eléctricas rotativas no son exclusivas de los vehículos eléctricos, también se encuentran en los ámbitos industriales e incluso doméstico. Ejemplos claros de esto son las patentes ES2354982T3 y ES2240260T5, que versan sobre la detección y amortiguación de vibraciones producidas en unidades de lavado por las altas velocidades de rotación de las máquinas en presencia de cargas desbalanceadas. En W. He, X. He, and C. Sun, "Vibration Control of an Industrial Moving Strip in the Presence of Input Deadzone,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 64, no. 6, pp. 4680-4689, 2017, se estudia el efecto de las vibraciones y su atenuación activa en una aplicación industrial como es el control del movimiento de las láminas móviles en los procesos de laminación de metal, papel o plástico.

En la solicitud WO2020067482 se describe un sistema de atenuación activa de vibraciones, que tiene el mismo objetivo que la presente invención. En dicha solicitud, se toma la información sobre las vibraciones a eliminar de la fuerza contra electromotriz de la máquina rotativa y se transforma en una consigna adicional de par encargada de la eliminación de dichas vibraciones. El principal problema que conlleva esta forma de eliminación de vibraciones es la necesidad de introducir nuevos sensores para medir la tensión en bornas de la máquina, necesarias para el cálculo de la fuerza contra electromotriz, que de otra forma no estarían presente en un control orientado a campo como en el que se implementa.

Además, según la forma de cancelación de vibraciones descrita en la anterior patente, no se contempla la modificación de las correcciones calculadas inicialmente para la completa eliminación de las vibraciones.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

El objeto de la presente invención es el de proporcionar un procedimiento para la corrección de las vibraciones en un motor eléctrico mediante el uso de transductores ya presentes en dicho motor. Para ello, la invención hace uso de las mediciones de posición del rotor del motor (o velocidad, ya que ambas están estrechamente relacionadas) para la obtención de la información de las vibraciones a cancelar. Dichas mediciones están siempre presentes en el control orientado a campo tradicional, que es el control más utilizado en la industria para las máquinas eléctricas rotativas. Posteriormente, mediante un proceso iterativo, la invención determina las modificaciones necesarias a la consigna de par para la efectiva cancelación de las vibraciones.

Opcionalmente, lo descrito en la presente invención podría aplicarse en el caso de que se usasen otras medidas para la obtención de la información sobre las vibraciones a corregir, como, por ejemplo, las corrientes del motor. Esto lo haría extrapolable a otros tipos de controles existentes.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención y para complementar esta descripción, se acompañan como parte integrante de la misma las siguientes figuras, cuyo carácter es ilustrativo y no limitativo:

La figura 1 muestra el esquema general de un sistema en el que el procedimiento de la invención puede ser aplicado.

La figura 2 muestra el proceso de funcionamiento del procedimiento de la invención.

Las figuras 3 y 4 muestran un ejemplo de aplicación de la invención a un sistema en el que la velocidad de giro de un motor presenta variaciones de alta frecuencia y, por lo tanto, vibraciones. La figura 3 muestra las correcciones que se van calculando en cada momento y la figura 4, como se van reduciendo dichas variaciones de forma acorde.

La figura 5 muestra el detalle del control y como se implementa dentro del control general del sistema.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

En referencia a la figura 1, un sistema de adquisición de señales registra las variables necesarias para la caracterización de las vibraciones a corregir, es decir, la posición o velocidad del motor. Este sistema de adquisición de señales comprende transductores de corriente y velocidad que ya están presentes en el dispositivo, por ejemplo, sensores de efecto hall 2 y un resolver o encoder 3 acoplado al eje del motor eléctrico 1. Opcionalmente, las vibraciones pueden ser medidas con un transductor piezoeléctrico o acelerómetro 4 también presente en el sistema.

Las medidas se hacen pasar por una etapa de filtrado de las señales 5, para eliminar el ruido ambiente y de conmutación. Se usan para ello filtros paso bajo y búferes de tensión para desacoplar la resistencia del filtro de la del conversor analógico digital de la plataforma de control 6. En dicha plataforma de control 6 se transforman las señales analógicas en señales digitales. Una vez transformadas las señales mediante la plataforma de control, éstas están disponibles para emplearse en el controlador digital del sistema.

Los sistemas de clasificación 7 y atenuación 8 de la figura 1 pueden observarse de nuevo incluidos en el control orientado a campo descrito en la figura 5, además de las señales digitales obtenidas previamente (u^m, i^ae i^b). La caracterización de las vibraciones puede realizarse mediante una transformada rápida de Fourier (FFT) de la posición o velocidad del motor 1, usando una ventana de tiempo variable o mediante un sistema de referencia asíncrono (ASRF). Las vibraciones observadas mediante el transductor de velocidad o el de vibraciones están dadas por la siguiente expresión en el dominio del tiempo, al tratarse de vibraciones periódicas:

Donde v^hes la vibración de orden h, que será un múltiplo de la frecuencia de giro del motor f^m, A^hes la amplitud de la vibración, t es la variable que representa el tiempo y es la fase de dicha vibración. Estos parámetros son los que nos proporcionará la caracterización de las vibraciones y, una vez seleccionada la vibración a corregir, estos valores iniciales se guardarán con un subíndice 0 para posteriormente comparar con los que se obtengan al introducir correcciones (figura 2, ref. 20).

La frecuencia de muestreo está estrechamente relacionada con la frecuencia de la vibración a corregir. Para asegurar una correcta reconstrucción de la onda de la vibración a partir de los valores muestreados, son necesarios al menos 8 puntos por periodo de la onda. De esta forma, si la frecuencia de giro de la máquina es de 5 hertzios, y se desea corregir una vibración de 5° orden, lo cual correspondería a una vibración de frecuencia 25 hertzios, es necesario muestrear a 200 hertzios para que el sistema sea capaz de identificarla correctamente.

Utilizando los datos iniciales extraídos, se determinan las correcciones necesarias en la corriente y se introducen a la frecuencia observada, con unos valores preliminares de amplitud y fase 30, basados en la vibración observada. En este sentido, la fase de la corrección será igual a la de la vibración y la amplitud será la mitad de la amplitud de la vibración, por lo que la corrección inicial está definida por la siguiente expresión:

^carr iTii = 1 s in ( '1 ^' ^ ^' f ,n ^' * ⁺ <Ph)

Donde icor_ini es la corriente de corrección inicial instantánea e I es la amplitud de dicha corrección, que viene dada por la expresión I = Ah¡2. El resto de parámetros son los extraídos en el análisis de las vibraciones. A partir de este punto, se introducen incrementos primero en la fase 5<¡, modificándola en una dirección (sumándola o restándola) 40.

Para comprobar si se ha reducido la vibración 50, se vuelve a realizar un análisis de la señal y se compara con el valor inicial almacenado del paso 20. Si se ha reducido, se vuelve a modificar la fase en la misma dirección y se realiza de nuevo la comprobación, pero esta vez comparándose con el valor anterior en lugar del inicial. En caso contrario, se procede a modificarla en la dirección contraria 60, comprobándose de nuevo si disminuye la vibración observada 70.

Al alcanzar el punto mínimo de la vibración, el algoritmo se quedará oscilando alrededor de él. En este punto, es posible refinar la modificación de la corrección hasta que se alcance un criterio de convergencia opcional. Un ejemplo podría ser la reducción de la amplitud del incremento de la fase al 20% de su valor original y volviendo de nuevo al paso 40.

A continuación, se modifica la amplitud de la corrección 80, procediéndose de forma análoga al caso anterior, es decir, añadiendo incrementos de amplitud 5 ^a . Se aumenta la amplitud de la corrección y se comprueba si la amplitud de la vibración disminuye 90. En caso de que no disminuya, se reduce la amplitud 100 hasta que se encuentre el mínimo y se pase opcionalmente a un criterio de convergencia 110, como el definido en el paso de modificación de la fase. En ese momento se habrá alcanzado la atenuación completa de la componente armónica de vibración seleccionada. En general, la corrección introducida al sistema de control principal en la iteración n del algoritmo viene dada por la expresión:

Donde el subíndice n hace referencia a la iteración n del procedimiento. De esta forma, en la corrección de amplitud, In-1 es el valor de la amplitud de la iteración anterior, mientras que, en la corrección de fase, $n-1 es el valor de la fase en la iteración anterior. Por otro lado, k es una variable que toma el valor 1 o -1 dependiendo de si estemos corrigiendo de forma efectiva la vibración o no. Así, si la amplitud de la vibración en la iteración anterior, Ah_n-¹, es mayor que la amplitud en la iteración actual, Ah_n, k toma el valor 1, siendo -1 en otro caso. El resto de parámetros son los obtenidos del análisis inicial de vibraciones y los valores de los incrementos de fase y amplitud.

Las correcciones calculadas con los algoritmos de la figura 2 se introducen en el control orientado a campo (FOC, por sus siglas en inglés), el cual está englobado en la plataforma de control 6 de la figura 1 y detallado en la figura 5. Dicha plataforma de control calcula las señales necesarias para la etapa de potencia 10, que alimenta al motor eléctrico. Las correcciones se introducen en la corriente en cuadratura. De esta manera se tiene

^ q j ' e f ^{^} q_PI ^{3 " ^} q_corr

Es decir, la corriente de referencia en cuadratura será la suma de la corriente del controlador proporcional integral (PI) iq_pi, encargado de mantener la velocidad igual a la de referencia, más la corriente de corrección iq_ corr.

Para este ejemplo, considérese el sistema de la figura 1. El motor se hace girar a una velocidad de 300 revoluciones por minuto, equivalente a 31.41 radianes por segundo. En el sistema se ha introducido una carga con un valor medio 4 Nm con una componente variable de alta frecuencia, que introduce vibraciones en el sistema. Estas vibraciones se pueden observar en las variaciones de velocidad mostradas en la figura 4. A continuación se detalla el funcionamiento de la invención:

1. El sistema de clasificación 7 de las vibraciones, usando la medida velocidad proveniente del sensor resolver/encoder de posición, detecta mediante un transformada rápida de Fourier (análisis FFT) una componente de 60 hertzios con amplitud igual a 2. Para iniciar la corrección de dicha componente, introduce una corrección en la corriente en cuadratura de amplitud 1 y fase inicial 0, como se muestra en la Figura 3 para el momento de tiempo 0,23 segundos.

2. El sistema de atenuación 8 empieza modificando la fase de la corrección inicial en el instante 0,65 segundos, introduciendo un desfase igual a n/4 radianes. Se observa en la figura 4 que la componente de velocidad a 60 hertzios disminuye de amplitud, por lo que las siguientes perturbaciones seguirán introduciendo desfase en la misma dirección.

3. Cuando el desfase pasa de n radianes a 5n/4 radianes 1,64 segundos, se observa un aumento en la amplitud de la variación de la velocidad, por lo que el sistema cambia la dirección y se queda con el valor de desfase del paso anterior.

4. En este momento, el sistema de atenuación comienza a modificar la amplitud de la corrección introducida en la corriente en cuadratura, aumentando en cada paso un valor de 0,5 A de corriente.

5. La variación en la velocidad va disminuyendo con cada aumento de la amplitud de la corrección, como muestran las figuras 3 y 4, hasta que en el instante de tiempo 2,715 segundos, al aumentar a 3,5 A el valor de dicha amplitud, la variación en la velocidad aumenta en lugar de disminuir. El algoritmo revierte la dirección de modificación de la corrección, y se queda con el valor anterior de amplitud igual a 3 A.

6. En este momento, el sistema de clasificación comprueba que la amplitud de la variación de la velocidad ha reducido su valor hasta casi completamente desaparecer y da por terminada la corrección de esta componente. Posteriormente, si en el proceso de caracterización de las vibraciones se detectaron componentes adicionales a la descrita de 60 hertzios, podría pasarse a la corrección de dichas componentes. El proceso en este caso se repetiría para esa componente.

A la vista de esta descripción y figuras, el experto en la materia podrá entender que la invención ha sido descrita según algunas realizaciones preferentes de la misma, pero que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes, sin exceder el objeto de la invención tal y como ha sido reivindicada.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento de corrección de vibraciones en motores eléctricos rotativos con control orientado a campo, caracterizado por que comprende los siguientes pasos: -a. caracterización de las vibraciones mediante una transformada rápida de Fourier (FFT) de la posición o velocidad del motor, donde las vibraciones se expresan mediante la siguiente expresión:

donde vh es la vibración de orden h, que será un múltiplo de la frecuencia de giro del motor fm, Ah es la amplitud de la vibración, t es la variable que representa el tiempo y $h es la fase de dicha vibración;

-b. almacenamiento, con subíndice 0, de la amplitud y la fase de cada vibración en cada orden;

-c. selección del orden a corregir y realización de una corrección inicial en la corriente que alimenta al motor definida por la expresión:

/ (íl - í ^ J _j

donde ¡corjm es la corriente de corrección inicial instantánea e I es la amplitud de dicha corrección, que viene dada por la expresión

introduciéndose en la corriente en cuadratura del control orientado a campo;

-d. introducción de incrementos en la fase 5<¡, de la corriente modificándola en una dirección;

-e. comprobación de que el paso d. ha reducido los valores con subíndice 0 guardados en el paso b;

-f. en caso contrario, introducción de los incrementos en la dirección contraria, -g. repetición de los pasos d, e y f, comparando con el valor de la iteración anterior, hasta alcanzar un criterio de convergencia;

-h. introducción de incrementos en la amplitud Ah de la corriente de corrección modificándola en una dirección;

-i. comprobación de que el paso h. ha reducido los valores comparándolos con los almacenados en paso anterior;

-j. en caso contrario, introducción de los incrementos en la dirección contraria, -k. repetición de los pasos h, i y j hasta alcanzar un criterio de convergencia;

-l. repetición del paso c para el resto de los órdenes a corregir.

2. Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado por que la caracterización de las vibraciones se realiza usando una ventana de tiempo variable o mediante un sistema de referencia asíncrono (ASRF).