Capitolo 5. Implementazione sperimentale del controllo

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1 Capitolo 5 Implementazione sperimentale del controllo 5.1 Allineamento, azzeramento della posizione e compensazione dell offset delle correnti acquisite La tecnica del controllo vettoriale consiste nella scomposizione della corrente di statore nelle due componenti d e q. Il sistema di riferimento (d,q) è tale da avere l asse d allineato con il vettore rappresentativo del flusso di rotore e l asse q in quadratura. Per un motore sincrono, il vettore rappresentativo del flusso di rotore, e di conseguenza anche l asse d, ruotano solidali con il rotore, quindi per proiettare un qualsiasi vettore nel riferimento (d,q), bisogna necessariamente conoscere la posizione del rotore. Inoltre per un PMSM è fondamentale conoscere la posizione iniziale dell asse d, prima di avviare il controllo vettoriale; solo in tal modo, infatti, è possibile stabilire in quale direzione devono essere iniettate le componenti di coppia e di flusso della corrente statorica per avviare il motore. Per un PMSM quindi, bisogna conoscere quanto la posizione iniziale dell asse d si discosta da una direzione presa come riferimento, per esempio quella della fase a di statore. Ovviamente, conviene fare in modo che la posizione iniziale dell asse d coincida con la direzione della fase a, in modo da non dover valutare lo scostamento. A tal scopo, si possono utilizzare diverse tecniche di allineamento. Terminata la procedura di allineamento, bisogna che la posizione di rotore acquisita sia posta a zero. 84

2 LISAR - Laboratorio Intersettoriale Scientifico di Automazione e di Robotica Un problema simile è rappresentato dall acquisizione delle correnti, perché queste sono affette da un certo errore, detto offset. Infatti si vede che, anche quando le correnti sono nulle, il sistema di acquisizione fornisce un valore diverso da zero. Quindi bisogna effettuare una procedura che calcola l offset sulle correnti, acquisite quando l azionamento non è in funzione, e lo sottrae ai valori che le correnti assumono durante il funzionamento. In questo modo il valore acquisito di corrente sarà diverso da zero solo quando l azionamento è in funzione. L azzeramento della posizione e delle correnti acquisite costituiscono due procedure che, insieme alla procedura di allineamento, vanno fatte necessariamente prima di avviare il motore. In particolare queste procedure sono state implementate in modo da avere un unico processo che automaticamente le esegue Diagramma a blocchi In Fig. 5.1 è riportato il software creato in ambiente Matlab/Simulink per essere implementato sulla scheda a microprocessore DS1104 R&D allo scopo di controllare il motore. Il software deve essere compilato mediante il toolbox Real Time Workshop di Matlab, uno strumento che genera un programma in linguaggio C a partire dai diagrammi a blocchi di Simulink. Il programma così generato può quindi essere usato per applicazioni di controllo in tempo reale. 85

3 Fig 5.1: Schema di controllo Matlab/Simulino In aggiunta ai blocchi di Simulino, usati per realizzare la simulazione dell azionamento, occorre inserire i blocchi di interfaccia che collegano la scheda della dspace con il mondo esterno. Questi blocchi sono contenuti nel software di Matlab dspace RTI Di seguito se ne riporta una breve descrizione. Il blocco DS1104ADC_Cx, riportato in figura 5.2, è utilizzato per l acquisizione delle correnti e della tensione V dc. Esso consente di leggere da uno solo dei quattro canali convertitori A/D del pannello connettore, inoltre effettua la conversione tra segnale in ingresso e segnale in uscita secondo la tabella

4 LISAR - Laboratorio Intersettoriale Scientifico di Automazione e di Robotica Fig 5.2: DS1104ADC_Cx Input Voltage Range V Simulink Output Tab 5.1 Il blocco DS1104DAC_Cx, mostrato in figura 5.3, permette di scrivere in uno solo degli otto canali convertitori D/A del pannello connettore. Esso converte il segnale d ingresso in una tensione analogica in uscita secondo la tabella 5.2. Fig. 5.3: DS1104DAC_Cx Simulink Input Output Voltage Range V Tab 5.2 Nel caso specifico, il blocco rende disponibile in uscita il riferimento di coppia per il carico, quando questo è controllato in remoto. Il blocco DS1104ENC_SETUP, in figura 5.3, setta i parametri globali dei due canali dell encoder. Esso deve essere situato nel modello per poter utilizzare tutti gli altri blocchi di interfaccia dell encoder. Per i due canali possono essere scelti due tipi di segnali: Differential (RS422); 87

5 Single-ended (TTL). Fig. 5.3: DS1104ENC_SETUP Il blocco DS1104ENC_POS_Cx, riportato in figura 5.4, legge le posizione e la variazione della posizione di uno dei due canali dell encoder. Permette inoltre di inizializzare la posizione dell encoder all inizio della simulazione. Fig. 5.4: DS1104ENC_POS_Cx Il blocco DS1104SL_DSP_PWM, mostrato in figura 5.5, genera i segnali standard PWM con duty-cycle variabili. Il valore dei duty-cycle deve essere settato all inizio della simulazione e deve essere compreso nel range 0 1, come è riportato dalla tabella 5.3. Fig. 5.5: DS1104SL_DSP_PWM Simulink Input 0..1 Duty-Cycle % Tab

6 LISAR - Laboratorio Intersettoriale Scientifico di Automazione e di Robotica Il blocco DS1104SL_DSP_PWM3, in figura 5.6, genera i segnali trifasi PWM con uscite invertite e non invertite, duty-cycle variabili e tempi morti variabili. Quando il DS1104SL_DSP_PWM3 viene utilizzato, viene inviato un interrupt PWM dallo slave DSP al master PPC. Il valore dei duty-cycle deve essere settato all inizio della simulazione e deve essere compreso nel range 0 1, come si vede dalla tabella 5.4. Fig. 5.6: DS1104SL_DSP_PWM3 Simulink Input 0..1 Duty-Cycle % Tab 5.4 Il blocco DS1104SLAVE_PWMINT, in figura 5.7, rende disponibile l interrupt PWM dello slave DSP della scheda come sorgente di trigger. Esso è generato nel mezzo della fase alta o della fase bassa (settandolo inizialmente) del periodo dell onda PWM. Fig. 5.7: DS1104SLAVE_PWMINT Il trasferimento delle misure dai sensori alla scheda di acquisizione richiede appositi blocchi, riportati in figura 5.8, per il controllo in tempo reale dell azionamento. Quando task a differenti livelli di priorità devono essere eseguiti, i dati trasferiti potrebbero perdere la loro integrità a meno che il trasferimento non sia bufferizzato. Per comprendere meglio tale problema si osservi la figura

7 Fig. 5.8: BUFFERED TASK TRANSITION Fig. 5.9: Trasferimento di dati non bufferizzato Il task ad alta priorità (T High ) fornisce i dati al task a bassa priorità (T Low ). Se durante l esecuzione del T Low giunge un interrupt (1) relativo al T High, il primo viene interrotto e si verifica la perdita di parte dei dati precedentemente processati. Il T Low legge i nuovi dati quando è richiamato in esecuzione (3). Quando il trasferimento di dati è bufferizzato, si verifica la situazione mostrata in figura

8 LISAR - Laboratorio Intersettoriale Scientifico di Automazione e di Robotica Fig. 5.10: Trasferimento di dati bufferizzato Se il T High è triggerato (1) mentre T Low legge i vecchi dati (2) dal buffer A, esso scrive i nuovi dati nel buffer B (3). Quando il T Low è richiamato in esecuzione continua a leggere i vecchi dati dal buffer A (5), mentre i nuovi saranno letti nella successiva esecuzione (6). In tal modo si mantiene sempre l integrità dei dati trasferiti. Nelle figure seguenti è riportato il contenuto dei blocchi principali dello shema di controllo. 91

9 Fig. 5.11: Blocco di acquisizione della posizione e della velocità Fig. 5.12: Blocco di acquisizione delle correnti con calcolo ed eliminazione degli offset 92

10 LISAR - Laboratorio Intersettoriale Scientifico di Automazione e di Robotica Fig. 5.13: Blocco di acquisizione della V dc con calcolo e correzione dell offset e calcolo delle tensioni di fase a partire dai duty-cycle Fig. 5.14: Blocco ProcessManager 93

11 5.2 Il software ControlDesk Il software ControlDesk della dspace è l interfaccia tra la scheda DS1104 R&D e l utente. Esso è un un pacchetto di software che consiste nei seguenti moduli: Experiment management, che consente di controllare tutti i dati relativi ad un esperimento. L esperimento può essere caricato con la sola operazione di compilazione del modello in Simulink mediante il tasto Build della finestra Simulation/Simulation parameters/real-time Workshop. Hardware management, che permette di configurare l hardware della dspace e manipolare le applicazioni mediante una interfaccia grafica. Instrumentation kits, che offre una varietà di strumenti virtuali e di acquisizione dati. Nella barra Menu di ControlDesk, si seleziona View/Controlbars/Tool Window per avere a disposizione i due tab: Log Viewer e File Selector. Selezionando Log Viewer sono visualizzati messaggi generati da ControlDesk. Dopo avere aperto ControlDesk, i messaggi sono solo di start-up. Quando si compila il programma in Simulink, sono visualizzate anche informazioni sui dati, il messaggio di avvenuto caricamento dell esperimento ed, eventualmente, sono segnalati warning ed errori. Selezionando File Selector si può scegliere e caricare l esperimento con una semplice operazione di drag & drop. La procedura di caricamento consiste nel trascinare il file di tipo model.sdf nella finestra Navigator, ottenuta selezionando View/Controlbars/Navigator e mostrata in figura

12 LISAR - Laboratorio Intersettoriale Scientifico di Automazione e di Robotica Fig. 5.15: Navigator Usando gli strumenti a disposizione, si può costruire un vero e proprio pannello di misura e controllo (layout), sul PC dotato della scheda DS1104 R&D, allo scopo di acquisire e visualizzare i dati d interesse e variare i parametri di controllo (ad esempio le costanti proporzionali ed integrali dei controllori di tipo PI) durante l esecuzione dell esperimento. Nella barra Menu di ControlDesk si seleziona View/Controlbars/Instrument Selector per avere a disposizione gli strumenti virtuali (Virtual Instruments), in modo da visualizzare i dati d interesse e variare i parametri di controllo, e gli strumenti di acquisizione dati (Data Acquisition), allo scopo di acquisire i segnali desiderati. Inoltre, l Instrument Selector permette di costruire nuovi gruppi di strumenti, per un accesso facile e veloce ad essi, selezionando Custom Instruments. L Instrument Selector è mostrato in figura Una volta selezionato lo strumento lo si inserisce nel layout, quando si è nella modalità Edit Mode. 95

13 Fig. 5.16: Instrument Selector Nella barra Menu di ControlDesk si seleziona View/Controlbars/Capture Settings per avere la possibilità di acquisire, premendo il pulsante Save, i dati sperimentali in appositi file del tipo model.mat. La finestra di dialogo Capture Settings è mostrata in figura Essa consente anche di scegliere l intervallo di tempo (ad esempio 1.2 s) in cui visualizzare i segnali riportati nei plotter, di ripetere (attivando Auto Repeat) la visualizzazione ogni 1.2 s, di scegliere il fattore di decimazione o sottocampionamento (Downsampling), di triggerare i segnali campionati usando uno di essi come segnale di trigger, fissandone il livello e il ritardo (Level e Delay). 96

14 LISAR - Laboratorio Intersettoriale Scientifico di Automazione e di Robotica Fig. 5.17: Finestra di dialogo Capture Settings Per caricare l esperimento o iniziare una simulazione si preme il pulsante indicato con un triangolino, nella barra degli strumenti. Per fermare l esperimento o la simulazione si preme il pulsante indicato con un quadratino, nella barra degli strumenti I layout dell esperimento La caratteristica principale di un sistema di prototipizzazione rapida, come questo in cui è presente la scheda di controllo DS1104 R&D della dspace, è la possibilità di monitorare e, contemporaneamente, cambiare i parametri di interesse in tempo reale, mentre la sperimentazione è in atto. Il software ControlDesk permette appunto di creare uno o più layout nei quali inserire interruttori, manopole, display ecc. in modo da poter interagire il più possibile con l esperimento in atto. Per l analisi e il controllo dell esperimento sono stati realizzati diversi layout: quattro per l interazione con il primo motore e due per l interazione con il motore che funge da carico. Tutti i layout presentano una parte comune costituita, oltre che dalla finestra Capture Settings, anche da CheckButton, Display, Slider, NumericInput, StaticText, PushButton, RadioButton e MultiStateLED il cui scopo è quello di gestire le 97

15 varie fasi dell esperimento: dal processo automatico di avviamento all abilitazione dei diversi tipi di controllo. In particolare, ci sono: un CheckButton (Enable) che assume gli stati 1/0 per abilitare le procedure iniziali; due display (PrNum) per la visualizzazione del numero e del nome della procedura in fase di esecuzione; un Radiobutton (CtrlEN) per la scelta del tipo di controllo da eseguire; un MultiStateLED (Fault) per il rilevamento delle diverse condizioni di guasto (superamento dei limiti della corrente e della V dc ); un PushButton (FaultRST) che, premuto, permette di riprendere il controllo del sistema dopo che la causa del guasto è stata eliminata; un CheckButton (ENInput) per la scelta del riferimento di velocità; due NumericInput (wr*a e wr*m) per l impostazione dell ampiezza del riferimento di velocità; due NumericInput (isq*a e isq*m) per l impostazione dell ampiezza del riferimento di corrente; un display (Vdc) per la visualizzazione del valore della V dc ; un MultiStateLED (Vdc) per il rilevamento del funzionamento da generatore; un PushButton (OffsetEN) per l azzeramento dell offset della tensione V dc. In ogni pannello di controllo sono inoltre visualizzate, tramite plotter, le diverse grandezze d interesse: velocità elettrica di rotore, correnti e tensioni di fase, tensione V dc, componenti delle correnti secondo gli assi d e q di rotore, posizione elettrica, dutycycle Cliccando sul CheckButton Enable, sono avviate le procedure iniziali. Terminata questa fase, per abilitare il controllo di velocità, è sufficiente selezionare la voce Speed Ctrl. È possibile scegliere tra due riferimenti di velocità: uno che varia automaticamente 98

16 LISAR - Laboratorio Intersettoriale Scientifico di Automazione e di Robotica tra un valore massimo positivo, un valore massimo negativo e lo zero; l altro in cui queste operazioni possono essere compiute manualmente dall utente mentre l esperimento è in atto. In entrambi i casi è comunque possibile variare l ampiezza della velocità di riferimento agendo sui NumericInput corrispondenti (wr * a e wr * m). Per variare il riferimento di coppia nelle due situazioni sopra citate, basta agire sul NumericInput isq * a e sul NumericInput isq * m rispettivamente. Fig. 5.18: Layout dell esperimento 99

17 5.3 Risultati sperimentali Nelle pagine che seguono sono riportati vari risultati ottenuti durante le prove sull azionamento. In particolare, è stato riportato l andamento di velocità, correnti i s,d e i s,q e duty-cycle della fase a durante il funzionamento del motore a diversi regimi di velocità. Allo scopo di confrontare i risultati sperimentali con quelli ottenuti in simulazione, si riportano le risposte del sistema nelle condizioni di funzionamento analizzate nel capitolo Risposte al riferimento di velocità in assenza di coppia di carico Fig. 5.19: Andamento della velocità di rotore con ω rmax =200 rad/s 100

18 LISAR - Laboratorio Intersettoriale Scientifico di Automazione e di Robotica Fig. 5.20: Andamento delle correnti i s,d e i s,q con ω rmax =200 rad/s Fig. 5.21: Andamento del duty-cycle della fase a con ω rmax =200 rad/s 101

19 Fig. 5.22: Andamento della velocità di rotore con ω rmax =400 rad/s Fig. 5.23: Andamento delle correnti i s,d e i s,q con ω rmax =400 rad/s 102

20 LISAR - Laboratorio Intersettoriale Scientifico di Automazione e di Robotica Fig. 5.24: Andamento del duty-cycle della fase a con ω rmax =400 rad/s Fig. 5.25: Andamento della velocità di rotore con ω rmax =600 rad/s 103

21 Fig. 5.26: Andamento delle correnti i s,d e i s,q con ω rmax =600 rad/s Fig. 5.27: Andamento del duty-cycle della fase a con ω rmax =600 rad/s 104

22 LISAR - Laboratorio Intersettoriale Scientifico di Automazione e di Robotica Fig. 5.28: Andamento della velocità di rotore con ω rmax =800 rad/s Fig. 5.29: Andamento delle correnti i s,d e i s,q con ω rmax =800 rad/s 105

23 Fig. 5.30: Andamento del duty-cycle della fase a con ω rmax =800 rad/s Risposte al riferimento di velocità in presenza di coppia di carico Il riferimento di coppia è applicato, in maniera automatica, 0.15 s dopo il riferimento positivo di velocità. Il suo valore è diverso da zero per 0.65 s. Si riportano i risultati ottenuti in presenza della coppia di carico nominale. 106

24 LISAR - Laboratorio Intersettoriale Scientifico di Automazione e di Robotica Fig. 5.31: Andamento della velocità di rotore con ω rmax =200 rad/s Fig. 5.32: Andamento delle correnti i s,d e i s,q con ω rmax =200 rad/s 107

25 Fig. 5.33: Andamento del duty-cycle della fase a con ω rmax =200 rad/s Fig. 5.34: Andamento della velocità di rotore con ω rmax =400 rad/s 108

26 LISAR - Laboratorio Intersettoriale Scientifico di Automazione e di Robotica Fig. 5.35: Andamento delle correnti i s,d e i s,q con ω rmax =400 rad/s Fig. 5.36: Andamento del duty-cycle della fase a con ω rmax =400 rad/s 109

27 Fig. 5.37: Andamento della velocità di rotore con ω rmax =600 rad/s Fig. 5.38: Andamento delle correnti i s,d e i s,q con ω rmax =600 rad/s 110

28 LISAR - Laboratorio Intersettoriale Scientifico di Automazione e di Robotica Fig. 5.39: Andamento del duty-cycle della fase a con ω rmax =600 rad/s Fig. 5.40: Andamento della velocità di rotore con ω rmax =800 rad/s 111

29 Fig. 5.41: Andamento delle correnti i s,d e i s,q con ω rmax =800 rad/s Fig. 5.42: Andamento del duty-cycle della fase a con ω rmax =800 rad/s 112