GPIO

UNIVERZITET U ISTONOM SARAJEVU

ELEKTROTEHNIKI FAKULTET JEDNOKVADRANTNI POJAAVA ZA UPRAVLJANJE JEDNOSMJERNIM MOTOROM

- diplomski rad -

kandidat:Vladimir V. Ili Istono Sarajevo, novembar 2007UNIVERZITET U ISTONOM SARAJEVU

ELEKTROTEHNIKI FAKULTET

ODSJEK ZA AUTOMATIKU I ELEKTRONIKU

JEDNOKVADRANTNI POJAAVA ZA UPRAVLJANJE JEDNOSMJERNM MOTOROM

- diplomski rad -

mentor:

kandidat:

prof. dr Milan . Radmanovi

Vladimir V. Ili

Istono Sarajevo, novembar 2007. god.SADRAJ

11. UVOD

2. ANALIZA STACIONARNIH STANJA MOTORA JEDNOSMJERNE STRUJE22.1. Motori jednosmjerne struje22.2. Stacionarna stanja motora jednosmjerne struje sa nezavisnom pobudom42.3. Ponaanje motora pri promjeni napona rotora52.4. Jednosmjerni motori sa permanentnim magnetom62.5. Matematiki model motora sa permanentnim magnetom73. STATIKI PRETVARAI93.1. Strukture pretvaraa93.2. Vrste poluprovodnikih prekidaa113.3. Pretvarai jednosmjerne struje123.4. Opis dinamikih stanja pretvaraa144. UPRAVLJANJE MOTORIMA JEDNOSMJERNE STRUJE164.1.opersko upravljanje174.2. Statike karakteristike opera194.3. Kaskadna regulacija205. MODELIRANJE U MATLAB-u225.1. Model jednosmjernog motora225.2. Model jednokvadrantnog operski upravljanog motora jednosmjerne struje245.3. PI regulator brzine245.4. PI regulator struje armature255.5. Model PWM modulatora255.6. Rezultati simulacije276. REALIZACIJA JEDNOKVADRANTNOG POJAAVAA336.1. Opis jednokvadrantnog pojaavaa za upravljanje DC motorima336.2. Upravljaka struktura pojaavakog modula336.3. Opis pojedinih blokova pojaavakog modula347. EKSPERIMENTALNI REZULTATI398. ZAKLJUAK42LITERATURA43

1. UVOD TC 1. UVOD Jednosmjerni motori posebno su pogodni za elektromotorne pogone kojima je potreban vei opseg podeavanja brzine obrtanja. Za razliku od sinhronih i asinhronih motora, kojima je brzina obrtanja bitno vezana za mrenu frekvenciju, kod jednosmjernih motora brzina obrtanja proporcionalna je odnosu indukovanog napona i magnetnog fluksa, koji se mogu lako podeavati, nezavisno jedan od drugoga

(1. 1)

pri emu je U napon izvora, E indukovani napon armature, Ia struja armature, R ukupni otpor armaturnog kruga, ( ulanani fluks motora, KE konstanta konstrukcijske izvedbe.Klasini naini promjene brzine jednosmjernih motora su:

postavljanje otpora u armaturnom strujnom krugu, Ward Leonardova grupa - preko koje se jednosmjerni motor prikljuuje na naizmjeninu mreu.

Danas su ova klasina rjeenja u potpunosti zamjenjena ureajima energetske elektronike, zahvaljujui razvoju snanih poluprovodnikih komponeti kao to su: diode, MOSFET, IGBT tranzistori, tiristori i sl. , razvojem upravljakih algoritama i mogunostima njihove hardverske realizacije Ureaji energetske elektronike koji se koriste za upravljanje jednosmjernim motorima mogu se podijeliti u dvije velike grupe:

impulsni pretvarai ( operi ), tiristorski ispravljai.Kod mehanikih pogona gdje su radne brzine motora vee od njegove nazivne, a pri tome se ne zahtjeva njegov maksimalni momenat, koristi se regulacija brzine promjenom magnetnog fluksa odnosno struje pobude motora. Time se postie optimalno iskoritenje jednosmjernog motora uz konstantnu snagu. U elektromotornim pogonima gdje se zahtjeva konstantni momenat u odreenom opsegu brzine obrtanja, ekonomino iskoritenje se moe postii, tek kad se motor prikljui na izvor promjenljivog napona.2. ANALIZA STACIONARNIH STANJA MOTORA JEDNOSMJERNE STRUJE[1] TC 2. ANALIZA STACIONARNIH STANJA MOTORA JEDNOSMJERNE STRUJE Pri izvoenju matematikih modela jednosmjernog motora usvojene su zajednike polazne pretpostavke koje obuhvataju:

zanemarenje prostornog rasprostiranja elektromagnetnog polja; neprekidnost procesa i mehanike dimenzije znatno manje od duine elektromagnetnih talasa generisanih strujama koje protiu u motoru;

nezasienost magnetnog materijala i odsustvo gubitaka u njemu;

zanemarenje graninih efekata pri raunanju rasporeda magnetnog polja.

Navedene pretpostavke omoguavaju analizu motora kao dinamikog sistema sa koncentrisanim parametrima. U radu nisu navedene pretpostavke o prostornom rasporedu magnetnog polja, linearnosti magnetskih osobina materijala i sl., jer one predstavljaju specifine uslove rada sistema koji mogu biti obuhvaeni u okviru modela sa koncentrisanim parametrima.2.1. Motori jednosmjerne struje[1] TC 2.1. Motori jednosmjerne struje\l2 Konstrukcija motora jednosmjerne struje sa elektromagnetnom pobudom prikazana je na slici 2-1. Glavni polovi nose namotaje statora (namotaji pobude) kroz koji kao posljedica prikljuenja na napon izvora pobude UP, protie struja pobude iP koja formira glavni magnetni fluks. U utorima rotora smjeteni su namotaji koji se preko etkica spajaju sa izvorom rotorskog napona UA, i pri proticanju struje formiraju rotorski magnetni fluks u smjeru osa etkica. Na ovaj nain se formiraju dva fluksa statorski du uzdune d-ose motora i rotorski du poprene q-ose motora.

Slika 2-1. Funkcionalna struktura motora jednosmjerne struje

Pojednostavljena struktura motora izvedena, pod pretpostavkom da je mogue zanemariti: histerezne gubitke, vie harmonijske komponente struje zbog postojanja utora na rotoru, uticaj broja lamela na kolektoru, te reakciju rotora. Navedena zanemarenja nisu prihvatljiva za neke primjene motora, meutim, za razmatranja data u ovome radu uproteni model motora daje sasvim zadovoljavajue rezultate. Dinamike jednaine motora se mogu napisati u obliku:

(2. 1)

;

Razlika koje se pojavljuje u drugoj jednaini nastaje zbog toga to pri izvoenju ovih jednaina nije pretpostavljena linearna zavisnost fluksa i struje statora nego je njihova veza razmatrana kao jednoznana funkcija . Ova karakteristika se moe odrediti na osnovu dijagrama praznog hoda motora koji daje zavisnost napona indukovanog u rotoru i struje pobude pri konstantnoj (obino nominalnoj) ugaonoj brzini.

Slika 2-2. Dinamika struktura motora jednosmjerne strujeKoritenjem relacije:

(2. 2) Na osnovu poznate funkcije dobije se zavisnost , a odatle inverzna funkcija .

Izborom radne take u linearnom dijelu karakteristike magneenja mogue je odrediti i ostale konstante sistema. Dinamiki model motora jednosmjerne struje opisan jednainama kretanja (2.1) prikazan je na slici 2-2. Ako sistem radi u linearnom podruju, tada je .Kako se vidi, motor jednosmjerne struje je dinamiki sistem etvrtog reda. Zavisno od funkcije koju obavlja motor ili generator, ulazne i izlazne veliine su razliite. U tabeli 1. su sumirane mogue kombinacije ulaza i izlaza.

Funkcija Ulazne promjenljive

upravljanjeSmetnjeIzlazne

promjenljive

Motor,

,,

Generator,

,

Tabela 1. Zavisnost promjenjivih motora u funkciji reima rada (motorni ili generatorski)

Razmotrena dinamika struktura je definisana za sluaj da su statorski i rotorski podsistemi nezavisno napajani. esta je situacija da su namotaji na statoru i rotoru vezani u zajedniko elektrino kolo i napajani iz jednog izvora. U sluaju paralelne veze namotaja govori se o motoru sa paralelnom pobudom, a u sluaju serijske veze o motoru sa serijskom pobudom. U oba sluaja sistem ima samo jedno ulazno dejstvo. Lako je, na bazi modela (2.1), izvesti relacije koje opisuju ponaanje motora jednosmjerne struje sa drukijim rasporedom namotaja i njihovom meusobnom spregom.Prije nego se detaljno analizira dinamiko ponaanje motora jednosmjerne struje, potrebno je izvriti analizu stacionarnih stanja koja se dobiju pri konstantnim naponima napajanja i konstantnom momentu optereenja.

2.2. Stacionarna stanja motora jednosmjerne struje sa nezavisnom pobudom TC 2.2. Stacionarna stanja motora jednosmjerne struje sa nezavisnom pobudom\l2 Polazei od modela (2.1) ponaanje motora u stacionarnim stanjima moe biti odreeno uvrtavanjem vrijednosti nula za sve vremenske izvode promjenljivih izuzev ugla zakretanja. Ugao zakretanja je integral ugaone brzine i u svim stacionarnim stanjima pri se poveava linearno sa vremenom pa e, u daljhim razmatranjima, biti izostavljen iz jednaina kretanja. Stacionarna stanja motora jednosmjerne struje su opisana skupom jednaina:

(2. 3)

U razmatranjima stacionarnih stanja je, radi kompaknosti matematikih, izraza moment trenja pridruen momentu optereenja. Pored toga, kao nezavisna promjenljiva je uzet fluks statora . Sa praktinog stanovita potrebno je razmotriti promjene izlaznih veliina pri promjeni ulaznih veliina i smetnji.

Osnovni pokazatelj osobina motora u motornom reimu je tzv. mehanika karakteristika pri i Iz relacije (2.3) se lako dobija:

(2. 4)Mehanika karakteristika je prikazana na slici 2-3.a. Nagib karakteristike je, pri , definisan otporom armaturnog kruga .

Slika 2-3. Karakteristike stacionarnih stanja motora jednosmjerne struje

Mehanike karakteristike pretstavljaju snop pravaca. Treba uoiti da napon rotora odreuje presjenu taku na ordinati. Meutim, nagib karakteristike ne zavisi od njega. To se posebno uoava na slici 2-3.b, gdje se vidi da nagib karakteristika uopte ne zavisi od napona, tj. ako je napon dovoljno visok da moe biti postignuta odreena brzina u praznom hodu (odreena presjekom na osi ordinate na slici 2-3.a), dalje ponaanje motora, u stacionarnim stanjima, ne zavisi od napona.2.3. Ponaanje motora pri promjeni napona rotora TC 2.3. Ponaanje motora pri promjeni napona rotora\l2 Kako je pokazano, presjek mehanike karakteristike sa osom ordinata (odnosno brzina praznog hoda) je funkcija napona napajanja. Iz izraza (2.4) slijedi funkcionalna zavisnost koja povezuje brzinu praznog hoda i napon armature u obliku. Odgovarajue mehanike karakteristike se dobijaju translacijom originalne karakteristike (slika 2-3.a) du ordinatne ose. Oito je da pri promjeni znaka armaturnog napona, mijenja znak, odakle slijedi da karakteristike mogu leati u sva etiri kvadranta

Slika 2-4. Mehanike karakteristike motora jednosmjerne struje pri promjeni napona napajanja

Karakteristike na slici 2-4. vrijede unutar pokazanih ganica. Izvan ovog podruja oblik karakteristike se formira kao posljedica zahtjeva da budu zadovoljene odreene funkcionalne zavisnosti, koje se svode na ogranienje momenta optereenja pri brzinama veim od nazivne (zbog niza pojava kao to su ogranienje snage motora, reakcija rotora, iskrenje kolektora i sl.) a koje nisu preporuljive u normalnom radu motora jednosmjerne struje.2.4. Jednosmjerni motori sa permanentnim magnetom TC 2.4. Jednosmjerni motori sa permanentnim magnetom\L2 Jednosmjerni motori omoguuju kvalitetnu regulaciju brzine i momenta promjenom napona, odnosno struje motora. Od motora se trai da troi to je mogue manje energije, da zauzima to manji prostor i ima to manju teinu. Upravo se ove karakteristike mogu ostvariti sa jednosmjernim motorom sa permanentnim magnetom. Takoe, ovi motori imaju veu linearnost brzinsko momentne karakteristike koja predstavlja zavisnost brzine motora o opteretnom momentu slika 2-5. Brzina obrtanja jednosmjernog motora zavisi o kombinacije napona i struje koje teku kroz armaturu, te od optereenja. Brzina motora proporcionalna je naponu, dok je moment direktno proporcionalan struji. Upravo zbog ove osobine se jednosmjerni motor vrlo esto koristi u elektromotornim pogonima koji zahtjevaju upravljanje brzinom.

Slika 2-5. Momentno-brzinske karakteristike motora Zahvaljujui razvoju ureaja energetske elektronike pojednostavilo se upravljanje brzinom i ostalih vrsta motora. Brzina motora se moe mjenjati promjenom otpora armature, koje se izvodi dodavanjem vanjskog promjenjivog otpora spojenog u seriju s izvorom ili koritenjem promjenjivog naponskog izvora.2.5. Matematiki model motora sa permanentnim magnetom TC 2.5. Matematiki model motora sa permanentnim magnetom\L2 ema motora potrebna za izvoenje matematikog modela motora s permanentnim magnetom prikazana je na slici 2-6. Slika 2-6. Matematiki model motora s permanentnim magnetom

Krug armature se moe opisati sledeom naponskom jednainom

(2. 5)gdje je:

- ukupni otpor armaturnog kruga,

- ukupni induktivitet armaturnog kruga,

- vrijednost struje armature, ,

- vrijednost napona armature, ,

- kontraelektromotorna sila, .

Prema tome, napon pokriva padove napona na induktivitetu i otporu armature kao i kontraelektromotorne sile .

Kontraelektromotorna sila, koja se indukuje u namotu armature zbog obrtanja osovine motora proporcionalna je naponskoj konstanti i brzine obrtanja osovine motora:

(2. 6)gdje je:

- naponska konstanta, ,

- ugaona brzina obrtanja, odnosno mehanika brzina obrtanja, .

Naponska konstanta zavisi o konstrukcijskih karakteristika motora i magnetskog fluksa namotaja. Izraz za je:

(2. 7)gdje je nazivna vrijednost glavnog magnetskog fluksa po polu, .

Mehanika i elektrna brzina obrtanja meusobno su povezane relacijom:

(2. 8)gdje je: - broj pari polova.

Magnetni fluks i struja armature prouzrokuju obrtni moment na armaturi motora (moment motora) , koji je dat sledeim jednainama:

(2. 9)gdje je: - momentna konstanta motora. Za opis mehanikog modela polazi se od Dalamberovog principa da je suma svih sila koje djeluju na tijela jedenaka sili inercije (dinamika ravnotea momenta):

(2. 10)gdje je:

- moment motora, ,

- moment tereta, ,

- moment inercije motora,

- moment viskoznog trenja, .U navedenim jednainama su:

- koficijent pojaanja armaturnog kruga, ,

- vremenska konstanta armaturnog, .

Na temelju jednaina (2.9 i 2.10) dobiva se dinamiki model motora koji je dat na slici 2-7.

Slika 2-7. Dinamika struktura motora s permanentnim magnetom

3. STATIKI PRETVARAI[1] TC 3. STATIKI PRETVARAI U sluaju rada motora u motorskom reimu, elektromehaniki pretvarai vre pretvaranje elektrine u mehaniku energiju odakle proizilazi da ulazna, elektrina snaga, mora biti prilagoena uslovima funkcionisanja sistema i zahtjevima optereenja. Prilagoenje oblika i nivoa elektrine snage je mogue ostvariti primjenom statikih pretvaraa.Sa stanovita efikasnosti upravljanja toka elektrine snage statiki pretvarai, koji rade u prekidakom reimu, predstavljaju najbolje rjeenje. Bez obzira na mnogo razliitih izvedbi, zajednika osobina prekidakih pretvaraa je u tome da regulaciju toka elektrine snage ostvaruju promjenom duine vremenskog intervala za vrijeme koga je jedan ili vie elemenata za akumulisanje energije prikljueno na izvor i vremenskog intervala u kome su elementi za akumulaciju energije prikljueni na potroa. Ovakvo funkcionisanje je posljedica zahtjeva da se upravljanje energije obavi uz maksimalni mogui koeficijent korisnog dejstva to je osigurano koritenjem prekidakih elemenata u pretvarau.3.1. Strukture pretvaraa TC 3.1. Strukture pretvaraa\L2 Uloga pretvaraa u strukturi elektromotornog pogona je upravljanje toka elektrine energije ili, drugim rijeima, prilagoavanje raspoloive snage izvora zahtjevima elektromehanike konverzije diktirane ponaanjem potroaa (slika 3-1). Stanje izvora moe biti karakterisano naponom, strujom i frekvencijom na njegovim izlaznim linijama. Na slian nain ulaz u pretvara i njegov izlaz mogu biti karakterisani istim veliinama. Zavisno od toga da li su izvori i potroa naponski ili strujni samo jedna od veliina U ili I je nezavisna dok je druga veliina ( I ili U ) zavisna i odreena strukturom elektrinog kola. Neka je stanje izvora a stanje potroaa . Pri definisanju izvora treba imati u vidu da oboje, struja i napon u zatvorenom kolu, ne mogu biti istovremeno nezavisni. Pri tome je struja zavisna od kola koje je prikljueno na stezaljke naponskog izvora i suprotno, napon na stezaljkama strujnog izvora je definisan stanjem kola koje je prikljueno na taj izvor. Ovu karakteristiku treba imati u vidu kada se govori o tansformacijama stanja izvora. Uloga pretvaraa se sastoji u tome da ostvari transformaciju stanja u stanje i formalno se moe opisati relacijom gdje definie potrebnu transformaciju. Oigledno je da transformacija realizuje potrebno upravljanje toka snage izmeu razliitih energetskih sistema u razmatranom sluaju izmeu izvora i elektromehanikog pretvaraa.

Slika 3-1. Struktura elektromotornog pogona: izvor (1), pretvara (2), sistem upravljanja (3), potroa (6), upravljanje pretvaraa (4) izvrni organ pretvaraa (5)Iz navedene funkcije pretvaraa slijedi da su svi vani parametri oblika elektrine energije: napon, struja i ferkvencija, predmet transformacije pomou pretvaraa. Kod veze sistema naizmjenine i jednosmjerne struje mogu biti ostvarena etiri tipa transformacije elektrine energije slika 3-2.

Slika 3-2. Vidovi transformacije elektrine snagei) Ispravljanje definie proces pretvaranja naizmjenine u jednosmjernu struju. U ovim procesima energija tee iz naizmjeninog u jednosmjerni energetski sistem,ii) Invertovanje predstavlja proces pretvaranja jednosmjerne u naizmjeninu struju pri emu energija tee iz jednosmjernog sistema u naizmjenini, iii) Pretvaranje jednosmjerne struje predstavlja transformisanje jednosmjerne struje pri datom naponu i polaritetu u jednosmjernu struju pri drugom naponu i polaritetu (istom ili suprotnom) pri emu energija tee od jednog jednosmjernog sistema ka drugom,iv) Pretvaranje naizmjenine struje predstavlja transformisanje naizmjenine struje pridatom naponu, frekvenciji i broju faza u drugi naizmjenini sistem sa razliitim naponom, ferkvencijom i/ili brojem faza, pri emu energija tee od jednog naizmjeninog sistema u drugi.

Polazei od navedenih tipova transformacije oblika elektrine energije koje je mogue ostvariti, pretvarae moemo podijeliti na:i) ispravljae (rectifiers) koji ostvaruju transformaciju naizmjenine u jednosmjernu struju,ii) pretvarae jednosmjerne struje (DC-DC converters) kojima se ostvaruje

prilagoavanje nivoa napona i struje jednosmjernih izvora zahtjevima potroaa,iii) invertore (inverters) kojima se ostvaruje pretvaranje jednosmjerne struje u naizmjeninu,iv) pretvarae frekvencije (AC-AC converters) kojima se ostvaruje pretvaranje naizmjenine struje u naizmjeninu, pri emu je frekvencija koja se dovodi na potroa obino promjenljiva. 3.2. Vrste poluprovodnikih prekidaa TC 3.2. Vrste poluprovodnikih prekidaa\L2 Ne ulazei u fizikalne pojave rada poluprovodnikih prekidaa, razlikuju se tri osnovna tipa. Sva tri osnovna tipa poluprovodnikih prekidaa mogu voditi struju samo u jednom smjeru, poznatom kao propusni smjer. Razliitim spajanjem mogue je ostvariti bilateralno provoenje struje.

Osnovne karakteristike poluprovodnikih prekidaa su:

TIP 1: Prekidai ovog tipa uvijek vode kada je na njih doveden napon takvog polariteta da je polarizacija prekidaa u direktnom smjeru. Prekidai tipa 1 se obino zovu diode, TIP 2: Prekidai ovog tipa, bez obzira na polaritet prikljuenog napona, ne vode struju dok na njih nije doveden komandni signal. Nakon provoenja, prekidai tipa 2 se ponaaju kao prekidai tipa 1 i prestaju voditi tek kada struja, koja kroz njih tee u direktnom smjeru, postane jednaka nuli. Prekidai tipa 2 su poznati pod nazivom tiristori, TIP3 3: Ovaj tip prekidaa izdrava napon u direktnom smjeru, a moe biti doveden u stanje voenja i moe biti zakoen dovoenjem komandnog signala. U ovaj tip prekidaa spadaju BJT, MOSFET, IGBT tranzistori i GTO (gate controoled switches) tiristori.

Sa stanovita funkcionalnih mogunosti u upravljanju toka elektrine energije, oigledno prekidai tipa 1 imaju najmanje mogunosti jer su neupravljivi i njihovo ponaanje je u cijelosti odreeno interakcijom izvora i potroaa. Prekidai tipa 2 mogu upravljati proces ukljuenja dok je proces iskljuenja odreen spoljnim kolom. Prekidai tipa 3 imaju mogunost potpunog upravljanja toka elektrine struje. Hijerarhijski gledano, prekidai tipa 3 mogu funkcionalno zamjeniti prekidae tipa 1 i tipa 2 a prekidai tipa 2 prekidae tipa 1. Razmatrane funkcionalne osobine prekidaa mogu biti grafiki predstavljene sljedeim simbolima:

1)

prekida koji proputa struju u direktnom smjeru

a blokira napon u inverznom smjeru

2)

prekida koji blokira napon u oba smjera a

provodi struju u direktnom smjeru.

3)

prekida koji vodi struju u direktnom smjeru a

moe da blokira napon u direktnom smjeru

Tabela 2. Vrste prekidaa3.3. Pretvarai jednosmjerne struje TC 3.3. Pretvarai jednosmjerne struje\L2 Da bi bio obezbijeen visok koeficijent korisnog dejstva pretvaraa struktura ovih pretvaraa mora biti zasnovana na koritenju LC elemenata. Pri ovim razmatranjima treba poi od injenice da je fluks energetska koordinata za induktivitete a da je naboj energetska koordinata za kapacitete. Imajui u vidu, pretvara za snienje napona moe biti prikazan u oblicima kao na slikama 3-3.a 3-3.b, pri emu je napon na induktivitetu prekidan.

Slika 3-3. Izvedbe pretvaraa za snienje napona: a) sa filterom I reda, b) sa filterom II drgog redaTreba uoiti da, zbog fukcionalnih ogranienja prekidaa, struja u izvoru i induktivitetu moe tei samo u oznaenom pravcu. Oba pretvaraa ostvaruju jednokvadrantni rad sa tokom energije iz izvora u potroa.Razmotrimo ponaanje sistema sa slike 3-3. u sluaju da je, umjesto RC kombinacije, na izlazu prikljuena motor jednosmjerne struje slika (3-4.a). Da bi se mogao ostvariti dvokvandrantni rad motora, neophodno je u navedenoj strukturi dodati grane koje omoguavaju da prekidai provode struju u oba smjera.

Slika 3-4. Spoj pretvaraa i motora jednosmjerne struje

Provodjenje struje u oba smjera se objezbjeuje dodavanjem paralelnih prekidaa kako je to prikazano na slici 3-4.b. Dodavanjem prekidaa P1' i P3' omoguava se da struja kroz optereenje i izvor tee u oba smjera dok polariteti napona ostaju nepromjenjeni. To implicira dvokvandtantni rad motora jednosmjerne struje pri stalnom smjeru obrtanja kako je to pokazano na slici 3-4.b. Pretvara sa slike 3-4.b funkcionalno objedinjuje djelovanje pretrvaraa za sniavanja napona kada motor radi u motornom reimu (aktivni prekidai P1 i P3, dok prekidai P1' i P3' ne vode struju, i , je kontrelektromotorna sila motora) i pretvaraa za podizanje napona kad motor radi u generatorskom reimu (aktivni prekidai P1' i P3', a prekidai P1 i P3 ne vode struju). U generatorskom reimu motor igra ulogu izvora energije a naponski izvor , prima energiju, pri emu je i funkcionisanje prekidaa P1' i P3' zajedno sa prigunicom omoguava tok struje u potrebnom smjeru i time generatorski rad motora. To je lako pokazati uzimajui u obzir da elektromotorna sila motora jednosmjerne struje igra ulogu nezavisnog naponskog izvora. U tom sluaju, ako je napon na jednom kraju prigunice nii od napona na drugom kraju prigunice, struja mora tei u smjeru suprotnom od onoga pokazanog na slici 3-4. Kako je ranije pokazano, srednja vrijednost napona je odreena srednjom vrijednou upravljanja, i moe biti bilo koja vrijednost izmeu 0 i . Na slici 3-5. su pokazane promjene struje i napona kroz prekidae u motorskom i generatorskom radu motora.

Slika 3-5. Talasni oblici napona i struja za sistem sa slike 3-4

3.4. Opis dinamikih stanja pretvaraa TC 3.4. Opis dinamikih stanja pretvaraa \l2 Razmatrani pretvarai, zbog prisustva prekidaa, predstavljaju dinamike sisteme sa promjenljivom strukturom. Podstrukture, definisane odreenim poloajem prekidaa, opisane su, za sluaj linearnih elemenata , linearnim diferencijalnim jednainama. Razmotrimo to na primjeru pretvaraa sa slike 3-6. u tzv. reimu kontinualne struje, tj. kada struja induktiviteta nikada ne dosee vrijednost nula.

Slika 3-6. Pretvara za sputanje napona a) topologija pretvaraa za razliite poloaje prekidaa,b) pri ukljuenom prekidauP1 i c) pri ukljuenom prekidau P2Topologija opisana je jednainama

(3. 1)

Topologija opisana je kao:

(3.2)

Ukupno kretanje pretvaraa opisano je skupovima jednaina gore navedenih i logikom promjene parametara u koju je, oigledno, mogue tretirati kao upravljanje u sistemu.

4. UPRAVLJANJE MOTORIMAJEDNOSMJERNE STRUJEJEDNOSMJERNE STRUJE

U ovom poglavlju bie izloene specifinostri ponaanja motora jednosmjerne struje napajanih iz razliitih statikih pretvaraa, tj. u uslovima kada napon napajanja motora nije konstantan ve pored jednosmjernog lana sadri i razliite vie harmonijske lanove. Pretvarai za napajanje motora jednosmjerne struje u osnovi se mogu podijeliti u dvije grupe, AC-DC pretvarae i DC-DC pretvarae koji su predmet analize/ sinteze u ovom radu, kako je to prikazano u tabeli 3.

Tabela 3. Spojevi DC-DC pretvaraa za napajanje motora jednosmjerne struje

Izbor tipa pretvaraa je, uglavnom, odreen funkcionalnim karakteristikama (jednokvadrantni ili viekvadrantni pogon) i snagom motora.Treba razlikovati dva reima rada sistema pretvara-elekrina motor: tzv. reim neprekidne struje kada, bez obzira na promjene, struja armaturnog kruga, u toku jednog ciklusa promjene stanja prekidaa u pretvarau, ne dostie nultu vrijednost i tzv. reim prekidne struje kada armaturna struja dostie i odrava nultu vrijednost u toku jednog ciklusa promjene stanja prekidaa. Postojanje reima prekidne struje je posljedica funkcionalnih osobina poluprovodnikih prekidaa i struktura pretvaraa primjenjenih u svakom konkrentnom sluaju. Poto su svi poluprovodniki prekidai unilateralni sa stanovta provoenja struje, to postoji mogunost da pretvarai obezbijede tok struje samo u jednom smjeru. Kada elektrina motor ostvaruje uslove za reverziranje struje, a to u sklopu sa pretvaraem nije mogue ostvariti, u pogonu nastaje reim prekidne struje.

4.1. opersko upravljanje TC 4.1.opersko upravljanje\L2 Osnovni princip impulsnog upravljana jednosmjernim motorom sastoji se u tome da se motor ukljuuje periodino na izvor istosmjernog napona, ime se mijenja srednja vrijednost napona na motoru[2]. Srednja vrijednost napona na motoru zavisna je tada o naponu napajanja i o odnosa vremena ukljuenja i iskljuenja napona napajanja (faktor popune D) tj. o trajanju naponskog impulsa i frekvenciji kojom se taj impuls ponavlja .

Regulacioni uredjaj, iji je uobiajeni naziv oper, omoguuje da se iz izvora jednosmjernog napona na motor dovede napon ija se srednja vrijednost moe podeavati promjenom odnosa vremena vodjenja tranzistora T, slika 4-1.

Slika 4-1. Princip operskog upravljanja motorom i talasni oblici napona i strujeTranzistor T radi u reimu prekidaa. Za vrijeme voenja tranzistora struja tee u krugu baterija, tranzistor, motor. Tokom nevoenja tranzistora struja tee u krugu: motor,dioda. Talasnini oblici struje motora ,struje baterije , napon baterije i motora prikazani na slici 4-1.

Srednji napon na motoru podeava se vremenom voenja i nevoenja tranzistora i iznosi :

(4. 1)

gdje je faktor popune impulsa.

(4. 2)gdje je srednji iznos struje baterije.

Faktor popune impulsa je mogue podeavati na vie naina :

- vrijeme voenja tranzistora je konstantno, mjenja se period

- period je konstantan, mijenja se faktor popunjenosti impulsa

- vrijeme nevodjenja tranzistora je konstantno, a tranzistor se iskljuuje kada struja dostigne neku zadanu vrijednost

-amplituda pulsiranja struje motora se odrava konstantnom.

U operu koji je opisan u ovom radu odabran je princip upravljanja tranzistorskim prekidaem kojim se mijenja faktor popune impulsa D u granicama od 0.05< D < 0.95 i konstantnim periodom T. U radnim intervalima, kada je tranzistor provodan, struja je ravna struji , jer tada dioda ne provodi. Ova struja tada raste eksponencijalno sa vremenskom konstantnom

(4. 3)U narednim intervalima,kada je tranzistor neprovodan, prekinuto je kolo koje obuhvata bateriju, ali se kolo struje zatvara preko zamajne diode. Tada struja opada takoe eksponencijalno, ali sa neto razliitom vremenskom konstantom koja iznosi

(4. 4)

Osnovni energetski odnosi kod opera su slini onima kod obinog transformatora, pa se oper moe posmatrati i kao energetski transformator za jednosmjernu struju sa kontinualno podesivim prenosnim odnosom.

Izmedju opera i transformatora za naizmjeninu struju postoji dakle analogija u tome to i jedan i drugi transformiu ulazni (primarni) napon u izlazni (sekundarni) napon po odredjenom prenosnom odnosu, sa istovremenom transformacijom ulazne u izlaznu struju po istom, ali recipronom prenosnom odnosu. Meutim, kod opera postoje i sledee razlike:

- transformacija se odnosi na srednje vrijednosti umjesto efektivnih,

- prenosni odnos se moe kontinualno podeavati,

- ne postoji galvanska izolacija izmedju primara i sekundara,

- primarna jednosmjerna struja je u sutini impulsnog karaktera, dok je sekundarna mirna; obrnuto, primarni napon je miran, a sekundarni impulsnog karaktera,

- sekundarni napon moe biti najvie jednak primarnom,

- mogu je samo jedan smjer energije (od jednosmjernog izvora ka optereenju).

Posljednje dvije osobine ograniavaju upotrebu opera kod motora na samo jedan kvadrant. Meutim, razliitim kombinacijama sa istim elementima moe se postii rad u dva, pa i etiri kvadranta i omoguiti generatorsko koenje sa regeneracijom reverziranjem smjera obrtanja.

Moe se postaviti pitanje: zato koristiti MOSFET tranzistore u operu za regulaciju brzine jednosmjernog motora?

Kod tiristorskog opera, zbog niske uestanosti, treba postaviti dodatnu induktivnost na red sa motorom. Pri tom se generie prodoran i neprijatan zvuk. Kod opera sainjenog od bipolarnih tranzistora postoje problemi poveanih gubitaka i tekoe kod paralelnog povezivanja.

MOSFET tranzistori snage u operu mogu da rade na viim frekvencijama (preko 20 kHz) sa malim gubicima, bez potrebe dodavanja serijske induktivnosti u kolo rotora, a sa jednostavnim paralelnim vezivanjem obezbjedjuje se ravnomjerna podjela struje meu tranzistorima. Visoka radna frekvencija istovremeno obezbjeuje kontinualnu struju motora, sa praktino zanemarljivom naizmjeninom komponentom. 4.2. Statike karakteristike opera[4] TC 4.2. Statike karakteristike opera\L2 U cilju odreivanja izraza za statike karakteristike impulsno napajanog motora u reimu prekidnih struja rotora motora, poi emo od matematikog modela motora

;

(4. 5)

gdje je za i za , gdje je primijenjeno uobiajeno oznaavanje parametara i veline motora. Prethodna relacija u potpunosti modelira reim impulsnog napajanja motora, jer je napon napajanja prekidna funkcija koja moe imati dvije razliite vrijednosti: u vremenskom intervalu on je jednak naponu napajanja, dok je u ostalom dijelu intervala periode jednak nuli. Prema tome, procesi u motoru su odreeni jednom diferencijalnom jednainom s desnom stranom i bez nje. To znai, da se u motoru sukcesivno smjenjuju prinudno i slobodno kretanje. Prinudno kretanje se odvija pod dejstvom napona napajanja, a slobodno uslijed nenultih poetnih uslova, odnosno na raun akumulirane elektromagnetne energije u motoru. Poto je to jedinstven proces u motoru, poetni uslovi se sukcesivno smjenjuju. S obzirom da se razmatra ustaljeno stanje (u ovom sluaju ono ima dinamiki karakter) smatraemo da se brzina obrtanja ne mijenja za posmatrani odnos impuls/pauza, pa moemo napisati:

(4. 6)

(4. 7)

Ako je vrijeme trajanja manje od nekog kritinog, nastupie rad motora u reimu prekidnih struja, kada e u (4.6) drugi lan na desnoj strani biti jednak nuli, pa je vrijednost struje, na kraju intervala , odreena sa

. (4. 8)

U trenutku prekida se dovod napona na rotor motora, kretanje se opisuje sa (4.7) , uz poetni uslov (4.8). Struja poinje da opada i u trenutku ona postaje jednaka nuli. Vrijeme se moe odrediti iz relacije (4.7) uz uslov (4.8), izjednaavajui lijevu stranu (4.7) sa nulom, tj.

,(4. 9)

odakle se dobija

.(4. 10)

Srednja vrijednost struje na periodu T dobija se na osnovu izraza

.(4. 11)

Srednja vrijednost lako se moe priblino odrediti, aproksimirajui eksponencijalne zavisnosti linearnim pa se dobija

.(4. 12)

S obzirom da je izraz (4.12) sloen za dalju primjenu, a , onda se drugi sabirak na desnoj strani prethodne relacije moe zanemariti. Tada je srdnja vrijednost struje

.(4. 13)

s obzirom na to da su: , , moe se napisati

,(4. 14)

gdje je faktor popune, a - konstanta motora.

Iz prethodne relacije dobijamo izraz za mehaniku karakteristiku motora sa operskim pojaavaem snage

; ,(4. 15)

gdje je - brzina idealnog praznog hoda motora.

Prethodna razmatranja vae samo za sluaj kada je perioda ponavljanja impulsa T vea od elektrine vremenske konstante motora .

4.3. Kaskadna regulacija[3] TC 4.3. Kaskadna regulacija\L2 Kaskadna (vieslojna) regulacija predstavlja u praksi opte usvojen princip regulacije brzine/pozicije motora jednosmjerne struje. Osnovna ideja je prikazana na slici 4-2. Regulacini sistem satoji se iz vie regulacinih petlji, poreanih na hijerarhijski nain. Unutranja petlja, na najniem nivou realizuje se obino kao PI regulator djeluje direktno na oper (energetski pretvara) i tako regulie struju motora , uzimajui kao referentnu struju izlaz iz prethodne brzinske/pozicine regulacione petlje. Na sledeem, viem nivou je petlja sa povratnom vezom po brzini i regulatorom brzine, iji izlaz igra ulogu reference unutranje petlje. Kod brzinski regulisanih sistema ova petlja ima nezavisnu referncu brzine . Najzad, ako se radi o pogonu sa regulacijom pozicije, na sledeem, najviem nivou je petlja sa povratnom vezom od ugla rotora motora (ili od pozicije dijela radnog motora iju poziciju treba regulisati) PD regulatorom pozicije, iji izlaz igra ulogu reference brzine.

Slika 4-2. Blok ema kaskadne regulacijePrednosti ovakvog sistema regulisanja su sledee:

unutranja, strujna petlja pretvara naponsko napajanje motora u napajanje sa forsiranom strujom, to je dinamiki povoljnije, jer strujni regulator ima da savlauje preteno dinamiku aktuatora i indukta motora,

ograniavanjem izlaza brzinskog regulatora, koji u stvari predstavlja referencu struje, rjeava se pitanje ograniavanja momenta (struje) radi zatite pogona pri polasku, zaletanju ili nagloj promjeni optereenja; u takvim sluajevima brzinska regulaciona petlja se ustvari iskljuuje.

projektovanje i kasnije putanje u rad i podeavanje parametara regulacinog sistema se moe vriti postupno idui od najnieg ka viim nivoima, uzimajui pri radu na odreenom nivou uproeni model dijela koji je projektovan prije toga.U praksi je primjenjeno vie metoda za sintezu strujne i brzinske regulacione petlje, odnosno odreivanje strukture i parametara strujnog i brzinskog regulatora.

5. MODELIRANJE U MATLAB-u TC 5. MODELIRANJE U MATLAB-u 5.1. Model jednosmjernog motora TC 5.1. Model jednosmjernog motora\L2 U MATLAB/SIMULINK biblioteci SimPowerSystems nalaze se izmeu ostalog i modeli DC Machine i Discrete DC machine koje implementiraju kontinualni i diskretni model motora respektivno.Ovdje je uraen primjer jednosmjernog motora s permanentnim magnetom.Jednaine koje opisuju jednosmjerni motor s permanentnim magnetom su sledee:

(5. 1)

Krug armature se sastoji iz serijskog spoja induktiviteta ,otpora i kontraelektromo-torne sile. predstavlja obrtni momenat optereenja vezanog na osovinu jednosmjern-og motora.

Kontra je proporcionalna ugaonoj brzini :

(5. 2)

- obrtni momenat motora,

- obrtni momenat optereenja,

- koeficijent viskoznog trenja,

- ugaona brzina,

- struja armature,

- naponska konstanta motora,

- moment inercije motora,Model jednosmjernog motora prikazan je na slici 5-1.

Slika 5-1. Model jednosmjernog motora s permanentnim magnetom5.2. Model jednokvadrantnog operski upravljanog motora jednosmjerne struje TC 5.2. Model jednokvadrantnog operski upravljanog motora jednosmjerne struje\L2 Jednokvadrantni operski upravljani jednosmjerni motor predstavljen je sledeom simulacionom emom:

Slika 5-2. Jednokvadrantni oper za upravljanje jednosmjernim motoromMotor se napaja jednosmjernim izvorom preko tranzistora i diode kojim se modelira jednokvdrantni oper. Motor pokree mehaniko optereenje predstavljeno preko eksternog konstartnog momenta .

5.3. PI regulator brzine[5] TC 5.3. PI regulator brzine\L2 regulator brzine modeliran je na sledei nain:

Slika 5-3. Model PI regulatora brzine

Ulaz u ovaj blok su zadana i stvarna vrijednost ugaone brzine .

Kao izlaz iz ovog bloka kreira se signal , koji predstavlja zadanu vrijednost za unutranju regulacionu strujnu petlju.

to se tie zadanih parametara, pojaanje regulatora postavljeno je na , dok je integralna konstanta , a struja je ograniena na maksimalnu vrijednost od to odgovara kontinualnoj vrijednosti struje motora.

5.4. PI regulator struje armature TC 5.4. PI regulator struje armature\L2 Regulator struje armature realizovan je na sljedei nain:

Slika 5-4. Model PI regulatora strujeRegulacija je uraena kao i regulacija brzine djeluje na razliku zadane i stvarne struje u armaturi i na izlazu daje signal greke na osnovu kojeg se formiraju irinsko modulisani impulsi (PWM) koji dalje upravljaju radom opera.

5.5. Model PWM modulatora TC 5.5. Model PWM modulatora\L2

PWM generator blok generie PWM impulse za pretvarae energetske elektronike koji se sastoje od jedne, dvije ili tri grane (slika 5-5). PWM blok predpostavlja sa se u pojedinim granama koriste potpuno upravljive komponente kao to su MOSFET, IGBT tranzistori (moduli) i sl. Broj impulsa generisanih od strane PWM-a odreen je brojem grana kojim se treba upravljati. Dva impulsa potrebna su za jednu granu. Impuls 1 ukljuuje gornji a impuls 2 donji tranzistor u grani.

Slika 5-5. Broj PWM impulsa potrebnih za upravljanje granama mostaZa svaku granu impulsi se generiu poreenjem troglastog noseeg talasa sa referentnim modulacionom signalom. PWM generator moe samostalno generisati modulacioni signal ili se on moe eksterno zadati kao signal doveden na ulaz bloka. Jedan referentni signal je potreban za generisanje impulsa za pretvarae sa jednom ili dvije grane. Amplituda faza i frekvencija referentnog signala upravljaju izlaznim naponom mosta povezanog na PWM generator bloka.

Slika 5-6. Princip PWM modulacijeOva slika pokazuje dva impulsa PWM generator bloka u sluaju da je programiran za upravljanje pretvaraem sa jednom granom. Trouglasti nosei poredi se sinusoidalnim modulacionom signalom. Kada je modulacioni signal vei od noseeg signala imamo visok nivo za impuls 1 i nizak nivo za impuls 2. Izgled bloka za podeavanje parametara PWM generatora je sljedei:

Slika 5-7. Podeavanje parametara PWM generatora

5.6. Rezultati simulacije TC 5.6. Rezultati simulacije\L2 U cilju verifikacije modela upravljanje brzinom motora jednosmjerne struje sa jednokvadrantnim pojaavaem u modelu sa slike 5-2. su dodati blokovi To Worskspace . Ovi blokovi se koriste za memorisanje vrijednosti veliina od interesa u modelu, a spaavaju se kao varijable u radnom prostoru MATLAB-a. Iz modela sa slike 5-2. je izdvojeno vie veliina koje su predviene za mjerenje i praenje, a to su: Napon armature

moment motora Stvarna brzina motora

Model jednokvadrantnog pojaavaa za upravljanje brzinom motora je realizovan izmeu ostalog i sa ciljem da se pokau mogunosti MATLAB-a u modeliranju i simulaciji elektromehanikih sistema, kao i projektovanja upravljakih struktura u navedenim pretvaraima. Ovdje je simulirana kompleksna upravljaka struktura sa dvije upravljake petlje (po struji i brzini) koja je kao objekat upravljanja imala motor jednosmjerne struje sa permanentnim magnetom tipa Maxon RE40 koji ima sljedee karakteristike:

- nominalni napon armature

- otpor armaturnog kruga

- konstanta momenta motora

- konstanta brzine motora

- mehanika vremenska konstanta

- moment inercije rotora

- induktivnost armaturnog kruga

- koeficijent viskoznog trenja- [A] maksimalna struja motora- [Nm] maksimalni moment motoraDa bi se pokazalo dinamiko ponaanje sistema pri poremeajima u stacionarnim stanjima, odnosno prelazak iz jednog u drugo stacionarno stanje, modelu su dodati i blokovi koji simuliraju nagle promjene ugaone brzine, odnosno momenta motora u vidu funkcija skokovitih poremeaja koji se simuliraju odgovarajuim signal generatorima. U parametrima ovih blokova zadata su vremena u kojima e se desiti navedeni poremeaji, dok je moment optereenja uzet kao konstantna vrijednost za tri karakteristina sluaja TLmin=0.01Nm, TLnom=0.17Nm TLoverload=0.2Nm. U trenutku s nakon pokretanja simulacije slijedi promjena zadana ugaona brzina motora sa na 1000 o/min. Sljedee slike pokazuju odziv upravljakih kontura (brzina i moment) pri navedenim uslovima:

Slika 5-8. Zadana i stvarna brzina motora pri minimalnom optereenju TLmin=0.01Nm

Slika 5-9. Struja motora pri minimalnom optereenju TLmin=0.01Nm

Slika 5-10. Zadana i stvarna brzina motora pri maksimalnom opereenju TLnom=0.17Nm

Slika 5-11. Struja motora pri maksimalnom optereenju TLnom=0.17Nm

Slika 5-12. Moment motora pri maksimalnom optereenju TLnom=0.17Nm

Slika 5-13. Zadana i stvarna brzina motora pri preoptereenju motora TLoverload=0.2Nm

Slika 5-14. Struja motora pri preoptereenom motoru TLoverload=0.17Nm

Kada dostigne vrijednost podeenu kroz , tada sistem poinje da reaguje i smanjuje zadanu vrijednost struje armature , ime smanjuje i ugaonu brzinu. Brzina smanjenja struje oito direktno zavisi od naina promjene , odnosno od parametara PI regulatora, iji je izlaz upravo . Ovakvo ponaanje ponavlja se sve dok ne dostigne stacionarno stanje. Posebno je interesantno analizirati sluaj preoptereenja motora kada je njegova ugaona brzina jednaka nuli. Poto u kaskadnoj regulacionoj strukturi postoji i strujna regulaciona petlja, ona je upravo ta koja ne dozvoljava prekomjerno poveavanje struje motora, nego se struje odrava na konstantnoj vrijednosti ( slika 5-14.), a koja odgovara maksimalnoj kontinualnoj vrijednosti struje motora. Na ovaj nain motor se titi od termikih naprezanja odnosno prekomjernog zagrijavanja. esto se umjesto regulacije brzine koristi i regulacija po momentu optereenja i u tom sluaju se koristi samo strujna upravljaka kontura. Odziv struje upravljake konture za maksimalnu promjenu struje motora od 3.3 A prikazan je slici.

Slika 5-15. Zadana i stvarna struja pri strujnoj upravljakoj konturi 6. REALIZACIJA JEDNOKVADRANTNOG POJAAVAA TC 6. REALIZACIJA JEDNOKVADRANTNOG POJAAVAA 6.1. Opis jednokvadrantnog pojaavaa za upravljanje jednosmjernim motorima TC 6.1. Opis jednokvadrantnog pojaavaa za upravljanje DC motorima\L2 Sastavni dio zatvorene upravljake strukture za upravljanje DC motorima, bilo da je ona poziciona ili brzinska, je pojaava snage (servo amplifier) iji je zadatak da signale dobijene sa izlaza upravljake strukture, u konkretnom sluaju D/A konvertora I/O kartice, prilagodi zahtjevima DC motora.

Upravljaki signali mogu biti kontinualni (standardni naponski ili strujni signali) ili diskretni (irinsko modulisani, PWM). U sluaju kontinualnog upravljakog signala i motora manjih snaga (do 100W), za prilagoenje upravljakog signala zahtjevima motora koriste se analogni pojaavai snage (npr. LM12), iji je osnovni nedostatak velika disipacija snage.

Za upravljanje DC motorima manjih snaga (do 150W), sa PWM-om kao upravljakim signalom, za prilagoenje upravljakog signala zahtjevima motora koriste se posebno izraeni integrisani moduli (na pr. LM 18200), koji se lako mogu nai na tritu i relativno su jeftini.

Za pogon motora veih snaga, to je ovdje bio sluaj upotrebljavaju se pojaavai snage specijalizovanih proizvoaa ( Maxon, Parvex, Faulhaber, Galil-mc) koji nisu lako dostupni i ija je cijena relativno visoka.

TC 6.2. Upravljaka struktura pojaavakog modula\l2 6.2. Upravljaka struktura pojaavakog modula

Uprotena blok ema realizovanog pojaavaa prikazana je na slici 6-1. Ovaj pojaavaki modul sadri dvije upravljake petlje, unutranju strujnu i vanjsku brzinsku. Ukoliko je prekida P na slici 6-1. zatvoren aktivna je samo unutranja strujna petlja, pa kaemo da je pojaava konfigurisan u momentnom/strujnom reimu rada (torque control mode), odnosno da je zadana vrijednost napona na ulazu pojaavaa proporcionalna izlaznom momentu motora. U regulacionim strukturama koje su opisane u ovoj tezi, pojaava je bio konfigurisan u strujnom reimu kao transkonduktantni pojaava sa pojaanjem .

\ff Slika 6-1.Uprotena blok ema etverokvadrantnog pojaavaa za upravljanje DC motorima

Ako je prekida P otvoren u funkciji je i brzinska povratna petlja, ime se omoguava regulacija brzine obrtanja DC motora na samom pojaavakom modulu. Polazni zahtjevi za razvoj pojaavakog modula bili su: napon napajanja: 9-14VDC, maksimalna izlazna struja: 30A, prekidaka frekvencija: >30kHz, strujna zatita prekidaa

prihvatanje signala sa taho-generatora, realizacija brzinske i/ili strujne upravljake petlje, mogunost povezivanja sa PCI/ISA PC karticama i integracija sa MATLAB/SIMULINK okruenjem, kompatibilnost sa postojeim modulima na tritu, niska cijena, zadovoljenje EMC/EMI zahtjeva. TC 6.3. Opis pojedinih blokova pojaavakog modula\l2 6.3. Opis pojedinih blokova pojaavakog modula

Na slici 6-2.prikazana je detaljna blok ema pojaavakog modula.

\ff Slika 6-2. Detaljna blok ema realizovanog pojaavakog modula

Napojna jedinica od ulaznog DC napona, koji se kree u granicama od 9-15VDC, formira napone 15VDC potrebne za napajanje svih ostalih blokova pojaavakog modula. Realizovana je kao flyback pretvara sa integrisanim kolom UC3845, koji radi u reimu sa prekidnom strujom (DCM- discontinious current mode). Zbog jednostavnosti konstrukcije nije izvedena galvanska izolacije izmeu ulaza i izlaza napojne jedinice, ve je to ostvareno u drajverskom modulu. Na taj nain su energetski dio pojaavaa, izvrni organ (sputa napona) i DC motor galvanski odvojeni od upravljakog dijela.Sastavni dio napojne jedinice predstavlja i blok za kanjenje iji je zadatak da za odreeno vrijeme zakasni napajanje elektronskih blokova u odnosu na energetski dio pojaavaa (sputa napona) i time sprijei eventualne havarije energetskog dijela pojaavaa prilikom njegovog ukljuenja na ulazni DC napon. eme napojne jedinice i bloka za kanjenje prikazane su na slikama 6-3 i 6-4.

\ff Slika 6-3. Napojna jedinica za napajanje pojedinih blokova pojaavakog modula

TC 4.8 \ff Slika 6-4. ema sklopa za kanjenje ukljuenja napajanja Blok za formiranje zadane vrijednosti brzine/momenta sastoji se od diferencijalnog pojaavaa i potenciometra za ponitavanje ofseta, tj. podeavanje nulte brzine/momenta motora pri nultoj zadanoj vrijednosti. Diferencijalni pojaava prihvata zadanu vrijednost brzine/momenta sa D/A konvertora I/O kartice, kao izlaza eksternog regulatora pozicije/brzine regulatora realizovanog na PC raunaru (MATLAB/SIMULINK), ili sa potenciometra kojim se runo zadaje eljena brzina motora. Diferencijalna priroda ulaznog pojaavaa potiskuje um koji se moe pojaviti u spojnim vodovima, tj. poveava imunost na EMI/RFI smetnje. Maksimalna vrijednost ulaznog signala je 10VDC. Blok za prihvatanje signala taho-generatora jednostavnom RC mreom filtrira signal sa taho-generatora, skalira ga po amplitudi i preko impedantnog razdjelnika prosljeuje na ulaz PI regulatora brzine.

PI regulator brzine sastavljen je od dva dijela, P lana kojim se podeava pojaanje u servo petlji i I lana kojim se podeava krutost petlje, odnosno preskok pri skokovitoj zadanoj vrijednosti brzine. Izlaz iz PI regulatora brzine predstavlja zadanu vrijednost struje u kaskadnoj servo petlji. eme navedenih blokova prikazane su na slici 6-5.

\ff Slika 6-5. ema blokova za formiranje zadane vrijednosti brzine/momenta, bloka za prihvatanje signala taho-generatora i PI regulatora brzine

\ff Slika 6-6. ema PI regulatora struje i bloka za formiranje zadane vrijednosti struje

PI regulator struje predstavlja najbri dio u kaskadnoj regulacionoj petlji. On poredi zadanu vrijednost struje dobijenu od PI regulatora brzine ili sa izlaza I/O kartice (ukoliko je brzinska upravljaka petlja prespojena) sa stvarnom strujom motora i na izlazu daje signal greke na osnovu koga se formiraju irinsko modulisani impulsi (PWM) koji se dalje preko drajverskog modula vode na izvrni organ pojaavaa. Blok za formiranje PWM impulsa objedinjen je sa PI regulatorom struje u integrisanom kolu UC3525. Modifikaciom izlaza ovog kola, koje daje PWM impulse prilagoene push-pull, mostnim i polumostnim energetskim pretvaraima dobijena je promjena faktora ispune (duty cycle) na izlazu kola u granicama od 2-98%, pri radnoj frekvenciji od 30KHz to omoguava iroki dijapazon upravljanja brzinom motora. Takoe, izabrana prekidaka frekvencija eliminie potrebu za dodatnim serijskim prigunicama, tj. obezbjeena je kontinualnost struje motora u svim radnim takama pojaavaa. eme pomenutih blokova prikazane su na slici 6-6.U bloku za mjerenje struje dobija se informacija o struji motora pomou LEM-sonde HX-05, iji se izlaz vodi na impedantni razdjelnik i dalje na kolo za filtriranje struje motora. Obraena informacija o struji motora dostupna je kao izlazni signal I_MONITOR, to se moe koristiti u kompleksnijim upravljakim algoritmima. Takoe, ostavljena je mogunost primjene i drugih senzora za mjerenje struje ( specijalizovane SMD komponente na bazi Holovog efekta, otpornici i sl.). ema bloka za mjerenje struje prikazana je na slici 6-7.

TC 4.14 \ff Slika 6-7. ema bloka za obradu informacije o struji motoraUpravljaki PWM impulsi se preko drajverskog modula prosljeuju na izvrni organ pojaavakog modula, koji je u ovom sluaju realizovan kao sputa napona (Buck converter) i ija je ema data na slici 6-7.

Slika 6-8. Izvrni organ pojaavakog modulaUpotrebljeni MOSFET tranzistor je IXFN200N70 sa Rds(on) od svega 6m kako bi pad napona na tranzistoru u stanju provoenja bio to manji. Razlog za ovo je relativno mala vrijednost napona napajanja motora od 12VDC, pa bi stoga vei pad napona na tranzistoru degradirao ukupne pefrormanse pogona. Na take I_MOT1 i I_MOT2 prikljuena je PCB LEM HX-05 strujna sonda za mjerenje struje motora.

7. EKSPERIMENTALNI REZULTATI TC 7. EKSPERIMENTALNI REZULTATI

Ispitivanje jednokvadrantnog pojaavaa za jednosmjerni motor je vreno u laboratorijskim uslovima za potrebe firme K-INEL. Tokom ispitivanja posmatrana je samo regulacija strujne petlje i mjereni su napon i struja motora za razliite vrijednosti zadane struje pri zakoenom motoru. Regulacija jednokvadrantnog pojaavaa se bazira na impulsno irinskoj modulaciji. Na ovaj nain omogueno je da se iz energetskog kola potpuno izbaci prigunica za smanjivanje talasnosti stuje. Kao objekt upravljanja upotrijebljen je jednosmjerni motor 12VDC 20A pri zakoemom rotoru kako bi se testirale performanse strujne regulacione petlje. Na sljedecim slikama prikazani su talasni oblici struje motora i napona na izlazu jednokvadrantnog pojaavaa sa zadane vrijednosti struje motora od 2.5A, 5A, 7.5A, 10A, 12.5A, 15A, 17.5A i 20A. Za ocjenu performansi realizovane strujne PI upravljake strukture moe da poslui odziv za pravougaonu zadanu vrijednost struje (slika 7-7). Naime, granina frekvencija propusnog opsega sistema fBW, pri kojoj amplitudno fazna karakteristika ima vrijednost 0.707 ili -3dB, proporcionalna je vremenu porasta signala TR. To je vrijeme za koji odskoni odziv sistema promijeni vrijednost sa 10% na 90% stacionarnog stanja. Veliina vremena uspona TR karakterie pored brzine odziva i sposobnost sistema da na svom izlazu to vjernije reprodukuje ulazne signale. Izmeu granine frekvencije propusnog opsega sistema fBW i vremena uspona TR moe se uspostaviti empirijska formulaTRfBW=0.5

(7.1)

Sa slike 7-7. se moe vidjeti da je vrijeme porasta struje motora u sluaju pravougaone zadane vrijednosti oko TR=0.025s, pa se na osnovu za (7.1) moe odrediti propusni opseg strujne upravljake strukture, kao: .

Slika 7-1. Napon i struja motora za IZAD =2.5 A

Slika 7-2. Napon i struja motora IZAD =5 A

Slika 7-3. Napon i struja motora za IZAD=7.5 A

Slika 7-4. Napon i struja motora za IZAD =10 A

Slika 7-5. Napon i struja motora za IZAD =12.5 A

Slika 7-6. Napon i struja motora za IZAD =15 A

Slika 7-7. Struja motora pri pravougaonoj zadanoj vrijednosti IZAD=3 A

8. ZAKLJUAK TC 8. ZAKLJUAK U radu je opisan jednokvdrantni pojaava za upravljanje brzinom jednosmjernog motora. Provjera karakteristika ovog pojaavaa izvrena je u laboratorijskim uslovima u firmi K-INEL d.o.o Istono Sarajevo. Laboratorijska ispitivanja potvrdila su polazne zathjeve razvoja za ovu klasu ureaja, to se jasno vidi iz prikazanih eksperimentalnih rezultata koji su dati u sedmom poglavlju ovog rada. U radu je posveena panja i simulacijama u MATLAB/SIMULINKU, koje omoguavaju da se prati ponaanje objekta upravljanja, u konkretnom sluaju motora jednosmjerne struje, odrede vrijednosti pojedinih regulacionih kontura ispitaju mogunosti naprednih uprravljakih algoritama i sl. , ocjene karakteristike u vremenskom i frekvencijskom domenu. Sve ovo omoguava da se prije poetka faza razvoja jednokvadrantnog pojaavaa za upravljanje brzinom motora jednosmjerne struje moe predvidjeti njegovo ponaanje simulacijom u MATLAB-u to u mnogome olakava izbor: strukture upravljana, parametara podeavanja regulatora za konkretan motor, tehnikih karakteristika pretvaraa te podataka koji olakavaju elektronski dizajn realnog sistema.

Realizovani jednokvadrantni pojaava predstavlja jedno jeftino i jednostavno rjeenje za koje se pojavila potreba u praksi.

LITERATURA TC LITERATURA [1] abanovi, A., Hadimejli, N., Dehilovi, N., Klizni reimi u upravljanju elektrinih maina, Elektrotehniki fakultet u Sarajevo, Sarajevo, 2003.

[2]Neveanin, M., Elektromotorni pogoni s istosmjernim motorima, Zbornik radova Suvremeni elektromotorni pogoni, strana 189-209., Zagreb, sjeanj 1982.

[3]Vukovi, V., Elektrini pogoni, Elektrotehniki fakultet u Beogradu, Beograd 1997.

[4] Milosavljevi, ., Osnovi automatike III deo, komponente sistema automatskog uprauljanja, Elektronski fakultet u Niu; Elektrotehniki fakultet u Srpskom Sarajevu, 2001.

[5]Ibrahimkadi, S., Seminarski rad Analiza modala operski upravljanog DC motora upotrebom Simulink alata u okviru MATLAB softverskog paketa, Elektrotehniki fakultet u Sarajevu, Sarajevo, oktobar 2005.

[6]Kati, V., Jevremovi, R., Oro, ., Tranzistorski oper sa automatskom regulacijom, Zbornik radova 6. savjetovanja Energetska elektronika '86, knjiga 1, strana 424-434., Subotica, juna 1986.

EMBED CorelDRAW.Graphic.9

EMBED CorelDRAW.Graphic.10

_1251818109.unknown

_1253116474.unknown

_1254073427.unknown

_1254077847.unknown

_1254948912.unknown

_1254993502.unknown

_1254993519.unknown

_1254996508.unknown

_1255012447.vsd

_1255014178.unknown

_1254997121.vsdRegulatorbrzine

Regulatorstruje

oper+motor

w*

w

ia*

ia

y

ia

me

w

-

-

_1254993693.vsd5

4

3

1

6

2

_1254993511.unknown

_1254951935.unknown

_1254993431.unknown

_1254993446.unknown

_1254952063.unknown

_1254952083.unknown

_1254952097.unknown

_1254952020.unknown

_1254951090.unknown

_1254951406.unknown

_1254948913.unknown

_1254941905.vsd

_1254947696.unknown

_1254947822.unknown

_1254947848.unknown

_1254947706.unknown

_1254942435.vsd

_1254942879.vsd

_1254943096.vsd

_1254942140.vsd

_1254077926.unknown

_1254941417.vsd

_1254941588.vsd

_1254593354.unknown

_1254594125.unknown

_1254077936.unknown

_1254079159.unknown

_1254077898.unknown

_1254077907.unknown

_1254077861.unknown

_1254077737.unknown

_1254077786.unknown

_1254077823.unknown

_1254077835.unknown

_1254077805.unknown

_1254077761.unknown

_1254077773.unknown

_1254077752.unknown

_1254077666.unknown

_1254077705.unknown

_1254077717.unknown

_1254077696.unknown

_1254073485.unknown

_1254073515.unknown

_1254073526.unknown

_1254073502.unknown

_1254073447.unknown

_1253716667.unknown

_1253810825.unknown

_1254073327.unknown

_1254073386.unknown

_1254073415.unknown

_1254073367.unknown

_1253872663.vsd

_1254073306.unknown

_1253810878.unknown

_1253810986.unknown

_1253810846.unknown

_1253799527.unknown

_1253799588.unknown

_1253809766.unknown

_1253799573.unknown

_1253716775.unknown

_1253799515.unknown

_1253791278.unknown

_1253716774.unknown

_1253716773.unknown

_1253712671.unknown

_1253713104.unknown

_1253715356.vsdu

iP3

iP1

iP1'

iP3

iA

u

iP3

iP1

iP3

iP1'

iA

_1253715831.vsd=

P3

UG

P1

L

VO

C

IG

C

IG

IG

C

VO

RO

=

P3

UG

RO

L

RO

P1

UG

=

L

VO

_1253713175.unknown

_1253712968.unknown

_1253713012.unknown

_1253712694.unknown

_1253650013.vsd DC motor s pobudnim namotajem

DC motor s permanentnim magnetom

Sa pobudom

Permanentni magnet

Moment

Moment

Brzina

Brzina

_1253711168.vsd=

=

L

L

C

UG

IG

P3

P1

UO

RO

UG

IG

P3

P1

RO

UO

a)

b)

_1253712490.unknown

_1253707710.vsd=

=

L

E

UA

IA

E

IA

UA

L

=

=

UG

IG

P3

P1

P3

P1

P3'

P1'

IG

UG

a)

b)

_1253464570.vsd

_1253465268.vsd

_1253466659.vsd

_1253554568.unknown

_1253544356.vsd

_1253465813.vsd

_1253464603.vsd

_1253119333.unknown

_1253462764.vsd

_1253117928.unknown

_1253116825.unknown

_1252668038.unknown

_1252669887.unknown

_1252670756.unknown

_1252673643.unknown

_1252848183.unknown

_1252848196.unknown

_1252674390.unknown

_1252675028.unknown

_1252673803.unknown

_1252673113.unknown

_1252673457.unknown

_1252672643.unknown

_1252670411.unknown

_1252670626.unknown

_1252670673.unknown

_1252670518.unknown

_1252670265.unknown

_1252670386.unknown

_1252670088.unknown

_1252668966.unknown

_1252669296.unknown

_1252669377.unknown

_1252669010.unknown

_1252668903.unknown

_1252668930.unknown

_1252668071.unknown

_1252067009.unknown

_1252596968.unknown

_1252608544.unknown

_1252608760.unknown

_1252608848.unknown

_1252608954.unknown

_1252608998.unknown

_1252608925.unknown

_1252608816.unknown

_1252608636.unknown

_1252608724.unknown

_1252608604.unknown

_1252608369.unknown

_1252608470.unknown

_1252608516.unknown

_1252608396.unknown

_1252608338.unknown

_1252608346.unknown

_1252597027.unknown

_1252608290.unknown

_1252594158.unknown

_1252594355.unknown

_1252596934.unknown

_1252594311.unknown

_1252593097.unknown

_1252594143.unknown

_1252240486.vsd

_1252061036.unknown

_1252061456.unknown

_1252066481.unknown

_1252061119.unknown

_1251818441.unknown

_1252060709.unknown

_1251818148.unknown

_1251644454.unknown

_1251807640.unknown

_1251808986.unknown

_1251817653.unknown

_1251817726.unknown

_1251817940.unknown

_1251817684.unknown

_1251817483.unknown

_1251817612.unknown

_1251817364.unknown

_1251808271.unknown

_1251808499.unknown

_1251808630.unknown

_1251808326.unknown

_1251807743.unknown

_1251807816.unknown

_1251807670.unknown

_1251806659.unknown

_1251807223.unknown

_1251807474.unknown

_1251807525.unknown

_1251807298.unknown

_1251806764.unknown

_1251806864.unknown

_1251806707.unknown

_1251806475.unknown

_1251806553.unknown

_1251806608.unknown

_1251806526.unknown

_1251806355.unknown

_1251806415.unknown

_1251806140.unknown

_1250784008.vsdAC

ispravljanje

pretvaranjejednosmjernestruje

invertovanje

pretvaranjenaizmjeninestruje

_1251637924.unknown

_1251643574.unknown

_1251644209.unknown

_1251644350.unknown

_1251643751.unknown

_1251642677.unknown

_1251643150.unknown

_1251639612.unknown

_1251637186.unknown

_1251637663.unknown

_1251637719.unknown

_1251637341.unknown

_1251635582.unknown

_1251636007.unknown

_1251632792.unknown

_1244111717.unknown

_1247232942.unknown

_1250604144.unknown

_1250697471.unknown

_1250703731.unknown

_1250703732.unknown

_1250697611.unknown

_1250696616.unknown

_1247233563.unknown

_1247234307.unknown

_1250143427.unknown

_1250604032.unknown

_1250091603.unknown

_1250142984.unknown

_1247234155.unknown

_1247233365.unknown

_1247233423.unknown

_1247233286.unknown

_1247232308.unknown

_1247232658.unknown

_1247232798.unknown

_1247232577.unknown

_1247232220.unknown

_1247232271.unknown

_1247232194.unknown

_1244042882.unknown

_1244045310.unknown

_1244045578.unknown

_1244045865.unknown

_1244045396.unknown

_1244043027.unknown

_1244043220.unknown

_1244042940.unknown

_1244041431.unknown

_1244041571.unknown

_1244042635.unknown

_1244041505.unknown

_1244041157.unknown

_1244041310.unknown

_1218822659.unknown

_1244040887.unknown

_1212241763.unknown

_1093611289.unknown