Czy macie sterowanie wektorowe w swoich serwonapędach?

Jeżeli tak, to chwalcie się tym. Wielu producentów serwonapędów oferuje sterowanie wektorowe do serwosilników bezszczotkowych, rozgłos jest jednak znacznie słabszy niż w przypadku silników indukcyjnych.

Sterowanie wektorowe (FOC) – zwane niekiedy sterowaniem wektorem strumienia – to metoda umożliwiająca uzyskanie najwyższej sprawności silników synchronicznych z magnesem stałym (pm) lub serwosilników bezszczotkowych w całym zakresie ich prędkości. Algorytmy FOC modelują sprawność generowania momentu silników prądu stałego i umożliwiają jego liniową regulację.

 Technika FOC została opracowana ponad 30 lat temu przez Feliksa Blaschke z firmy Siemens dla silników indukcyjnych prądu przemiennego. Obecnie wielu producentów oferuje sterowanie wektorowe dla serwosilników bezszczotkowych. FOC ma różne nazwy opisowe, podobnie jak sterowanie wektorowe silnikami indukcyjnymi (więcej o FOC i alternatywnych metodach regulacji można przeczytaćna witrynie internetowej www.controleng.com).

 

W celu uzyskania najwyższej wydajności

W Bosch Rexroth Corp., Electric Drives & Controls (napędy elektryczne i sterowanie) napędy cyfrowe oparte na FOC są uważane za „standardowy” koszt bezszczotkowych silników prądu stałego (i silników innych typów), ponoszony w celu spełnienia wymagań wyższej dokładności pozycjonowania, gęstości mocy, prędkości oraz sprawności, którego nie da się uzyskać tradycyjnymi metodami regulacji – takimi jak komutacja trapezowa lub sinusoidalna.

 

Rys. Bosch Rexroth stosuje sterowanie wektorowe (FOC) w inteligentnych napędach cyfrowych w celu optymalizacji dokładności procesów skrawania metali.

 – Dzięki FOC wektor prądu jest sterowany w optymalnym położeniu, co w efekcie daje maksymalizację momentów przy minimalizacji strat – mówi Peter Fischbach, menedżer ds. sprzedaży podzespołów. – Bezpieczna praca w okresie ograniczenia napięcia i osłabienia pola nie byłaby możliwa z zastosowaniem konwencjonalnych metod sterowania. Fischbach przypisuje FOC różne zalety, przewyższające ograniczenia wcześniej-szych wersji sterowania. Najnowsza konstrukcja FOC firmy Bosch Rexroth, system wielowymiarowej regulacji prądowej piątej generacji, zapewnia podobno wysoki moment obrotowy przy niskich prędkościach (aż do 0 obr./min) przy tętnieniach wartości momentu nieprzekraczających 0,5%, wysokiej sprawności nawet przy dużych prędkościach, oraz pełną regulację w okresach ograniczenia napięcia i osłabienia pola. Poza innymi korzyściami przytacza Fischbach również: 

  •  czasy odpowiedzi momentu i odpowiedzi prądowej poniżej 0,2 ms
  •  szerokość pasma regulatora prądu większa niż 2 kHz.

Charles Rollman, dyrektor techniczny działu produktów napędowych firmy Copley Controls Corp., odróżnia FOC od komutacji sinusoidalnej. W tej ostatniej metodzie sterowany prąd jest modulowany falami sinusoidalnymi w celu uformowania wirującego pola magnetycznego w stojanie silnika, ale częstotliwość fali sinusoidalnej jest ograniczona prędkością. Przy większych prędkościach prowadzi to do opóźnienia fazowego prądu, powodując niedopasowanie pól magnetycznych, co prowadzi do nagrzewania silnika i ograniczenia prędkości.

FOC omija ten problem poprzez bezpośrednie sterowanie przestrzennego wektora prądu w ramce odniesienia d-q wirnika, co idealnie ustala wielkość wektora i kierunek kwadratury (90o) względem wirnika – niezależnie od obrotów. – Regulatory PI pracują raczej przy prądzie stałym niż sygnałach sinusoidalnych. W sterowaniu wektorowym jakość regulacji prądu w znacznym stopniu jest niezależna od prędkości silnika – mówi Rollman.

– W celu wdrożenia FOC trzeba wykonać różne przekształcenia ramki odniesienia wymagające skomplikowanych obliczeń. Mierzone prądy silnika są najpierw przekształcane matematycznie, od trójfazowej statycznej ramki odniesienia uzwojenia stojana do dwuosiowej wirującej ramki odniesienia d-q, zanim będą dalej przetwarzane przez dwa regulatory PI (patrz schemat FOC). Regulator obsługujący składową stałą (d) prądu jest sprowadzany do zera, co wymusza kwadraturę przestrzennego wektora prądu wyłącznie w żądanym kierunku. Drugi regulator PI działa na składowej q (kwadraturowej) prądu i śledzi sterowanie momentu – wyjaśnia Rollman.

Sygnały wyjściowe z dwóch regulatorów PI przedstawiają wektor przestrzenny napięcia

 

Rys. Regulacja polem skierowanym umożliwia działanie regulatorów PI odizolowanych od zmiennych sinusoidalnych prądów i napięć silnika w ramce odniesienia d-q wirnika, z jednakową wydajnością zarówno przy wysokich, jak i przy niskich prędkościach.

w odniesieniu do wirnika. Seria przekształceń odwrotnych przetwarza z kolei te sygnały ponownie do ramki odniesienia stojana, dla sygnału wyjściowego trójfazowego modulatora PWM (szerokości impulsu) kierowanego do silnika. Powodzenie FOC zależy od skutecznego wykonywania tych przekształceń. Rollman uważa, że procesory o dużej mocy obliczeniowej umożliwią wykonanie tego zadania. Natomiast szeroko dostępne w ostatnich latach cyfrowe procesory sygnału (DSP) pomogły udoskonalić FOC dla serwonapędów.

Podkreślając ważną różnicę pomiędzy architekturą FOC a komutacją sinusoidalną w sekwencji regulacji prądu i procesów komutacji, Rollman wyjaśnia, że regulacja PI prądu zachodzi w pierwszej kolejności w FOC, a później następują szybkie procesy komutacyjne. Dla komutacji sinusoidalnej kolejność jest odwrotna. – Regulatory PI są więc odizolowane od zmiennych w czasie prądów i napięć, a system nie jest ograniczany szerokością pasma pętli regulacji PI ani przesunięciem fazowym.

  

Spokojnie w pracy

 Również Siemens zaleca FOC dla serwosilników synchronicznych z magnesem stałym, nie upiera się jednak w kwestii nazewnictwa. – Sterowanie wektorowe opiera się na przekształceniu zależnego od czasu trójfazowego systemu stojana w niezależną od czasu ramkę odniesienia d-q – wyjaśnia Martin Gertz, menedżer ds. produktu, Napędy i Silniki Regulacji Ruchu w Siemens Energy & Automation. Ten wirujący system zawiera dwa ortogonalne wektory prądu: jeden prostopadły, a drugi równoległy do pola wirnika. Ponieważ tylko druga składowa wytwarza moment użyteczny, składowa równoległa jest sprowadzana do zera, a wektor przestrzenny utrzymywany w kierunku kwadratury. – [Końcowe] przekształcenie odwrotne do systemu trójfazowego daje sinusoidalne prądy stojana poprzez modulację szerokości impulsu, bez przesunięcia fazowego przestrzennego wektora prądu – mówi Gertz.

Urządzenia Simovert MasterDrives Motion Control i Simodrive 611U, pochodzące z firmy Siemens, wykorzystują FOC wyłącznie do sterowania silnikami synchronicznymi z magnesem stałym. Te serwonapędy wykorzystują wysokoimpulsowe częstotliwości do 10 kHz, umożliwiając regulację momentów oscylujących bez potrzeby stosowania klatek tłumiących. Według firmy Siemens rozwiązanie nadaje się do zastosowań wymagających wyjątkowo krótkich czasów cykli przy najwyższej odpowiedzi dynamicznej i dokładności.

Wiele lat temu również Emerson Control Techniques (ECT) wprowadził sterowanie wektorowe w spokojnie pracujących bezszczotkowych serwosilnikach synchronicznych.

Okazją do tego stało się pojawienie produktu Unidrive, „uniwersalnego” napędu dla silników wielu typów (ECT stosowało te algorytmy znacznie dłużej dla silników indukcyjnych). Alex Harvey, menedżer ds. linii produktu w Industrial Drives (napędy przemysłowe), Control Techniques Americas, mówi: – Sterowanie wektorowe jest wbudowane w nasze serwonapędy, ale nie jest specjalnie lansowane.

Wymienia on również urządzenia sprzężenia zwrotnego jako inny czynnik, istotny dla powodzenia sterowania wektorowego serwosilnikami bezszczotkowymi. UnidriveSP, najnowsze urządzeniez rodziny Unidrive, obsługuje między innymi kodery przyrostowe i bezwzględne, rezolwery (przeliczniki) i nowsze układy sprzężenia zwrotnego SinCos. – W zastosowaniach o wysokiej wydajności powszechnie stosowane są urządzenia bezwzględne zapewniające sprzężenie zwrotne równoważne ponad 500 tysiącom linii/obrotów – mówi Harvey. – Oczywiście, urządzenia bezwzględne eliminują również konieczność czasochłonnego samosterowania po uruchomieniu maszyny.

Inny propagator sterowania wektorowego, Delta Tau Data Systems, ulepszył swój algorytm sterowania dla serwosilników bezszczotkowych (oraz dla silników indukcyjnych), włączając w niego 10 lat temu zamknięcie pętli prądowej. – Przekształciliśmy pomiary fazowo-prądowe dokonywane w „ramce stojana” do wirującej „ramki pola”, gdzie wielkości są wartościami prądu stałego – wyjaśnia Curtis Wilson, wiceprezes ds. inżynierii i badań. – Eliminuje to problemy z wysokimi częstotliwościami, towarzyszące pętlom prądowym prądu przemiennego.

Algorytmy te są nadal użyteczne dla większości klientów Delta Tau, ale Wilson przytacza najnowsze innowacje, opracowane z myślą o użytkownikach specjalnych. Należy do nich technika „osłabiania pola”, zapożyczona ze sterowania wektorowego silnikami indukcyjnymi, umożliwiająca wprowadzanie w locie znacznych zmian kształtu krzywych moment/prędkość serwosilników synchronicznych. Wspomina również o ostatnichpostępach dotyczących rozruchu serwosilników synchronicznych, co wymaga odniesienia do fazy bezwzględnej. W przeszłości oznaczało to stosowanie kosztownych czujników bezwzględnych lub długiego biegu silnika w ruchu „poszukiwania fazy” podczas uruchamiania. – Obecnie stosujemy technikę wzbudzania, wykorzystującą właściwości nasycenia magnetycznego rdzenia Fe w celu ustalenia fazy odniesienia, niewymagającą żadnego przemieszczania – dodaje Wilson.

Rockwell Automation uważa sterowanie wektorowe za integralną część swoich serwonapędów dla silników bezszczotkowych. Przykładowe produkty z wbudowanym sterowaniem wektorowym to serwonapędy małej mocy: Ultra3000, jednoosiowy napęd 230/460 V o maksymalnej mocy wyjściowej 22 kW (30 KM), oraz wprowadzony ostatnio wieloosiowy napęd Kinetix 6000 do zasilania 230/460 V i o mocy znamionowej 7,5 kW (przewidziano rozszerzenie do 22 kW przed końcem 2004 r.). Pomimo to w podstawowej literaturze specjalistycznej w grupie innych funkcji czynnościowych, takich jak interfejsy cyfrowe, duża szerokość pasma, opcje sprzężenia zwrotnego o wysokiej rozdzielczości oraz oprogramowanie, brak jest odsyłaczy do sterowania wektorowego.

Corey Morton, menedżer ds. linii produktu napędów standardowych w Rockwell Automation, podkreśla dodatkowe doświadczenie przedsiębiorstwa w sterowaniu wektorowym silnikami indukcyjnymi. Wskazuje on napęd prądu przemiennego PowerFlex 700S o mocy znamionowej 0,37–250 kW, przeznaczony do sterowania zarówno silnikami indukcyjnymi, jak i bezszczotkowymi. W odsyłaczach do literatury dla tego napędu jest przytaczane sterowanie wektorowe, trzeba jednak dołożyć starań, aby ją wyszukać. Morton wspomina również o ewolucji algorytmów sterowania wektorowego, obejmującej pracę bezczujnikową – tryb sterowania dostępny w napędzie PowerFlex 700S.

Baldor Electric Co. USA stosuje inne metody sterowania bezszczotkowymi silnikami synchronicznymi, mając na względzie zastosowania specjalne. Całkowicie wyposażone urządzenia FlexDriveII i MintDriveII jego produkcji wykorzystują sterowanie wektorowe do regulacji momentu i prędkości standardowo wymaganej w zastosowaniach serwopozycjonowania o wysokiej sprawności.

John Mazurkiewicz, menedżer ds. produktów serwo, dostrzega jedynie zaniedbywalne różnice pomiędzy sterowaniem wektorowym a komutacją sinusoidalną bezszczotkowych silników synchronicznych. – W sterowaniu wektorowym wprowadzony jest model matematyczny silnika, wykorzystujący techniki rozsprzęgania składowych pobieranego prądu, tworzących strumień i moment. Umożliwia to niezależne nadzorowanie i kontrolowanie każdej składowej – mówi Mazurkiewicz. – Komutacja sinusoidalna w sposób naturalny zapewnia prawidłowe rozsprzęganie składowych prądu tworzących strumień i moment. Dodaje on również, że sterowanie wektorowe jest korzystne z uwagi na większe prędkości wirnika (poza dostępne napięcie szyny), dzięki osłabianiu pola przez ograniczanie zwrotnej SEM.

 

Poziom płyty i układu

– Sterowanie wektorowe jest jedyną metodą liniowej regulacji momentu dla maszyny prądu przemiennego, włączając w to silniki indukcyjne i silniki z magnesem stałym – zauważa Toshio Takahashi, dyrektor ds. inżynierii w Centrum Projektowym Układów Scalonych Sterowania Cyfrowego firmy International Rectifier’s (IR). IR jest bardzo zainteresowane sterowaniem wektorowym. Uważa FOC za „podstawową technologię” dla nowych konstrukcji, a nawet wymiany już istniejących. Takahashi szacuje, że „koszty wprowadzenia sterowania wektorowego niewiele różnią się od kosztów sterowania tradycyjnego”.

International Rectifier określa swoją metodę regulacji jako „komutację sinusoidalną poprzez sterowanie wektorowe”. Według IR sterowanie wektorowe przewyższa tradycyjne techniki, jeśli chodzi o regulację momentu i równomierne działanie, szczególnie w przypadku wewnętrznych silników z magnesem stałym – klasy silników do zastosowań np. w napędzie sprężarki. Co więcej, sterowanie wektorowe umożliwia uzyskanie momentu asymetrii magnetycznej maszyny (momentu dodatkowego), generowanego przez wewnętrzne silniki z magnesem stałym. – Złożoność algorytmu FOC można przezwyciężyć dzięki dedykowanej metodzie sterowania sprzętowego, jaką jest Motion Control Engine w produkcie iMotion firmy IR – podsumowuje Takahashi.

Texas Instruments (TI) zauważa wiele korzyści, które nazywa „sinusoidalnym sterowaniem wektorowym”, a wśród nich przede wszystkim lepszą charakterystykę dynamiczną serwosystemu i mniejsze tętnienia momentu silnika. Zmiana wielkości silników jest dodatkową korzyścią, wynikającą z poprawionej wydajności. – Historyczną przeszkodą w stosowaniu sterowania wektorowego były wymagania związane z jego wdrożeniem – mówi Kedar Godbole, główny inżynier zastosowań silnikowych w TI. FOC wymaga intensywnych obliczeń, które trudno prowadzić bez bardzo wydajnych procesorów. – Z uwagi na tę złożoność sterowanie wektorowe było poprzednio zarezerwowane dla silników bardzo nowoczesnych albo bardzo dużych.

Godbole wyjaśnia, że pojawienie się wbudowanych procesorów sygnału o dużej skali integracji całkowicie zmieniło sytuację. Na przykład sterowniki TI generacji TMS320C28x zapewniają obecnie niezbędne połączenie mocy obliczeniowej i wbudowanych w układ scalony peryferiów, umożliwiające zastosowanie sterowania wektorowego w systemach klasy średniej i ekonomicznej.

 

Rozwiązania alternatywne

Co stosowano przed FOC? Komutację trapezową i sinusoidalną, zwłaszcza w odniesieniu do serwonapędów analogowych, a przedtem inne metody, które zapewniały alternatywne metody sterowania serwosilnikami prądu przemiennego, ale o mniejszej sprawności.

Siemens wspomina prostą metodę sterowania z wczesnych lat serwonapędów. Polegała ona na wykrywaniu położenia wirnika i prędkości za pomocą czujnika i wprowadzaniu przez regulator prądów o prostokątnym kształcie fali w celu uzyskania podstawowego pozycjonowania za pomocą serwosilników synchronicznych. Przebiegi prostokątne generowały jednak wysokie tętnienia momentu, szczególnie przy małych prędkościach.

Problem ten rozwiązano, stosując modulację szerokości impulsu napięcia wyjściowego przemiennika, dzięki czemu uzyskano sinusoidalne prądy stojana. Według firmy Siemens metoda ta, znana jako komutacja sinusoidalna, stanowiła krok naprzód – chociaż nadal nie była optymalna w zastosowaniach cyklicznych o wysokiej dynamice. – Przy dużych prędkościach przesunięcie fazowe przestrzennego wektora prądu tworzy niepożądany prąd bierny, który… nie wytwarza żadnego momentu użytecznego, zwiększając tylko prąd stojana – stwierdza Gertz. Komutacja sinusoidalna nie jest już stosowana w serwonapędach Siemensa.

Komutacja trapezowa („trap”) jest metodą zgrubnego sterowania silnikiem bezszczotkowym, łatwo stosowaną przy wykorzystaniu jedynie sprzężenia zwrotnego od czujnika Halla. Według Mazurkiewicza z firmy Baldor, nadaje się ona do wielu zastosowań z regulacją prędkości. Komutacja sinusoidalna oferuje ulepszenie sterowania silnikami ze sprzężeniem zwrotnym pochodzącym z kodera i czujnika Halla. – Przy komutacji sinusoidalnej silnik zużywa mniej prądu na wytworzenie momentu o określonej wielkości niż w przypadku komutacji trapezowej – dodaje Mazurkiewicz.

Napęd MicroFlex firmy Baldor obsługuje komutację trapezową i sinusoidalnąze sprzężeniem zwrotnym wybieranym za pomocą programu przez użytkownika.

Texas Instrument uważa komutację trapezową i współpracujący z nią silnik bezszczotkowy za tanią metodę sterowania do zastosowań, w których „są dopuszczalne pewne tętnienia momentu”. Wykorzystuje się w niej podejście 6-krokowe, w którym wystarczające jest sprzężenie zwrotne położenia wirnika o dokładności nieprzekraczającej 1/6 obrotu. TI wspomina również o przydatności komutacji trapezowej dla silników bezszczotkowych, pracujących z prędkościami przekraczającymi 10 tys. obr./min.

– Regulatory trapezowe mogą powodować niedopasowanie optymalnego wektora prądu, dochodzące do 30 stopni, co może wywoływać powstawanie tętnień momentu sięgających 15% plus znaczne straty sprawności oraz bardzo ograniczoną precyzję przy małych prędkościach – wylicza Fischbach z firmy Bosch Rexroth. Metody sterowania sinusoidalnego przydają się w zakresie niskich prędkości, ale nie przynoszą żadnych korzyści sprawnościowych przy dużych prędkościach.

– Ponieważ regulator prądu musi śledzić zmienne w czasie wartości prądu, ograniczone wzmocnienie i odpowiedź częstotliwościowa regulatora PI powoduje opóźnienie fazowe i błędy wzmocnienia w prądzie silnika – wyjaśnia Fischbach. – W wyniku tego wektor prądu traci swoje optymalne położenie, a sprawność silnika ulega pogorszeniu.

W sterowaniu wektorowym przezwyciężono ograniczenia wcześniejszych metod, zapewniając optymalną sprawność bezszczotkowych serwosilników przy małych i dużych prędkościach. Procesory o dużej mocy obliczeniowej obniżają koszty wdrożenia. Nadszedł czas na głoszenie zalet sterowania wektorowego.

Bosch Rexroth – www.boschrexroth.pl
Emerson Control Techniques – www.emersonct.com
International Rectifier – www.irf.com
Rockwell Automation – www.rockwellautomation.pl
Siemens E&A – www.sea.siemens.com