Sistem za HiL testiranje vodenja izmeničnih motorjev · SISTEM ZA HIL TESTIRANJE VODENJA IZMENI ... Elektronsko vezje HiL sistema , prikazuje na črt tiskanega vezja v programskem

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,

RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO

Luka MESARIĆ

SISTEM ZA HIL TESTIRANJE VODENJA IZMENIČNIH

MOTORJEV

Magistrsko delo

študijskega programa 2. stopnje

Mehatronika

Maribor, marec 2018

SISTEM ZA HIL TESTIRANJE VODENJA IZMENIČNIH

MOTORJEV

Magistrsko delo

Študent: Luka MESARIĆ

Študijski program: študijski program 2. stopnje Mehatronika

Mentor FS: izr. prof. dr. Karl GOTLIH

Mentor FERI:

doc. dr. Miran RODIČ

Maribor, marec 2018

II

III

I Z J A V A

Podpisani Luka MESARIĆ , izjavljam, da:

• je magistrsko delo rezultat lastnega raziskovalnega dela,

• predloženo delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli izobrazbe

po študijskem programu druge fakultete ali univerze,

• so rezultati korektno navedeni,

• nisem kršil-a avtorskih pravic in intelektualne lastnine drugih,

• soglašam z javno dostopnostjo magistrskega dela v Knjižnici tehniških fakultet ter

Digitalni knjižnici Univerze v Mariboru, v skladu z Izjavo o istovetnosti tiskane in

elektronske verzije zaključnega dela.

Maribor,_____________________ Podpis: ________________________

IV

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorjema doc. dr. Miranu RODIČU in

izr. prof. dr. Karlu GOTLIHU za pomoč in vodenje pri

opravljanju magistrskega dela.

Zahvaljujem se tudi sodelavcem v Laboratoriju za

energetsko elektroniko: asist. dr. Mitji Truntiču, dr.

Primožu Šlibaru in Benjaminu Ošlaju, mag. inž.

Velika zahvala gre Ivani, ki mi je vedno stala ob strani.

Posebna zahvala velja tudi staršem in vsem najbližjim

za podporo, potrpežljivost, pomoč in razumevanje.

V

SISTEM ZA HIL TESTIRANJE VODENJA IZMENI ČNIH MOTORJEV

Klju čne besede: HiL sistem, vodenje, vodenje AC motorja, PMSM, Matlab/Simulink, mikrokrmilnik

UDK: 681.5.017:621.313.323(043.2)

POVZETEK

Magistrska naloga opisuje izdelavo HiL (ang. Hardware-in-the-loop) sistema za testiranje

vodenja izmeničnih motorjev. HiL (slo. strojna oprema v zanki) je tehnika, ki se uporablja pri

razvoju in testiranju kompleksnih vgrajenih sistemov v realnem času. Pri HiL sistemu ni

potrebna dejanska strojna oprema, oz. prototip, ampak le-tega nadomestimo z emulatorjem. Za

namen magistrske naloge sta bila uporabljena dva mikrokrmilnika. En mikrokrmilnik je bil HiL

simulator (emulator PMSM električnega pogona), drugi pa je bil preizkušani sistem, na

katerem je bilo izvedeno vodenje motorja. Programiranje mikrokrmilnikov je potekalo v

programskem okolju Matlab/Simulink, uporabljena mikrokrmilnika pa sta bila

TMS320F28377S podjetja Texas Instruments. Načrt tiskanega vezja je bil izdelan v

programskem okolju Altium Designer.

VI

HIL SYSTEM FOR TESTING AC MOTOR CONTROL

Key words: HiL system, control, AC motor control, PMSM, Matlab/Simulink, microcontroller

UDK: 681.5.017:621.313.323(043.2)

ABSTRACT

The thesis describes the development of the Hardware-in-the-loop system for testing of AC

motor control. HiL is a technique used in the development and testing of complex embedded

systems in real time. HiL system does not require actual hardware or prototype, which can be

replaced with an emulator. For the purpose of this thesis, two microcontrollers were used. One

microcontroller was a HiL simulator (emulator of a PMSM electric drive), and the second was

a system under test, where motor control was programmed. The programming of

microcontrollers was done in Matlab/Simulink, and the used microcontrollers were

TMS320F28377S by Texas Instruments. The design of the PCB was made in Altium Designer.

VII

Kazalo

1 UVOD ........................................................................................................ - 1 -

1.1 Strojna oprema v zanki (ang. HiL) .................................................. - 1 -

1.2 HiL sistem obravnavan v magistrskemu delu ................................ - 5 -

2 IZMENI ČNI ELEKTRI ČNI MOTOR .................................................. - 6 -

2.1 Zgradba in delovanje izmeničnih elektri čnih motorjev................. - 6 -

2.2 Izbira elektri čnega motorja ............................................................ - 11 -

3 VODENJE SINHRONSKEGA MOTORJA S TRAJNIMI MAGNETI ...

.................................................................................................................. - 12 -

4 IZBIRA MIKROKRMILNIKOV ............................ ............................ - 17 -

4.1 Podjetje Texas Instruments ............................................................ - 17 -

4.2 Mikrokrmilnik TI TMS320F28377S ............................................. - 17 -

5 MODEL IN NASTAVITEV SIMULACIJE .................... ................... - 19 -

5.1 Model HiL sistema ........................................................................... - 19 -

5.2 Nastavitev programske opreme ...................................................... - 21 -

5.3 Sinhronizacija .................................................................................. - 23 -

6 MIKROKRMILNIK HIL SIMULATOR ....................... .................... - 28 -

6.1 Matematični model PMSM ............................................................. - 28 -

6.2 Transformacije ................................................................................. - 31 -

6.3 Proga HiL sistema – pristop 1 (DAC) ............................................ - 34 -

6.4 Proga HiL sistema – pristop 2 (PWM) .......................................... - 39 -

7 MIKROKRMILNIK PREIZKUŠANE NAPRAVE ................. .......... - 43 -

7.1 Regulacija ......................................................................................... - 43 -

7.2 Preizkušani krmilnik – pristop 1 (DAC) ....................................... - 47 -

VIII

7.3 Preizkušani krmilnik – pristop 2 (PWM) ...................................... - 49 -

8 ELEKTRONSKO VEZJE HIL SISTEMA ......................................... - 53 -

9 REZULTATI .......................................................................................... - 57 -

9.1 Pristop 1 (DAC) ................................................................................ - 58 -

9.2 Pristop 2 (PWM) .............................................................................. - 64 -

10 SKLEP .................................................................................................. - 69 -

11 LITERATURA .................................................................................... - 71 -

IX

Uporabljeni simboli

F - Sila [N]

L - Dolžina [m]

i - Tok [A]

u - Napetost [V]

B - Gostota magnetnega polja [T]

e - Inducirana napetost [V]

v - Hitrost [m/s]

f - Frekvenca [Hz]

p - Število polovih parov

ω - Kotna hitrost [rad/s]

Rs - Statorska upornost [Ω]

Ls - Statorska induktivnost [H]

J - Masni vztrajnostni moment [kg·m2]

B - Koeficient viskoznega trenja [N·m·s/rad]

Ψ - Magnetni sklep [Vs]

Δp - Prevajalno razmerje [%]

TL - Navor obremenjevanja [Nm]

X

Uporabljene kratice

ABS - ang. Anti-lock Braking System (protiblokirni zavorni sistem)

AC - ang. Alternating Current (izmenični tok)

ADC - ang. Analog to Digital Converter (analogno – digitalni pretvornik)

ADC SOC - ang. ADC Start of conversion (začetek pretvorbe)

ADC EOC - ang. ADC End of conversion (konec pretvorbe)

BLDC - ang. Brushless DC motor (DC motor brez ščetk)

CAN - ang. Controller Area Network (standard vodila za prenos podatkov)

eCAP - ang. enhanced Capture (enota za zajemanje signala)

CCS - ang. Code Composer Studio (programsko okolje)

CPU - ang. Central Processing Unit (centralna procesna enota)

DAC - ang. Digital to Analog Converter (digitalno – analogni pretvornik)

DC - ang. Direct Current (enosmerni tok)

DCU - ang. Door Control Unit (kontrolna enota za vrata)

DRFM - ang. Digital Radio Frequency Memory (metoda za prenos RF signalov)

DSP - ang. Digital Signal Processor (digitalni signalni procesor)

ECU - ang. Electronic Control Unit (elektronska kontrolna enota)

FOC - ang. Field Oriented Control (vektorsko vodenje - način vodenja motorja)

FPGA - ang. Field Programmable Gate Array (programirljivo logi čno elektronsko

vezje)

GPIO - ang. General Purpose Input-Output (splošno namenski vhod/izhod)

HiL - ang. Hardware-in-the-Loop (strojna oprema v zanki)

HMI - ang. Human Machine Interface (vmesnik človek - stroj)

I2C - ang. Inter-Integrated Circuit (sinhronska serijska komunikacija)

XI

IGBT - ang. Insulated Gate Bipolar Transistor (vrsta tranzistorja)

MCU - ang. Microcontroller Unit (mikrokrmilnik)

PC - ang. Personal Computer (osebni računalnik)

PCM - ang. Powertrain Control Module (nadzorni modul pogonskega sklopa)

PMSM – ang. Permanent Magnet Synchronous Motor (sinhronski motor s trajnimi

magneti)

PSCU - ang. Electric Power Steering Control Unit (kontrolna enota za servo volan)

ePWM - ang. enhanced Pulse Width Modulation (pulzno širinska modulacija)

RF - ang. Radio Frequency (radijska frekvenca)

RMF - ang. Rotating Magnetic Field (vrtilno magnetno polje)

RPM - ang. Revolutions Per Minuter (obrati na minuto)

SCI / UART - ang. Serial Communications Interface / Universal Asynchronous Receiver-

Transmitter (asinhronska serijska komunikacija)

SPI - ang. Serial Peripheral Interface (sinhronska serijska komunikacija)

SVM - ang. Space Vector Modulation (vektorska modulacija – način vodenja AC

motorja)

TI - Texas Instruments (podjetje)

USB - ang. Universal Serial Bus (univerzalno serijsko vodilo)

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo

- 1 -

1 UVOD

V magistrski nalogi je bilo potrebno izdelati sistem strojne opreme v zanki (v nadaljevanju HiL)

za testiranje vodenja izmeničnega sinhronskega električnega motorja s trajnimi magneti (v

nadaljevanju PMSM). Pri tem je najprej bilo potrebno preučiti teorijo HiL sistema, ker je bil to

moj prvi stik s HiL tehniko. V tem poglavju je razloženo kaj je HiL, kako deluje in kakšne so

prednosti HiL sistemov. Opisan je tudi HiL sistem, ki je bil izdelan v sklopu tega magistrskega

dela. V naslednjem poglavju, Izmenični električni motor, je opisana zgradba in delovanje

sinhronskih motorjev ter njihove lastnosti. Prav tako je tudi opisan izbran električni motor za

namen magistrske naloge. Poglavje Vodenje sinhronskega motorja s trajnimi magneti, vsebuje

opis vodenja takih motorjev. V poglavju Izbira mikrokrmilnikov sta opisana izbrana

mikrokrmilnika, nekatere njihove lastnosti in tudi nekaj besed o podjetju Texas Instruments.

Naslednje poglavje je Model in nastavitev simulacije, v katerem je razloženo na kak način se je

izvajala simulacija ter kako poteka nastavitev v programskem okolju Simulink. Poglavje

Mikrokrmilnik HiL simulator, vsebuje matematični model motorja, ter programski del proge

oz. emulatorja PMSM. Sledi poglavje Mikrokrmilnik preizkušane naprave, kjer je opisana

regulacija ter vodenje motorja in prikazan programski del karte preizkušane naprave. Naslednje

poglavje, Elektronsko vezje HiL sistema, prikazuje načrt tiskanega vezja v programskem okolju

Altium Designer. V poglavju Rezultati so prikazani in diskutirani rezultati magistrske naloge.

Poglavje Sklep, vsebuje oceno rezultatov, morebitna nadaljevanja ter zaključno besedo.

1.1 Strojna oprema v zanki (ang. HiL)

Za začetek je potrebno razložiti kaj so vgrajeni sistemi. Vgrajeni sistemi so specializirani

računalniški sistemi z namensko funkcijo, ki so vgrajeni znotraj večjega mehanskega ali

električnega sistema [1]. Zelo pogosto ti sistemi delujejo v realnem času. Vgrajeni sistemi so

zasnovani za nadzor kompleksnih prog, kot so avtomobilska vozila, sateliti, vesoljska plovila,

brezpilotna letala, orožni sistemi, pomorska vozila, komunikacijske naprave, industrijski stroji,

medicinski aparati, itd [5]. V današnjem času je uporaba vgrajenih sistemov tako razširjena, da

je življenje brez njih nepredstavljivo (slika 1.1).


- 2 -

Slika 1.1: Razširjenost vgrajenih sistemov

HiL je tehnika, ki se uporablja pri razvoju in testiranju kompleksnih vgrajenih sistemov v

realnem času [5]. Namen HiL simulacije je zagotoviti učinkovito platformo za razvoj in

testiranje. HiL simulacija dodaja kompleksnost proge pod nadzorom v testno platformo.

Kompleksnost proge pod nadzorom je vključena v testiranje in razvoj z dodajanjem

matematičnih modelov vseh povezanih dinamičnih sistemov. Te matematične modele

imenujemo »simulacijska proga«. Na primer, HiL simulacijska platforma za razvoj ABS

(protiblokirni zavorni sistem) lahko vsebuje matematične modele za vsakega naslednjih

podsistemov v progi: dinamika vozila (vzmetenje, kolesa), karakteristika ceste, dinamika

hidravličnih komponent zavornega sistema. HiL simulacija mora prav tako vključevati

električno emulacijo senzorjev in aktuatorjev. Te emulacije delujejo kot vmesnik med progo in

vgrajenim sistemom, ki ga preizkušamo. Vrednost vsakega emuliranega senzorja nadzira proga,

vgrajeni sistem pa bere te vrednosti. Prav tako vgrajeni sistem izvaja algoritme glede na vhodne

vrednosti in pošilja kontrolne signale aktuatorja. Spremembe kontrolnih signalov spremenijo

vrednosti spremenljivk v simulacijski progi [5].


- 3 -

Slika 1.2: HiL sistem

Na sliki 1.2 vidimo primer HiL sistema. V tem primeru se preko računalnika povežemo s HiL

simulatorjem, v katerem je izvedena simulacija fizičnega sistema (motor z notranjim

zgorevanjem). HiL simulator je prav tako povezan s strojno opremo, ki jo testiramo oz.

razvijamo, v tem primeru ECU − vgrajen sistem, ki nadzoruje enega ali več električnih sistemov

ali podsistemov (DCU, PSCU, HMI, PCM). HiL simulator in ECU potem komunicirata, mi pa

preko računalnika lahko opazujemo kako se obnaša ECU in vse želene signale.

Pomembna lastnost HiL sistemov je ta, da ni potreben dejanski prototip oz. strojna oprema. Tak

konkreten prototip nadomestimo z emulatorjem, ki ga predstavlja mikrokrmilnik,

mikroprocesor ali kakšno drugo digitalno vezje (FPGA) z ustrezno periferno opremo (slika 1.4).

V veliko primerih je najučinkovitejši način razvoja vgrajenega sistema povezovanje vgrajenega

sistema z realno progo (slika 1.3). V drugih primerih je HiL simulacija bolj učinkovita [6].

Slika 1.3: HiL simulacija in simulacija z realno progo


- 4 -

Slika 1.4: HiL simulacija brez dejanske strojne opreme

Pri določitvi načina razvoja imamo tri najpomembnejše dejavnike: ceno, čas in varnost. Seveda

so HiL simulacije cenovno ugodne, saj kot je že omenjeno, ni potreben dejanski prototip.

Trajanje razvoja in preizkušanja vpliva na čas plasiranja načrtovanega izdelka na tržišče [6].

Uporaba HiL simulacij je zelo primerna pri varnostno kritičnih aplikacijah, kjer bi lahko prišlo

do poškodbe opreme ali ljudi.

Uporaba in prednosti HiL sistemov [8]:

• Avtomobilska industrija (že omenjen ABS sistem, testiranje in razvoj ECU-jev).

• Letalska industrija (testiranje avtopilotov, varnostno kritične aplikacije – ni potrebno

testirati na realnem prototipu, kjer bi bil pilot zelo hitro lahko v nevarnosti).

• Radarska tehnologija (HiL simulacija za radarske sisteme se je razvila iz motenja

radarjev, in sicer DRFM sistemov, ki so se običajno uporabljali za ustvarjanje lažnih

ciljev za zmedo radarja na bojnem polju, danes pa se uporabljajo za simuliranje tarče v

laboratoriju. DRFM je elektronska metoda zajemanja in ponovnega oddajanja RF

signala).

• Robotika (avtomatsko generiranje kompleksnih krmilnikov za robote).

• Napajalni sistemi (preverjanje stabilnosti, delovanja in tolerance napak velikih

električnih omrežij).

• Vgrajeni sistemi (preverjanje delovanja vgrajenih sistemov v industriji).

• Modeliranje zunanjih vplivov (lahko modeliramo zunanje vplive, npr. ekstremne

vremenske razmere, potrese).

• Vplivi v nedostopnih okoljih (lahko preverimo, kako se mikrokrmilnik odziva na vplive,

ki se pojavijo v nedostopnih okoljih npr. globoko morje, vesolje).


- 5 -

1.2 HiL sistem obravnavan v magistrskemu delu

Za namen magistrskega dela je bilo odločeno, da bo izdelan HiL sistem kot je prikazan na sliki

1.5. Uporabljena sta bila dva mikrokrmilnika, in sicer tako, da se je prvi mikrokrmilnik obnašal

kot preizkušani sistem, drugi mikrokrmilnik pa je kot HiL simulator emuliral model

električnega motorja (PMSM) s pretvornikom. Cilj magistrske naloge je izdelava pravilno

delujočega HiL sistema za testiranje vodenja AC motorja. Programiranje mikrokrmilnikov je

bilo izvedeno pomočjo programske opreme Matlab/Simulink.

Slika 1.5: HiL sistem izdelan v magistrskemu delu

Predpostavke, podane na začetku izdelave magistrskega dela so bile naslednje:

• Da bosta TI TMS320F28377S mikrokrmilnika dovolj zmogljiva za potrebe naloge.

• Da imata ustrezno in dovolj zmogljivo periferno opremo.

• Da je potrebna periferna oprema dostopna preko priključkov mikrokrmilniških kart.

• Za simulacijo bo uporabljen »eksternal mode« način v programskem orodju Simulink.


- 6 -

2 IZMENIČNI ELEKTRIČNI MOTOR

2.1 Zgradba in delovanje izmeničnih električnih motorjev

V tem poglavju je najprej razloženo kaj so in kako sploh delujejo izmenični električni motorji.

Električni motor je stroj, ki pretvarja električno energijo v mehansko energijo. Obstaja več vrst

električnih motorjev (DC, BLDC, sinhronski, asinhronski, itd.), ampak v tem magistrskem delu

se bomo fokusirali na AC motorje in sicer na sinhronski AC motor. Za delovanje si moramo

najprej ogledati fizikalno ozadje in kako je zgrajen AC električni motor.

Električni motor je sestavljen iz dveh glavnih delov. Prvi del je stator, to je, kot že pove samo

ime, stacionarni del, ki je običajno sestavljen iz navitij. Jedro statorja je sestavljeno iz večjega

števila tankih pločevin, ki se imenujejo lamele. Te lamele se uporabljajo za zmanjšanje izgub

(vrtinčni toki). Drugi del se imenuje rotor, gibljivi del, ki s svojo rotacijo proizvaja mehansko

moč. Pri sinhronskem motorju je v rotorju lahko elektromagnet ali trajni magneti (PMSM). Pri

asinhronskemu motorju je rotor kratkostična kletka v kateri imamo ponovno laminirane

pločevine, lahko pa je tudi navit (navitje v rotorju) [2].

Slika 2.1: AC električni motor

Kadar skozi tokovodnik teče tok, se okoli njega ustvari magnetno polje. Če tak tokovodnik

izpostavimo zunanjemu magnetnemu polju, se pojavi sila na ta tokovodnik, ki ji rečemo

Lorentzova sila (slika 2.2).


- 7 -

Slika 2.2: Lorentzova sila

Enačba za izračun Lorentzove sile se glasi:

� = � · (� � ) (2.1)

Kjer je:

F [N] - Lorentzova sila

L [m] - dolžina vodnika

i [A] - tok skozi tokovodnik

B [T] - gostota magnetnega polja

Pomembna je tudi inducirana napetost, ki se pojavi zaradi gibanja tokovodnika skozi magnetno

polje (slika 2.3).

Slika 2.3: Inducirana napetost

Enačba za izračun inducirane napetosti:

� = � · (� � ) (2.2)


- 8 -

Kjer je:

e [V] - inducirana napetost

v [m/s] - hitrost

Za način delovanja si bomo ogledali trifazni sinhronski motor. Kot je že omenjeno, lahko rotor

vsebuje trajni magnet ali elektromagnet. Rotor tako ustvarja konstantno magnetno polje. Stator

je narejen iz treh statorskih navitij, ki so med sabo mehansko (prostorsko) zamaknjena za 120°

(slika 2.4) [2].

Slika 2.4: Trifazna navitja

Če taka trifazna navitja vzbujamo s tremi sinusnimi toki, ki so fazno zamaknjeni za 120° (slika

2.5), se pojavijo tri pulzirajoča magnetna polja. Rezultanta teh treh pulzirajočih polj je vrtilno

magnetno polje (slika 2.6). Ker ima rotor konstantno stacionarno magnetno polje, bodo sile, ki

jih povzroča interakcija med stacionarnim in vrtilnim magnetnim poljem povzročile vrtenje

motorja (slika 2.7). Kotna hitrost rotorja sinhronskega motorja ter kotna hitrost toka, s katerim

vzbujamo statorsko navitje, bosta v tem primeru enaki, oz. hitrost vrtenja rotorskega

magnetnega polja bo enaka hitrosti vrtenja statorskega magnetnega polja [2]. Hitrosti vrtenja

statorskega vrtilnega polja rečemo sinhronska hitrost in zaradi tega se takšni motorji imenujejo

sinhronski motorji. Asinhronski motorji imajo drugačen rotor (kratkostična kletka), in se zaradi

tega nikoli ne vrtijo s sinhrono hitrostjo, oz. z enako hitrostjo kot vrtilno magnetno polje, ampak

ponavadi počasneje.


- 9 -

Slika 2.5: Trifazni sinusni tok

Slika 2.6: Vrtilno magnetno polje

Slika 2.7: Vrtenje motorja glede na vzbujane sinusne signale

Za razliko od DC motorja, kateremu hitrost vrtenja v osnovi spreminjamo s spremembo

napetosti, je pri AC motorjih zaradi njihove zgradbe za spremembo hitrosti vrtenja potrebno

spremeniti frekvenco vzbujalnih signalov. Ker motorje običajno napajamo z sinusnimi signali

iz omrežja, ki imajo fiksno frekvenco od 50 Hz, uporabljamo za spremembo frekvence

frekvenčni pretvornik. Njegovo delovanje bo bolj natančno opisano v poglavju: Vodenje

sinhronskega motorja s trajnimi magneti.

Pomemben faktor pri izgradnji in delovanju AC motorjev je tudi število polovih parov. Iz

enačbe 2.3 lahko vidimo da je za natančno nastavitev želene vrtilne hitrosti potrebno poznati

število polovih parov ter vzbujalno frekvenco [2].


- 10 -

= �� = �� ·�� [�/��] (2.3)

Kjer je:

ω [rad/s] - mehanska kotna hitrost

Ω [rad/s] - električna kotna hitrost

p - število polovih parov

f [Hz] - frekvenca napajanja

Primer izračuna za sinhronski motor z enim in dvema polovim paroma pri konstantni frekvenci

od 50 Hz:

! " = 1 = �� ·$�% = 3000 [�/��] (2.4)

! " = 2 = �� ·$�) = 1500 [�/��] (2.5)

Kot je razvidno iz enačb 2.4 in 2.5 se s povečanjem števila polovih parov ob enaki frekvenci

napajanja zniža hitrost vrtenja rotorja motorja. Izračun velja pri napajanju motorja direktno iz

omrežja, in kot vidimo v tem primeru ima motor konstantno hitrost vrtenja.

Na naslednji sliki so prikazani štirje kvadranti delovanja električnega motorja.

Slika 2.8: Štiri kvadranti delovanja električnega motorja

Kot je razvidno iz slike 2.8 ima električni motor štiri načine obratovanja. Lahko obratuje kot

motor ali kot generator, in sicer v obeh smeri. V preglednici 2.1 so prikazani vsi načini


- 11 -

obratovanja in karakteristika navor – hitrost s stališča moči motorja. Znak »+« pomeni

motorsko, znak » - « pa generatorsko delovanje.

Preglednica 2.1: Kvadranti delovanja električnega motorja

2.2 Izbira električnega motorja

Izbran električni motor je PMSM. Za namen magistrske naloge so uporabljeni parametri

motorja AMG6308 podjetja MAHLE Letrika:

+, = 0,15 [.] �, = 2,37 · 1001 [2] " = 6 4 = 0.02 [67] 8 = 1,333 · 1001 [9: · �)] ; = 1,333 · 1001 < = · � · 7>!? @ =!"AB�7B = 48 [6] E�č = 0.8 [9G] 2�B>�7B H>BA�I! = 1500 [�/��]

Izbran električni motor je sinhronski namenski motor za uporabo s frekvenčnim pretvorniškim

vezjem.


- 12 -

3 VODENJE SINHRONSKEGA MOTORJA S TRAJNIMI MAGNETI

Za vodenje AC motorja nam je, kot je že omenjeno, potreben frekvenčni pretvornik, ker hitrost

motorja vodimo s spremembo frekvence vhodne napetosti [2]. To naredimo s pomočjo PWM

signalov. PWM signal generiramo s primerjavo žagastega ali trikotniškega in referenčnega

signala. Žagastemu ali trikotniškemu signalu se vrednost spreminja od 0 do maksimalne,

referenčnem signalu pa mi določimo vrednost (slika 3.1). Ko je vrednost žagastega signala

manjša kot vrednost referenčnega signala, se na izhodu pojavi visoki napetostni nivo (npr. 3,3

V), ko pa vrednost žagastega signala preseže vrednost referenčnega signala, se izhodna napetost

postavi na 0 V. Z nastavitvijo referenčnega signala lahko kontroliramo širino pulza, oz. ko

govorimo o PWM uporabljamo izraz »Duty Cycle« (slo. prevajalno razmerje). Prevajalno

razmerje je razmerje med tON in celotno periodo (enačba 3.1), kjer tON predstavlja čas, v katerem

je na izhodu postavljena logična 1, oz. visoki napetostni nivo. Duty cycle se vedno označuje v

odstotkih [3].

J" = KLMNO ≤ 1 (3.1) Q = %NO (3.2)

Kjer je:

Δp - prevajalno razmerje

tON [s] - čas v katerem tranzistor prevaja

TS [s] - čas periode PWM signala

f [Hz] - frekvenca PWM signala

Slika 3.1: Generiranje PWM signala


- 13 -

Slika 3.2: Prevajalno razmerje PWM signala

Slika 3.3: Princip vodenja AC motorja

Slika 3.3 prikazuje princip vodenja trifaznega motorja. Vidimo, da za vodenje motorja

uporabimo diodni usmernik, s pomočjo katerega iz trifaznega AC napajanja dobimo DC

napetost, katero potem pripeljemo na pulznoširinsko moduliran pretvornik. PWM pretvornik je

zgrajen iz 6 tranzistorjev in vzporedno vezanih diod (zaradi zaščite tranzistorjev). Na

tranzistorje pripeljemo sinusne PWM signale, ki jih dobimo tako, da kot referenčni signal

pripeljemo sinusni signal (slika 3.4). S sinusnim PWM signalom dobimo želene napetosti na

statorskem navitju. Zelo pomembno je omeniti, da oba tranzistorja v isti veji ne smeta nikoli

prevajati istočasno, npr. tranzistorja T1 in T2, T3 in T4, ter T5 in T6. To bi namreč pomenilo

kratek stik na enosmernem vodilu ter uničenje pretvorniškega vezja [4]. PWM signale za vse

tranzistorje dobimo z vektorskim vodenjem, in sicer preko vektorske pulznoširinske modulacije

(v nadaljevanju SVM) in preko vodenja v koordinatah rotorskega magnetnega sklepa (v

nadaljevanju FOC). Obstaja več načinov vodenja, ampak ta dva sta najpogosteje uporabljena.


- 14 -

Slika 3.4: Sinusni PWM signal

Za razlago SVM si bomo ogledali vektorski heksagon (slika 3.5) in tabelo preklapljanja

tranzistorjev (preglednica 3.1).

Slika 3.5: Vektorska pulznoširinska modulacija

Na sliki 3.3 imamo 6 tranzistorjev, katere moramo ustrezno vklapljati. Kot je bilo že omenjeno,

oba tranzistorja v isti veji ne smeta nikoli biti vklopljena istočasno. Zaradi teh pogojev imamo

možnih 8 kombinacij vklapljanja tranzistorjev. Te kombinacije so prikazane v preglednici 3.1.


- 15 -

Preglednica 3.1: Prikaz preklapljanja tranzistorjev [4]

V preglednici 3.1 vidimo 8 različnih vektorjev, ki jih dobimo z vklapljanjem različnih

kombinacij tranzistorjev. Zaradi enostavnosti bomo opazovali samo zgornje tri tranzistorje, T1,

T3 in T5. Stanja spodnjih tranzistorjev so negirane logične vrednosti zgornjih, npr. če je T1 = 1,

potem je T2 = 0. Kot vidimo iz preglednice 3.1 so medfazne napetosti za vektorja U0 in U7

enake nič. Zaradi tega jima rečemo ničelna vektorja. Vektor U1 dobimo, če vklopimo tranzistor

T1, tranzistorja T3 in T5 pa sta izklopljena. Zaradi enostavnosti bomo zapisali vektorje kot U1

(100), U2 (110), U3 (010), U4 (011), U5 (001), U6 (101), kar nam označuje logične vrednosti za

zgornje tranzistorje. Če pogledamo vektorje na sliki 3.5 vidimo da se vektorji zaporedoma

premikajo v nasprotni smeri urinega kazalca. Če pa pogledamo logične vrednosti zgornjih

tranzistorjev vidimo, da se za vsak naslednji vektor spremeni vrednost samo enega tranzistorja,

npr. iz U1 v U2 se spremeni samo vrednost T3.

Nadaljnje, pri izbiri načina vodenja motorja smo se v tem magistrskem delu odločili za tako

imenovani sistem vektorskega vodenja, preko dq-koordinat (FOC). Pogosto imata pri

izmeničnih strojih rotor in stator različna naravna koordinatna sistema, saj so njuna navitja

običajno med seboj premaknjena. Zaradi tega bi bila obravnava v naravnim koordinatnim

sistemom zelo zapletena [4]. To je osnovni razlog za uporabo transformacij v skupni

koordinatni sistem, ki ga imenujemo koordinatni sistem rotorskega polja (dq-koordinatni

sistem) [4]. Tako lahko statorski koordinatni sistem (ab) izrazimo s pomočjo (dq)

koordinatnega sistema rotorskega polja, ki ga izberemo kot rotorski koordinatni sistem, ki se

vrti skupaj z rotorjem. V tem primeru za kote velja [4]:

RS = 0 (3.3) R, = R (3.4) = T (3.5)


- 16 -

Kjer je:

ρR [°] - položaj rotorja

ρS [°] - položaj statorja

ωS [rad/s] - kotna hitrost statorja

Ker je naš cilj vodenje motorja po navoru in magnetnemu polju, nam dq-koordinatni sistem

bistveno olajša vodenje, saj je v njem komponenta magnetenja poravnana vzdolž d osi,

komponenta navora pa je poravnana vzdolž q osi. Prikaz dq-koordinatnega sistema vidimo na

sliki 3.6. Iz slike je razvidno da je rezultanta tokov v novem koordinatnem sistemu enaka kot v

prvotnem statorskem koordinatnem sistemu.

�U = �UV + I�UX (3.6) �U = �UY + I�UZ (3.7)

Kjer je:

iS [A] - statorski tok

iSa [A] - statorski tok komponente a

iSb [A] - statorski tok komponente b

iSd [A] - statorski tok komponente d

iSq [A] - statorski tok komponente q

Slika 3.6: Koordinatni sistem rotorskega polja


- 17 -

4 IZBIRA MIKROKRMILNIKOV

4.1 Podjetje Texas Instruments

Za realizacijo HiL zanke sta bila izbrana mikrokrmilnika podjetja Texas Instruments (v

nadaljevanju TI), in sicer C2000 Delfino TI TMS320F28377S LaunchPad. TI je ameriško

podjetje, ki načrtuje in izdeluje polprevodnike in različna integrirana vezja. Sedež podjetja je v

Dallasu, zvezni državi Texas, ZDA. Leta 1930 je bilo ustanovljeno podjetje Geophysical

Service, ki se ukvarjalo z nafto in plinom [9]. V 1940-tih letih so začeli uporabljati tehnologijo

za obdelavo signalov za odkrivanje podmornic, nato radar, leta 1946 so zgradili proizvodno

enoto in laboratorij za elektroniko. 1954 je z izumom in proizvodnjo prvega silicijevega

tranzistorja zaživelo ime Texas Instruments in vstopili so v industrijo polprevodnikov. 1958 je

Jack St. Claire Kilby (skupaj z Robertom Noycem) izumil integrirano vezje, ki je

revolucioniralo industrijo polprevodnikov. Leta 1967 so razvili prvi ročni kalkulator. Modul

raziskovanja Lunarjevega Apolla, ki je 1969 prispel na Luno je vseboval komponente TI. V

1970-tih so izdelali prvi MCU čip, 1980-tih pa prvi DSP. Danes podjetje TI posluje na

globalnem nivoju z več kot 30.000 zaposlenimi [10].

4.2 Mikrokrmilnik TI TMS320F28377S

Za realizacijo HiL zanke sta izbrana dva mikrokrmilnika C2000 Delfino TI TMS320F28377S

(slika 2.1).

Slika 2.1: Mikrokrmilnik C2000 Delfino TI TMS320F28377S


- 18 -

Nekatere lastnosti mikrokrmilnika TMS320F28377S so: 32-bitni CPU, ki deluje na 200 MHz1,

4 moduli ADC pretvornikov, ki so nastavljivi na 12 ali 16 bitno resolucijo2. 3 12-bitni DAC

pretvorniki, 24 ePWM periferne enote in 6 eCAP enot. Od komunikacijske periferije podpira

USB, CAN, SPI, SCI/UART in I2C3 [11]. Ostale lastnosti so podane v Prilogi 1: Tehnične

lastnosti TMS320F28377S.

1 Za ADC enote je prescaler nastavljen na 4, tako da je takt ADC ure 50 MHz

2 Izbrana resolucija je 12-bitna

3 Uporabljena komunikacijska periferija je USB


- 19 -

5 MODEL IN NASTAVITEV SIMULACIJE

Magistrska naloga je izvedena s pomočjo programskega paketa MATLAB/Simulink, v2016b,

ki je v lasti podjetja MathWorks. Podjetje MathWorks je vodilni razvijalec matematične

računalniške programske opreme za tehnično računanje za inženirje in znanstvenike. Sedež

podjetja se nahaja v Massachusettsu, ZDA in ima preko 3500 zaposlenih [12]. Ko sta MATLAB

in Simulink uporabljena skupaj, pride do kombinacije tekstovnega in grafičnega programiranja

za oblikovanje želenega sistema v simulacijskem okolju [13].

5.1 Model HiL sistema

Magistrska naloga uporablja dve rešitvi. Pri prvem pristopu so za pošiljanje in spremljanje

signalov uporabljene samo DAC in ADC enote (slika 5.1), pri drugem pristopu pa so

uporabljene tudi ePWM enote za pošiljanje signalov za vklapljanje tranzistorjev, in eCAP enote

za meritev trajanja PWM signalov (slika 5.2). Prvi način izvajanja predstavlja vključitev

pretvorniškega vezja na karti preizkušane naprave.

Slika 5.1: Model HiL sistema – DAC

Slika 5.2: Model HiL sistema – PWM


- 20 -

Programski del naloge je izveden na dveh mikrokrmilnikih, in sicer tako, da je eden

mikrokrmilnik HiL simulator, emulator PMSM motorja, drugi mikrokrmilnik pa predstavlja

preizkušani sistem, ki ima nalogo vodenja tega motorja. Ker sta uporabljena dva

mikrokrmilnika, ju je bilo potrebno sinhronizirati. Potrebno je bilo tudi narediti načrt izvajanja

programa na posameznem mikrokrmilniku.

Ker je razpon človeškega sluha od 20 Hz do 20 kHz si želimo, da bo preklapljanje tranzistorjev

na meji ali zunaj slišnega območja. Zaradi tega bo vzorčenje programa ustrezalo frekvenci 20

kHz, kar pomeni da bo čas vzorčenja Ts = 5·10-5 s.

[� = %� = %)�� = 5 · 100$ 7 = 50 \7 (5.1)

Za program to pomeni da bo perioda fiksna in bo znašala 50 μs ter bo to posledično maksimalen

čas za izvajanje programa. Za namen sinhronizacije bo uporabljena ePWM enota, in sicer tako,

da bo za žagasti signal uporabljen števec gor-dol. Ko bo števec na maksimalnem nivoju (pol

periode PWM-a) bo ePWM enota sprožila ADC SOC zastavico, ki označuje začetek pretvorbe.

Na koncu ADC pretvorbe se sproži ADC EOC zastavica, ki potem sproži ADC prekinitev. V

tej ADC prekinitvi se potem izvaja napisan program (slika 5.3). Na ta način zagotovimo

sinhronizacijo in pravilno izvajanje programa vsakih 50 μs.

Slika 5.3: Načrt izvajanja programa


- 21 -

5.2 Nastavitev programske opreme

Preden je bilo možno začeti z dejanskim programiranjem, je bilo potrebno konfigurirati

programsko opremo. Ker je magistrska naloga zahtevala, da naj bo program izveden na

mikrokrmilniku, se je programska koda morala iz Simulinkovega grafičnega okolja prevesti v

C kodo. Za ta namen je bilo potrebno instalirati Code Composer Studio (programsko opremo

za programiranje TI mikrokrmilnikov), ki je v lasti podjetja TI. Nadalje je bilo potrebno

konfigurirat Simulink za namen programiranja mikrokrmilnika. Iz Matlabove spletne strani je

bila prevzeta podpora za programiranje vgrajenih sistemov [14] in po instalaciji podpore

koderja (pretvornika kode) za vgrajene sisteme, je bilo v Simulinku potrebno nastaviti

nastavitvene parametre (slika 5.4).

Slika 5.4: Nastavitev Simulink orodja za programiranje mikrokrmilnika

Kot kaže slika 5.4, smo v nastavitvenem oknu iz drevesa izbrali »Hardware Implementation«

(slo. izvajanje strojne opreme) in za »Hardware board« (slo. mikrokrmilnik) izbrali

mikrokrmilnik, na kateremu bo program izveden. Za namen magistrske naloge je to TI Delfino

F28377S.


- 22 -

Slika 5.5: Nastavitev Simulink orodja

V naslednjem koraku smo iz drevesne strukture izbrali »Code Generation« (slo. generiranje

kode), in preverili, če je za programski jezik izbran C jezik in ali je za orodje izvajanja (ang.

Toolchain) izbran CCS za mikrokrmilnik družine C2000 (slika 5.5). Potrebno je bilo še nastaviti

solver, oz. orodje za reševanje in izvajanje simulacije (slika 5.6). Za konec izvajanja smo vpisali

inf (slo. neskončno), ker želimo da se simulacija izvaja brez določenega končnega časa. Ker se

bo program izvajal na mikrokrmilniku, je bilo potrebno za tip solverja izbrati diskreten način

izvajanja, in sicer s fiksnim korakom. Želimo vzorčenje v taktu 20 kHz in zaradi tega zapišemo

fiksni korak Ts = 5·10-5 s.

Slika 5.6: Nastavitev solverja

Prav tako smo za način izvajanja simulacije izbrali »External mode« (slika 5.7).

Slika 5.7: »External mode« način izvajanja simulacije


- 23 -

5.3 Sinhronizacija

Kot je bilo omenjeno, je bilo potrebno sinhronizirati izvajanje programa na posameznem

mikrokrmilniku in sinhronizirati karti, zaradi dobivanja pravilnih signalov. Sinhronizacija je

bila izvedena s pomočjo ePWM enot, in sicer tako, da je mikrokrmilnik preizkušane naprave

generiral PWM signal, ki je bil poslan na mikrokrmilnik HiL simulatorja. Ta PWM signal je bil

uporabljen za sinhronizacijo med dvema mikrokrmilnikoma in tudi za sinhronizacijo izvajanja

programa na posameznem mikrokrmilniku. PWM signal je bil generiran s periodo 50 μs in je

na izhod v času, ko je bil števec ePWM-a enak ničli, poslal signal za sinhronizacijo (slika 5.8).

Glede na to, da je ta PWM signal uporabljen samo za sinhronizacijo, je bilo nastavljeno fiksno

prestavno razmerje 50 % (slika 5.10).

Slika 5.8: Nastavitev generiranja PWM signala za sinhronizacijo, zaslon 1


- 24 -



Preden smo poslali PWM signal iz karte preizkušane naprave, je bilo potrebno na

mikrokrmilniku HiL simulatorja v nastavitvenih parametrih definirati pin za vhod PWM

sinhronizacije (slika 5.11).


- 25 -

Slika 5.11: Nastavitev pina za vhod PWM sinhronizacije

Ko je bil pin za vhod PWM sinhronizacije definiran, je bilo možno nastaviti ePWM enoto na

karti HiL simulatorja. Perioda in prevajalno razmerje sta nastavljena na enake vrednosti kot pri

karti preizkušane naprave, potrebno pa je bilo še nastaviti odmik faze (slika 5.12). Na sliki 5.13

vidimo oba PWM signala, ki sta zdaj sinhronizirana. Zgornji PWM signal je iz preizkušane

karte, spodnji pa iz karte HiL simulatorja.

Slika 5.12: Nastavitev ePWM enote na karti HiL simulatorja


- 26 -

Slika 5.13: Sinhronizirani PWM signali

V nadaljevanju je bilo na obeh mikrokrmilnikih potrebno v nastavitvah ePWM enote omogočiti

proženje ADC SOC zastavice (slika 5.14).

Slika 5.14: PWM ADC SOC

Vključiti smo morali ADC enoto, ki bo sprožila prekinitev. Na sliki 5.15 vidimo nastavitev

ADC enote. Vir proženja je nastavljen na ustrezno ePWM enoto ter na koncu pretvorbe ADC

sproži prekinitveni signal. Nadaljnje je prekinitev strojne opreme nastavljena na ADC

prekinitveni signal, ki sproži izvajanje podsistemskega bloka (»HiL_under_test_DAC«) v

katerem je napisan celotni program (slika 5.16).


- 27 -

Slika 5.15: Nastavitev ADC enote za proženje prekinitve

Slika 5.16: Nastavitev izbire prekinitvene rutine

Na ta način smo zagotovili časovno pravilno izvajanje programa (kot prikazuje slika 5.3) in

sinhronizacijo izvajanja programa na posameznem mikrokrmilniku, pa tudi sinhronizacijo med

mikrokrmilniškimi kartami.


- 28 -

6 MIKROKRMILNIK HIL SIMULATOR

6.1 Matematični model PMSM

Na začetku je bilo potrebno narediti matematični model PMSM in ga prenesti v programsko

okolje Simulink. Kot je že omenjeno, ima motor tri navitja, in ker ima navitje induktivnost in

seveda notranjo upornost žice, ga lahko nadomestimo s tremi RL členi [2].

Slika 6.1: Nadomestno vezje električnega dela motorja

V vsaki veji RL člena dodamo še inducirano napetost, ki se pojavi pri delovanju motorja (slika

6.1). Enačba 6.1 prikazuje matematični model električnega dela motorja, ki ga dobimo iz

nadomestnega vezja [2].

]^%^)^_` = ] +, 0 00 +, 0 0 0 +,` · ]�%�)�_

` + ��K ab�,% �,%) �,%_�,)% �,) �,)_�,_% �,_) �,_c · ]�%�)�_

`d + ]A%A)A_` (6.1)

Kjer je:

u [V] - napetost

RS [Ω] - statorska upornost

i [A] - tok

LS [H] - statorska induktivnost

e [V] - inducirana napetost

Ta del opisuje električni del motorja, pri čem velja enačba inducirane napetosti [2]:

A = " · e · 4 (6.2)


- 29 -

Kjer je:

ψ [Vs] - magnetni sklep

Ker bo model motorja v koordinatah rotorskega polja, dobimo iz enačb 6.1 preko transformacij,

opisanih v literaturi [4] dve napetostni enačbi:

^� = +, · �� + �,� · �fg�K − A� (6.3) î = +, · �i + �,i · �fj�K + Ai (6.4)

Kjer je:

ud [V] - napetost komponente d

uq [V] - napetost komponente q

id [A] - tok komponente d

iq [A] - tok komponente q

Ker imamo motor, ki ima rotor s površinskimi poli, velja [2]:

�,� = �,i (6.5)

Tako dobimo:

^� = +, · �� + �, · �fg�K − A� (6.6) î = +, · �i + �, · �fj�K + Ai (6.7)

Magnetna sklepa sta določena z enačbama [4]:

4� = �� · �, + 4k (6.8) 4i = �i · �, (6.9)

Kjer je:

ψd [Vs] - magnetni sklep v osi d

ψq [Vs] - magnetni sklep v osi q

ψe [Vs] - magnetni sklep trajnega magneta


- 30 -

Enačbi 6.6 in 6.7 preideta v naslednji enačbi:

^� = +, · �� + �, · �fg�K − "e4i (6.10) î = +, · �i + �, · �fj�K + "e4� (6.11)

Dobimo dve končni napetostni enačbi:

^� = +, · �� + �, · �fg�K − "e��i (6.12) î = +, · �i + �, · �fj�K + "e�� + 4k (6.13)

Matematičnemu modelu motorja je potrebno dodati še mehanski ter navorni del. Navorna

enačba je podana z izrazom [2]:

[k = _�) · 4k · �i (6.14)

Kjer je:

Te [Nm] - električni navor

Mehanski del motorja lahko na osnovi 2. Newtonovega zakona opišemo z enačbo gibanja [4]:

8 �l�K = [k − ;e − [m (6.15)

Kjer je:

J [kg·m2] - masni vztrajnostni moment

B [N·m·s/rad] - koeficient viskoznega trenja

TL [Nm] - navor obremenjevanja

kjer Bω predstavlja linearno trenje v ležajih motorja, TL pa breme, oz. navor obremenjevanja.

S pomočjo enačb 6.12, 6.13, 6.14 in 6.15 lahko izdelamo model motorja v okolju Simulink.


- 31 -

Slika 6.2: Simulink model PMSM

V modelu PMSM je q del pobarvan modro, d del rumeno, inducirana napetost rdeče, navorni

del sivo in mehanski del motorja vijolične barve. Ker je potrebno program narediti v diskretni

obliki, bodo tudi integratorji v diskretni obliki (slika 6.3).

Slika 6.3: Primer diskretnega integratorja

6.2 Transformacije

Ker motor vodimo s tri faznimi napetostmi, je potrebno uporabiti transformacije, ki nam

veličine iz trifaznega sistema pretvorijo v dvofazni sistem. Za to bomo uporabili Clarkino

transformacijo. Obstajata dve metodi Clarkine transformacije: amplitudno invariantna in

močnostno invariantna metoda. Lastnost močnostno invariantne metode je, da se ohranja moč,

lastnost amplitudno invariantne metode pa, da se ohranja amplituda in da ima vektor enako


- 32 -

amplitudo kot fazna vrednost. Amplitudno invariantna metoda je bolj uporabna v vodenju [2],

zaradi tega bo uporabljena v tem magistrskem delu. Njen zapis se glasi [2]:

�^�^n� = )_ · b1 − %) − %) 0 √_) − √_)

c · ]^%^)^_` (6.16)

Na sliki 6.4 je prikazana Clarkina transformacija izvedena v programskem okolju Simulink.

Slika 6.4: Simulink – Clarkina transformacija

Nadaljnje bo uporabljena tudi inverzna Clarkina transformacija, s katero iz dvofaznega toka

dobimo trifazni tok [2]:

]�%�)�_` =

pqqr 1 0− %) √_) − %) − √_) st

tu · <��n@ (6.17)

Na sliki 6.5 je prikazana inverzna Clarkina transformacija v programskem okolju Simulink.


- 33 -

Slika 6.5: Simulink – inverzna Clarkina transformacija

Pomembno je omeniti, da enačba 6.16 velja tudi za pretvorbo toka iz trifaznega v dvofazni, in

seveda enačba 6.17 za pretvorbo dvofazne napetosti v trifazno napetost.

Z uporabo Clarkine transformacije smo zagotovili, da iz trifaznih napetosti dobimo dvofazne,

ampak te napetosti so v statorskih koordinatah, ki jih moramo transformirati v koordinate

rotorskega polja (dq koordinate). Za to uporabimo Parkovo transformacijo [4]:

�^�î� = < cos(R) sin(R)− sin(R) cos(R)@ · �^�^n� (6.18)

Na sliki 6.6 je prikazana Parkova transformacija v programskem okolju Simulink.

Slika 6.6: Simulink – Parkova transformacija

Enako kot za Clarkino transformacijo, bo potrebna tudi inverzna Parkova transformacija [4]:


- 34 -

�^�^n� = <cos(R) − sin(R)sin(R) cos(R)@ · �^�î� (6.19)

Inverzna Parkova transformacija v orodju Simulink je prikazana na sliki 6.7.

Slika 6.7: Simulink – inverzna Parkova transformacija

6.3 Proga HiL sistema – pristop 1 (DAC)

Proga HiL sistema (slika 6.8) je sestavljena najprej iz zajemanja trifaznih napetosti ter

transformiranja teh napetosti v dvofazni sistem, ki je v dq koordinatah.


- 35 -

Slika 6.8: Simulink – PMSM sistem – pristop DAC

Za zajemanje treh faznih napetosti so uporabljene tri ADC enote (za fazi 1 in 3 je uporabljen

ADC modul A, za fazo 2 pa ADC modul B), in sicer tako, da zadnje zajemanje sproži ADC

prekinitev (slika 6.9). Razlog uporabe dveh ADC modulov je ta, da se izvajanje modula A in

modula B izvaja sočasno. Optimalna bi bila uporaba treh ADC modulov, ampak na razpolago

imamo pine samo za modula A in B. Te tri napetosti so potem ustrezno skalirane in pretvorjene

tako, da dobimo enake napetosti kot smo jih pošiljali. Vrednosti faznih napetosti pripeljemo na

vhod bloka Clarkine transformacije (siva barva), ki nam napetosti pretvori v dvofazni sistem.

V nadaljevanju vrednosti ua in ub damo skupaj z vrednostjo položaja na vhod bloka Parkove

transformacije (vijolična barva). Iz Parkove transformacije dobimo vrednosti ud in uq, ki gresta

na vhod bloka matematičnega modela PMSM motorja (modra barva). Iz bloka motorja dobimo

informacije o tokovih, navoru, hitrosti vrtenja ter položaju rotorja. Ker lahko električni motor

obratuje v štiri kvadrantnem načinu (slika 2.8), in je možno pošiljati signale iz mikrokrmilnika

v unipolarnem področju napetosti od 0 V do 3,3 V, je potrebno nekako zagotoviti pošiljanje

informacije o položaju in hitrosti vrtenja tudi v obratni smeri. Rešitev za ta problem je, da se

informacija o hitrosti vrtenja pošilja kot absolutna vrednost. Dodan je en GPIO pin, ki je

konfiguriran kot izhod, in se v primeru pozitivne vrednosti hitrosti vrtenja rotorja postavi na

logično vrednost 1, če je vrednost hitrosti negativna, se pa GPIO postavi na logično 0. Za


- 36 -

vrednost položaja je pristop malo drugačen. Iz vrednosti položaja rotorja se izračuna sin in cos

ter se vrednosti skalirajo in zamaknejo (offsetirajo) v pozitivno amplitudo, tako da sta vrednosti,

ki se pošiljata, sin in cos signala, od 0 V do 3,3 V.

Vrednosti tokovih id in iq gresta na vhod inverzne Parkove transformacije (vijolična barva),

čigar izhod gre zopet na vhod inverzne Clarkine transformacije (siva barva). Iz inverzne

Clarkine transformacije dobimo vrednosti treh faznih tokov. Izbran motor je vezan v vezavo

zvezda, za katerega velja enačba 6.20 in bi dejansko lahko na izhod pošiljali samo dve fazni

vrednosti toka, tretjo pa izračunali [2].

�%(B) + �)(B) + �_(B) = 0 (6.20)

Kjer je:

i1 [A] - tok faze 1

i2 [A] - tok faze 2

i3 [A] - tok faze 3

Nadalje so tri fazne vrednosti tokov poslane preko DAC enot na mikrokrmilnik preizkušane

karte. DAC enote so tudi bile sinhronizirane z ustrezno ePWM enoto (slika 6.10). Iz slike 6.8

lahko vidimo, prej opisano pošiljanje absolutne vrednosti hitrosti vrtenja na ePWM enoto,

katere izhod je lokalno na mikrokrmilniku povezan na RC filter, ki nam iz PWM signala

generira analognega in s tem ta izhod deluje kot DAC enota. Ker je maksimalna hitrost vrtenja

motorja 1500 vrtljajev na minuto, je tako ustrezno skalirana tudi vrednost na 0−100%

prevajalnega razmerja PWM-a. Na enak način sta poslana na ePWM enote povezane z RC filtri

tudi sin in cos signala, ki smo jih dobili iz položaja rotorja (slika 6.8).


- 37 -

Slika 6.9: Nastavitve enot ADC

Slika 6.10: Nastavitev DAC sinhronizacije

Ker je zahteva naloge, da bo simulacija potekala v realnem času in potrebujemo nadzor in

pridobivanje povratnih informacij, je uporabljena SCI komunikacija z računalnikom. SCI

komunikacija poteka preko USB periferije, tako da ni potrebna konfiguracija dodatnih GPIO

pinov. SCI komunikacija nam omogoča spremljanje informacij, ki jih dobimo iz PMSM (tok,


- 38 -

hitrost vrtenja, navor) in spreminjanje parametrov motorja (upor, induktivnost, število polovih

parov, vztrajnostni moment, viskozno trenje, breme) v realnem času.

Na koncu programa na mikrokrmilniku HiL simulatorja je bilo potrebno dodati še SCI

prekinitev, ki jo prikazuje slika 6.11. SCI prekinitev smo nastavili z manjšo prioriteto kot ADC,

tako da se je ADC prekinitev, in s tem tudi glavni program, nemoteno izvajal. V podsistemu

SCI je del programa, ki ga prikazuje slika 6.12, v podsistemu PMSM_system pa je celotni

program, ki ga prikazuje slika 6.8.

Slika 6.11: Program mikrokrmilnika HiL sistema in nastavitev SCI prekinitve

Slika 6.12: SCI podsistem


- 39 -

Za konec je bilo potrebno še narediti poseben SCI program za komunikacijo računalnika s karto

HiL simulatorja. Slika 6.13 prikazuje SCI program v Simulink programskem okolju, nastavitev

SCI komunikacije pa je prikazana na sliki 6.14.

Slika 6.13: Simulink: SCI program

Slika 6.14: Nastavitev SCI komunikacije

6.4 Proga HiL sistema – pristop 2 (PWM)

Drugi pristop izvajanja proge HiL sistema je zelo podoben prvemu pristopu. Program izvajanja

je enak kot v prvem pristopu, napisan v podsistemu PMSM_system in je sprožen preko ADC

prekinitve (slika 6.11). Prav tako je nastavljena SCI komunikacija na enak način kot pri prvem

pristopu (slike 6.11, 6.12, 6.13 in 6.14). Razlika je v zajemanju treh faznih napetosti oz.


- 40 -

zajemanju PWM signalov za preklapljanje tranzistorjev. V drugem pristopu je zajemanje

narejeno preko eCAP enot kot prikazuje slika 6.15.

Slika 6.15: Simulink – PMSM sistem – pristop PWM

Za namen sinhronizacije izvajanja programa smo obdržali ADC enoto, čeprav zajeti signal iz

ADC enote ni uporabljen. Nastavitev eCAP enot je prikazana na slikah 6.16 in 6.17, kjer

vidimo, da so uporabljene tri medsebojno sinhronizirane eCAP enote. Signali iz eCAP enot

grejo v podsistem PWM→D, kjer se iz zajetih signala izračuna prevajalno razmerje PWM

signalov (slika 6.18). Nato se iz PWM→D podsistema signali prenesejo v podsistem D→123,

kjer se iz prevajalnih razmerij izračunajo tri fazne napetosti in se naprej prenesejo v Clarkino

in potem v Parkovo transformacijo. Ostali izračuni so enaki kot pri prvem pristopu (DAC)

izvajanja programa.


- 41 -

Slika 6.16: Nastavitev eCAP enot

Slika 6.17: Sinhronizacija eCAP enot

Slika 6.18: PWM→D podsistem

Na sliki 6.18 je predstavljen izračun prevajalnih razmerij iz PWM signalov. Prav tako je

predstavljena kompenzacija mrtvega časa pri PWM enotah, ki znaša 2 % prevajalnega razmerja

(podrobneje razloženo v poglavju Mikrokrmilnik preizkušane naprave). Iz prevajalnih razmerij


- 42 -

je bilo potrebno izračunati ustrezne vrednosti treh faznih napetosti. Enačba 6.21 prikazuje ta

izračun. Na sliki 6.19 je prikazan izračun v programskem okolju Simulink.

]^%^)^_` = )_ pqqqr 1 − %) − %)− %) 1 − %)− %) − %) 1 stt

tu · ]{%{){_` (6.21)

Kjer je:

D1 [%] - prevajalno razmerje tranzistorja T1



Slika 6.19: D→123 podsistem


- 43 -

7 MIKROKRMILNIK PREIZKUŠANE NAPRAVE

7.1 Regulacija

Ker želimo motor voditi po navoru, ki je odvisen od vrednosti števila polovih parov p (število

določeno z zgradbo motorja), magnetnega sklepa ψe (vsota magnetnih pretokov skozi vse ovoje

tuljav) ter od vrednosti toka iq (enačba 6.14), sta uporabljena dva PI tokovna regulatorja za toka

iq in id. Vrednost id je v regulaciji bila nastavljena na 0 (zaradi rotorja s površinskimi poli).

Preko vodenja toka iq pa motor vodimo po navoru. Slika 7.1 prikazuje PI regulator v diskretni

obliki.

Slika 7.1: PI regulator v diskretni obliki

Za tokovno regulacijo sta izhoda iz regulatorja nastavljena z limito na 48 V. Pri uporabi PI

regulatorja je potrebno nastaviti parametre za proporcionalni (Kp) in integralni (Ki) del. Ki

ojačenje je bilo izraženo preko parametra Ti (enačba 7.1).

[f = |}|~ (7.1)

Kjer je:

Ti [s] - časovna konstanta PI regulatorja toka

Kp - ojačenje proporcionalnega člena PI regulatorja toka

Ki - ojačenje integralnega člena PI regulatorja toka

Nadaljnje, je bilo za določanje parametrov regulatorja potrebno izraziti sistem s prenosno

funkcijo. Prenosna funkcija je matematična funkcija sistema, ki daje ustrezno izhodno vrednost

glede na vhod v ta sistem. Prenosno funkcijo za RL vezje prikazuje enačba 7.3. Vrednost Ti je

bila nastavljena na vrednost časovne konstante RL vezja (enačba 7.4).


- 44 -

^ = +,� + �, �f�K = +,� + ��,7 = �(+, + �,7) → f� = %S��m�� /· %S� (7.2) 2Sm(7) = ��%�� (7.3)

� = m�S� = [f (7.4)

Kjer je:

s - Laplace-ov operator

HRL - prenosna funkcija RL vezja

τ [s] - časovna konstanta

Za parametre izbranega PMSM motorja Ti znaša:

[f = m�S� = �.��)_��.%$ = 0,00158 (7.5)

Potrebno je bilo še določiti Kp. Za to potrebujemo še prenosno funkcijo PI regulatorja [2]:

2��(7) = �� + �f · %� = �� + |�N~ · %� = �� %��N~�N~ � (7.6)

Kjer je:

HPI - prenosna funkcija PI regulatorja

Prenosna funkcija odprte zanke potem glasi:

2��(7) = 2Sm(7) · 2��(7) = ��%�� · �� %��N~�N~ � = ��%��N~ · �� %��N~�N~ � = |�· ��N~ (7.7)

Kjer je:

HOZ - prenosna funkcija odprte zanke


- 45 -

Funkcija zaprte zanke se potem glasi:

2��(7) = �L�%��L� = ��· ��O�~%��· ��O�~

= ��· ��O�~O�~��· ��O�~= |�· ��|�· ��N~ /· %|�· ��

(7.8)

2��(7) = %%� �~��· �� (7.9)

Kjer je:

HZZ - prenosna funkcija zaprte zanke

Za časovno konstanto τ je izbrana vrednost od 1,58 ms, kar nam zagotavlja dovolj hiter odziv

sistema. Iz prenosne funkcije zaprte zanke potem lahko izračunamo vrednost Kp4:

� = N~|�· ��= N~·S�|� (7.10)

�� = N~·S�� = �.��%$�·�.%$�.��%$� = 0,15 (7.11)

Slika 7.2: Tokovni regulator in prenosna funkcija RL-člena v Simulink okolju

4 Na realnem sistemu je bila potrebna korekcija parametrov – Priloga 2


- 46 -

Slika 7.3: Odziv tokovnega regulatorja na stopničasto funkcijo

Kot je razvidno iz slike 7.3 je odziv tokovnega regulatorja na prenosno funkcijo zelo hiter ter

nima statičnega pogreška.

Nadalje je bilo potrebno narediti regulacijo hitrosti vrtenja. Tudi za to je bil uporabljen PI

regulator (slika 7.1), vrednosti ojačenja regulatorja (Kpω in Kiω) pa sta bili določeni

eksperimentalno. Pomembno je omeniti, da je bila limita regulatorja nastavljena na 10 A.

Določena je bila prenosna funkcija mehanskega dela motorja (enačba 7.12) in je hitrostni

regulator bil vezan v kaskado s tokovnim regulatorjem (slika 7.4).

8 �l�K = [k − ;e = _) " · 4k · �i − ;e

87e = _) " · 4k · �i − ;e

87e + ;e = _) " · 4k · �i

e(87 + ;) = _) " · 4k · �i

l(�)fj(�) = ��·�� /· %�

2��(7) = ��}·��%� �� (7.12)


- 47 -

Kjer je:

Hmm - prenosna funkcija mehanskega dela motorja

Slika 7.4: Hitrostni regulator v kaskadi v orodju Simulink

Za vrednost parametra Tiω je bila izbrana 0.01, za Kpω pa 0.34. Odziv regulatorja prikazuje slika

7.5.

Slika 7.5: Odziv hitrostnega regulatorja na stopničasto funkcijo

7.2 Preizkušani krmilnik – pristop 1 (DAC)

Na mikrokrmilniku preizkušane naprave je bilo potrebno napisati program, ki vsebuje vodenje

AC motorja. Enako kot pri karti HiL simulatorja je bil program napisan v ADC prekinitvi v

podsistemu HiL_under_test_DAC, oz. HiL_under_test_PWM (slika 5.16). Iz slike 7.6 je


- 48 -

razvidno, da imamo eno ePWM enoto, ki nam služi za sinhronizacijo izvajanja programa ter

sinhronizacijo obeh kart. Za vodenje motorja je bila uporabljena regulacija, ki je sestavljena iz

dveh PI regulatorjev, vezanih v kaskado. V notranji zanki je tokovni regulator, v zunanji zanki

pa je hitrostni regulator. Na izhodu tokovnih regulatorjev dobimo napetosti uq in ud, ki sta vhod

inverzne Parkove in potem v inverzne Clarkine transformacije. Izhod inverzne Clarkine

transformacije nam da tri fazne napetosti, ki jih pošiljamo na DAC enote. Iz karte HiL

simulatorja dobimo tri fazne tokove, ki jih na mikrokrmilniku preizkušane naprave spremljamo

preko ADC enot. Ker sta ADC in DAC enoti 12-bitni imata zalogo vrednosti med 0 in 4095, je

potrebna ustrezna pretvorba in skaliranje. DAC in ADC enote so enako kot pri karti HiL

simulatorja sinhronizirane z ePWM enoto, in po zadnji ADC pretvorbi se sproži ADC

prekinitev, ki zažene izvajanje programa vodenja. Vrednosti iz ADC enot se preko Clarkine in

nato Parkove transformacije pretvorijo v vrednosti tokov v koordinatah rotorskega polja, iq in

id, ki sta potrebna za tokovno regulacijo. Položaj rotorja dobimo iz ADC pretvorbe sin in cos

signala, ki gresta skozi podsistem »Preracun«, prikazan na sliki 7.7. Informacija o hitrosti

vrtenja, ki jo tudi dobimo iz ADC, je potrebna za hitrostno regulacijo. Ker se motor lahko vrti

v dveh smereh, je dodan GPIO pin, ki podaja predznak vrednosti vrtenja rotorja.

Slika 7.6: Programska oprema za vodenje motorja na preizkušanem modulu, z izhodi DAC


- 49 -

Slika 7.7: Preračun sin in cos signala

7.3 Preizkušani krmilnik – pristop 2 (PWM)

Drugi pristop programiranja karte preizkušane naprave je ponovno zelo podoben prvemu, DAC

pristopu. Enako kot pri prvem pristopu je program napisan v ADC prekinitvi v podsistemu

HiL_under_test_PWM – v prvem pristopu se je podsistem imenoval HiL_under_test_DAC

(slika 5.16). Vodenje motorja poteka na enak način kot prej, z uporabo PI regulatorjev za tok

in hitrost. Iz regulatorjev sta signala povezana na vhod inverzne Parkove in inverzne Clarkine

transformacije, ki generirata tri fazne napetosti. Te tri fazne napetosti so vhod pretvorbe v

prevajalna razmerja za preklapljanje tranzistorjev (slika 7.8).

Slika 7.8: Programska oprema za vodenje motorja na preizkuševalnem modulu, z izhodi

PWM

Tri fazne napetosti so vhodi v podsistem »Scaling«, kjer se skalirajo in zamaknejo v pozitivni

del, kar prikazuje slika 7.9. Iz podsistema »Scaling« signale posredujemo v podsistem »Dead


- 50 -

time«, kjer se upošteva mrtvi čas za preklapljanje tranzistorjev in tudi logično negirajo

tranzistorji v spodnji veji. Slika 7.10 prikazuje podsistem »Dead time«.

Slika 7.9: Podsistem »Scaling«

Slika 7.10: Podsistem »Dead time«

Pri brskanju po tehniških lastnosti več IGBT tranzistorjev smo sklenili, da bo nastavljeni mrtvi

čas 1 μs zadoščal za potrebe magistrske naloge. Kot je bilo že navedeno, je čas vzorčenja oz.

perioda PWM-a 50 μs.

�>BH� č!7 = % ¡�$� ¡� = 0.02 → 2 % (7.13)

Enačba 7.13 prikazuje izračun 1 μs v odstotke prevajalnega razmerja. Kompenzacija mrtvega

časa je narejena na ta način zaradi možnosti lažje spremembe in zaradi lažjega izračuna na

mikrokrmilniku HiL simulatorja. PWM enote so medsebojno sinhronizirane, kar prikazuje slika

7.11. Nastavitev ePWM enot prikazujeta sliki 7.12, ter 7.13.


- 51 -

Slika 7.11: Nastavitev in sinhronizacija PWM enot

Slika 7.12: Nastavitev PWM enot – modul A


- 52 -

Slika 7.13: Nastavitev PWM enot – modul B


- 53 -

8 ELEKTRONSKO VEZJE HIL SISTEMA

Za potrebe izvedbe HiL sistema je bilo potrebno načrtovati in izdelati elektronsko vezje, torej

je bilo potrebno narisati načrt tiskanega vezja in vezje fizično izdelati. Shema vezja in načrt

tiskanega vezja sta narejena v programskem okolju Altium Designer 13.2.

Leta 1985 je bilo v Avstraliji ustanovljeno podjetje Protel, ki je pozneje spremenilo ime v

Altium. Altium Designer je programsko orodje za elektronsko risanje shem in tiskanih vezji, ki

omogoča tudi 3D prikaz tiskanega vezja [15].

Pri izdelavi tiskanega vezja je uporabljeno osem priključkov, in sicer tako, da se karta

preizkušane naprave priključi od spodaj, karta HiL simulatorja pa od zgoraj. Uporabljeni so

nizko pasovni RC filtri za signalne linije treh faznih napetosti in tokov. Glede na to, da je

vzorčenje nastavljeno na 20 kHz, so izdelani RC filtri z lomno frekvenco 10 kHz. Za tak filter

sta izbrana parametra R = 16 Ω, in C = 1 μF.

Q = %)£S¤ = %)£·%�·%·%�¥¦ = 9947.18 2 ≅ 10 92 (8.1)

Kjer sta:

R [Ω] - upornost RC filtra

C [F] - kapacitivnost RC filtra

Slika 8.1: Nizko pasovni RC filter

Izračun prenosne funkcije RC filtra:

6© = 6f · ª¤+ + ª¤

6©6f = ª¤+ + ª¤

ª¤ = 1Ie«


- 54 -

¬¬~ = �®¯°S� �®¯° = �®¯°®¯�°��®¯° = %%�±lS¤ = %%�S¤� (8.2)

Kjer je:

Vo [V] - izhodna napetost

V i [V] - vhodna napetost

ZC [Ω] - impedanca kondenzatorja

V programskem okolju Matlab potem izrišemo Bodejev diagram za tak RC filter. Slika 8.2

prikazuje Bodejeve diagrame, oz. frekvenčno karakteristiko takega RC filtra, iz katere je

razvidno da po lomni frekvenci amplituda pada z -20 dB po dekadi. Prav tako je razviden zamik

faze v odvisnosti od frekvence. Signali, obravnavani v tej magistrski nalogi bodo imeli

maksimalno frekvenco 150 Hz, iz Bodejevih diagramov vidimo, da bosta amplituda in faza

ohranjeni.

Slika 8.2: Frekvenčna karakteristika RC filtra

V nadaljevanju je bilo potrebno narediti shemo tiskanega vezja (slika 8.3) ter načrt tiskanega

vezja (slika 8.4). Uporabljenih je šest nizko pasovnih RC filtrov. Prenosi signalov, ki potekajo

preko ePWM enot (hitrost vrtenja rotorja, sin in cos), so že lokalno na mikrokrmilniko povezani

z RC filtri, tako da ni potrebe po dodatnih filtrih. Za prenos PWM signalov za preklapljanje

tranzistorjev tudi niso bili uporabljeni RC filtri.


- 55 -

Slika 8.3: Shema elektronskega vezja

Slika 8.4: Načrt tiskanega vezja

Slika 8.5 prikazuje končno izdelano vezje, slika 8.6 pa vezje povezano z mikrokrmilniki.


- 56 -

Slika 8.5: Tiskano vezje

Slika 8.6: Tiskano vezje povezano z mikrokrmilniki


- 57 -

9 REZULTATI

Poglavje Rezultati bo razdeljeno na dva dela, in sicer tako, da bodo prikazani rezultati za oba

pristopa (DAC in PWM). Po zaključku izdelave tiskanega vezja sta bila mikrokrmilnika

povezana s tiskanim vezjem in osebnim računalnikom.

Za delovanje je potrebno najprej naložiti program za karto HiL simulatorja s tipko »Deploy to

hardware« (slika 9.1).

Slika 9.1: Nalaganje programa na karto HiL simulatorja

Potem se povežemo še na mikrokrmilnik preizkušane naprave in se zažene simulacija v

»External« načinu izvajanja, kar nam omogoča izvajanje simulacije v realnem času (slika 9.2).

Slika 9.2: Zagon programa na mikrokrmilniku preizkušane naprave

Nazadnje se požene program za SCI komunikacijo, ki se izvaja v normalnem načinu na

računalniku (slika 9.3). Za pregled odzivov je bil uporabljen osciloskop Tektronix MSO2024.

Slika 9.3: Zagon programa za SCI komunikacijo

Po pregledu rezultatov je bilo ugotovljeno, da parametra PI regulatorja nista bila optimalno

izbrana. Do tega je prišlo zaradi uporabe poenostavite v prenosnih funkcijah pri izračunu. Slika

9.4 prikazuje napako v drugi fazi toka, ki se pojavi pri visokih frekvencah. Izračun korekcije

tokovnega regulatorja je prikazan v Prilogi 2: Korekcija parametrov tokovnega PI regulatorja.

Po nastavitvah novih korigiranih vrednosti tokovnega regulatorja so trije fazni toki pravilne

oblike in amplitude, pojavijo pa se oscilacije signalov okrog želene frekvence. To osciliranje je

znižano na minimum z eksperimentalno nastavitvijo parametrov hitrostnega regulatorja. Po


- 58 -

spremembah vrednosti parametrov so signali ustrezne oblike in z minimalnimi oscilacijami.

Slika 9.5 prikazuje sin in cos signala, ki smo jih dobili iz položaja rotorja. Sin signal je rumene

barve, cos pa modre. Vidimo da sta signala zelo lepo poglajena in natančna.

Slika 9.4: Odmik druge faze toka pri 150 Hz

Slika 9.5: Sin in cos signala iz mikrokrmilnika HiL simulator

9.1 Pristop 1 (DAC)

Za prikaz rezultatov bodo najprej prikazane tri fazne napetosti pri 500, 1000, 1500 in -1000

vrtljajev v minuti. Kot je prikazano na slikah se amplitude treh faznih napetosti povečujejo s

povečanjem vrtljajev, prav tako pa se povečuje tudi frekvenca.


- 59 -

Slika 9.6: Tri fazne napetosti pri 500 rpm




- 60 -

Slika 9.9: Tri fazne napetosti pri -1000 rpm

Na naslednji sliki je prikaz treh faznih napetosti pri prehodnemu pojavu, iz -1500 na 1500

vrtljajev na minuto. Vidimo, da se amplituda ter frekvenca ustrezno zmanjšujeta, prideta do

ničle in se spet začneta zviševati v pozitivni smeri vrtljajev.

Slika 9.10: Prehodni pojav treh faznih napetosti pri počasnem reverziranju

Na naslednjim slikami so prikazani trije fazni toki, in sicer pri vrtljajih 100, 500, 1000, 1500 in

-1000.


- 61 -

Slika 9.11: Trije fazni toki pri 100 rpm




- 62 -


Slika 9.15: Trije fazni toki pri -1000 rpm

Slika 9.16 prikazuje vrednosti ud, uq, id, iq, hitrosti in navora prebranih iz mikrokrmilniške karte

HiL simulatorja preko SCI komunikacije pri prehodnem pojavu iz -1500 na 1500 vrtljajev v

minuti.


- 63 -

Slika 9.16: Ud, uq, id, iq, hitrost in navor pri prehodnem pojavu iz -1500 na 1500 vrtljajev

Iz slike 9.16 vidimo, da se s prehodnem pojavu ustrezno spreminjajo tudi vrednosti napetostnih

in tokovnih komponent. Vrednost ud se iz pozitivne hitro spremeni v negativno vrednost enake

amplitude, komponenta uq pa iz negativne v pozitivno vrednost. Tokovno komponento id smo

z regulacijo nastavili na nič, tako da je njena vrednost okoli ničle. Komponenta iq je tudi precej

konstantna neodvisno od prehodnega pojava, kar pomeni da se pri tokovih ohranja amplituda

(kar nam tudi potrjujejo rezultati iz osciloskopa). Informacija o hitrosti se pravilno pošilja in

sledi prehodnemu pojavu. Navor sledi obliki komponente iq, kar je za pričakovati glede na

navorno enačbo (6.14).

Slika 9.17 prikazuje prehodni pojav treh faznih tokov iz -1500 na 1500 vrtljajev na minuto.

Slika 9.17: Prehodni pojav treh faznih tokov pri hitrem reverziranju


- 64 -

Iz prehodnega pojava vidimo, da je amplituda tokov ohranjena in da je prehod iz -1500 na 1500

vrtljajev precej hiter in natančen. Iz prikazanih rezultatov lahko rečemo, da je prvi način

izdelave HiL sistema uspešno narejen. Iz mikrokrmilnika preizkušane naprave dobimo ustrezne

napetosti za vodenje PMSM motorja, ki se nahaja na drugem mikrokrmilniku. Iz karte HiL

simulatorja dobimo tudi ustrezne tokove, ki jih pošiljamo nazaj na karto preizkušane naprave

za regulacijo treh faznih napetosti. Sistem se hitro odziva in so vsi signali ustrezne oblike.

9.2 Pristop 2 (PWM)

Pri drugem načinu so za vodenje motorja bile uporabljene ePWM enote. Tak način vodenja je

bolj uporaben, ker se na tak način tudi na realnem sistemu izvaja vodenje motorja, preko

preklapljanja tranzistorjev na pretvorniškem vezju. Tako so se tri fazne napetosti pošiljale na

ePWM enote, ki ustvarjajo ustrezne sinusne PWM signale. Tak sinusni PWM signal za

tranzistor T1 prikazuje slika 9.17.

Slika 9.17: Sinusni PWM za tranzistor T1

Sinusni PWM signali so bili generirani za vseh šest tranzistorjev, ampak za namen magistrske

naloge so bili uporabljeni samo PWM signali za zgornje tranzistorje (T1, T3 in T5), ker je možen

ponovni izračun v sinusne oblike samo z zgornjimi signali, sistem pa je v tem prvem koraku

precej bolj enostaven. PWM signali za spodnje tranzistorje so logično negirane vrednosti

zgornjih signalov. Tako slika 9.18 prikazuje PWM signala za tranzistorja za prvo fazno

napetost. Na enak način so generirani tudi ostali PWM signali za preklapljanje tranzistorjev.

Pri PWM signalih v isti veji smo upoštevali tudi mrtvi čas za vklapljanje tranzistorjev. Slika


- 65 -

9.19 prikazuje mrtvi čas med PWM signali v isti veji. Iz slike vidimo da dejanski mrtvi čas

znaša 912 ns, kar je dovolj blizu izračunane vrednosti.

Slika 9.18: PWM signali za tranzistor T1 in T2

Slika 9.19: Mrtvi čas

Naslednje slike prikazujejo tri fazne tokove pri 100, 500, 1000, 1500 in -1000 vrtljajev na

minuto.


- 66 -





- 67 -


Slika 9.24: Trije fazni toki pri -1000 rpm

Slika 9.25: Ud, uq, id, iq, hitrost in navor pri prehodnem pojavu iz -1500 na 1500 vrtljajev


- 68 -

Na sliki 9.25 vidimo, podobno kot pri prvem pristopu, vrednosti ud, uq, id, iq, hitrosti in navora

prebranih iz mikrokrmilniške karte HiL simulatorja preko SCI komunikacije pri prehodnemu

pojavu iz -1500 na 1500 vrtljajev v minuti. Oblike in vrednosti komponent so zelo podobne kot

pri prvem pristopu, kar nam potrjuje pravilno izvajanje programa drugega pristopa.

Na sliki 9.26 vidimo prehodni pojav treh faznih tokov iz -1500 na 1500 vrtljajev v minuti.

Slika 9.26: Prehodni pojav treh faznih tokov pri hitrem reverziranju

Iz slike 9.26 vidimo da je prehodni pojav skoraj enak kot pri prvem načinu izvajanja vodenja.

V drugem načinu so oblike treh faznih tokov še bolj poglajene.


- 69 -

10 SKLEP

Najprej je bil izdelan model izvajanja HiL sistema in odločeno je bilo, da bo magistrska naloga

razdeljena na dva principa izvajanja. Potem sta bila izbrana mikrokrmilnika, ki bosta ustrezala

potrebama magistrske naloge. Programiranje mikrokrmilnikov je potekalo v programskem

okolju Matlab/Simulink.

Začeli smo s sinhronizacijo dveh mikrokrmilnikov preko PWM signalov, in sicer s

programiranjem prvega pristopa (DAC) karte HiL simulatorja (emulator PMSM). Ko je bil

izveden matematični model PMSM, smo ga skupaj z ustreznimi transformacijami izvedli v

Simulink okolju. V prvotnem načinu sta bila uporabljena dva toka, tretjega pa smo izračunali.

Prav tako smo za položaj rotorja uporabili DAC enoto in pošiljali žagasti signal (od 0 do 2π).

V nadaljevanju smo se lotili programiranja karte preizkušane naprave. Spet smo uporabili

ustrezne transformacije in pošiljali tri fazne napetosti preko DAC enot. Izvedli smo krmiljenje

motorja, in po uspešnem testiranju HiL sistema, dodali še regulacijo toka in hitrosti. Za

zaključek prvega pristopa izvajanja smo potem uporabili vse tri DAC enote na karti HiL

simulatorja za pošiljanje tokov, položaj motorja pa pošiljali preko ePWM enot kot sin in cos

signala. Za drugi pristop izvedbe (PWM) smo kopirali prvi pristop (DAC) in naredili samo

nekatere spremembe, potrebne za izvajanje. Dodali smo ePWM enote ter pošiljali PWM signale

na PMSM karto. Na PMSM karti smo PWM signale brali preko eCAP enot. S tem je drugi

pristop izvedbe bil končan. Naslednji korak je bila izdelava tiskanega vezja, katerega načrt je

bil narejen v programskem okolju Altium Designer. Zadnji korak magistrske naloge je bilo

testiranje obeh pristopov izvedbe HiL sistema.

Iz rezultatov je razvidno, da so tri fazne napetosti precej lepe oblike in ustrezne amplitude, prav

tako kot tri fazni toki. Pri drugem načinu so pravilno uporabljene ePWM in eCAP enote, kar

nam potrjujejo pravilni tri fazni tokovi. HiL sistem obravnavan v tej magistrski nalogi je prvi

prototip takega HiL sistema, in zaradi tega nima vseh zmogljivosti, ki so za realno testiranje

takih sistemov potrebne, ampak samo njihov osnovni nabor. Zaradi tega obstaja možnost

nadaljnje nadgradnje in izboljšave sistema. Izboljšave so možne na področju regulacij za

dobivanje signalov s še manj oscilacij in pri spreminjanju parametrov motorja. Trenutni sistem

namreč ne omogoča avtomatskega spreminjanja skaliranja signalov s spremembo parametrov

motorja. Dograditev sistema je možna z izdelavo in uporabo grafičnega uporabniškega

vmesnika, zaradi lažjega nadzora in spreminjanja parametrov.


- 70 -

Pri izdelavi magistrske naloge sem spoznal delovanje HiL sistemov ter prepoznal njihovo

široko praktično uporabnost. Pri realizaciji HiL sistema na mikrokrminiku sem se seznanil s

konfiguracijo, programiranjem in povezavo mikrokrmilniške karte s Simulink orodjem. Prav

tako sem tudi preučil generiranje C kode iz Simulink okolja ter delovanje simulacij v realnem

času. Naučil sem se tudi programirati vodenje motorja z vektorskim vodenjem (FOC) na

mikrokrmilniški karti. Za konec magistrske naloge lahko rečemo, da je bil razvoj sistema za

HiL testiranje vodenja izmeničnih motorjev uspešen.


- 71 -

11 LITERATURA

[1] Matjaž Colnarič, Predavanja za predmet: Vgrajeni sistemi, 2. letnik Mehatronika, 2.

stopnja, Maribor.

[2] Miran Rodič, Predavanja za predmet: Servosistemi, 2. letnik Mehatronika, 2. stopnja,

Maribor.

[3] Miro Milanovič, Močnostna elektronika, Maribor: Fakulteta za elektrotehniko,

računalništvo in informatiko, 2007.

[4] D. Dolinar, G. Štumberger, Modeliranje in vodenje elektromehanskih sistemov,

Maribor: Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, 2004.

[5] What is Hardware-in-the-Loop Simulation, Applied Dynamics International [splet],

Dosegljivo: https://www.adi.com/technology/tech-apps/what-is-hardware-in-the-loop-

simulation/ [04.09.2017].

[6] Why use Hardware-in-the-Loop Simulation, Applied Dynamics International [splet],

Dosegljivo: https://www.adi.com/technology/tech-apps/why-use-hardware-in-the-

loop-simulation/ [04.09.2017].

[7] What is Hardware-in-the-Loop Simulation, The MathWorks, Inc. [splet], Dosegljivo:

https://www.mathworks.com/help/physmod/simscape/ug/what-is-hardware-in-the-

loop-simulation.html [04.09.2017].

[8] Hardware-in-the-Loop Simulation, The MathWorks, Inc. [splet], Dosegljivo:

https://www.mathworks.com/discovery/hardware-in-the-loop-hil.html [06.09.2017].

[9] Who we are, Texas Instrumets, Inc. [splet], Dosegljivo:

http://www.ti.com/corp/docs/company/who_we_are.html#history [07.09.2017].

[10] History of innovation, Texas Instruments, Inc. [splet], Dosegljivo:

http://www.ti.com/corp/docs/company/history.html [07.09.2017]

[11] TMS320F2837xS Delfino Microcontrollers, Texas Instruments, Inc. [splet], Dosegljivo:

http://www.ti.com/lit/ds/sprs881d/sprs881d.pdf [11.09.2017]

[12] About MathWorks, MathWorks, Inc. [splet], Dosegljivo:

https://www.mathworks.com/company.html?s_tid=hp_ff_a_company [17.01.2018]


- 72 -

[13] Simulink, MathWorks, Inc. [splet], Dosegljivo:

https://www.mathworks.com/products/simulink.html [17.01.2018]

[14] TI C2000 Support for Embedded Coder, MathWorks, Inc. [splet], Dosegljivo:

https://www.mathworks.com/hardware-support/ti-c2000.html [23.01.2018]

[15] Our history, Altium, LLC. [splet], Dosegljivo: http://www.altium.com/company/about-

altium/our-history [01.02.2018]


- 73 -

PRILOGA 1 : Tehnične lastnosti TMS320F28377S

http://www.ti.com/lit/ds/sprs881d/sprs881d.pdf


- 74 -

PRILOGA 2 : Korekcija parametrov tokovnega PI regulatorja

2Sm(7) = ��%��

� = mS = [f

[f = mS = �.��)_��.%$ = 0.00158

2��(7) = �� + �f · %� = �� + |�N~ · %� = �� %��N~�N~ �

2��(7) = 2Sm(7) · 2��(7) = ��%�� · �� %��N~�N~ � = ��%��N~ · �� %��N~�N~ � = |�·��N~

2��(7) = �L�(�)%��L�(�) = ��·��O�~%��·��O�~

= ��·��O�~O�~��·��O�~= |�·��|�·��N~ /· %|�·��

2��(7) = %%� �~��·��

Za časovno konstanto τ je izbrana vrednost od 400 μs.

� = N~|�·�� = N~·S|�

�� = N~·S� = �.��%$�·�.%$�.��1 = 0.5925

Documents

Sistem za HiL testiranje vodenja izmeničnih motorjev · SISTEM ZA HIL TESTIRANJE VODENJA IZMENI ... Elektronsko vezje HiL sistema , prikazuje na črt tiskanega vezja v programskem