Enerji Verimli Motorlar için Sensörsüz Alan Odaklı Kontrol (FOC)

Gelişmiş Motor Kontrolüne Geçişi Etkinleştirme

  • Enerji Verimli Motorlar için Sensörsüz Alan Odaklı Kontrol (FOC)
    Enerji Verimli Motorlar için Sensörsüz Alan Odaklı Kontrol (FOC)
  • Enerji Verimli Motorlar için Sensörsüz Alan Odaklı Kontrol (FOC)
    Enerji Verimli Motorlar için Sensörsüz Alan Odaklı Kontrol (FOC)
  • Enerji Verimli Motorlar için Sensörsüz Alan Odaklı Kontrol (FOC)
    Enerji Verimli Motorlar için Sensörsüz Alan Odaklı Kontrol (FOC)
  • Enerji Verimli Motorlar için Sensörsüz Alan Odaklı Kontrol (FOC)
    Enerji Verimli Motorlar için Sensörsüz Alan Odaklı Kontrol (FOC)

Bu yazı Nelson Alexander, Kıdemli Pazarlama Mühendisi-II, Microchip Technology, Inc. tarafından kaleme alınmıştır.

Sensörsüz Alan Odaklı Kontrole (FOC) sahip Kalıcı Mıknatıslı Senkron Motorlara (PMSM'ler) dayalı gelişmiş motor kontrol sistemlerinin benimsenmesinin arkasında iki ana itici faktör vardır: enerji verimliliğini artırmak ve ürün farklılaşmasını güçlendirmek. Sensörsüz FOC'ye sahip bir PMSM'nin her iki hedefe de ulaştığı kanıtlanmış olsa da, başarı, bütünsel bir uygulama yaklaşımı sağlayan bir tasarım ekosistemi gerektirir. Bütünsel bir ekosistem, tasarımcıların benimsenmesini engelleyen uygulama zorluklarının üstesinden gelmelerini sağlayacaktır.

Neden PMSM?

Bir PMSM motoru, elektronik komütasyon kullanan fırçasız bir motordur. Genellikle Fırçasız DC motor (BLDC) ile karıştırılır - fırçasız motor ailesinin aynı zamanda elektronik komütasyon kullanan ancak yapısında küçük farklılıkları olan başka bir üyesi. PMSM yapısı FOC için optimize edilmiştir, BLDC motoru ise 6 adımlı bir komütasyon tekniği kullanmak için optimize edilmiştir. Optimizasyon, PMSM'nin sinüzoidal bir Geri-Elektromotor Kuvvetine (Geri-EMF) sahip olması ve BLDC motorunun yamuk bir Geri-EMF'ye sahip olması ile sonuçlanır.

Bu motorların her birinde kullanılan rotor konum sensörleri de farklıdır. PMSM tipik olarak bir konum kodlayıcı kullanırken BLDC motorlar çalışma için üç Hall sensörü kullanır. Maliyet önemliyse, tasarımcılar mıknatısın, sensörlerin, konektörlerin ve kablolamanın maliyetini ortadan kaldıran sensörsüz teknikleri uygulamayı düşünebilirler. Sensörleri ortadan kaldırmak, bir sistemde potansiyel olarak arızalanabilecek daha az bileşen olduğundan güvenilirliği de artırır. Sensörsüz bir PMSM'yi sensörsüz bir BLDC ile karşılaştırırken, bir FOC algoritması kullanan sensörsüz PMSM, karşılaştırılabilir bir uygulama maliyetiyle benzer bir donanım tasarımı kullanırken daha iyi performans sunar.

PMSM'ye geçişten en fazla yararlanacak uygulamalar, şu anda Fırçalı DC (BDC) veya AC Endüksiyon Motoru (ACIM) kullanan uygulamalardır. Anahtarlamanın temel faydaları arasında daha düşük güç tüketimi, daha yüksek hız, daha yumuşak tork, daha düşük sesli gürültü, daha uzun kullanım ömrü ve daha küçük boyutlar yer alır ve uygulamayı daha rekabetçi hale getirir. Bununla birlikte, bir PMSM kullanmanın bu yararlarını gerçekleştirmek için bir geliştiricinin, sistem gereksinimlerini karşılamak için diğer uygulamaya özel algoritmalarla birlikte daha karmaşık FOC kontrol tekniğini uygulaması gerekir. Bir PMSM, bir BDC veya bir ACIM'e kıyasla daha pahalı olsa da, önemli ölçüde daha fazla avantaj sunar.

Uygulama Zorlukları
Bununla birlikte, bir PMSM kullanmanın avantajlarının farkına varmak, gelişmiş bir FOC motor kontrol tekniğinin uygulanmasının doğasında bulunan donanım karmaşıklıklarının ve gerekli olan alan uzmanlığının anlaşılmasını gerektirir. Şekil 1, üç fazlı voltaj kaynağı inverteri kullanan üç fazlı sensörsüz bir PMSM kontrol sistemini göstermektedir. İnverterin kontrol edilmesi, birbirine bağlı üç çift yüksek çözünürlüklü PWM sinyali ve sinyal koşullandırma gerektiren çok sayıda analog geri besleme sinyali gerektirir. Sistem ayrıca, hızlı yanıt için yüksek hızlı analog karşılaştırıcılar kullanılarak tasarlanmış, hata toleransı için donanım koruma özellikleri gerektirir. Algılama, kontrol ve koruma için gerekli olan bu ek analog bileşenler, tipik bir BDC motor tasarımı veya bir ACIM'in basit Hertz başına Volt (V/F) kontrolü için gerekli olmayan çözüm maliyetini artırır.

Ayrıca PMSM motor kontrol uygulaması için bileşen spesifikasyonlarının tanımlanması ve doğrulanması için gereken geliştirme süresi vardır. Bu zorlukların üstesinden gelmek için tasarımcılar, PMSM motor kontrolü için uyarlanmış cihaz özellikleriyle yüksek düzeyde analog entegrasyon sunan bir mikro denetleyici seçebilirler. Bu, gerekli harici bileşenlerin sayısını azaltacak ve malzeme listesini (BOM) optimize edecektir. Gelişmiş kontrol algoritmalarının uygulanmasını kolaylaştırmak için yüksek çözünürlüklü PWM'ler, hassas ölçüm ve sinyal koşullandırma için yüksek hızlı analog çevre birimleri, işlevsel güvenlik için gerekli donanım çevre birimleri ve iletişim ve hata ayıklama için seri arabirimler ile yüksek düzeyde entegre motor kontrol cihazları artık mevcuttur.

Motor kontrol yazılımı ile motorun elektro-mekanik davranışı arasındaki etkileşim de aynı derecede zorlayıcıdır. Şekil 2, standart sensörsüz FOC blok şemasını göstermektedir. Bunu bir konseptten gerçek bir tasarıma almak için, kontrolör mimarisini ve matematik açısından yoğun zaman açısından kritik kontrol döngülerini uygulamaya yönelik dijital sinyal işlemcisi (DSP) talimatlarını anlamak gerekir.

Güvenilir performans elde etmek için kontrol döngüsü bir PWM periyodu içinde yürütülmelidir. Kontrol döngülerinin zamana göre optimize edilmesini gerektiren üç neden vardır.

1)    Kısıtlama: İnverter anahtarlamasından kaynaklanan akustik gürültüyü bastırmak için 20KHz'de (50uS zaman periyodu) veya ötesinde bir PWM anahtarlama frekansı kullanın.
2)    Daha yüksek bant genişliği kontrol sistemi elde etmek için, kontrol döngüsü bir PWM periyodu içinde yürütülmelidir.
3)    Sistem izleme, uygulamaya özel işlevler ve iletişim gibi diğer arka plan görevlerini desteklemek için kontrol döngüsünün daha da hızlı çalışması gerekir. Sonuç olarak, FOC algoritması 10uS'den daha az bir sürede yürütmeyi hedeflemelidir.

Birçok üretici, rotor konumu için sensörsüz tahmin edicilere sahip örnek FoC yazılımı sağlar. Ancak, motoru döndürmeye başlamadan önce, FOC algoritmasının motor ve donanımla eşleşmesi için çeşitli parametreleri yapılandırması gerekir. Gerekli hız ve verimlilik hedeflerini karşılamak için kontrol parametrelerinin ve katsayılarının daha fazla optimizasyonu gereklidir. Bu, 1) motor veri sayfası kullanılarak parametrelerin türetilmesi ve 2) bir deneme-yanılma yöntemiyle deney yapılmasının bir kombinasyonu ile elde edilir. Geliştiriciler, motor parametreleri motor veri sayfasında her zaman doğru bir şekilde tanımlanamadığında veya tasarımcıların yüksek hassasiyetli ölçüm ekipmanına erişimi olmadığında, deneme yanılma yöntemine başvurmak zorunda kalacaklardır. Bu manuel ayar işlemi zaman ve deneyim gerektirir.

PMSM motorları, farklı ortamlarda veya farklı tasarım kısıtlamaları ile çalışan birçok farklı uygulamada kullanılmaktadır. Örneğin, bir araba radyatör fanında, motor çalıştırılmak üzereyken rüzgar nedeniyle fan kanatlarının ters yönde serbestçe dönmesi mümkündür. Bu koşul altında PMSM motorunu sensörsüz bir algoritma ile başlatmak zor bir iştir ve invertere potansiyel olarak zarar verebilir. Bir çözüm, dönüş yönünü ve rotor konumunu tespit etmek ve bu bilgiyi motoru çalıştırmadan önce aktif frenleme yoluyla motoru yavaşlatmak için kullanmaktır. Benzer şekilde Amper Başına Maksimum Tork (MTPA), tork kompanzasyonu ve alan zayıflatma [1] vb. gibi ek algoritmalar uygulamak gerekebilir. Bu tür uygulamaya özel eklenti algoritmaları pratik bir çözüm geliştirmek için gereklidir, ancak aynı zamanda onlar da geliştirme süresini artırarak ve yazılım doğrulamasını karmaşık hale getirerek tasarımın karmaşıklığını artırır.

Tasarımcılar için karmaşıklığı azaltmak için bir çözüm, uygulamaya özel algoritmaların zaman açısından kritik yürütmeyi etkilemeden FOC algoritmasına eklenmesini sağlayan modüler bir yazılım mimarisi oluşturmasıdır. Şekil 3, tipik bir gerçek zamanlı motor kontrol uygulamasının yazılım mimarisini göstermektedir. Çerçevenin merkezinde, zor bir zamanlama kısıtlaması ve uygulamaya özel birçok eklenti işlevi olan FOC işlevi bulunur. Çerçeve içindeki bir durum makinesi, bu kontrol fonksiyonlarını ana uygulama ile arayüzler. Mimari, modüler hale getirmek ve kolay kod bakımını kolaylaştırmak için yazılım fonksiyon blokları arasında iyi tanımlanmış bir arayüze ihtiyaç duyar. Modüler bir çerçeve, diğer sistem izleme, koruma ve işlevsel güvenlik rutinleriyle birlikte uygulamaya özel farklı algoritmaların entegrasyonunu destekler.

Modüler bir mimarinin bir başka yararı, çevresel arayüz katmanının (veya donanım soyutlama katmanının) motor kontrol yazılımından ayrılmasıdır; bu, tasarımcıların IP'lerini uygulama özellikleri ve performans gereksinimleri değiştikçe bir motor kontrolöründen diğerine sorunsuz bir şekilde geçirmelerini sağlar.

Eksiksiz Bir Ekosistem İçin Gereksinim

Bu zorlukların üstesinden gelmek, sensörsüz FOC tasarımları için özel olarak tasarlanmış bir motor kontrol ekosistemi gerektirir. Motor kontrolörü, donanım, yazılım ve geliştirme ortamı, gelişmiş motor kontrol algoritmalarını uygulama sürecini basitleştirmek için birlikte çalışmalıdır. Bunu başarmak için ekosistem aşağıdaki özelliklere sahip olmalıdır:

  1. Motor parametre ölçümünü otomatikleştirmek, kontrol döngüleri tasarlamak ve kaynak kodu oluşturmak için üst düzey bir araç, alan uzmanlığı olmayan tasarımcıların FOC motor kontrolünü uygulamasına ve çok zaman alan karmaşık zaman kritik kodu yazıp hatalarını ayıklamasına olanak tanır
  2. FOC için bir uygulama çerçevesi ve farklı uygulamaya özel eklenti algoritmaları, geliştirme ve test süresini azaltır
  3. Tek bir çipte sinyal koşullandırma ve sistem koruması için deterministik yanıtlı motor kontrolörleri ve entegre analog çevre birimleri toplam çözüm maliyetini düşürür

Şekil 4, uygulama çerçevesini ve yüksek performanslı bir dsPIC33 motor kontrolü Dijital Sinyal Kontrolörü (DSC) için bir geliştirme paketini içeren bir motor kontrol ekosistem mimarisinin bir örneğini göstermektedir. Geliştirme paketi, kritik motor parametrelerini ölçebilen ve geri besleme kontrol kazanımlarını otomatik olarak ayarlayabilen GUI tabanlı bir FOC yazılım geliştirme aracı etrafında oluşturulmuştur. Ayrıca, bir Motor Kontrol Uygulama Çerçevesi (MCAF) kullanılarak geliştirme ortamında oluşturulan bir proje için gerekli kaynak kodunu oluşturur. Çözüm yığınının merkezinde, uygulamanın zaman açısından kritik kontrol döngüsü işlevlerini uygulamayı ve dsPIC33 DSC'nin motor kontrol çevre birimleriyle etkileşimi mümkün kılan Motor Kontrol Kitaplığı bulunur. Bu GUI, motor parametresi çıkarmayı ve çok çeşitli AG ve HV motorları için FOC kodu oluşturmayı desteklemek için mevcut birkaç motor kontrol geliştirme kartıyla birlikte çalışır.

Fırçasız motorlara geçiş, yüksek enerji verimliliği ve ürün farklılaştırma ihtiyacı ile motive edildi. Kapsamlı bir motor kontrol ekosistemi, sensörsüz FOCS'nin PMSM'lerle uygulanmasını basitleştirmek için bütünsel bir yaklaşım sağlar ve kod oluşturmayı otomatikleştirmek için özel motor kontrolörleri, hızlı prototip geliştirme geliştirme panoları ve kullanımı kolay FOC geliştirme yazılımından oluşmalıdır.

Referanslar
[1] TB3220 Açı İzlemeli Cihazlar için Kalıcı Mıknatıslı Senkron Motorun (Yüzey ve İç) Sensörsüz Alan Yönelimli Kontrolü Faz Kilitli Döngü Tahmincisi

[2] motorBench® Geliştirme Paketi

[3] Motor Kontrol Tasarım Kaynakları

[4] Motor Kontrol Kitaplığı

 

Endüstri-Dünyası’nın amacı; endüstriyel mühendisliğine dünyanın her yerinde üretilip Türkiye pazarına sunulan yeni ürünler ve hizmetler ile ilgili bilgi vermektir. Eğer siz de firmanızın yeni ürünlerinin Endüstri Dünyası’nda yer almasını istiyorsanız lütfen teknik basın bültenlerinizi editörlerimize gönderin.

Ürün yazılarımız ile ilgili görüşleriniz ve önerileriniz var ise lütfen editorlerimizle irtibata geçiniz.

More articles İletişim