Jste zde

El. motory a jejich řízení - základní přehled - 2.díl

Antonín Vojáček, 15. Červenec 2014 - 22:33

S rostoucí automatizací systémů a rozvojem elektronického ovládání se rozšiřují i možnosti řízení elektromotorů, jako základního prostředku převodu el. energie na mechanický pohyb. Ty jsou dnes téměř vždy vybaveny nějakým druhem elektronického řízení pro zajištění nižší spotřeby el. energie, snížení vibrací, přesnou regulaci pohybu či nastavení rychlosti otáčení. Zde je základní přehled dnes běžně používaných principů...

Principy pro řízení motorů

Obvykle se celkový řídicí řetězec skládá z řídicí jednotky (procesor se vstupy a PWM výstupy připojené na spínací tranzistorové můstky), stejnosměrného nebo střídavého motoru a případně zpětné regulační vazby. V závislosti na tom, zda se zpětně sleduje výsledný vytvořený pohyb (otáčení) motoru a využívá se zpětně k doladění řízení, se regulace motorů rozděluje na:

  • Řízení v otevřené smyčce - pouze pro nenáročnou regulaci motorů, protože se nevyužívá zpětné vazby, která hlídá výsledný běh elektromotoru a informuje o tom, zda je motor ve skluzu nebo zablokován, či zda se otáčí požadovanou rychlostí. Dá se říct, že řízení probíhá "naslepo".
  • Řízení v uzavřené smyčce - průběh regulace motoru je monitorován, lze řídit rychlost otáčení, rozběh i doběh motoru apod.

Příklad řízení motoru v otevřené smyčce = tedy bez zpětné vazby o poloze (obr. vlevo) a řízení v uzavřené smyčce = se zpětnou vazbou poskytující informaci o skutečném natočení a pohybu motoru (obr. vpravo).

Kartáčové stejnosměrné motory

Jak již bylo napsáno výše, princip je založen na periodickém střídavém přepínání polarity napájecího stejnosměrného proudu pomocí komutátoru po každém otočení rotoru o 180°. Rychlost otáčení se řídí napětím, nejjednodušeji jeho spínáním (PWM modulace napájecího napětí), kdy průměrná hodnota napájecího napětí je dána vzájemným poměrem četností stavů zapnuto / vypnuto.V závislosti na tom, zda se používá zpětná vazba či nikoli, lze algoritmus řízení rozdělit na:

  • Pulsní PWM algoritmus v otevřené smyčce - pouze vytváří potřebnou úroveň napětí, které je úměrná rychlost otáčení a předpokládá se, že se motor točí. Tento způsob lze dobře použít při známé a konstantní mechanické zátěži. V opačném případě se riskuje zablokování motoru.

  • Pulsní PWM algoritmus v uzavřené smyčce a jeho variace - buď jen jednoduchý PWM algoritmus, který pouze dle zpětné vazby řídí / nastavuje periodu, což je vhodné jen pro pomalu se měnící zatížení hřídele, nebo složitější, ale přesné řízení generování pulsů. Zde se pak řídí střída i frekvence podle požadavku na rychlost otáčení a výsledků zpětné vazby. V případě uzavřené smyčky lze tak vcelku přesně řídit rozběh i brždění stejnosměrného elektromotoru.

  

U kartáčových DC motorů se komutace provádí mechanickým komutátorem a PWM se řídí jen velikost DC napětí

Univerzálních motory

Univerzální motory jsou díky své univerzálnosti dnes dost často využívány v domácích spotřebičích, jako jsou vysavače, různé ruční nástroje, kuchyňské stroje (mixéry, šlehače, sekáčky). Díky své konstrukci kartáčového komutátorového motoru s napájeným vinutím statoru i rotoru a tím, že je lze napájet stejnosměrným (DC) i střídavým (AC) napětím a proudem, je možné jejich běh ovládat dvěma způsoby:

  • Přímým spínáním střídavého napětí (řízení úhlu fáze) - motor je napájen přímo střídavým napětím (například klasickým zásuvkovým napětím 230 V) a rychlost otáčení se řídí spínáním triaku zapojeného na fázový vodič. Při průchodu sinusového průběhu nulou (tj. bodem, kdy je napětí nulové) triak sepne a po nějaké době dané velikostí časovacího rezistoru, dojde k rozepnutí triaku. Tím se sinusový průběh "usekne", a protože je průměrná hodnota napětí a tím i rychlost otáčení úměrná velikosti plochy pod sinusovým průběhem, je výsledkem jednoduché řízení motoru. Jde sice o jednoduší, ale prakticky ne moc efektivní regulaci pomocí řízení úhlu fáze (phase angle control). Jednoduchost je vykoupena zvýšeným hlukem otáčení, nekonstantním (zvlněným) průběhem točivého momentu a výrazným vysíláním rušení do elektrické sítě způsobeným "ostrým seseknutím" sinusovky.

  • Spínáním usměrněného napětí - motor napájen stejnosměrně z usměrňovače tvořeného diodovým můstkem a filtračním kondenzátorem a průměrná hodnota napájecího napětí je regulována spínáním tranzistoru řízeného přes budič řídicí jednotky se spínacím algoritmem (tj. pomocí PWM modulace).

Krokové motory

U krokových motorů, které se vyskytují v bipolárním provedení (obsahují dva páry vodičů) nebo unipolárním provedení (5 či 6 jednotlivých vodičů) se podle složitosti řídicího algoritmu a použití motoru využívá jedno z následujících časování:

  • 4 sekvence pro jeden plný krok - dvě vinutí jsou vždy napájená a provádí se "přetahování/strkání" pólů, což je vhodné pro nízké rychlosti, kde je potřebné přesně krokovat a udržet vysoký točivý moment.

  • 4 sekvence pro vytvoření vlny - pouze jedno vinutí v jednom časovém okamžiku je napájené, které k sobě táhne pól. Tento způsob vykazuje hladší běh, než předchozí řízení, ale nízký točivý moment, je problémový při vysokých rychlostech, nízká spotřeba.

  • 8 sekvencí pro půlkrok - nejdříve napájené jedno vinutí (1. půlkrok), následně obě dvě vinutí (2. půlkrok), pak opět jedno vinutí. A tak pořád dokola. Prakticky jde o spojení předchozích dvou principů. To vytváří klidnější chod při většině rychlostí, dobrý točivý moment.

  • 8 nebo více sekvencí na jeden mikrokrok - umožňuje vytvářet proměnný výkon v čase nebo dávkování výkonu na čas. Tento způsob vykazuje velmi klidní a tichý chod, ale ztrácí na točivém momentu.

  
 

4 sekvencové řízení krokového motoru (vlevo) je sice jednodušší na realizaci, ale vykazuje neklidný běh, narozdíl od dokonalejšího 8 sekvenčního půlkrokového řízení (vpravo)

Sekvencování určuje vlastnosti krokového motoru, ale prakticky se realizuje opět puslním PWM řízením bez nebo častěji se zpětnou vazbou:

  • PWM řízení v otevřené smyčce - méně běžné - pouze se generují sekvence dle jednoho zvoleného režimu výše a tiše se předpokládá, že vše funguje. V tomto režimu má rotor tendenci zůstávat na pozici zubu, což při otáčení generuje hluk.

  • Pulsní řízení v uzavřené smyčce - běžné - hodí se i pro větší rychlosti, konstantní nastavení.

  • Zpětná vazba založená na PWM - přesné řízení s výbornou charakteristikou - systém akceleruje a pak nastavuje (provádí se nastavení na začátku každého kroku).

3fázové střídavé a BLDC motory

Řízení synchronního 3fázového střídavého motoru a BLDC motorů je podobné. Využívá se řídicí jednotky, která pomocí vhodné PWM vytváří ze stejnosměrného napětí co nejvěrnější ekvivalent průběhu střídavého sinusového napětí (AC) požadované frekvence. Nejdříve však musí být napájecí střídavé napětí konvertováno můstkovým usměrňovačem na stejnosměrné napětí (DC). Ve výsledku tak lze 3fázový motor použít i při jednofázovém napájení, protože fázování simuluje samotné řízení.

U běžnějších indukčních asynchronních motorů s kotvou nakrátko je nutné počítat rychlost motoru a jeho indukci pomocí komplexních algoritmů, které zabraňují vzniku velkého skluzu. K tomu je však potřeba realizovat řízení v uzavřené smyčce. Také je jimi možné velikost skluzu řídit. Algoritmus FOC (Field Oriented Control) umožňuje vypočítat pozici rotoru s pomocí známých konstant pro daný motor.

Základní principy řízení jsou:

  • Jednoduché sekvencování pulsů - pouze střídavé přivádění stejnosměrného napětí (pulsů / PWM signálů s konst. střídou a periodou) postupně na jednotlivá vinutí. Jednoduché na realizaci, ale je vhodné pouze pro malé BLDC motory a nízké rychlosti, ale běh je hlučný a generuje velké EMI rušení.

  • Lichoběžníkové prostorové vektorové řízení (Trapezoid Space vector) - využívá pilovitého nebo trojúhelníkového průběhu k regulaci period PWM, což zhruba simuluje průběh sinusového průběhu (ve velkých krocích) na příslušném vinutí v čase s +/- 30° fázovým posunem. Výsledkem je slušný točivý moment pro BLDC motory při vyšších rychlostech, ale mizerný při nízkých (často motor jakoby cvaká) a generuje vysoké EMI.

  • Sinusové prostorově vektorové řízení - generuje (simuluje) sinusový průběh napětí na dvou vinutích, což dává slušnou aproximaci sinusovky, dobrý točivý moment, čisté sekvencování při nízkých rychlostech, ale nefunguje při vyšších rychlostech. Vhodný i pro řízení 3fázových AC motorů. Vyžaduje však velmi přesnou zpětnou vazbu, aby to vůbec fungovalo.

  • FOC řízení - přesně vypočítává potřebný statorový proud vzhledem k pozici rotoru, vyznačuje se výbornou charakteristikou, která se dobře adaptuje a dá se použít pro BLDC i střídavé AC motory. Vyžaduje však provádění mnoha výpočtů, které ale nejsou moc časově náročné. Pracuje dobře při každé rychlosti a dovoluje přesně řídit / dávkovat točivý moment.

  
 

Zatímco BLDC motory lze řídit i jednoduchým sekvencováním pulsů (nahoře), pro 3fázové AC motory, zvláště indukční s kotvou nakrátko (dole), je vhodnější vytvořit (nasimulovat) "pravé" točivé magnet. pole.

Zatímco jednoduché sekvencování přivádí střídavě na 2 vinutí konstantní průběh PWM, výhodnější lichoběžníkové nebo sinusové vektorové řízení se již proměnným PWM snaží simulovat trojúhelníkový, resp. sinusový průběh statorového napětí.

Realizace uzavřené regulační smyčky (zpětné vazby)

  • Měření příčného proudu větví budícího / napájecího můstku motoru - kontrola proti nadproudu, optimální řízení PWM, hrubá realizace zpětné vazby

  • Back-EMF (bezsenzorové snímání = sensorless) - měří napětí indukované v zrovna nenapájených vinutích, která se v tu chvíli chovají jako generátor, tzn. točivé mag. pole v nich indukuje napětí úměrné jeho velikosti, které je tak úměrné rychlosti otáčení motoru. Jeho nevýhoda je nutnost dlouhého snímání. Po převodu napětí A/D převodníkem, lze pomocí komparátoru vytvořit impulsní signál, jehož frekvence je úměrná rychlosti otáčení.

  • Enkodér natočení (Position encoder)

    • Snímač s Hallovým senzorem - generuje signál detekcí střídání magnetického pole, obvykle neumožňuje přímo zjišťovat směr otáčení.
    • Absolutní optický enkodér - generuje přesný (složitý) signál informující přesně o aktuálním natočení hřídele snímače. Pro jeho zpravání je obvykle nutná inteligentní řídící jednotka (servodrive jednotka či PLC).
    • Inkrementální snímač otáčení / encodér - nejběžnější optický snímač polohy, běžně dvoukanálové provedení umožňující určovat relativní pozici, směr otáčení i rychlost. Jeho nevýhoda je, že na straně řídící jednotky musí být buď alespoň dva dostatečně rychlé čítače nebo lépe kvadraturní enkodér, který poskytuje však největší přesnost měření.

  • Tachodynamo (Tachogenerátor) - pracuje jako stejnosměrný generátor (motor), umožňují určit směr pohybu ze směru generovaného proudu, přesnější typy mohou mít sinusový výstup, využívají se obvykle jen pro velké motory.

Nejjednodušším způsobem, jak realizovat zpětnou vazbu, je měření proudu větví spínacího tranzistorového můstku prostřednictvím analogového vstupu řídící jednotky.

Enkodér s Hallovým snímačem (nahoře) a inkrementální enkodér (dole)

 

Download & Odkazy

Hodnocení článku: