Witam wszystkich chciałbym zaprezentować układ sterujący przekształtnikiem energoelektronicznym DC/AC (tzw. falownik), który zbudowałem w ramach swojej pracy magisterskiej. Układ przeznaczony jest do sterowania trójfazowym silnikiem indukcyjnym za pośrednictwem falownika. W pracy zaimplantowałem dwie wektorowe metody sterowania tj. DTC i jej odmianę poprawiającą podstawową wadę DTC. Układ nie jest ograniczony do jeden metody sterowania można na nim uruchomić inne metody wektorowe.
Poniższy rysunek przedstawia strukturę sterowania układu z mikrokontrolerem STM32F407VGT6.
Układ sterujący oparty jest o mikrokontroler sygnałowy (DSC) STM32F407VGT6.
Część sterująca przedstawiona na powyższym rysunku składa się z następujących bloków:
- zasilania 5V i 3,3V, analogowego 5V i 3,3V oraz odseparowanego napięcia 5V,
- adaptera, tj. płytki drukowanej z mikrokontrolerem STM32F407VGT6 oraz niezbędnymi elementami (kondensatory, rezystory, oscylator kwarcowy) i wyprowadzonymi wszystkimi końcówkami w rastrze 2,45mm,
- złącza SWJ-DP do programowania i debugowania mikrokontrolera z komputera PC,
- wydzielonej części analogowej wraz ze złączem do transmisji sygnałów analogowych z części pomiarowej oraz dwoma potencjometrami,
- trzech przycisków sterujących oraz złącza do podłączenia alfanumerycznego wyświetlacza LCD,
- złącza do komunikacji przez SPI z bipolarnym 12-bitowym przetwornikiem AD5724 firmy Analog Devices,
- dwoma wyprowadzeniami sygnałów z wbudowanych w mikrokontrolerze przetworników DAC,
- izolowanego galwanicznie interfejsu enkodera,
- interfejsu generującego sygnały sterujące kluczami przekształtnika wraz z układem zabezpieczającym watchdog-timer oraz współpracującym z nim buforem,
- interfejsem RS232 do komunikacji z komputerem PC,
- ośmiodiodowej linijki LED.
Izolowana galwanicznie część pomiarowa została zbudowana z:
- trzech czujników prądu ACS712,
- układu pomiarowego napięcia z układem HCPL7800 w raz ze wzmacniaczem operacyjnym dostosowującym napięcie do przetwornika STMa.
Ponieważ procesor miał być wykorzystywany na płytkach sterujących nie koniecznie zamawianych w profesjonalnych firmach zaprojektowany został przeze mnie adapter, który wykonany został przez zewnętrzną firmę. Jest taka jakby przejściówka z SMD na goldpiny, na której znajduje się kwarc, i niezbędne do działania elementy bierne. Poniższy rysunek przedstawia widok adaptera:
Poniższe zdjęcie przedstawia górny widok płytki sterującej wykonanej metodą fotochemiczną:
Pierwsze i poniższe zdjęcie przedstawia płytkę sterującą wykonaną przez zewnętrzną firmę. Dodano do niej pewne peryferia nie związane z omawianym tematem (miejsca z niezalutowanymi tranzystorami).
Jeśli chodzi o część silnoprądową to omawiany układ sterował przekształtnikiem DC/AC którego głównym elementem był inteligentny moduł mocy IPM PM15RSH120 firmy Mitsubishi. Falownik zasilany był z przekształtnika AC/DC (tzw. falownik sieciowy), który pozwalał na regulacje napięcia Udc w obwodzie pośredniczącym w zakresie od 600V do 750V. Dzięki falownikowi sieciowemu układ pozwalał na przetestowanie sterowania silnika w stanach dynamicznych bo przy nawrocie silnika układ AC/DC zwracał energię do sieci zasilającej. Falownik sieciowy zostanie omówiony dokładniej w osobnym temacie przez mego kolegę, który zajmował się nim podczas pracy magisterskiej.
Nie będę tu opisywał zasady działania DTC, w każdym bądź razie mikrokontroler wykonuje kilka czynności:
- pomiar trzech prądów fazowych (można było mierzyć dwa prądy),
- pomiar prędkości obrotowej lub jej bezczujnikowa estymacja, procedura regulatora prędkości,
- estymacja strumieni magnetycznych na podstawie modelu matematycznego silnika indukcyjnego,
- transformacje prądów i strumieni do układów stacjonarnych i wirujących,
- estymacja napięcia zasilającego Usαβ, pulsacji synchronicznej i momentu elektromagnetycznego,
- funkcja wysterowania zgodna z zasadą DTC,
- obsługa przetworników C/A.
Wyniki badań laboratoryjnych:
- przy standardowej metodzie DTC przy dużej prędkości kątowej
Przebiegi prądu fazowego silnika i_sU (Ch1) strumienia Ψ_U (C3) oraz momentu elektromagnetycznego M (Ch4) (skala: i_sU – 2A/dz, Ψ_U- 0,5 Wb/dz, M – 4Nm/dz) przy prędkości ω_m 125rad/s
Hodografy wektorów prądu i_sαβ (Ch3) i strumienia Ψ_αβ (Ch1) w stacjonarnym układzie współrzędnych przy prędkości ω_m 125rad/s
- przy standardowej metodzie DTC przy małej prędkości kątowej
Przebiegi prądu fazowego silnika i_sU (Ch1), strumienia Ψ_U (Ch3) oraz momentu elektromagnetycznego M(Ch4) (skala: i_sU – 2A/dz, Ψ_U- 0,5 Wb/dz, M – 4Nm/dz) przy prędkości ω_m 11rad/s
Hodografy wektorów prądu i_sαβ(Ch1) i strumienia Ψ_αβ(Ch3) w stacjonarnym układzie współrzędnych przy prędkości ω_m 11rad/s
- przy zmodyfikowanej metodzie DTC przy małej prędkości kątowej (przy dużej wynik jest podobny do metody standardowej)
Przebiegi prądu fazowego silnika i_sU (Ch1), strumienia Ψ_U (Ch3) oraz momentu elektromagnetycznego M (Ch4) (skala: i_sU – 2A/dz, Ψ_U- 0,5 Wb/dz, M – 4Nm/dz) przy prędkości ω_m 11rad/s
Hodografy wektorów prądu i_sαβ (Ch1) i strumienia Ψ_αβ(Ch3) w stacjonarnym układzie współrzędnych przy prędkości ω_m 11rad/s
Wszystkie przebiegi pochodzą z zaprojektowanej i wykonanej płytki z przetwornikami C/A AD5724.
Jak widać z powyższych rysunków modyfikacja DTC zapewnia kształtowanie sinusoidalnego strumienia o stałej amplitudzie oraz sinusoidalnego prądu pobieranego przez silnik w całym zakresie prędkości.
Mam jeszcze parę zrzutów z przebiegami czasowym momentu zadanego i odtwarzanego oraz przy pracy bezczujnikowej, ale chyba nie ma już sensu tego wrzucać.
Cały algorytm trwa ok 8us dla standardowego DTC i 10us dla wersji zmodyfikowanej przy obliczeniach zmiennoprzecinkowych.
Na prośbę kolegi noopSwrzucam Schemat i PCB adaptera:
Fajne! Ranking DIY
(niedoczytałem)
