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Drive PMSM Sensorless per pompe di lavastoviglie utilizzando il dispositivo Freescale MC56F8006 2/2

Drive PMSM Sensorless per pompe di lavastoviglie utilizzando il dispositivo Freescale MC56F8006

Posizione del Rotore e stima della posizione
Generalmente, lo “stimatore” è definito come un sistema dinamico che stima variabili di stato. Vi sono di base due modalità con cui implementare uno stimatore: a ciclo aperto o a ciclo chiuso. Nel caso di stimatori a ciclo chiuso, l'errore fra le variabile di stato stimate e misurate è usato come parametro per la correzione delle successive risposte dello stimatore. Lo stimatore a ciclo chiuso è spesso definito come “osservatore”.

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L'osservatore EMF è basato sulla stima della forza elettromotrice. Il modello dell'EMF include sia la tensione indotta dai tradizionali EMF (magneti del rotore) sia la tensione indotta dall'induttanza dello statore. Ciò ci permette di stimare la posizione del rotore usando una stima dell'EMF. Questo approccio ha un limite: alle basse velocità, il segnale dell'EMF è molto tenue, quasi nullo, e l'osservatore diverge. Quando la velocità di funzionamento minima – necessaria per effettuare una stima valida – viene raggiunta, l'osservatore EMF stima la posizione del rotore e può essere utilizzata come un valido segnale di feedback per l'algoritmo vector control. La soglia della velocità minima di funzionamento (tensione) per una corretta “osservazione” dipende dalla costruzione del motore e può essere calcolata a partire dai parametri del motore o misurata direttamente sul motore.

L'algoritmo dell'osservatore calcola le seguenti equazioni risultanti dal modello matematico del PMSM:

mathematical_model_of_the_PMSM

dove s = d/dt (l'operatore differenziale) ke è la costante dell'EMF, re è la velocità angolare.

L'osservatore stesso stima le correnti di fase. La corrente stimata è confrontata con quella misurata e il valore dell'errore è rimandato/comunicato all'osservatore per una correzione di segnale. Questo mantiene l'osservatore stabile e convergente, cosicché le variabili di stato si manterranno vicine al loro valore reale. L'osservatore EMF può essere espresso nella seguente forma:

back_EMF_observer

dove estimated_stator_current_values sono i valori stimati delle correnti di statore espresse nel quadro di riferimento dello statore, estimated_back_EMF_voltage_values sono le tensioni dell'EMF stimate, F1(s) and F2(s) sono le stretegie di minimizzazione dell'errore dovuto alla differenza fra la corrente stimata e quella reale. Il diagramma dell'osservatore EMF è illustrata in Figure 3.

Block Diagram of Back EMF Observer
Figura 3. Diagramma di blocco dell'osservatore EMF

L'osservatore EMF ha come uscite due componenti: estimated_back_EMF_voltage_values. Questi due segnali racchiudono le informazioni circa la posizione del rotore. La posizione del rotore, che si traduce nell'angolo dell'albero del rotore, può essere determinato da una funzione tangente inversa dei due input. Troviamo ciò un valore per l'angolo del rotore ma non le informazioni sulla velocità.

Un altro approccio parecchio utilizzato per la stima della posizione del rotore e la velocità è comunemente noto come “angle tracking”. Utilizzando l'angle tracking, il rumore sulla posizione stimata può essere filtrato. Un altro vantaggio dell'angle tracking è che si produce anche una stima della velocità del rotore. La Figura 4 illustra la struttura dell'angle tracking:

Block Diagram of Angle Tracking Observer
Figure 4. Diagramma di Blocco dell'Angle Tracking

Implementazione dell'algoritmo di controllo

La tecnica vector control con la posizione del rotore e la stima della velocità basato su un osservatore EMF e sull'angle tracking è stata implementata con un dispositivo Freescale MC56F8006.

Ci sono 3 cicli di controllo che controllano la velocità, la coppia e il flusso. Gli algoritmi di controllo sono eseguiti tramite una routine ad interrupt di priorità. I cicli di controllo più interni sono i più critici (q-current e d-current) e sono eseguiti ogni 125us. Il ciclo di controllo più esterno (velocità) viene eseguito ogni millisecondo. I cicli di controllo più interni non devono essere interrotti, ciò viene assicurato assegnando ad essi livelli di priorità appropriati. Il metodo semplifica il design dell'applicazione, permettendo alla routine con interrupt a priorità di essere gestiti automaticamente dal processore. L'algoritmo di controllo analizza i seguenti segnali analogici: le tre correnti di fase del motore (ia, ib, ic). Questi segnali sono misurati utilizzando tre resistenze installate nella parte bassa di ognuno dei tre circuiti inverter
DC Bus voltage.

Ad ogni dato istante, solo due delle tre correnti di fase vengono misurate e la terza è calcolata. La corrente è visibile sulla resistenza, quando il corrispondente transistor è acceso. La finestra entro la quale la corrente può essere misurata dipende dal duty cycle del segnale di controllo generato dal PWM, quindi dobbiamo iniziare il processo di conversione ADC nell'istante più appropriato. Questo task complesso è portato a termine grazie ad un dispositivo hardware appositamente progettato nel modulo MC56F8006. Il modulo PWM genera impulsi per la sincronizzazione che sono configurabili e che possono essere usati come ingressi per un modulo delay block (PDB) programmabile. Gli impulsi di sincronizzazione sono poi elaborati dal modulo PDB e forniti come uscite direttamente al modulo ADC, permettendo così un controllo delle misure ADC molto preciso. Questo meccanismo di sincronizzazione è gestito tramite hardware, senza alcun intervento software. Il software deve solo occuparsi di leggere i registri in cui sono memorizzati i risultati della conversione ADC. L'applicazione descritta qui utilizza questa caratteristica e converte 6 segnali analogici ogni 125us. Il modulo ADC consiste di due convertitori ADC a 12-bit indipendenti che possono essere configurati per funzionare sequenzialmente, simultaneamente o in parallelo. Per campionare le correnti di fase, le misure ADC vengono effettuate su due fasi allo stesso tempo utilizzando la modalità di funzionamento in simultanea. Ciò produce un'accurata misura istantanea dalla quale tutte e tre le correnti di fase possono essere determinate.

Poiché l'osservatore EMF non funziona se la velocità è nulla o pressochè nulla, il rotore viene allineato portando il motore in uno stato noto (fase nota), in tal modo si conosce la posizione iniziale del rotore. Quindi, un algoritmo di startup a ciclo aperto viene applicato per accelerare il motore e portarlo ad una velocità alla quale l'osservatore EMF può fornire risultati accurati. Il passaggio poi da un controllo a ciclo aperto a uno a ciclo chiuso viene realizzato lentamente.

Un'immagine della pompa della lavapiatti in funzione è consultabile in Figura 5 mentre il dispositivo Freescale MC56F8006 è illustrato in figura 6

Running_Dishwasher_Pump_Demo
Figure 5. Demo della lavapiatti funzionante

3-Phase Inverter with Freescale MC56F8006 Device
Figure 6. Inverter a tre fasi con il Freescale MC56F8006

La soluzione implementata per la pompa della lavastoviglie viene strutturata in modo tale che l'algoritmo può essere adattato rapidamente a motori differenti. Il sistema di controllo è stato testato attraverso la velocità di funzionamento e il range del carico di coppia su un benchmark di controllo e in una lavapiatti moderna. L'applicazione rispecchia i requisiti richiesti dai produttori di lavastoviglie e verrà pubblicato sul sito web di Freescale come progetto e design di riferimento per futuri sviluppi.

by Jaroslav Lepka, Freescale Semiconductor, Inc.

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