Transcript
  • UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAOV

    FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRIC I TIINA CALCULATOARELOR

    ing. DANIEL MIC

    CONTRIBUII LA DEZVOLTAREA UNUI MEDIU INTEGRAT HARDWARE-SOFTWARE PENTRU CONTROLUL MOTOARELOR ELECTRICE

    CU CIRCUITE LOGICE PROGRAMABILE

    REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT

    CONTRIBUTIONS TO THE DEVELOPMENT OF A

    HARDWARE-SOFTWARE INTEGRATED ENVIRONMENT FOR ELECTRIC MOTORS CONTROL WITH PROGRAMMABLE LOGIC CIRCUITS

    CONDUCTOR TIINIFIC: Prof. dr. ing. EMIL MICU

    2007

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    1

    CUPRINS

    LIST ABREVIERI......................................................................................................4 INTRODUCERE...........................................................................................................5

    1 ACIONRI CU MOTOARE ELECTRICE. STADIUL ACTUAL AL CONTROLULUI CU CIRCUITE DIGITALE........................................................................................... 7

    1.1 ACIONRI CU MOTOARE ELECTRICE. .......................................................... 7

    MOTORUL DE CURENT CONTINU FR PERII .......................................................... 7 1.1.1 Introducere ............................................................................................................. 7 1.1.2 Motorul de curent continuu cu perii ....................................................................... 7 1.1.3 Motorul de curent continuu cu magnei permaneni fr perii............................... 7 1.1.4 Clasificarea, structura i aplicaii ale motoarelor de curent continuu fr perii..... 8 1.1.5 Construcia i principiul de funcionare al motorului BLDC................................ 8 1.1.6 Aplicaii ale motoarelor de curent continuu fr perii ........................................... 9 1.1.7 Structura unui sistem de acionare cu motor BLDC .............................................. 9

    1.2 STADIUL ACTUAL AL CONTROLULUI MAINILOR ELECTRICE CU CIRCUITE DIGITALE......................................................................................................... 10

    1.2.1 Circuitele digitale folosite n controlul mainilor electrice (BLDC).................... 10 1.2.2 Comparaie ntre diferitele tipuri de circuite digitale folosite n controlul acionrilor electrice............................................................................................................. 10 1.2.3 Comparaie performane circuite FPGA - DSP.................................................... 11 1.2.4 Controler implementat n circuit FPGA pentru acionri cu servomotoare ......... 11 1.2.5 Controlul software i hardware a motoarelor de curent continuu i alternativ ... 12

    2 MODELE MATEMATICE ALE MAINILOR ELECTRICE................................... 13

    2.1 Modele matematice ale motoarelor de curent continuu fr perii ........................ 13 2.1.1 Modelul n coordonatele fazelor cu parametrii concentrai pentru servomotorul de curent continuu fr perii ..................................................................................................... 13 2.1.2 Funciile de transfer ale servomotoarelor de curent continuu cu sau fr perii bazate pe constantele de timp ale acestora ........................................................................... 14

    2.2 Modelarea mainilor electrice n Matlab/Simulink................................................. 16 2.2.1 Implementarea n Simulink a modelului de reprezentare a servomotorul de curent continuu fr perii n coordonatele fazelor cu parametri concentrai........................ 16 2.2.2 Implementarea n Simulink a modelul motorului BLDC bazat pe funcia sa de transfer 16

    3 CONTROLERE PID. FILTRE IIR......................................................................... 18

    3.1 Controlere PID ........................................................................................................... 18 3.1.1 Prezentare general .............................................................................................. 18 3.1.2 Filtrarea zgomotului ............................................................................................. 19 3.1.3 Ponderarea referinei ............................................................................................ 19 3.1.4 Fenomenul de saturare ......................................................................................... 19

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    2

    3.1.5 Metode propuse pentru acordarea controlerelor PID ......................................... 20 3.1.6 Acordarea controlerelor PI folosind metoda alocrii polilor .............................. 20 3.1.7 Modalitatea de implementare digital a controlerului PID .................................. 22 3.1.8 Specificaii de proiectare ale controlerelor PID ................................................... 22

    3.2 Controlere PID implementate ca i filtre IIR .......................................................... 22

    3.3 Implementare Matlab/Simulink controlere PID i filtre IIR ................................. 23

    4 PLATFORMA HARDWARE PROPUS PENTRU CONTROLUL MOTORULUI BLDC CU CIRCUITE FPGA..................................................................................... 24

    4.1 Structura platformei de comand i control............................................................ 24

    4.2 Modulul de control cu circuit FPGA........................................................................ 25

    4.3 Descriere arhitectur circuite FPGA........................................................................ 25 4.3.1 Familia de circuite FPGA Spartan-3 .................................................................... 25 4.3.2 Analiza comparativ performane/pre circuite FPGA......................................... 25

    4.4 Modulul de comand cu tranzistoare MOSFET ..................................................... 26

    4.5 Motorul BLDC i traductoarele de poziie .............................................................. 26

    4.6 Standul experimental pentru controlul motorului BLDC cu circuite FPGA....... 27

    5 METODA DE IMPLEMENTARE I TESTARE HARDWARE-SOFTWARE I MEDIILE SOFTWARE UTILIZATE LA IMPLEMENTAREA HARDWARE A UNUI SISTEM DE CONTROL PENTRU MOTORUL BLDC.............................................. 28

    5.1 Controlul hardware digital n domeniul servomotoarelor electrice...................... 28 5.1.1 Resurse software i hardware implicate n proiectarea i implementarea controlului hardware digital pentru motorul BLDC............................................................. 28 5.1.2 Metoda clasic de implementare a sistemelor de control n FPGA .................... 30

    5.2 Metoda hardware-software propus pentru testarea/implementarea controlului hardware digital ..................................................................................................................... 30

    5.3 Metode de simulare i testare n timp real a sistemelor de control ....................... 33 5.3.1 Metoda de Co-simulare HDL............................................................................... 33 5.3.2 Metoda de Co-simulare n timp real cu hardware n bucl .................................. 33

    6 IMPLEMENTAREA N CIRCUITUL FPGA A BLOCURILOR BUCLEI DE CONTROL HARDWARE DIGITAL .......................................................................... 34

    6.1 Structura i funcionarea sistemului de control implementat n FPGA .............. 34 6.1.1 Descrierea structurii sistemului de control........................................................... 34 6.1.2 Descrierea funcionrii sistemului de control....................................................... 34

    6.2 Proiectarea blocului de interfa dintre sistemul de control implementat n FPGA i resursele hardware de pe placa Spartan3 ........................................................................ 35

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    3

    6.2.1 Bloc de introducere parametrii de control............................................................ 35 6.2.2 Monitorizarea sistemului controlat....................................................................... 36

    6.3 Proiectarea i implementarea modulului de generare semnal PWM................... 36 6.3.1 Tipuri de semnale PWM ...................................................................................... 37 6.3.2 Strategii de generare a semnalului PWM............................................................. 37 6.3.3 Implementarea generatorului de semnal PWM n circuitul FPGA ...................... 37 6.3.4 Rezultatele co-simulrii cu hardware n bucl i ale implementrii n FPGA ..... 38 6.3.5 Rezultate experimentale ....................................................................................... 38

    6.4 Blocul de comutaie .................................................................................................... 38 6.4.1 Comutaia curentului prin cele trei faze statorice ale motorului BLDC ............. 38 6.4.2 Implementarea blocului de comutaie folosind diagrame de stare....................... 40 6.4.3 Rezultate experimentale ....................................................................................... 41

    6.5 Implementarea ntr-un circuit FPGA a unui tahometru digital cu precizie ridicat i funcionare ntr-un domeniu larg de viteze ....................................................... 41

    6.5.2 Proiectarea tahometrului digital folosind metoda contorizrii pe o perioad de timp constant a impulsurilor provenind de la codificatorul optic....................................... 45

    6.6 Proiectarea i implementarea n hardware a controlerului de tip PID................. 46 6.6.2 Implementarea n hardware a controlerului PID ca i filtru IIR .......................... 47

    6.7 nchiderea buclei de control pentru motorul BLDC............................................... 48 6.7.1 Modelarea i simularea sistemului cu software n bucl...................................... 49 6.7.2 Rezultatele implementrii n FPGA a ntregii bucle de control i testarea cu hardware n bucl ................................................................................................................. 49 6.7.3 Testarea ntregii bucle de control, rezultate experimentale.................................. 49

    7 DEZVOLTAREA UNEI BIBLIOTECI SIMULINK CU COMPONENTE PARAMETRIZABILE IMPLEMETABILE N FPGA.................................................. 52

    7.1 Modalitatea de dezvoltare i integrare n Simulink a bibliotecii cu componente de control...................................................................................................................................... 52

    7.1.1 Integrarea n Simulink i structura bibliotecii cu componente de control............ 52 7.1.2 Descrierea componentelor din biblioteca de control............................................ 53

    7.2 Dezvoltarea unei interfee grafice pentru controlul n timp real al motoarelor BLDC 55

    8 CONCLUZII I CONTRIBUII.............................................................................. 56

    8.1 CONCLUZII STRUCTURATE PE CAPITOLE.................................................... 56

    8.2 CONTRIBUII ORIGINALE ALE AUTORULUI................................................ 61

    8.3 CONCLUZII FINALE............................................................................................... 63

    9 BIBLIOGRAFIE SELECTIV .............................................................................. 64

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    4

    LIST DE ABREVIERI

    2DOF

    ASIC

    BLDC

    CET

    CLB

    DSP

    FPGA

    FSM

    GPP

    HIL

    IIR

    IOB

    MAC

    MCU

    MIPS

    MMACS

    PIC

    PID

    PLD

    PMSM

    PWMMC

    RISC

    VHDL

    - 2 Degrees Of Freedom - dou grade de libertate;

    - Application Specific Integrated Circuit circuite integrate specifice aplicaiei;

    - BrushLess Direct Current - servomotoare fr perii de curent continuu;

    - Count Elapse Time contorizarea intervalului de timp ;

    - Configurable Logic Block blocuri logice configurabile;

    - Digital Signal Processor procesoare digitale de semnal;

    - Field Programmable Gate Array arii logice programabile;

    - Finite State Machine automat de stri;

    - General Purpose Processor procesoare de uz general;

    - Hardware In the Loop hardware n bucl;

    - Infinite Impulse Response Filter filtru cu rspuns infinit la semnal treapt;

    - Input Output Blocks blocuri de intrare/ieire;

    - Multiply and Accumulate - multiplicare i acumulare;

    - Microcontroler Unit microcontroler;

    - Million Instruction Per Second - milioane de instruciuni per secund;

    - Million Multiplies and Accumulates per Second - milioane de multiplicri i

    acumulri per secund;

    - Power IC Circuit integrat de putere;

    - Proportional Integrative and Derivative controler proporional-integral-

    derivativ;

    - Programmable Logic Devices dispozitive/circuite logice programabile;

    - Permanent Magnet Synchronous Motor - servomotoare fr perii de tip sincron;

    - Pulse Width Modulator Motor Control unitate PWM pentru controlul

    motoarelor;

    - Reduced Instruction Set Computer calculator cu set redus de instruciuni;

    - VHSIC Hardware Description Language limbaj de descriere hardware

    VHSIC.

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    5

    INTRODUCERE

    Potrivit unui articol publicat n revista Embedded Magazine, Embedded Solutions for Programmable Logic Design, ediia septembrie 2005, revist promovat de firma Xilinx, lider mondial n domeniul circuitelor logice programabile, numai ntr-o locuin modern pot s existe peste 334 de motoare electrice. Acestea sunt prezente peste tot acolo unde exist pri n micare, de la echipamente electrocasnice pn la echipamente de calcul i echipamente audio-video. Odat cu achiziionarea unui echipament din categoriile mai sus amintite, numrul acestor motoare crete. Numai n cazul achiziionrii unui echipament de calcul, numrul motoarelor coninute de acesta este impresionant, 3 sau 4 motoare pentru ventilatoare, 4 pentru unitatea DVD, 2 pentru hardisk i multe altele pentru orice periferic adugat: imprimante, scaner, joystick etc. Datorit formei compacte, raportului cuplu/dimensiune bun i acurateii controlului, mare parte dintre aceste motoare sunt de curent continuu fr perii.

    Sistemele care implementeaz algoritmi de control devin din ce n ce mai complexe, beneficiaz de un consum redus de energie i au o flexibilitate sporit care permite extinderea funcionalitii n mod continuu i creterea acuratei controlului. Circuitele logice programabile vin n ntmpinarea acestor cerine, permind integrarea pe un singur chip att a algoritmilor de control ct i a celorlalte funcii periferice i aceasta la viteze ridicate datorit executrii n hardware a tuturor operaiilor. Un alt avantaj adus de circuitele logice programabile fiind i timpul scurt de dezvoltarea i lansare pe pia a aplicaiei de control. Obiectivul acestei teze const n realizarea unui sistem complet i funcional din punct de vedere hardware i software pentru controlul motoarelor de curent continuu cu i fr perii, utiliznd circuite logice programabile. Acest sistem trebuie s funcioneze independent sau s permit comunicarea bidirecional i n timp real cu un mediu software (ex. Simulink). De asemenea autorul i-a propus i crearea unei biblioteci integrabile n Simulink, cu componente parametrizabile care s permit simularea, implementarea i testarea n hardware a buclei de control pentru motoarele de curent continuu, toate acestea procese trebuind s se desfoare ct mai simplu i ntr-un timp ct mai scurt. Teza i propune de asemenea s ofere soluii practice pentru fiecare etap de proiectare plecnd de la motor, trecnd prin modulul de control cu circuite logice programabile i ajungnd la o interfaa grafic care s permit introducerea parametrilor de control. Pe scurt autorul i propune dezvoltarea unei platforme hardware/software complete pentru implementarea controlului mainilor electrice cu circuite logice programabile. Teza este structurat pe 7 capitole.

    Capitolul 1 prezint informaii despre motoarele electrice, punnd accent pe motoarele de curent continuu, n special pe cele fr perii. n cea de a doua parte sunt identificate soluiile existente pe pia pentru implementarea controlului i sunt stabilite criterii de selecie. Un accent deosebit se pune pe soluiile cu circuite digitale configurabile.

    Capitolul 2 abordeaz problema modelelor matematice pentru motoarele de curent continuu i n special pentru cele fr perii. Se va pune accent pe modelele n coordonatele fazelor cu parametrii concentrai i pe modelul bazat pe funcia de transfer, determinat pe baza constantelor de timp ale motorului. Modele determinate vor fi implementate i simulate n Simulink.

    Capitolul 3 prezint arhitectura general, specificaiile de proiectare, metodele de acordare i modaliti de implementare digital a controlerelor de tip proporional-integral-derivativ. Vor fi prezentate succint i filtrele digitale n special cele cu rspuns de durat infinit. n final se va propune o modalitate de proiectare a controlerelor plecnd de la arhitectura unui filtru.

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    6

    Capitolul 4 abordeaz structura hardware folosit pentru controlul motoarelor electrice, prezentnd modulele de comand i control ce vor fi folosite. Se pune accent pe arhitectura circuitelor logice programabile i se face i o prezentare a motorului comandat, mpreun cu senzorii montai pe arborele acestuia. n final va fi prezentat modalitatea de interconectare a modulelor de control i de comand la ansamblul format de motor i senzori.

    Capitolul 5 are ca obiectiv elaborarea unei metode rapide de implementare facil n hardware a algoritmilor de control i a interfeelor conexe acestora. Metoda trebuie s permit proiectanilor sistemului de control s se concentreze asupra specificaiilor de nivel nalt i s permit obinerea unui rezultat rapid n ceea ce privete performanele algoritmului de control ales i costurile generate de implementarea acestuia n hardware. n acest capitol mai este prezentat i pachetul de programe ce va fi utilizat. Se stabilesc i metode optime de simulare n timp real a sistemelor de control implementate cu circuite logice programabile.

    Capitolul 6 prezint arhitectura sistemului de control i modul de funcionare al acestuia. n acest capitol se face proiectarea, simularea, implementarea i testarea n hardware a fiecrui bloc n parte i n final a ntregii bucle de control pentru motorul de curent continuu fr perii.

    Capitolul 7 prezint n prima parte concepte ale proiectrii bazate pe modele i de asemenea concepte i recomandri privind implementarea algoritmilor de control utiliznd toolboxul System Generator. n cea de a doua parte se prezint modalitate de dezvoltarea a bibliotecii cu blocuri parametrizabile pentru controlul motoarelor folosind circuitele logice programabile, componena bibliotecii i modul de integrare a acesteia n Simulink. Din bibliotec fac parte toate componentele proiectate i testate n capitolul 6.

    Elaborarea acestei lucrri s-a fcut sub ndrumarea generoas, competent i exigent a conductorului tiinific prof.dr.ing. Emil Micu pentru care mi exprim ntreaga stim i consideraie i de asemenea i adresez cele mai respectuoase mulumiri.

    Autorul i exprim ntreaga stim i consideraie pentru domnul dr.ing. tefan

    Marinca, fost confereniar al Universitii de Nord Baia Mare, actualmente senior designer la Analog Devices, Limerick, Irlanda, care a avut un aport deosebit n formarea profesional a acestuia.

    Pentru sprijinul generos n diferite momente pe durata elaborrii lucrrii, autorul aduce mulumiri grupului de electronic, condus de conf.dr.ing tefan Oniga, din cadrul Catedrei de Electrotehnic de la Universitatea de Nord Baia Mare.

    Nu n ultimul rnd mulumesc prinilor mei, soiei mele Valeria i fiicei mele Mara

    care m-au sprijinit i ncurajat pe durata elaborrii tezei i pe care n ultima perioad i-am lipsit n mod sistematic de sprijinul meu.

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    7

    Capitolul 1

    1 ACIONRI CU MOTOARE ELECTRICE. STADIUL ACTUAL AL CONTROLULUI CU CIRCUITE DIGITALE

    Partea I 1.1 ACIONRI CU MOTOARE ELECTRICE.

    MOTORUL DE CURENT CONTINU FR PERII

    1.1.1 Introducere

    Avantajele unui sistem cu vitez reglabil fa de unul cu vitez fix: 1. Economisirea energiei electrice; 2. Posibilitatea de a controla viteza i poziia elementului de execuie; 3. Ameliorarea regimurilor tranzitorii (supratensiuni, supracureni, ocuri de

    conectare). Deoarece lucrarea se va axa pe comanda i controlul motoarelor de curent continuu fr

    perii, se analizeaz diferena fa de la cele trei tipuri de motoare clasice cunoscute: motor de curent continuu cu perii i nfurri, motor de curent alternativ sincron i asincron. Termenul clasic asociat cu motoarele subliniaz faptul c aceste motoare satisfac trei criterii importante:

    1. produc cuplu instantaneu constant (pulsaii foarte reduse ale cuplului); 2. sunt alimentate direct de la o surs de curent continuu sau alternativ; 3. pot s fie pornite i pot funciona fr controlere electronice. Motoarele clasice pot fi de asemenea cuplate cu controlere electronice pentru a obine

    acionri cu vitez reglabil.

    1.1.2 Motorul de curent continuu cu perii Este un motor stabil i uor de controlat, pentru aceasta necesitnd puine componente

    semiconductoare. Se consider c problemele de funcionare ale acestui tip de motor provin de la fiabilitatea redus a periilor. Acestea sunt relativ fiabile, dar problemele acestui tip de motor sunt legate de colector a crui viteza de comutaie este limitat, se uzeaz, induce zgomot, interferene. De asemenea spaiul ocupat de colector i perii este mare, iar rcirea rotorului care produce cuplul nu este uoar.

    1.1.3 Motorul de curent continuu cu magnei permaneni fr perii n continuare vom folosii prescurtarea BLDC (brushless direct current) pentru a face

    referire la acest tip de motoare. Cu ct motorul este mai mic cu att este mai indicat s se foloseasc magneii permaneni pentru excitaie. n domeniul de puteri 1-10kW performanele acestui tip de motor sunt comparabile cu cele ale motorului asincron. Peste acest domeniu de puteri costul magneilor motorului BLDC devine ridicat astfel nct este eliminat din competiia cu motorul asincron. Sub domeniul enunat anterior motorul BLDC are un randament i un factor de putere mai bun dect motorul asincron. n plus aa numita nfurare de putere este n stator , astfel c, cldura degajat poate fi mai uor transferat

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    8

    ctre exterior. De asemenea la acest tip de motor scad i pierderile rotorice. Metodele de control a motorului BLDC sunt mai puin complexe dect la motorul asincron.

    ntabelul T1.1 este prezentat o comparaie ntre motoarele de curent continuu cu perii i cele fr perii.

    Tabelul T.1.1 Comparaie motoare c.c. i motoare c.c. fr perii Motoare de c.c. cu perii Motoare c.c. fr perii Tipul comutatoarelor Mecanice Electrice (invertoare + senzori

    de poziie) Dimensiuni Mari Reduse ntreinere Periodic Minim Domeniul de puterii Mari Mici Viteza maxim Mic Mare Controlul vitezei Simplu Complex Densitate de putere Redus Mare Moment de inerie Mare Mic Disiparea cldurii Slab Bun

    1.1.4 Clasificarea, structura i aplicaii ale motoarelor de curent continuu fr perii

    1.1.4.1 Clasificarea motoarelor de curent continuu cu magnei permaneni fr perii Motoarele de curent continuu cu magnei permaneni fr perii se mpart n dou categorii: 1. Motoare sincrone cu nfurri cu repartiie sinusoidal (PMSM permanent magnent

    synchronous motor ) mai sunt denumite i servomotoare fr perii de tip sincron; 2. Motoare de curent continuu fr perii cu nfurri concentrate (BLDC - brushless

    direct current) mai sunt denumite i servomotoare fr perii de curent continuu. [60] n continuare vor fi folosite prescurtrile consacrate pe plan internaional PMSM pentru primul tip respectiv BLDC pentru cel de al doilea tip de motor. Parametrii care difereniaz cele dou tipuri de motoare sunt enumerai n tabelul T.1.2.

    Tabelul T.1.2 Comparaie PSM i BLDC PMSM BLDC Densitatea fluxului Distribuie sinusoidal Distribuie dreptunghiular Tensiunea electromotoare Forma de und sinusoidal Forma de und dreptunghiular Curentul din stator Forma de und sinusoidal Forma de und dreptunghiular Puterea total Constant Constant Cuplul electromegnetic Constant Constant

    1.1.5 Construcia i principiul de funcionare al motorului BLDC Rotorul motorului BLDC este magnet permanent i poate avea ntre 2 i 8 poli, poate fi

    construit din ferite sau aliaje magnetice din pmnturi rare, cele din urm avnd o densitate de flux mai bun. n figura 1.1 sunt prezentate cteva dintre formele constructive ale rotorului.

    Statorul unui motor BLDC este prezentat n figura 1.2. Acesta este asemntor cu cel al motoarelor asincrone, ns modul de distribuire a nfurrilor este diferit.

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    9

    Rotor cu magnei periferici Rotor cu magnei ncapsulai Rotor cu magnei ngropai Figura 1.1 Rotorul motorului BLDC

    Modalitatea cea mai simpl de a cunoate poziia rotorului la un moment dat este

    folosirea senzorilor de poziie HALL. Acetia se monteaz pe unul dintre capetele arborelui motorului, vezi figura 1.3. Pe acelai capt mai poate fi montat i un codificator optic de poziie pentru determinarea poziiei exacte a rotorului, ct i pentru, determinarea cu precizie mare a vitezei rotorului. Detaliile privind modul de realizare a comutaiei folosind senzorii HALL i determinarea vitezei pe baza informaiei de poziie, vor fi precizate n capitolele urmtoare. [73, 74].

    Figura 1.2 Statorul uni motor de tip BLDC

    Figura 1.3 Seciune longitudinal prin motor BLDC

    1.1.6 Aplicaii ale motoarelor de curent continuu fr perii

    Aplicaiile n care sunt folosite motoare de curent continuu pot fi mprite n cteva clase: servosisteme, acionri cu vitez constant, sisteme de centrifugare i ventilatoare, pompe, procese industriale, traciuni electrice, i mai recent periferice de calculatoare i aparatur medical.

    1.1.7 Structura unui sistem de acionare cu motor BLDC

    n figura 1.4 este prezentat diagrama bloc a unui sistem de control i comand pentru un motor de curent continuu cu trei faze conectate n stea. n aceast diagram blocurile componente sunt notate de la A la D. n practic, datorit noilor concepte de proiectare linia de demarcaie dintre anumite blocuri poate disprea, funciile unui grup de circuite putndu-se regsi n cellalt grup.

    Figura 1.4 Elementele unui sistem de acionare pentru un motor de curent continuu fr perii

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    10

    Partea a II 1.2 STADIUL ACTUAL AL CONTROLULUI MAINILOR

    ELECTRICE CU CIRCUITE DIGITALE

    1.2.1 Circuitele digitale folosite n controlul mainilor electrice (BLDC)

    Sistemele de control digitale elimin abaterile cauzate de variaiile de temperatur, iar mbuntirea caracteristicilor sistemului (upgrade) se poate realiza foarte uor prin modificarea softului procesorului programabil coninut de sistem.

    Unul dintre obiectivele acestei teze const n implementarea controlului motoarelor BLDC cu circuite logice programabile (FPGA). n continuare se va face o analiza a soluiilor, de control digital, existente la ora actual pe pia i se va pune n mod deosebit accentul pe soluiile de control care folosesc circuite FPGA, prezentndu-se astfel stadiul actual n acest domeniu i interesul crescut pentru acest tip de control.

    1.2.2 Comparaie ntre diferitele tipuri de circuite digitale folosite n controlul acionrilor electrice

    n acionrile moderne, att partea de control ct i logica de comutaie (vezi figura 1.4)

    sunt implementate cu procesoare digitale de semnal (DSP). ns acestea au competitori tradiionali sau mai noi, dintre care amintim:

    - Microcontrolere (MCU); - Microprocesoare de uz general / microprocesoare cu set redus de instruciuni

    (GPP/RISC); - Arii de pori logice programabile (FPGA); - Circuite integrate dedicate (ASIC).

    Figura 1.5 Comparaie ntre tipuri de circuite digitale n

    funcie de dou dintre criteriile de performan

    Se vor stabilii cteva criterii de comparaie a performanelor circuitelor digitale folosite n controlul acionrilor electrice i ponderea fiecrui criteriu: - timp de lansare pe pia - prim importan- performana - prim importan - pre - prim importan - faciliti de dezvoltare - prim importan - consum de putere - importan medie - flexibilitate ulterioar - importan redus. n figura 1.5 este prezentat o comparaiei ntre principalele arhitecturi care permit implementarea algoritmilor de control, n funcie de dou dintre criteriile de performan enunate anterior.

    n tabelul T.1.3 este prezentat o comparaie ntre cele cinci arhitecturi de circuite

    digitale care pot fi folosite n parte de control a unei acionri electrice.

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    11

    Tabel T.1.3 Comparaie ntre diferite tipuri de arhitecturi folosite pentru aplicaiile n timp real

    Implementa- re pe pia Performana Pre

    Uurin n

    dezvoltare

    Consum de putere

    Flexibilitate ulterioar Concluzii

    ASIC Nesatisfctor Foarte Bun Foarte Bun Satisfctor Bun Nesatisfctor Satisfctor

    DSP Foarte Bun Bun Bun Foarte Bun Foarte Bun Foarte Bun Foarte Bun

    FPGA Bun Foarte Bun Bunr Foarte Bun Satisfctor Bun Bun

    MCU Foarte Bun Satisfctor Foarte Bun Bun Satisfctor Foarte Bun Bun

    RISC/ GPP Bun Bun Satisfctor Bun Satisfctor Foarte Bun Bun

    1.2.3 Comparaie performane circuite FPGA - DSP n continuare, se va restrnge selecia, astfel c dintre competitorii prezentai

    anterior, se vor lua n discuie circuitele DSP i FPGA. Dup cum se va putea vedea n capitolele urmtoare indiferent de arhitectura aleas pentru implementarea digital a unui algoritm de control de tip PID sunt necesare operaii de multiplicare acumulare (MAC). Astfel c performanele implementrii pe un procesor a unui algoritm de control pot fi analizate nu numai prin prisma frecvenei de lucru a acestuia ci mai ales prin prisma numrului de operaii de multiplicare-acumulare raportate la un interval de timp stabilit.

    Circuitul DSP TMS320C64 poate efectua 8x8 MAC-uri la un momnet i are frecvena de 720MHz, astfel se obine:

    8 x 720 MHz = 5,76 miliarde MAC/s Circuitul FPGA XC2V8000 are 46.592 celule logice elementare (slice-uri), care

    permit efectuarea a aproximativ 461 miliarde MAC/s i de asemenea 168 multiplicatoare dedicate care lucreaz la frecvena de ~ 180 MHz (pentru 8x8) astfel se obine:

    168 x 180 MHz = 30 miliarde MAC/s, deci un total general de 461 + 30 = 491 miliarde MAC/s, spre deosebire de cele numai 5,7 miliarde MAC/s ale procesorului DSP, TMS320C64x . n cazul unui circuit FPGA cu cost redus din familia Spartan 3, urmnd acelai model de calcul se obin aproximativ 270 miiarde MAC/s, diferena net n favoarea celui din urm fa de DSP.

    n acest capitol autorul a studiat i prezentat succint soluiile cele mai relevante n ceea ce privete controlul mainilor electrice cu DSP-uri, microcontrolere, circuite ASIC i in extenso soluiile cu circuite FPGA, prezentnd un rezumat a peste 20 de referine. Acest studiu servind ca argument i motivaie la continuarea cercetrii n domeniul controlului motoarelor electrice cu circuite logice programabile.

    Autorul a identificat dou modaliti de abordarea controlului motoarelor electrice cu circuite FPGA, una pur hardware, iar cealalt care mbin hardware-ul cu software-ul beneficiind de flexibilitate i uurin de dezvoltare mai mare. Dou exemple elocvente vor fi prezentate n continuare.

    1.2.4 Controler implementat n circuit FPGA pentru acionri cu servomotoare

    Firma International Rectifier propune o nou metod de control hardware, platforma numit Accelerator, bazat pe circuite FPGA. Flexibilitatea n control pe care o realizeaz acest sistem este dat de un circuit FPGA. Toi algoritmii de control sunt implementai n circuitul FPGA inclusiv logica necesar protocolului de comunicare

    Circuitul FPGA poate fi interfaat direct cu circuitele de putere care asigur comanda motorului electric.n funcie de codul obiect prencrcat n FPGA platforma Accelerator poate

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    12

    funciona ca: servosistem bazat pe codificator de poziie; servosistem bazat pe rezolver; servosistem bazat pe algoritm de control fr senzori [].

    1.2.5 Controlul software i hardware a motoarelor de curent continuu i alternativ

    n sistemele de control tradiionale rolul circuitului FPGA era limitat n general la generarea semnalelor PWM i implementarea logicii necesare de pe partea de feedback a sistemului (interfaa cu codificatorul). Funciile mai importante cum ar fi implementare controler PID i comunicare cu alte module erau preluate de un microcontroler sau de un procesor de semnal, vezi figura 1.6. Dezavantajul acestui tip de arhitectur const n faptul c bucla de control traverseaz de dou ori magistrala ce leag cele dou circuite. n aceast situaie pot aprea congestii iar performanele devin greu de evaluat.

    Firma Xilinx a dezvoltat o metod de control a motoarelor BLDC i a celor asincrone, aa numita metod software-hardware. Aceast metod a fost implementat pe circuitele FPGA din familiile Spartan3 i Virtex4. discrete. Noua soluie propus de Xilinx nglobeaz toate componentele buclei de control pe un singur circuit FPGA, vezi figura 1.7. Partea software, de interfaare, supervizare i comunicare n reea cu alte dispozitive este implementat pe un core de microprocesor pe 32 bii, numit MicroBlaze. Partea hardware include implementarea controlerului PID, a generatorului de semnal PWM i a logicii de interfaare cu semnalele de feedback i de control. Implementarea hardware a acestor componente permite o executare simultan a tuturor procedurilor de control (executare concurenial), de asemenea performanele sistemului de control devenind deterministice. Din figura 1.7 se poate observa cum cele dou module, core-ul de microprocesor i modulele implemetate hardware comunic ntre ele prin intermediul unei magistrale. Dat fiind faptul c i partea de implementare software ct i cea hardware se afl n interiorul aceluiai circuit limitrile produse de congestia traficului dintre acestea sunt eliminate [].

    Figura 1.6 Utilizarea tradiional a circuitului FPGA n sistemele de control

    Figura 1.7 Metoda software-hardware de nglobare a

    ntregii bucle de control ntr-un circuit FPGA

    Plecnd de la ideea de a integra tot sistemul de control pe un singur circuit FPGA, autorul propune n aceast tez o a treia abordare care s beneficieze de performanele celei dinti i de flexibilitatea celei de a doua metode de proiectare a unui sistem de control cu circuite FPGA . Astfel c se va realiza o bibliotec n Matlab/Simulink cu toate blocurile necesare sistemului de control, iar prin procedeul drag and drop se va nchide bucla de control. Tot sistemul va fi pur hardware nefiind necesare i alte programe pentru dezvoltarea buclei de control. Etapa de simulare/testare, se va realiza software tot din Matlab/Simulink.

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    13

    Capitolul 2 2 MODELE MATEMATICE ALE MAINILOR ELECTRICE

    n acest capitol sunt prezentate ecuaiile generale ale servomotoarelor de curent continuu i modele matematice ale acestora, modele care n partea a doua a acestui capitol, vor fi implementate i simulate cu programul Matlab/Simulink.

    Setul de ecuaii ce descrie relaia dintre mrimile electrice caracteristice mainii, cuplul electromagnetic dezvoltat i legtura cu mrimile mecanice constituie modelul matematic al mainii electrice. Dac se pornete de la cunoaterea cmpului electromagnetic din main atunci se obine modelul matematic cu parametrii distribuii. Determinarea cmpului electromagnetic din main necesit un efort de calcul foarte mare i din aceast cauz, n cele mai multe situaii, se utilizeaz modelul matematic cu parametrii concentrai. In acest din urm caz n ecuaii apar ca parametri, constani sau variabili, rezistene i inductiviti, [57]. Modelele cu parametri concentrai se mpart n dou categorii de baz: modele n coordonatele fazelor i modele utiliznd axe ortogonale. n cazul servomotoarelor de curent continuu cu nfurri concentrate (BLDC) modelul care descrie cel mai bine comportarea acestui motor este modelul n coordonatele fazelor.

    2.1 Modele matematice ale motoarelor de curent continuu fr perii

    2.1.1 Modelul n coordonatele fazelor cu parametrii concentrai pentru servomotorul de curent continuu fr perii

    Conform referinei [95] n cazul motorului BLDC, datorit faptului c tensiunea

    electromotoare nu este sinusoidal, inductivitile nu vor varia sinusoidal n coordonate a,b,c i nu este deloc avantajos transformarea n coordonate d,q deoarece inductivitile nu vor fi constante dup transformare. Astfel c pentru descrierea modelului matematic al mainii BLDC este recomandat folosirea coordonatelor a,b,c.

    n continuare este prezentat sistemul de ecuaii care descrie motorul de curent continuu fr perii (BLDC). Modelul este bazat pe reprezentarea fiecrei faze a motorului printr-o rezisten, inductivitate i o tensiune electromotoare[60] (figura 2.1).

    AC

    mB

    mA

    mA

    AA edtdi

    LdtdiL

    dtdiL

    dtdiLRiu ++=

    21

    21

    (2.1)

    BC

    mA

    mB

    mB

    BB edtdi

    LdtdiL

    dtdiL

    dtdiLRiu ++=

    21

    21

    (2.2)

    CB

    mA

    mC

    mC

    CC edtdiL

    dtdiL

    dtdi

    Ldt

    diLRiu ++=

    21

    21

    (2.3)

    CBACCBBAAm mmmiBiBiB

    km ++=++= )( - ecuaia de cuplu (2.4)

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    14

    rmmdtdJ = - ecuaia de echilibru dinamic (2.5)

    Figura 2.1. Circuitul echivalent al motorului

    BLDC i al comenzii acestuia

    U- tensiunea sursei de alimentare; uA, uB, uC -sunt tensiunile pe fiecare din cele trei faze statorice; iA, iB, iC -sunt curenii pe fiecare din cele trei faze statorice; eA ,eB, eC -sunt tensiunile electromotoare corespunztore celor trei faze statorice; R - rezistena unei faze; L - inductivitatea de scpri a unei faze; Lm - inductivitatea corespunztoare fluxului util al unei faze; L=L+3Lm/2 - inductivitatea total; - viteza unghiular; - poziia rotorului; J - momentul de inerie al mainii; m - cuplul electromagnetic; mr - cuplul rezistent la arbore; b - constanta de amortizare; km - constanta motorului. )(

    1

    )2

    (1

    )2

    (1

    )2

    (1

    ,,2

    2

    dtdbik

    Jdtd

    dtdkuRi

    Ldtdi

    dtdkuRi

    Ldtdi

    dtdkuRi

    Ldtdi

    CBAm

    MCC

    C

    MBB

    B

    MAA

    A

    =

    +=

    +=

    +=

    (2.6)

    AMAAm ikiBPkm == 2 Aplicnd transformata Laplace relaiilor 2.6 acestea vor putea fi foarte uor de

    transpus n Simulink sub form de diagrame.

    2.1.2 Funciile de transfer ale servomotoarelor de curent continuu cu sau fr perii bazate pe constantele de timp ale acestora La analiza acionrilor cu servomotoare, n ecuaiile care modeleaz funcionarea

    servomotoarelor sunt prezente dou constante de timp, una mecanic i cealalt electric. Analiza ecuaiilor motorului de curent continuu fr perii (BLDC) va pleca de la analiza ecuaiilor motorului de curent continuu. Ecuaiile n regim staionar pentru motorul de curent continuu: U = iaRa + Ke (2.7) T = iaKT = J (2.8) Pentru cazul general ecuaiile difereniale sunt:

    U = iaRa + Ladtdia + Ke (2.10)

    Aplicnd Laplace i prin rearanjare se obine:

    =+

    SJ1)RSRL(

    K)K(U

    Taa

    a

    Te (2.11)

    unde: U = tensiunea la borne (V); ia = curentul n nfurarea statoric (A); JT = momentul de inerie total al motorului plus sarcina (kg*m2); Ke = constant de tensiune (v/rad/sec); KT = constanta de cuplu (N*m/A); La = inducia nfurri statorice (H); Ra = rezistena nfurri statorice (ohm); TL = cuplul (N*m); = viteza rotorului (rad/sec); = acceleraia (rad/sec2).

    Ecuaie (2.12) poate fi reprezentat ca i diagram bloc de forma celei din figura 2.2, [35].

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    15

    Figura 2.2 Ecuaia (2.11) reprezentat sub form de diagram bloc

    Pentru diagrama bloc din figura 2.2 ecuaia n bucl nchis este:

    (GH1G

    RC

    += ) (2.12 ) Prin rearanjare se obine (2.13):

    1SKKJRS

    RL

    KKJR

    K1

    U

    Te

    Ta2

    a

    a

    Te

    Ta

    e

    +

    +

    = (2.13)

    Te

    Tam

    KKJR

    t = = a

    ae

    RLt (2.14)

    Ineria total a motorului (JT ) va fi suma ineriilor motorului i a sarcinii de la arbore.

    Rezistena (Ra) reprezint suma dintre rezistena nfurri statorice i rezistena circuitului extern. Astfel c, constantantele de timp mecanic i electrica motorului pot fi scrise ca relaiile (2.14). Ecuaia n bucl nchis a motorului poate fi exprimat n relaia (2.15). Se pot obine pulsaia natural ca i mrime ce determin frecvena oscilaiilor ce apar, relaia (2.16) i factorul de amortizare, realia (2.17), n funcie de valorile lui distingndu-se trei regimuri de funcionare.

    Impunerea performanelor unui sistem de ordinul 2 nseamn impunerea unei perechi de valori (,), care, de fapt reprezint impunerea polilor funciei din relaia (2.15).

    1StSttK

    1

    m2

    em

    e

    ++=U (2.15)

    m = emtt/1 (2.16)

    =0.5 tm m = 0.5 em tt / (2.17)

    = 0 regim pur oscilant; 0 < < 1 regim oscilant amortizat; > 1 regim aperiodic.

    n cazul motorului de curent continuu fr perii (BLDC), ecuaiile care definesc constantele de timp electric i mecanic, au aproximativ aceeai form, cu mici modificri fa de cele ale motorului de curent continuu. Pentru un motor BLDC cu statorul conectat n stea, circuitul electric echivalent va fi cel din figura 2.3.

    Figura 2.3 Circuitul electric echivalent al motorului BLDC

    TL)e(L

    TOTALLL

    m

    K1.73

    K

    J2

    R

    t

    = =0.86Tlle

    ll

    KKJtotalR

    )(

    (2.18)

    ==

    L)m(L

    LLe

    RL

    totalaRezist. totalaInductiv.t (2.19)

    1StK

    1Um

    e

    += (2.20) Majoritatea productorilor dau parametrii electrici ai motorului n valori de linie, astfel

    aceste valori trebuie convertite n valori de faz, constanta de timp mecanic poate fi calculat cu relaia (2.18) iar, constanta de timp electric va fi calculat cu relaia (2.19).

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    16

    Valoarea constantei de timp electrice este mult mai mic dect cea a constantei de timp mecanice, te

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    17

    Figura 2.4 Motorul BLDC, modelul cu parametrii

    concentrai

    Figura 2.5 Fereastra de configurare a componentei

    modelului cu parametrii concentrai

    Figura 2.6 Rspunsul la un semnal de tip treapt unitar al

    motorului BLDC

    Figura 2.7 Funcia de transfer a motorului BLDC

    modelat proces ord. I i II

    Figura 2.8 Fereastra de configurare

    a motorul BLDC, modelul bazat pe funcia de transfer

    Figura 2.9 Evoluia comparativ a procesului real de ordin II (albastru) i a celui simplificat de ordin I (galben), la aplicarea unui semnal de tip treapt unitate

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    18

    Capitolul 3

    3 CONTROLERE PID. FILTRE IIR

    n literatura de specialitate circuitele n care sunt implementai algoritmii de control sunt numite circuite regulatoare sau controlere. Procesul de reglare este asociat circuitelor regulatoare i implic suprimarea perturbaiilor pentru a menine un proces controlat la un punct fix de funcionare. Pe de alt parte, procesul de control implic o aciune mai lrgit care const pe lng suprimarea perturbaiilor i n urmrirea traiectoriei dorite de funcionare a sistemului. Din literatura de specialitate reiese c exist posibilitatea ca majoritatea controlerelor digitale pot fi proiectate ca i filtre digitale cu rspuns infinit la impuls (IIR Infinite Impulse Filter). n acest capitol se va face o prezentare general a arhitecturii i a modului de acordare a controlerului de tip proporional-integral-derivativ (PID). Vor fi prezentate succint i filtrele digitale n special cele cu rspuns de durat infinit (IIR) i se va prezenta o modalitate de proiectare a controlerelor PID ca i filtre IIR. 3.1 Controlere PID

    3.1.1 Prezentare general

    Pentru controlul n bucl nchis cel mai cunoscut i mai utilizat algoritm este algoritmul de control PID (proporional integral - derivativ). n sistemele de control actuale, mai bine de 95% din buclele de control sunt de tipul PID, de fapt, majoritatea sunt de tipul PI (proporional integral). Configuraia unui sistem cu, controler de tip PID este prezentat n figura 3.1 [5], [91], [97], [125]. Tehnologii de control mai sofisticate, cum este controlul predictiv sunt organizate ierarhic i au la baz tot controlerele de tip PID care se afl la nivelul cel mai de jos al acestei ierarhii. Se poate spune c, controlul de tip PID se regsete la nivelul oricrui sistem controlat. n domeniul continuu de timp reprezentarea controlerului PID este conform celei din figura 3.1.

    Figura 3.1. Sistem comandat cu controler de tip PID

    ++= dttdeKdtteKteKtu DIP)()(1)()( (3.1)

    Kp amplificare proporional; KI amplificare integral; KD amplificare diferenial; e(t) - eroarea dintre rspunsul dorit i rspunsul real al sistemului.

    Controlul realizat de cei trei termeni: integral, proporional i derivativ, ine cont de

    comportarea sistemului n trecut, prezent i viitor. n figura 3.2 sunt prezentate ntr-o manier sugestiv influenele nsumate asupra parametrilor de performan ai sistemului, ai celor trei coeficieni de amplificare.

    Pentru proiectarea adecvat a unui controler de tip PID trebuie avute n vedere urmtoarele aspecte: filtrarea zgomotului, ponderarea referinei, fenomenul de saturare, metoda de acordare al controlerului, modalitatea de implementare digital a controlerului.

    n continuare vor fi dezbtute pe larg fiecare din aspectele mai sus menionate.

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    19

    Figura 3.2 Influena coeficienilor de amplificare asupra performanelor sistemului

    3.1.2 Filtrarea zgomotului La implementarea unui controler cu aciune derivativ trebuie limitat amplificarea frecvenelor nalte. Acesta se realizeaz prin nlocuirea termenului derivativ clasic D = sTdY cu cel din relaia (3.2). Valori tipice pentru N sunt ntre 8 i 20. n lipsa termenului derivativ, cazul controlerelor PI, filtrarea semnalului nu mai este att de stringent.

    YNsT

    sKTD

    d

    d

    /1+= (3.2)

    3.1.3 Ponderarea referinei Legea de control definit de relaia (3.1) presupune c, aplicarea unui semnal treapt la intrarea de referin a unui sistem de control va avea ca rezultat un semnal de control de tip impuls. Cel mai adesea acest lucru trebuie evitat, din aceeai cauz n mod frecvent nici termenul derivativ nu se aplic semnalului de referin. Aceast problem poate fi evitat prin filtrarea valorii de referin nainte de a fi aplicat controlerului. O alt posibilitate este ca asupra semnalului de referin s acioneze numai termenul proporional, cunoscut ca metoda de ponderare a referinei. n acest caz relaia fundamental (3.1) va deveni:

    ++= ))()(()(1)()()(

    0 dttdy

    dttdrcTde

    TtytbrKtu d

    t

    i

    (3.3) unde, b i c sunt parametri adiionali.

    Rspunsul la diferite valori ale referinei poate fi modificat prin intermediul parametrilor b i c. Pentru o anumit valoare a factorului de ponderare b ntre 0 i 1 se poate obine un compromis i sistemul va rspunde suficient de rapid cu oscilaii mici, respectiv un suprareglaj atenuat. n mod normal parametrului c i se d valoarea 0 pentru a evita oscilaiile mari ale semnalului de control datorate modificrilor brute ale referinei.

    3.1.4 Fenomenul de saturare Acest fenomen apare datorit interaciunii dintre aciunea integrativ a controlerului i saturaia procesului controlat, mai este cunoscut i ca windup. n practic, toi actuatorii prezint limite, n cazul unui motor limita este reprezentat de turaia maxim pe care o poate atinge. La un sistem controlat n bucl nchis, poate aprea situaia n care variabila de control s ating limitele actuatorului, n cazul de fa, motorul atinge viteza maxim, iar n aceast situaie bucla de control va fi rupt. n aceast lucrare va fi pus n practic metoda cea mai simpl i mai direct. Aceast metod const n limitarea variaiei valorii de referin, astfel nct valoarea de la ieirea controlerului s nu ating niciodat limitele actuatorului.

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    20

    Altfel spus, reglarea va fi mai lent fcndu-se cu pai mici, evitndu-se astfel suprareglajul accentuat i oscilaiile amortizate.

    3.1.5 Metode propuse pentru acordarea controlerelor PID Procesul de stabilire a valorilor optime pentru coeficienii KI, KD, KP, poate fi destul de

    dificil deoarece presupune ajustarea simultan a celor trei constante. Dac valorile nu sunt corect stabilite sistemul devine instabil genernd zgomot i putnd duce chiar i la distrugerea mainii. Exist mai multe metode de acordare a controlerelor, metode clasice, mai empirice, cum este metoda Ziegler Nicholls i metode moderne care necesit un calcul matematic intensiv, cum este metoda de acordare folosind alocarea polilor. n cazul metodelor de reglare empirice cheia ajustrii eficiente a celor trei constante const n folosirea unui proces care s permit decuplarea, ct mai mult posibil, a efectelor unei amplificri fa de cealalt [5].

    3.1.6 Acordarea controlerelor PI folosind metoda alocrii polilor

    n cazul sistemelor de ordinul I i II utilizarea unui regulator permite alocarea exact a polilor sistemului rezultant, prin alegerea corespunztoare a componentelor Kp, Ki i Kd. Deoarece n capitolul anterior s-a stabilit c, comportarea unui motor de curent continuu fr perii poate fi foarte bine descris printr-un proces de ordinul I, n continuare se va insista pe acordarea controlerelor de tip PI, pentru acest model de motor. Acordarea controlerelor PI n domeniul de timp continuu

    n figura 3.3 este prezentat schema de reglare a unui proces de ordinul I, comandat printr-un controler PI n domeniul de timp continuu. Funcia de transfer a procesului este exprimat n forma cea mai general, vezi relaia 3.4, care include i cazul proceselor pur integratoare, avnd funcia de transfer :H(s)=b/s. Sistemul echivalent, cu bucla de reacie nchis are funcia de transfer (3.5). n cazul acordrii controlerelor PI funcia de transfer echivalent Hbi(s)este de ordin II, (3.6). Poziiile polilor se impun astfel nct s corespund n planul s unui sistem de ordin II, definit prin factor de amortizare i prin pulsaia natural . Tipic, alegerea i se face innd cont de suprareglajul maxim acceptat i banda de trecere dorit pentru sistemul rezultant. Egalnd numitorii relaiilor (3.) i (3.6) rezult un sistem de dou ecuaii ale crui necunoscute sunt coeficienii Kp i Ki. Relaia (3.7) prezint sistemul de ecuaii i soluiile acestuia. Coeficienii Kp, Ki trebuie s fie > = 0, altfel trebuie impus o band de trecere mai mare, astfel nct s se respecte condiia 2 a > 0 .

    Figura 3.3 Reglarea unui proces de ordinul I cu regulator PI cu timp continuu

    asb

    sT

    Tk

    sTksH P +=+

    =+= 11)( (3.4)

    bKabKssbKsK

    HHHHsH

    IP

    IP

    PR

    PRbi *)*(

    )(1

    )( 2 ++++=+= (3.5) 22

    2

    **2*)(

    ++= sssH (3.6)

    ............................;.........**2

    ;****2

    **2**)*(

    2

    2222

    bK

    baK

    bKabK

    ssbKabKss

    IP

    I

    PIP

    ==

    =+=++=+++

    (3.7)

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    21

    Acordarea controlerului PI n domeniul de timp discret n figura 3.4 este prezentat schema de reglare a unui proces de ordinul I, comandat printr-

    un controler PI. Echivalentul discret al funciei de transfer pentru procesul controlat se obine cu relaia (3.8) [57], n care T reprezint perioada de eantionare. n cazul procesului descris prin funcia de transfer (3.8), echivalentul discret este (3.9) i (3.10).Funcia de transfer a controlerului PI se obine alegnd un echivalent discret pentru integratorul 1/s, cel mai uzual fiind (3.11). Astfel c funcia de transfer a controlerului devine (3.12), unde, KP = Kp i Ki =KIT, sunt coeficieni proporionali i integrali ai regulatorului discret. Funcia de transfer a sistemului n bucl nchis a sistemului este (3.13). Polii acestei funcii de transfer se impun astfel nct s corespund n planul s unui sistem de ordin II definit prin factorul de amortizare i pulsaia natural , avnd polii (3.14). innd cont c unui punct s1 din planul complex Laplace, i corespunde n planul complex Z punctul Tsez 11 = , echivalentul discret pentru polii s1,2 este (3.15). Prin urmare polinomul dorit pentru funcia de transfer n bucl nchis este (3.16). Egalnd numitorii relaiilor (3.13), (3.15) rezult un sistem de dou ecuaii ale crui necunoscute sunt Kp i Ki, sistem ce are soluia (3.17). Coeficienii Kp, Ki trebuie s fie > = 0, dac n urma procesului de acordare Ki rezult negativ, trebuie impus o band de trecere mai mare.

    Figura 3.4 Reglarea unui proces de ordinul I cu controlere

    PI discret

    = hTPP ezz

    ssHZ

    zzzH **

    )(1)( (3.8)

    d

    dP az

    bzH =)( (3.9)

    ===

    = aTd

    aTd

    d eaiadaceabb

    adacTbb ,,0,),1(*

    0,,*

    (3.10)

    11

    zT

    s (3.11)

    11)( +=+= z

    KK

    zTKKzH ipiPR (3.12)

    dddd

    dbi aKpKibabKpzz

    bKpKizKpzH ++++=

    )(*)1*(*)*(

    )( 2 (3.13)

    22,1

    22 102 ==++ jsss (3.14)

    ))1sin()1(cos( 222,1 += TjTez T(3.15)

    ===+=++

    T

    T

    ezzpTezzpundeppzz

    2

    212

    2211

    212

    *)1cos(**2)(,,* (3.16)

    +=

    ++=+=

    =

    pd

    di

    d

    dp

    ddpi

    ddp

    Kbap

    K

    bap

    K

    abKKpabKp

    2

    1

    2

    1

    1

    *)(1*

    (3.17)

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    22

    3.1.7 Modalitatea de implementare digital a controlerului PID Pentru implementare pe un sistem digital a unei legi de control exprimate n

    domeniul timp , cum ar fi un algoritm de reglare PID, trebuie folosit o metod de aproximare a derivatei i a integralei [5, 10, 91]. Forma discret , implementabil digital n hardware a controlerului PID este dat de relaiile (3.18), (3.19), (3.20). - termenul proporional:

    ))()(()( kkspk tytbyktp = , b=1 ))()(()( kkspk tytyktp = (3.18)

    - termenul integral; unde: h=Ts )()()( 1 kIkk tehKtiti +=+ - termenul derivativ: unde: N coeficient cu valori tipice 8-20;

    ))()(()()( 11 = kkDPkk tytyCKKtCDtd

    NhKKKC

    PD

    D

    += (3.19)

    Astfel controlerul de tip PID se scrie ca suma a celor trei termeni: )()()()( kkkk tdtitptu ++= (3.20)

    3.1.8 Specificaii de proiectare ale controlerelor PID Atunci cnd trebuie rezolvat o problem de control, trebuie neles scopul principal al

    controlului. Exist dou tipuri de cerine care se impun atunci cnd se rezolv o problem de control: urmrirea referinei i rejecia perturbaiilor. Urmrirea referinei n cazul aplicrii unui semnal de tip treapt, include parametri cum ar fi timpul de cretere, timpul de stabilizare, suprareglajul, eroare staionar. Timpul de cretere reprezint intervalul de timp n care semnalul variaz ntre 10-90% din valoarea lui staionar. Timpul de stabilizare se msoar din momentul aplicrii semnalului treapt pn n momentul n care rspunsul se apropie la p% din valoarea staionar. Valoare tipic pentru p este 2. Suprareglajul exprimat ca diferen dintre prima valoare maxim a mrimii de ieire i valoarea staionar are o valoare tolerat de 8-10% din valoarea staionar. Exist ns situaii cnd se impune un rspuns supra-amortizat n care suprareglajul s fie nul. Eroarea staionar reprezint abaterea de la valoarea staionar a ieirii dup ce sistemul este stabil. Aceast eroare este tolerabil n limitele a 1-2%. n general n sisteme controlate cu controler de tip PI aceast eroare este nul.

    3.2 Controlere PID implementate ca i filtre IIR

    Aa cum a fost amintit ntr-un paragraf anterior majoritatea controlerelor digitale pot fi reprezentate ca i filtre de tip impuls cu rspuns infinit (IIR Infinite Impulse Filter) [39]. n continuare este prezentat relaia matematic care reprezint forma digital a unui filtru. Aceti coeficieni trebuie astfel selectai nct controlerul s produc rspunsul dorit. Structura controlerului digital asociat relaiei (3.21) este prezentat n figura 3.5. n figur blocurile Z-1 reprezint ntrzieri ale unei perioade de eantionare.

    Funcia de transfer a controlerului de tip PID va avea urmtoarea form (3.22). Folosind transformata z biliniar (BZT), [38] de mapare a planului s n planul z, respectiv una din relaiile (3.23). Se obine transformata z a controlerului PID (3.24). Dup prelucrri matematice, transformata z a controlerului PID poate fi reprezentat ca funcie de transfer de ordinul 2, relaia (3.25). Conform relaiei (3.21) forma general a unui un filtru IIR de ordin II poate fi scris (3.26). Prin egalarea numrtorului i ai numitorului relaiilor (3.25) i (3.26) se

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    23

    obin coeficienii filtrului, (3.27) n funcie de amplificrile Kp, Ki, Kd ale controlerului PID. n concluzie, un controler PID poate fi proiectat ca i filtru digital de ordinul 2.

    Figura 3.5 Diagrama controlerului digital

    = =

    =n

    i

    n

    iii ikybikxaky

    0 1)()()( (3.21)

    unde: - k - eantionul curent, pentru o anumit

    perioad de timp T; - y(k) - semnalul de ieire; - x(k) - semnalul de intrare;

    ai i bi - coeficienii filtrului.

    sKs

    KKsEsUD DIPcontroler ++== )()( (3.22)

    112

    +=

    zz

    Ts sau 1

    1

    112

    +=

    zz

    Ts (3.23)

    ++

    ++=

    1

    1

    1

    1

    112

    11

    2)(

    zz

    TK

    zzTKKzD DIP (3.24)

    ( ) ( )2

    21

    1)/22/(/4/22/)(

    +++++=

    zzTKTKKzTKTKTKTKKzD DIPDIDIP (3.25)

    22

    11

    22

    110

    1)(

    ++++=

    zbzbzazaazD (3.26)

    TK

    TKKa

    TKTKa

    TKTKKa

    DIP

    DI

    DIP

    22

    42

    22

    2

    1

    0

    ++=

    =

    ++=

    1

    0

    2

    1

    ==

    bb

    (3.27)

    3.3 Implementare Matlab/Simulink controlere PID i filtre IIR

    S-au realizat implementrile cu blocuri Simulink

    pentru controler PID form continu, controler PID forma discret i filtru IIR. Pentru a avea o referin, s-a implementat n Simulink i forma discret a controlerului PID, cu ajutorul unui bloc parametrizabil din biblioteca Simulink. Coeficienii filtrului se calculeaz ntr-un fiier Matlab, conform relaiei 3.27, n funcie de amplificrile controlerului PID. Amplificrile se calculeaz conform exemplului de calcul prezentat n paragrafele anterioare. Rezultate simulrii celor dou modele de controler PID i a filtrului IIR sunt prezentate n figura 3.6. Din simulare se poate observa c ieirea procesului controlat IIR nu difer de cea a procesului controlat PID, i aceasta n condiiile n care s-au folosit aceleai valori pentru coeficienii de amplificare (Kp=300, Ki=40), n cazul ambelor variante de control. n concluzie se confirm faptul c un controler PID poate fi proiectat ca i filtru IIR, iar metoda de acordare prin alocarea polilor este viabil i pentru acest caz.

    Figura 3.6 Rspunsul motorului controlat PID i IIR

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    24

    Capitolul 4

    4 PLATFORMA HARDWARE PROPUS PENTRU CONTROLUL MOTORULUI BLDC CU CIRCUITE FPGA

    n acest capitol se va face o descriere a structurii modulelor hardware i a resurselor,

    folosite pentru controlul motorului BLDC. De asemenea se va face i o prezentare a parametrilor motorului BLDC mpreun cu senzorii montai pe arborele acestuia. n final va fi prezentat modalitatea de interconectare a modulelor de control i de comand la ansamblul format de motorul BLDC i senzori. 4.1 Structura platformei de comand i control

    Platforma este alctuit din dou module hardware: modulul de control reprezentat de

    placa cu circuitul FPGA i modulul de comand reprezentat de placa care conine tranzistorii de putere. Cele dou module hardware sunt interconectate ntre ele prin intermediul unei magistrale pe care semnalele au nivele logice compatibile CMOS, 3,3V. Conectarea la PC se realizeaz prin intermediul portului JTAG prezent pe placa Spartan-3 i prin intermediul unui cablu adaptor la portul paralel al PC-ului.

    n figura 4.1 este prezentat diagrama bloc cu arhitectura celor dou module, modul de interconectare ntre ele i modul de interconectare cu PC-ul i cu motorul BLDC.

    Figura 4.1 Configuraia hardware pentru controlul motoarelor BLDC

    Conectarea cu motorul BLDC se realizeaz prin intermediul plcii PM-50 care amplific semnalul de comand provenind de la placa de control i l furnizeaz mai departe celor trei nfurri statorice ale motorului BLDC. Pe placa PM-50 se face i achiziia i adaptarea nivelelor semnalelor provenind de la senzorii Hall i de la codificatorul de poziie, semnale ce vor fi transmise mai departe plcii de control cu circuit FPGA. Placa PM-50 permite de asemenea i monitorizarea curenilor din cele trei ramuri de invertor.

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    25

    4.2 Modulul de control cu circuit FPGA

    Modulul hardware cu circuit FPGA este produs de firma Digilent Inc, poarta numele de Spartan-3 i are ca i component central circuitul FPGA XC3S200 din familia Spartan3 [24], [137]. Cu ajutorul acestui modul vor fi implementate toate funciile de control i monitorizare ale motorului BLDC .

    4.3 Descriere arhitectur circuite FPGA

    Ariile logice reconfigurabile sau FPGA au fost introduse n 1985 de firma XILINX. Poziia de lider a fost pstrat prin continua mbuntire a circuitelor, i prin oferta soluiilor de proiectare complet. Procesul de proiectare cu circuite XILINX FPGA este rapid i eficient, iar durata acestui proces este de cteva zile n comparaie cu, cteva sptmni, termen obinuit cu alte tipuri de circuite programabile. Structura intern este organizat ntr-o matrice de celule nconjurate la periferie de celulele de intrare/ieire (I/O). Segmentele de interconexiuni din metal pot realiza prin intermediul punctelor de conexiune, legturi ntre celulele logice configurabile i celulele de intrare/ieire. Abundena de pori logice, registre, interfee I/O cu o vitez de rspuns mare, sunt doar cteva caracteristici ale circuitelor logice reprogramabile FPGA. Seria circuitelor cu aria de configurare de tip SRAM include n principal urmtoarele familii de produse: Spartan-I, Spartan-II, Spartan 3, Virtex, Virtex-II, Virtex-II Pro i Virtex-IV i mai nou Virtex-V [24, 83, 127, 137].

    4.3.1 Familia de circuite FPGA Spartan-3 Familia de circuite FPGA Spartan-3 a fost proiectat n mod expres pentru a veni n ntmpinarea cerinelor de capacitate sporit i cost redus, specifice pieei bunurilor de larg consum. Aceast familie de circuite are opt membrii cu capacitii ntre 50.000 i cinci milioane de porii logice, vezi tabelul T4.1. Circuitele din aceast familie sunt realizate n tehnologie 90nm i pot fi implementate proiecte cu frecven de lucru de pn la 185 MHz . Familia de circuite Spartan-3 este o alternativ superioar circuitelor ASIC programate prin masc. Circuitele FPGA permit reducerea costurilor iniiale de producie, a ciclului de dezvoltare implementare a aplicaiei i nltur inflexibilitatea specific circuitelor ASIC

    4.3.1.1 Arhitectura familiei de circuite Spartan-3 Circuitele FPGA din familia Spartan-3 sunt alctuite din cinci elemente programabile fundamentale: blocurile logice configurabile (CLB), blocurile de intrare ieire (IOB), blocurile de memorie RAM, blocurile de multiplicatoare i blocurile DCM.

    4.3.2 Analiza comparativ performane/pre circuite FPGA Pentru o imagine de ansamblu mai bun asupra circuitelor FPGA produse de firma

    Xilinx n tabelul T4.1, este prezentat o analiz comparativ ale caracteristicilor principalelor familii. *Capacitatea era exprimat iniial n numr de pori logice, ulterior s-a trecut la exprimarea n sclice-uri, i n cele din urm n numr de celule logice. Echivalenele dintre cele trei modaliti de exprimare a capacitii sunt prezentate mai jos: 1 celul logic = 1 bloc LUT cu 4 intrri + 1 bistabil de tip D 1 slice = 2 X celul logic.

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    26

    Tabelul T4.1 Comparaie performae/pre cicuite FPGA

    Capacitatea*

    Familia Tehnologia (nm) Nr blocuri MAc

    Frecvena (MHz) Celule

    logice Pori logice (milioane)

    Pre ($)***

    Virtex5LX330 65 192 550 330.000 22,1M** - Virtex4SX55 90 512 500 55.296 3,6M** 1000-1200 Virtex4FX140 90 192 500 142.128 9,5M** - Virtex4LX200 90 96 500 200.000 13,5M** 300-340 VirtexIIPro100 130 444 300 125.136 9M** 109-1600 VirtexII 150 168 245 93.058 8M - Spartan3S5000 90 104 185 74.880 5M 9,5-100 ** Valori aproximative, calculate, utile pentru comparaie. ***Preurile sunt orientative i variaz n funcie de capacitatea circuitului din familia respectiv (ex. spartan3S50 = 9,5$, iar spartan3s1500 = 85$), de numrul de pini i tipul de capsul i de asemenea de numrul de buci achiziionate.

    Determinarea numrului de pori logice n funcie de exprimrile anterioare nu este clar definit i depinde, conform specificaiilor date de productor, de tipul de aplicaiei implementat.n cazul circuitelor Virtex II i Spartan 3 capacitatea este exprimat n numr de pori logice. Plecnd de la aceste valori se ncearc o aproximare a capacitii exprimate n pori logice pentru toate circuitele din tabel. Pentru logica de interconectare (glue logic) sau pentru implementarea proiectelor mai simple se pot folosi i circuite CPLD (familia XC9500) ale cror capaciti pot varia ntre 800 6400 pori logice i ale cror preuri sunt ntre 1,65 14, 79$.

    4.4 Modulul de comand cu tranzistoare MOSFET

    Convertizoarele statice invertoarele care alimenteaz motoarele fr perii trebuie s rspund unor cerine diverse, att pentru regimul staionar de funcionare, ct i pentru regimul dinamic. n continuare vor fi enumerate cteva caracteristici pe care trebuie s le prezinte un invertor. Pentru aplicaii n care valoarea tensiunii nu depete 250V tranzistoarele MOSFET reprezint prima opiune, exist o gam destul de restrns de tranzistoare IGBT pentru tensiuni mai mici de 600V.

    Placa de comand PM50 are ca i component principal un invertor trifazat bazat pe tranzistorii MOSFET IRF540. Placa poate fi alimentat cu tensiune n plaja 9-36 V, poate furniza un curent nominal motorului 1,7A i poate suporta un supracurent de 6,33A. Frecvena maxim de comutaie este de 100KHz, dar valoarea tipic a acesteia este de 20KHz [45, 46, ], [112]. Pentru aplicaia de control a motorului BLDC va fi folosit conectorul J3, nivelele de semnal ale plcii Spartan-3 fiind 3,3V. Dup cum se poate observa n figura 4.1 placa PM50 dispune de interfee de conectare a senzorilor Hall, a codificatorului optic i a motorului BLDC.

    4.5 Motorul BLDC i traductoarele de poziie

    Dup cum s-a putut observa n capitolul 1, pentru a putea s funcioneze motorul BLDC are nevoie de senzori Hall pentru determinarea poziiei aproximative a rotorului. Dac ns se dorete determinarea cu precizie mare a acestei poziii se va folosi un codificator optic, n

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    27

    acest caz HEDS-9xxx, care n funcie de tip poate furniza la ieire trei semnale i complementele acestora. Motorul BLDC

    Motorul ales pentru acest experiment este un motor de curent continuu fr perii produs de firma Pittman Express [93]. Acest motor are montai pe arbore senzori Hall i un codificator de poziie. Datele constructive ale acestui motor sunt prezentate n tabelul T4.2.

    Tabel T4.2. Datele Constructive ale motorului BLDC Date constructive Simbol Valoare Tensiune nominal VN [V] 19 Viteza n gol SNL[rpm] 8000 Valoarea de vrf a cuplului Tpk[mNm] 94 Valoarea cuplului nominal TC[mNm] 29 Rezistena Rfaz[] 5,25 Inductivitatea Lfaz[mH] 0,46 Curent n gol INL[mA] 72 Curent de vrf IP[A] 1,3

    4.6 Standul experimental pentru controlul motorului BLDC cu circuite

    FPGA

    n figura 4.2 este prezentat standul experimental pentru controlul motorului BLDC folosind circuite FPGA. n figura 4.3 sunt prezentate configuraiile pinilor corespunztori conectorilor B1 i J1 de pe modulul de control cu circuit FPGA (Spartan-3), respectiv de pe modulul de putere (PM50).

    Figura 4.2 Standul experimental pentru controlul motorului BLDC cu circuite FPGA

    Figura 4.3 Configuraiile pinilor corespunztori conectorilor B1 i J1

    Notaiile din figura 4.3 sunt: Q1-Q6 semnalele pentru cei ase tranzistori; HA, HB, HC - semnale provenind de la senzorii Hall; EA, EB, EZ - semnale provenind de la codificatorul de poziie; Err - semnal de eroare dat de placa PM50; PWM - ieire direct de la generatorul PWM implementat n FPGA; B1_21 -B1_35 - semnale de uz general, folosite pentru testare, etc; NC - neconectat.

    Configurarea circuitului FPGA, controlul n timp real i monitorizarea principalilor

    parametri ai motorului BLDC se face prin intermediul portului JTAG conectat la portul paralel al unui PC, pe care ruleaz Matlab/Simulink

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    28

    Capitolul 5

    5 METODA DE IMPLEMENTARE I TESTARE HARDWARE-SOFTWARE I MEDIILE SOFTWARE

    UTILIZATE LA IMPLEMENTAREA HARDWARE A UNUI SISTEM DE CONTROL PENTRU MOTORUL BLDC

    Obiectivul acestui capitol const n elaborarea unei metode rapide de implementare

    facil n hardware a algoritmilor de control i a interfeelor conexe acestora, pentru comanda unui motor. Metoda trebuie s permit proiectanilor sistemului de control s se concentreze asupra specificaiilor de nivel nalt i s permit obinerea unui rezultat rapid n ceea ce privete performanele algoritmului de control ales i costurile generate de implementarea acestuia n hardware. 5.1 Controlul hardware digital n domeniul servomotoarelor electrice

    Datorit cerinelor de performan crescute i de asemenea datorit creterii complexitii sistemelor de control utilizarea mai multor procesoare de semnal sau a mai multor microcontrolere asistate i de circuite ASIC devine indispensabil. Aceasta duce la creterea complexitii sistemelor de control prin creterea numrului de module implicate i creterea numrului de conexiuni dintre acestea, avnd ca rezultat o mentenabilitate i o modernizare greoaie a sistemului. n cazul implementri algoritmilor care necesit timpi redui de execuie, modernizarea sistemului de control este de asemenea ngreunat i de folosirea limbajelor de asamblare, specifice fiecrui procesor n parte. Pentru rezolvarea problemelor generate de utilizarea DSP-urilor i a microcontrolerelor n sistemele de control, pe pia se impune o nou metod de control aa numitul control hardware, implementat cu circuite FPGA. Aceast metod de control hardware permite creterea de zeci de ori a vitezei de execuie a algoritmilor de control. De asemenea aceast metod permite noi modaliti de dezvoltare a algoritmilor de control. Spre deosebire de modalitile clasice n care algoritmii de control erau implementai cu ajutorul limbajelor de asamblare sau a celor de nivel nalt, noua metod permite folosirea elementelor vizuale de proiectare, elemente organizate n blocuri de control.

    5.1.1 Resurse software i hardware implicate n proiectarea i implementarea controlului hardware digital pentru motorul BLDC

    Dezvoltrile recente n sinteza circuitelor digitale au automatizat n mare msur procesul

    de implementare n ASIC sau FPGA a unor algoritmi specifici procesrii digitale a semnalelor. n mod tradiional aceste circuite erau dezvoltate folosind numai limbaje de descriere hardware cum ar fi VHDL sau Verilog, dar acestea ofer o flexibilitate destul de redus n ceea ce privete simularea algoritmilor de control. Aceste probleme au fost depite de recenta introducere a unor unelte de sintez care, dintr-o descriere comportamental n Matlab/Simulink a unui circuit de procesare digital a semnalelor, realizeaz sinteza direct a unui circuit digital adecvat (folosind limbajul VHDL ca limbaj intermediar). Mai exact modelul Matlab/Simulink este conceput folosind toolboxul Xilinx Blockset. Comportamentul modelului dezvoltat cu toolboxul menionat anterior este simulat cu Simulink i apoi

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    29

    transformat ntr-o descriere de tip VHDL folosind utilitarul Xilinx System Generator. Proiectul este n cele din urm sintetizat prin procedeul obinuit pentru descrierile VHDL i implementat n FPGA [140]. Arhitectura software a mediului integrat HW/SW pentru implementarea sistemelor de control permite pe de o parte implementare prii software a aplicaiei, care const n modelarea i simularea comportamentului procesului controlat (motor BLDC) respectiv a controlerului (PI), i pe de alt parte proiectarea prii hardware, adic implementarea i testarea controlerului i a blocurilor conexe n FPGA. O simpl enumerare a resurselor software ntrebuinate pentru dezvoltarea mediului integrat HW/SW arat complexitatea acesteia, vezi i figura 5.1:

    Matlab mediul de programare utilizat pentru modelarea proces controlat i a controlerului, suport pentru toolboxul Simulink; Simulink pentru simulare sistem de control i proces controlat. System Generator rulnd n cadrul programului Simulink, utilizat pentru: - modelarea cu blocuri Xilinx a SC; - generarea fiierelor proiect Xilinx; - generarea codului VHDL sintetizabil; - generarea unui fiier Testbench n limbaj VHDL pentru simularea controlerelor PID; - generarea fiierelor de constrngeri. Xilinx ISE mediul integrat pentru sinteza i implementarea n FPGA, ruleaz mpreun cu: VHDL folosit pentru descrierea n totalitate a unor blocuri ale SC, pentru includerea unor blocuri de tip proprietate intelectual (IP), pentru includerea diagramelor de stare (FSM) i de asemenea ca limbaj intermediar ntre Simulink i Xilinx;. - ModelSim XE permite simularea n diverse etape a SC; - Impact folosit pentru ncrcarea fiierului de configurare n FPGA; - ChipScope utilizat n faza de depanare a proiectului, permite vizualizarea circuitului implementat n FPGA;

    Figura 5.1 Resursele software i hardware implicate n proiectarea cu circuite FPGA a controlului unui servomotor

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    30

    5.1.2 Metoda clasic de implementare a sistemelor de control n FPGA Metoda consacrat de implementare a sistemelor de control (SC) n FPGA cuprinde

    dou etape distincte una de cealalt, vezi figura 5.2: 1. Modelarea i simularea sistemului de control cu Matlab/Simulink; 2. Descrierea n VHDL a algoritmilor de control i a altor componente conexe

    acestuia, implementarea n hardware i verificarea sistemului [83].

    Exist ns, posibilitatea ca proiectantul sistemului de control s aib cunotine insuficiente de limbaj VHDL astfel c, pentru a exploata avantajele arhitecturii FPGA i a evita o implementare greit, a doua etap trebuie s fie executat de un proiectant FPGA. Acesta la rndul su poate s nu fie expert n sisteme de control, iar implementarea s nu funcioneze exact cum a fost conceput de ctre proiectantul sistemului. De asemenea nu exist posibilitatea de a co-simula sistemul astfel c eventualele probleme pot fi observate foarte trziu, abia dup implementarea n FPGA i dup testarea circuitului.

    Figura 5.2 Metoda clasic de proiectare a SC

    implementabile n circuite digitale reprogramabile

    5.2 Metoda hardware-software propus pentru testarea/implementarea

    controlului hardware digital n figura 5.1 este prezentat multitudinea de programe care stau la dispoziia

    proiectantului de circuite digitale i sisteme de control. Mediul rezultat n urma unificrii respectivelor programe poate s par eterogen i poate crea confuzie celor nefamiliarizai cu proiectarea de circuite digitale. n continuare autorul propune un algoritm de proiectare a sistemelor de control implementabile hardware care s exploateze la maxim facilitile oferite de fiecare pachet de programe prezentat n figura 5.1.

    Algoritmul de proiectare a sistemelor de control propus este prezentat n figura 5.3. Din figura se poate observa c exist dou modaliti de implementare hardware a unui sistem de control digital, notate ca algoritm I i algoritm II. De asemenea se poate observa c indiferent de algoritmul abordat, un proiect trebuie s parcurg 6 etape ntre faza de proiectare, simulare, implementare i testare n hardware. n continuare vor fi prezentate cele 6 etape, urmrind diagrama din figura 5.4:

    1. Dup faza de elaborare a unei diagrame bloc a sistemului de control (vezi capitolul 6), n care intrrile i ieirile unui bloc sunt bine definite de asemenea i funcionarea acestuia, se poate trece la descrierea blocurilor. Astfel c, n prima etap se va alege modul optim de descriere a blocurilor sistemului de control. n funcie de rolul blocului aceste descrieri pot fi bazate pe diagrame de stare (FSM-finite state machine), pe blocuri de tip IP (proprietate intelectual ), pe reprezentri schematice i cel mai important n cod HDL (VHDL sau Verilog). Oricare ar fi modalitile de descriere alese iniial, n general din prima etap proiectul este convertit pentru urmtoarea etap sub form de cod HDL.

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    31

    Figura 5.3 Metoda hardware-software propus pentru implementarea/ testarea controlului hardware digital

    2. n cea de a doua etap descrierea HDL va trece prin faza de sintez, dup care se va

    putea face o simulare funcional folosind simulatorul logic ModelSim proprietar firma ModelTech.

    3. Dac simularea funcional este satisfctoare se va trece la implementarea blocului proiectat, astfel c se vor executa automat fazele de translatare, mapare i plasare a logicii de configurare. n aceast faz fiind necesare bibliotecile tehnologice, de la productorul circuitului care urmeaz a fi programat.

    4. Dup implementare se poate trece la generarea fiierului de configurare. Cel mai frecvent de tip PROM (format .mcs) pentru programarea memoriei flash, sau de tip bitstream (format .bit) pentru programarea direct a circuitului FPGA.

    5. Pentru configurarea efectiv a circuitului FPGA se apeleaz la programul iMPACT, care prin intermediul portului paralel al calculatorului i a unui cablu JTAG va trimite irul de bii ctre placa care conine memoria flash i circuitul FPGA.

    6. n ultima etap se poate face o testare a comportamentului n hardware a blocului de control proiectat. Pentru aceasta se folosete programul ChipScope.

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    32

    Algoritmul I ale crui etape au fost descrise, reprezint modalitatea clasic de implementare hardware a unui sistem digital. Avantajul acestui algoritm const n faptul c este bine cunoscut de proiectanii de circuite digitale, mai puin ns de cei de sisteme de control. De asemenea un alt avantaj este c acest algoritm este integrat n medii complete de proiectare, cum ar fi XILINX ISE, nefiind necesar nvarea altor softuri suplimentare. Un dezavantaj este faptul c proiectantul unui sistem de control, pentru a aplica acest algoritm, trebuie s fie bun cunosctor a unui limbaj HDL i a unui mediu de dezvoltare pentru acest limbaj. Un alt dezavantaj este reprezentat de modalitatea destul de greoaie de simulare testare, a proiectului. Este necesar scrierea de coduri HDL suplimentare (aa numite testbench-uri) necesare generrii stimulilor pentru simulare. Cnd proiectul devine complex acesta devine greu de administrat. Un alt dezavantaj, poate cel mai important, este reprezentat de faptul c nu este posibil ca sistemul, n faza de testare, s interacioneze cu modele matematice ale procesului pe care trebuie s-l controleze. Astfel c n faza de testare n hardware pot s apar situaii neprevzute. Practic urmnd acest algoritm nu vom avea nici o interaciune ntre sistemul de control i sistemul controlat dect n faza final cnd sistemul de control este implementat n hardware, vezi figura 5.1.

    Algoritmul II de proiectare a unui sistem de control este dezvoltat s respecte aceleai etape ca i algoritmul I, ns are o flexibilitate mai mare i vine s compenseze toate dezavantajele amintite anterior. Acest algoritm se bazeaz pe platforma Simulink/System Generator, care are la baz o bibliotec cu blocuri parametrizabile, simulabile cu Simulink i implementabile n FPGA. n prima etap a acestui algoritm descrierea proiectului se face folosind blocurile din biblioteca programului sau pot s integreze coduri HDL (descrise n algoritmul I) sub form de blocuri numite black box. n urmtoare etap, proiectantul are trei opiuni. Astfel, el poate s aleag ntre a face o simulare folosind resursele Simulink (Scope), semnalul va fi reprezentat analogic (amplitudine funcie de timp, sau raportat la alt semnal). A doua opiune este reprezentat de aa numita co-simulare HDL, n care se folosete ca simulator programul ModelSim, semnalul va fi reprezentat digital, vizualizarea acestuia putndu-se face pentru perioade de timp relativ scurte. Ultima opiune este reprezentat de co-simularea HIL, n care se face direct verificare proiectului implementat n hardware. Trecerea direct la aceast etap nainte de ce de co-simulare HDL nu este recomandat deoarece exist anse foarte mari ca proiectul implementat s conin erori. Din diagrama 5.3 se poate observa c algoritmul II n faza de implementare hardware se bazeaz tot pe algoritmul I, doar c unele etape sunt comprimate. Cu A, B, C s-au notat cele trei zone unde algoritmul II poate interaciona (A) sau chiar este obligat s interacioneze (B,C) cu algoritmul I. n faza de descriere se poate observa c, diagrama cu blocuri System Generator poate fi convertit n fiier HDL, i se poate continua cu simularea i implementarea acesteia folosind algoritmul I. De asemenea este posibil ca dup descrierea cu blocuri s se treac direct la generarea fiierului bitstream (punctul B) i implementarea acestuia, lucru nerecomandat ns fr a se face o co-simulare HDL n prealabil. Din cele expuse se pot observa uor avantajele oferite de cea de a doua metod. Astfel, flexibilitate este evideniat prin multitudinea de opiuni pe care proiectantul le are nc din faza de descriere. n faza de simulare s-a putut vedea c exist trei modaliti care acoper att simularea n domeniul de timp continuu, simulare necesar deoarece sistemul de control interacioneaz cu sistemul controlat care este analogic i poate fi descris prin funcii de transfer continue. De asemenea este acoperit i simularea digital a sistemului cu precizie ridicat, lucru foarte util pentru frecvene mari , respectiv testarea dup implementarea n hardware.

  • Contribuii la dezvoltarea unui mediu integrat hardware-software pentru controlul motoarelor electrice cu circuite logice programabile

    33

    5.3 Metode de simulare i testare n timp real a sistemelor de control Simularea n timp real presupune c semnalele de intrare i de ieire ale sistemului

    simulat prezint aceleai valori raportate la timp, ca i semnalele sistemului real. Pe durata procesului de proiectare a sistemului de control (SC) sunt posibile diferite tipuri de simulri: simulri fr limit de timp, practic controlul prototipului, simulri pariale n timp real, n care sunt simulate numai o parte a componentelor buclei de control (hardware in the loop) i simulri n care att componentele buclei de control ct i procesul controlat sunt reprezentate prin modele matematice (software in the loop) vezi figura 5.4.a, [130]. n aceast lucrare se propune un nou tip de simulare mixt, bazat pe simularea cu hardware n bucl (HIL), vezi figura 5.4.b. La acest tip de simulare att componentele buclei de control ct i sistemul controlat sunt reale. n software (Simulink) fiind achiziionate doar semnalele de control ale sistemului i semnalele reprezentnd rspunsul sistemului, iar simularea fiind fr limit de timp. Aceast metod de simulare este util la monitorizarea din interior a activitii sistemului i permite i vizualizarea acelor semnale cu o evoluie rapid n timp, n acest caz rspunsul sistemului la un semnal de tip treapt.

    Figura 5.4.a Metode cunoscute de simulare n timp real

    Figura 5.4.b Metoda propus pentru simulare-testare n timp

    real

    5.3.1 Metoda de Co-simulare HDL Diagrama din figura 5.1 prezint una din modal


Recommended