Controllo della velocità senza sensori di PMSM per sistemi di ascensori

Quando si esamina il controllo della velocità senza sensori del motore sincrono a magneti permanenti (PMSM), si prendono in considerazione l'efficienza energetica, i costi e altri aspetti.

di Li Xiangwei, Luo Zhiqun e Wan Jianru

Le prestazioni di un sistema di ascensori dipendono in larga misura dalle prestazioni della sua macchina di trazione e dal metodo di controllo. Efficienza energetica, costi e altri aspetti vengono presi in considerazione quando si esamina il controllo di velocità sensorless del motore sincrono a magneti permanenti (PMSM). Il controllo in modalità scorrevole (SMC) è robusto contro fluttuazioni e disturbi dei parametri, mentre i sistemi adattativi modello-riferimento (MRAS) possono regolare l'output del modello in base all'output dei modelli di riferimento e regolabili. Per migliorare l'accuratezza stimata della velocità e del flusso del rotore, entrambi i metodi vengono combinati. I risultati di simulazione e sperimentali verificano che il metodo di controllo è robusto contro fluttuazioni e disturbi della velocità e della coppia del rotore, il che riflette una buona robustezza del sistema.

Introduzione

Per i passeggeri, i requisiti degli ascensori sono sicurezza, comfort, alta velocità, oscillazioni ridotte, ecc. Per i progettisti e i produttori di ascensori, i requisiti includono risparmio energetico, efficienza, costi contenuti, manutenzione agevole, ecc. Pertanto, gli impianti di ascensori devono soddisfare i requisiti di entrambe le parti, nonché elevati standard prestazionali. Poiché il sistema dipende dalle prestazioni della macchina di trazione e dal modello di controllo, la scelta della struttura del motore e del modello di controllo appropriati per il sistema è fondamentale.

La modalità di controllo della velocità delle unità PMSM è attualmente al centro della ricerca nella tecnologia di azionamento degli ascensori, grazie a caratteristiche quali bassa rumorosità, elevata precisione, comfort, facilità d'uso, ecc. Tuttavia, i sensori meccanici tradizionali sono sensibili all'influenza di temperatura, umidità e altre condizioni ambientali. L'immunità alle interferenze e la stabilità del sistema sono scarse, e il sensore stesso e il suo circuito ausiliario sono costosi; pertanto, il controllo della velocità senza sensori sta diventando un obiettivo di ricerca.[1]

In questo articolo verranno illustrati i vantaggi di SMC e MRAS per stimare la velocità del rotore di un PMSM, costruire un'equazione dello stato di errore per stimare la velocità e il flusso del rotore in modo più accurato e realizzare un controllo della velocità senza sensori.

Struttura variabile in modalità scorrevole Fondamenti di costruzione dell'osservatore MRAS

Lo stimatore MRAS utilizza due modelli: uno è un modello di riferimento senza parametro sconosciuto e l'altro è un modello regolabile con parametro sconosciuto. Entrambi hanno lo stesso output. L'errore di questi output effettivi e stimati viene immesso nel meccanismo di adattamento per stimare il parametro regolabile che regola il modello regolabile al fine di portare l'errore di output tra questi modelli a zero.[2&3] La struttura del sistema è riportata nella Figura 1.

Lo scopo dell'utilizzo di MRAS a struttura variabile per identificare la velocità è quello di cercare la velocità equivalente weq in modo che la velocità effettiva influenzata da casualità e incertezza possa seguire quella data; ovvero:

lime_i(t) = 0

t ∞

Costruzione dell'equazione dell'errore di stato

Poiché l'equazione della corrente dello statore nel sistema di riferimento dell'asse d - q contiene il parametro w, l'equazione della corrente viene presa come modello regolabile, mentre il motore reale viene utilizzato come modello di riferimento.[1] Nota, Ld = Lq = L nei motori a magneti permanenti di superficie (SPM) e una forma di matrice del modello regolabile è data come:

Quindi, l'equazione 1 può essere semplificata:

Il modello stimato può essere semplificato come segue:

e valori stimati della corrente dello statore sull'asse q, rispettivamente. Il valore stimato della velocità angolare è.

Il modulo stimato può essere scritto come

Gli errori di stato possono essere definiti come e_i

Prendendo la derivata temporale di ei, noi troviamo

                                  (Equazione 5)

Progettazione della superficie scorrevole

Quando l'equazione S(x) = S'(x) = 0 è soddisfatta, l'osservatore in modalità di scorrimento può raggiungere la superficie di scorrimento in un tempo limitato e rimanervi.

Quando viene raggiunta la modalità di scorrimento, S(e) sarà uguale a zero, il movimento di scorrimento con buone prestazioni dinamiche è asintoticamente stabile. Secondo il principio, la funzione di commutazione di struttura variabile dell'osservatore di velocità MRAS può essere ottenuta come

L'equazione 1 meno l'equazione 4 può raggiungere lo stato di errore

Quando il sistema è stabile, l'errore è quasi zero:

Sostituendo l'equazione 2 nell'equazione 8, l'errore di stato è rappresentato come

Rispetto alla superficie di scorrimento generale, la superficie di scorrimento integrale presenta i seguenti vantaggi: la coppia del motore può essere molto più fluida, l'errore di stato stazionario del sistema può essere ridotto e le vibrazioni possono essere ridotte.[4] Per questo articolo, è stata selezionata la superficie di scorrimento integrale, che è mostrata come segue:

dove k indica il guadagno integrale.

Stima della velocità di rotazione

Sulla base dell'equazione 1, prendendo la derivata temporale di S, otteniamo

dove f(x) è la funzione delle correnti di riferimento idIoq, stimare le correnti , , le tensioni udInq, velocità angolare del rotore w, flusso del rotore yr, resistenza dello statore R e induttanza dello statore L.

Dall'equazione 10, si può sapere che

è sempre soddisfatta. Quindi, M esiste sicuramente e tutti i punti vicini alla superficie di commutazione si avvicinano alla superficie quando M è sufficientemente grande; ovvero, le seguenti disuguaglianze sono soddisfatte:

Dall'equazione 12 sappiamo che quando il valore di corrente stimato è uguale al valore di riferimento, la velocità equivalente è uguale alla velocità reale.

Utilizzando la funzione seno, l'espressione dell'osservatore di velocità può essere scritta come

Per sopprimere ed eliminare le vibrazioni nel processo di controllo della modalità scorrevole e per stimare la velocità e il flusso del rotore in modo più accurato, la tradizionale funzione seno viene sostituita dalla funzione sigmod. La funzione sigmod è riportata nell'equazione 14.[5]

Quindi, l'osservatore della velocità può essere espresso come

dove M è una costante maggiore di zero. Secondo la teoria dell'iperstabilità di Popov, le componenti a bassa frequenza di sono la velocità equivalente.

Risultati della simulazione

I parametri di simulazione sono impostati come segue: controllore PI del circuito esterno: K_p = 5, K_I = 6; controllore PI del ciclo interno: K_p = 0.01, K_I = 0.01; parametro dell'osservatore di velocità MRAS con struttura variabile in modalità scorrevole: M = 3,000; parametro integrale della superficie scorrevole: k = 10; e larghezza di banda del filtro passa-basso: 120 Hz.

Le condizioni di simulazione sono impostate come segue: variazione graduale della velocità del motore da 2,000 a 2,500 giri/min; brusca variazione della coppia di carico da 1 a 4 N·m, mentre il motore gira a 2,500 giri/min. La fattibilità di questo algoritmo è dimostrata osservando le forme d'onda stimate e reali della velocità e dell'angolo del rotore.

Le forme d'onda sono mostrate nelle Figure 2 e 3:

La Figura 2(ac) illustra gli intervalli di velocità del motore da 2,000 a 2,500 giri/min, utilizzati per osservare la risposta e le prestazioni dinamiche del sistema in base alla struttura variabile in modalità scorrevole MRAS e PMSM-DTC quando la velocità aumenta. Come mostrato nella Figura 2(a), la superficie di scorrimento passa attorno al valore zero e l'ampiezza dell'onda si riduce leggermente. Tutti questi esempi illustrano che la frequenza di crossover in modalità scorrevole aumenta in una certa misura, ma rimane costante. La Figura 2(b) mostra che le prestazioni di tracciamento dell'osservatore sono buone, l'errore in regime stazionario è ridotto e la risposta in velocità può essere rapida e stabile quando la velocità aumenta. Nella Figura 2(c), l'errore tra gli angoli del rotore stimati e quelli effettivi si stabilizza quasi a zero. Si verifica un impulso quando la velocità aumenta, ma può comunque raggiungere un nuovo stato stazionario. L'errore in regime stazionario è basso e non influisce sulle prestazioni del sistema.

La Figura 3(ac) rappresenta le forme d'onda di simulazione quando viene applicata una coppia di carico improvvisa da 1 a 4 N·m mentre il motore ruota a 2,500 giri/min. Le forme d'onda vengono utilizzate per osservare la robustezza del sistema quando la coppia di carico cambia bruscamente. Come mostrato nella Figura 3(a), dopo una brusca variazione di coppia, l'ampiezza di commutazione si riduce e i tempi e le frequenze di passaggio attraverso la superficie di scorrimento aumentano, pur rimanendo stabili. La Figura 3(b) mostra cali di velocità significativi quando la coppia cambia bruscamente, ma dopo un periodo di regolazione, è in grado di tornare a uno stato stazionario e l'errore a stato stazionario è minimo. Nella Figura 3(c), l'errore tra gli angoli del rotore stimati e quelli effettivi si stabilizza quasi a zero. Si verifica un impulso quando la coppia cambia bruscamente, ma può comunque raggiungere un nuovo stato stazionario. L'errore a stato stazionario è basso, il che non influirà sulle prestazioni del sistema.

Risultati sperimentali

I parametri dei sistemi PMSM discussi in questo articolo sono i seguenti: tensione nominale: 380 V, corrente nominale: 1.5 A, potenza nominale: 550 W, velocità nominale: 1,500 giri/min. Il motore a corrente continua è collegato coassialmente al PMSM come carico. Le prestazioni della struttura variabile a scorrimento MRAS e del PMSM-DTC in questo articolo sono verificate sulla base del circuito hardware e del linguaggio di programmazione C.

Le condizioni sperimentali sono le seguenti: velocità variabile da 800 a 1,000 giri/min e brusche variazioni di coppia a 1,000 giri/min. La fattibilità di questo metodo è verificata osservando le forme d'onda della velocità. Le forme d'onda sono mostrate separatamente nelle Figure 4 e 5.

La Figura 4 mostra la forma d'onda della velocità quando la velocità del motore passa da 800 a 1,000 giri/min. Il canale (CH) 1 è l'uscita del sensore di velocità e il canale (CH) 2 è l'uscita stimata proposta dall'osservatore. La Figura 4 mostra che in presenza di disturbi della velocità, non si verifica alcun salto alla velocità stimata, che è comunque stabile e in grado di tracciare la velocità reale.

La Figura 5 mostra la forma d'onda della velocità quando la coppia cambia bruscamente a 1,000 giri/min. CH 1 è l'uscita del sensore di velocità e CH 2 è la velocità stimata proposta dall'osservatore. La Figura 5 mostra anche che in caso di disturbi di coppia, non si verifica alcun salto nella velocità stimata, che rimane stabile e in grado di tracciare la velocità reale.

Conclusione

Il metodo proposto in questo articolo unisce due vantaggi.

I risultati sperimentali e di simulazione mostrano che il sistema di controllo della velocità senza sensori proposto, basato su MRAS a struttura variabile e PMSM-DTC, ha una proprietà invariante di disturbo improvviso sia della velocità che della coppia, può raggiungere un nuovo stato stazionario in breve tempo e riflette la robustezza del sistema.

Referenze
[1] Liu Yingpei (2007). Ricerca sul controllo senza sensori di velocità PMSM per azionamento ascensore [D], Tian jin: Università di Tianjin.
[2] Geng Jie, Chen Zhen, Liu Xiangdong e Lai Zhilin (2011). Controllo inverso adattivo del motore sincrono a magnete permanente [J], Transactions of China Electrotechnical Society, 26(6): p. 50-55.
[3] Laick, Kuoks (2005). Un nuovo progetto di azionamento del motore per un sistema di movimento incrementale tramite metodo di controllo in modalità scorrevole [J], IEEE, Trans on Industrial Electronics, 52(2): p. 499-507.
[4] Tong Kewen, Zhang Xing e Zhang Yi (2008). Controllo della struttura variabile in modalità scorrevole di una macchina sincrona a magnete permanente basato su una nuova legge di raggiungimento [J], Atti del CSEE, 28(21): p. 102-106.
[5] Hongryel Kim, Jubum Son e Jangmyung Lee (2011). Un osservatore in modalità scorrevole ad alta velocità per il controllo della velocità senza sensori di un PMSM [J], IEEE, Transactions on Industrial Electronics, 58 (9): p. 4069-4077.