PL219815B1 - Sposób sterowania przełączalnego silnika reluktancyjnego i układ do sterowania przełączalnego silnika reluktancyjnego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób sterowania przełączalnego silnika reluktancyjnego oraz układ przeznaczony do sterowania przełączalnego silnika reluktancyjnego mający zastosowanie w elektrycznych urządzeniach napędowych.

Silniki reluktancyjne z uwagi na prostą konstrukcję wirnika oraz brak elektromechanicznych elementów komutacyjnych charakteryzują się dużą niezawodnością i wykazują dużą odporność na czynniki środowiskowe. Dodatkową korzystną właściwością silników reluktancyjnych jest możliwość wykorzystania uzwojeń roboczych silnika do określenia położenia kątowego wirnika względem statora, dzięki czemu nie ma konieczności stosowania dodatkowych czujników w otoczeniu wirnika.

Znany z patentu Sensorless switched reluctance motor control, numery publikacji: GB 2367197 (A), US 6107772 (A), sposób sterowania bez dodatkowego czujnika położenia wirnika przełączalnym silnikiem reluktancyjnym polega na tym, że dla zapewnienia odpowiedniej wartości prądu w uzwojeniu pierwszej fazy silnika, podczas przedziału przewodzenia, w drugiej fazie silnika mierzy się czas narastania prądu pomiędzy dwoma określonymi poziomami. Ponieważ czas narastania prądu jest proporcjonalny do indukcyjności fazy, to na tej podstawie ustala się położenie wirnika. Prądem roboczym zasila się, więc uzwojenie pierwszej fazy, a w drugiej fazie przeprowadza się pomiar czasu narastania prądu na podstawie którego otrzymuje się kolejne przedziały przewodzenia w fazach zgodnych z położeniem wirnika.

Z amerykańskiego opisu patentowego nr US 5,859,518 znany jest bezsensorowy kontroler silnika reluktancyjnego. Pozycję rotora silnika ustala się przez pomiar indukcyjności dla każdego z uzwojeń fazowych w czasie okresów, kiedy spodziewana jest minimalna wartość indukcyjności. W tym celu do badanego uzwojenia podawany jest szereg impulsów napięciowych w odpowiednim okresie, podczas gdy jednocześnie mierzony jest prąd. Po komutacji pierwszego impulsu napięciowego wyindukowana wartość prądu zostaje zapamiętana w kondensatorze, natomiast kolejne wartości prądu wywołane przez kolejne impulsy napięciowe są porównywane z ustalonym poziomem progowym. Kiedy zostanie już przekroczony poziom progowy kolejne impulsy porównuje się z poziomem zapamiętanym w kondensatorze. Po zmierzeniu kolejnego impulsu prądowego, który nie przekracza zapamiętanego poziomu następuje przełączenie do następnej fazy.

Z polskiego zgłoszenia patentowego nr P-392873 znany jest sposób sterowania silnika reluktancyjnego polegający na tym, że jednorazowo dla danego silnika określa się pierwszy stały parametr czasowy dla impulsu prądu, który wyznacza się przy takiej pozycji wirnika, gdy jeden z jego biegunów znajduje się pomiędzy dwoma biegunami stojana, następnie określa się drugi stały parametr czasowy, który korzystnie jest większy od pierwszego stałego parametru czasowego. Następnie do jednego dowolnie wybranego uzwojenia stojana silnika załącza się prąd roboczy, po czym mierzy się trzeci bieżący parametr czasowy impulsu prądowego w kolejnym sąsiednim uzwojeniu stojana i porównuje jego wartość z wartością drugiego stałego parametru czasowego. Proces ten realizuje się cyklicznie tak długo jak długo wartość trzeciego bieżącego parametru czasowego jest mniejsza od wartości drugiego stałego parametru czasowego. Z chwilą, gdy wartość trzeciego bieżącego parametru czasowego jest większa od wartości drugiego stałego parametru czasowego przełącza się prąd roboczy do kolejnego uzwojenia i jednocześnie przenosi się proces wyznaczania trzeciego bieżącego parametru czasowego na kolejne uzwojenie.

W celu zapewnienia maksymalnego momentu obrotowego przy dużych prędkościach obrotowych wirnika konieczne jest zapewnienie takich warunków zasilania uzwojeń roboczych, aby w wyznaczonym, dla danego uzwojenia, przedziale czasowym średnia wartość płynącego przez uzwojenie była zbliżona do wartości maksymalnej. W urządzeniach napędowych małej i średniej mocy najczęściej stosuje się dodatkowe regulatory napięcia zwiększające wartość napięcia zasilającego uzwojenia robocze przy wyższych prędkościach obrotowych. Z uwagi na nieuchronne straty energii w procesie regulacji ta metoda nie jest korzystna dla zasilania urządzeń dużej mocy.

Z polskiego zgłoszenia patentowego P.393329 znany jest sposób sterowania przełączalnego silnika reluktancyjnego, w którym śledzi się zmiany wartości indukcyjności uzwojenia pomiarowego i na tej podstawie dokonuje się określenia położenia wirnika względem stojana oraz pomiaru prędkości obrotowej wirnika. W oparciu o zmierzone parametry określające położenie wirnika względem stojana i prędkość obrotową wirnika oraz dane charakterystyczne dla danego silnika zapisane w bloku pamięci układu sterującego dokonuje się doboru optymalnego czasu wyprzedzenia dla procesu komutacji uzwojeń roboczych.

PL 219 815 B1

Rozwiązanie według wynalazku umożliwia bardziej skuteczne zasilanie uzwojeń silnika bez konieczności stosowana regulatora napięcia zasilania oraz bez konieczności stosowania skomplikowanej procedury obliczeniowej określającej optymalny czas przełączenia dla uzwojeń roboczych.

Istota sposobu sterowania bezczujnikowego silnika reluktancyjnego polega na tym, że śledzi się tempo skracania sumarycznego czasu narastania i opadania prądu w wybranym uzwojeniu pomiarowym, następnie w oparciu o zarejestrowane dane otrzymane dla co najmniej dwóch kolejnych cykli pomiarowych prognozuje się wartość sumarycznego czasu narastania i opadania prądu dla kolejnego cyklu pomiarowego i jeżeli prognozowana wartość sumarycznego czasu narastania i opadania jest mniejsza od ustalonej wartości granicznej to dokonuje się przełączenia uzwojeń roboczych silnika reluktancyjnego oraz przełączenia bloku generacji impulsów pomiarowych na kolejne uzwojenie statora, które będzie pełnić funkcję uzwojenia pomiarowego, w przeciwnym przypadku w dalszym ciągu wykonuje się kolejne cykle pomiaru sumarycznego czasu narastania i opadania prądu w uzwojeniu pomiarowym. Przy czym w bloku prognozowania rejestruje się sumaryczne czasy narastania i opadania prądu w badanym uzwojeniu pomiarowym, oblicza wartość różnicy tych czasów dla kolejnych ostatnich impulsów prądowych, po czym połowę wartości obliczonej różnicy czasów odejmuje się od wartości ostatniego zmierzonego sumarycznego czasu narastania i opadania prądu i tak obliczoną prognozowaną wartość sumarycznego czasu narastania i opadania prądu porównuje się z ustaloną zadaną wartością graniczną.

Układ sterowania bezczujnikowego silnika reluktancyjnego ma blok pamięci ustalający zadaną wartość graniczną wymaganą dla przełączenia uzwojeń, który połączony jest z blokiem komparacji, który z kolei połączony jest bezpośrednio z blokiem pomiaru sumarycznego czasu narastania i opadania impulsów prądowych i pośrednio poprzez blok prognozowania obliczający prognozowaną wartość sumarycznego czasu narastania i opadania prądu.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania uwidoczniono na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia blokowy schemat układu sterującego przełączalnym silnikiem reluktancyjnym, natomiast fig. 2 przedstawia poprzeczny przekrój silnika reluktancyjnego posiadającego cztery pary biegunów stojana i wirnik wyposażony w trzy pary biegunów.

Układ sterujący przełączalnym silnikiem reluktancyjnym 8 według wynalazku ma blok sterowania 5, który steruje blokiem komutacyjnym 6 i blokiem generacji impulsów pomiarowych 4 na podstawie sygnałów otrzymanych z bloku komparacji 3, który z kolei otrzymuje dwa sygnały do komparacji z bloku pomiaru sumarycznego czasu narastania i opadania prądu 2, pierwszy bezpośrednio, natomiast sygnał drugi pośrednio, poprzez blok prognozowania 1 obliczający prognozowaną wartość sumarycznego czasu narastania i opadania prądu i porównuje wartości tych sygnałów z zadaną wartością graniczną zapisaną w bloku pamięci 7.

P r z y k ł a d w y k o n a n i a.

W przełączalnym silniku reluktancyjnym posiadającym cztery pary biegunów stojana i wirnik wyposażony w trzy pary biegunów na podstawie charakterystyk zmian indukcyjności uzwojeń stojana w funkcji kąta obrotu jego wirnika ustalono zadaną wartość graniczną równą 95 ps dla napięcia pomiarowego UP równego 175 V i wartości impulsu prądu pomiarowego równej 1,6 A, przy nominalnej wartości prądu dla tego uzwojenia równej 24 A.

Przy założeniu, że wirnik silnika obraca się z prędkością, która wymaga załączenia prądu roboczego do uzwojenia silnika z wyprzedzeniem, przy takim położeniu wirnika W jak na fig. 2 oraz przy założeniu, że prąd roboczy został właśnie załączony do uzwojenia 3-3' i narasta w nim, a maleje w uzwojeniu 2-2', do uzwojenia 4-4' załącza się jednocześnie napięcie pomiarowe równe 175 V i mierzy się sumaryczną wartość czasu narastania i opadania prądu w uzwojeniu pomiarowym, czyli czas trwania impulsu prądu pomiarowego o wartości 1,6 A, który bezpośrednio po każdym pomiarze, porównuje się z zadaną wartością graniczną równą 95 ps. Jednocześnie od sumarycznej wartości czasu narastania i opadania prądu w uzwojeniu pomiarowym zmierzonej w poprzednim cyklu pomiarowym odejmuje się aktualną sumaryczną wartość czasu narastania i opadania prądu w uzwojeniu pomiarowym zmierzoną w bieżącym cyklu pomiarowym. Otrzymaną wartość czasu dzieli się przez dwa i odejmuje od aktualnej sumarycznej wartości czasu narastania i opadania prądu w uzwojeniu pomiarowym zmierzonej w bieżącym cyklu pomiarowym otrzymując w wyniku prognozowaną wartość sumarycznego czasu narastania i opadania prądu. W dalszej kolejności prognozowaną wartość sumarycznego czasu narastania i opadania prądu porównuje się z zadaną wartością graniczną. Dopóki prognozowana wartość jest większa, to cyklicznie dokonuje się pomiary wartości sumarycznego czasu narastania i opadania prądu w uzwojeniu pomiarowym. Z chwilą gdy prognozowana wartość sumaryczne4

PL 219 815 B1 go czasu narastania i opadania prądu w uzwojeniu pomiarowym jest mniejsza od zadanej wartości granicznej następuje przełączenie uzwojeń roboczych silnika oraz przełączenie bloku generacji impulsów do kolejnego uzwojenia pomiarowego.

Przykładowo: jeśli sumaryczny czas narastania i opadania impulsu prądu pomiarowego w bieżącym cyklu pomiarowym wyniósł 100 μβ, a w poprzednim 120 μβ, to obliczona wartość prognozowanego czasu narastania i opadania impulsu prądowego wyniesie 90 ns i ponieważ jest mniejsza od zadanej wartości granicznej równej 95 gs, spowoduje to uruchomienie procedury przełączenia prądu roboczego i pomiarowego do kolejnych uzwojeń silnika mimo tego, że czas trwania impulsu prądu pomiarowego w bieżącym cyklu pomiarowym wyniósł 100 μδ, a więc był większy od zadanej wartości granicznej 95 μδ.

Cykliczna realizacja pomiarów wartości sumarycznego czasu narastania i opadania prądu w kolejnych uzwojeniach stojana US przełączalnego silnika reluktancyjnego i w zależności od wyniku komparacji z zadaną wartością graniczną zapewnia poprawną pracę silnika reluktancyjnego przy prędkościach obrotowych dla których wymagane jest załączanie prądu roboczego z wyprzedzeniem czasowym.

Claims (3)

1. Sposób sterowania bezczujnikowego silnika reluktancyjnego, w którym położenie kątowe rotora względem statora wyznacza się poprzez pomiar indukcyjności co najmniej jednego wybranego uzwojenia statora, której wartość określa się poprzez cykliczne pomiary sumarycznego czasu narastania i opadania prądu w uzwojeniu pomiarowym, znamienny tym, że śledzi się tempo skracania sumarycznego czasu narastania i opadania prądu w wybranym uzwojeniu pomiarowym, następnie w oparciu o zarejestrowane dane otrzymane dla co najmniej dwóch kolejnych cykli pomiarowych prognozuje się wartość sumarycznego czasu narastania i opadania prądu dla kolejnego cyklu pomiarowego i jeżeli prognozowana wartość sumarycznego czasu narastania i opadania jest mniejsza od ustalonej wartości granicznej to dokonuje się przełączenia uzwojeń roboczych silnika reluktancyjnego oraz przełączenia bloku generacji impulsów pomiarowych (4) na kolejne uzwojenie statora, które będzie pełnić funkcję uzwojenia pomiarowego, w przeciwnym przypadku wykonuje się kolejne cykle pomiaru sumarycznego czasu narastania i opadania prądu w uzwojeniu pomiarowym.

2. Sposób sterowania według zastrz. 1, znamienny tym, że mierzy się i rejestruje w bloku prognozowania (1) sumaryczne czasy narastania i opadania prądu w badanym uzwojeniu pomiarowym, oblicza wartość różnicy tych czasów dla kolejnych ostatnich impulsów prądowych, po czym połowę wartości obliczonej różnicy czasów odejmuje się od wartości ostatniego zmierzonego sumarycznego czasu narastania i opadania prądu i tak obliczoną prognozowaną wartość sumarycznego czasu narastania i opadania prądu porównuje się z ustaloną zadaną wartością graniczną.

3. Układ sterowania bezczujnikowego silnika reluktancyjnego wyposażony w blok sterowania połączony z blokiem generacji impulsów pomiarowych i blokiem komutacyjnym, znamienny tym, że ma blok pamięci (7) ustalający zadaną wartość graniczną wymaganą dla przełączenia uzwojeń, który połączony jest z blokiem komparacji (3), który z kolei połączony jest bezpośrednio z blokiem pomiaru sumarycznego czasu narastania i opadania impulsów prądowych (2) i pośrednio poprzez blok prognozowania (1) obliczający prognozowaną wartość sumarycznego czasu narastania i opadania prądu.