Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Przegląd aktualnych rozwiązań w projektowaniu stopni mocy sterowników napędów bezpośrednich

Mars P., Góra G., Petko M., Karpiel G.

Maszyny Elektryczne : zeszyty problemowe

|

2018

|

Nr 3 (119)

17--22

PL

Napędy bezpośrednie są obecnie stosowane w wielu dziedzinach przemysłu, zwłaszcza w aplikacjach wymagających zapewnienia dużego momentu napędowego przy jednocześnie wysokiej dokładności odwzorowania trajektorii sterowania. Ostatnie lata przedstawiają bardzo silny rozwój coraz to nowszych konstrukcji napędów bezpośrednich oraz ciągłą optymalizację istniejących rozwiązań. Równocześnie przebiega nieustanny proces udoskonalania układów sprzętowych sterowników napędów bezpośrednich oraz rozwój zaawansowanych algorytmów sterowania. Artykuł opisuje istniejące rozwiązania elektronicznych układów stopni mocy stosowanych w sterownikach napędów bezpośrednich małej, średniej oraz dużej mocy. Omówiono budowę podstawowych układów kluczujących z wykorzystaniem tranzystorów MOSFET oraz IGBT. W treści referatu wymieniono wady i zalety poszczególnych topologii przekształtników energoelektronicznych jedno i wielopoziomowych. Opisano również budowę zintegrowanych modułów mocy oraz inteligentnych modułów mocy tzw. IPM (ang. Intelligent Power Module). W finalnej części artykułu uwydatniono najbardziej obiecujące trendy w projektowaniu stopni mocy sterowników napędów bezpośrednich.

EN

Direct drives are currently used in many fields of industry, especially in applications requiring high torque with high accuracy of control trajectory mapping.Recent years show a very strong development of more and more new designs of direct drives and continuous optimization of existing solutions. At the same time, there is a continuous process of improving the hardware systems of direct drive controllers and the development of advanced control algorithms. The article describes existing solutions of electronic power stage systems used in low, medium and high power direct drives’ controllers.The construction of basic switching circuits using MOSFET and IGBT transistors is discussed. The content of the paper lists the advantages and disadvantages of individual topologies of single and multi-level power converters.The construction of integrated power modules and intelligent power modules so called IPMis also described. The final part of the article highlights the most promising trends in the power stages designing of direct drives' controllers.

2

Analiza mocy obliczeniowej platform sprzętowych dla wieloosiowego sterownika napędów bezpośrednich

Góra G., Mars P., Petko M., Karpiel G.

Maszyny Elektryczne : zeszyty problemowe

|

2018

|

Nr 3 (119)

23--28

PL

Klasyczna architektura układu sterowania urządzeń mechatronicznych składa się z jednego nadrzędnego sterownika oraz sterowników osi, skonfigurowanych do pracy w trybie pozycyjnym, prędkościowym lub momentowym. Wynika to z podziału funkcjonalnego systemu oraz rozłożeniu mocy obliczeniowej i zasobów sprzętowych na kilka niezależnych jednostek. Jednak współczesne platformy sprzętowe dysponujące wysokimi mocami obliczeniowymi oraz posiadające dużą ilość zasobów, w postaci sprzętowych interfejsów, wbudowanych modułów oraz portów ogólnego przeznaczenia, pozwalają na integrację sterownika głównego oraz sterowników osi w jednym układzie scalonym. W artykule przedstawiono porównanie mocy obliczeniowej siedmiu wersji systemów bazujących na układach FPGA oraz mikrokontrolerach z rdzeniem ARMCortex Mx. Testów wydajności dokonano poprzez implementację pętli prądowej sterownika napędu bezpośredniego, składającej się z transformacji Clarka i Parka, regulatora PI, modułu normalizacji jednostek oraz modulatora typu SPWM. Przedstawiono również poziom wykorzystania zasobów sprzętowych układu FPGA w przypadku użycia soft-procesora Nios II wspomaganego sprzętową jednostką zmiennoprzecinkową pojedynczej precyzji FPU oraz dodatkowymi instrukcjami koprocesora do obliczenia funkcji trygonometrycznych.

EN

The classic control system architecture of mechatronic devices consists of one master controller and axle controllers configured to work in positional, velocity or torque mode. This is due to the functional system division and the distribution of computing power and hardware resources to several independent units. However, modern hardware platforms with high computing power having a large amount of resources, in the form of hardware interfaces, built-in modules and general purpose ports enable integration of the main controller and axis controllers into a single integrated circuit. The article presents a comparison of the computing power of seven versions of systems based on FPGA chips and microcontrollers with ARM-Cortex Mx core. Performance tests were carried out by the direct drive controller’s current loop implementation consisting of the Clark and Park transforms, the PI controller, the unit normalization module and the SPWM type modulator. The level of the FPGA system hardware resources utilization was also presented in the case of Nios II soft processor usage, supported by the single-precision floating-point FPU hardware unit and additional coprocessor instructions for the trigonometric functions calculation.

3

Universal DLL based components for simulations of multiphysical electro-thermal systems

Chmielewski T., Mars P., Miśkiewicz M., Błaszczyk P.

Przegląd Elektrotechniczny

|

2017

|

R. 93, nr 9

78--82

EN

This paper presents the procedures for universal models preparation of components and devices that can be used in various simulation software environments that can be used for electro-thermal systems analysis. Such approach is applicable for multiphysical analyses in areas such as electrical engineering, electronics and physics. The proposed method that involves generation of DLL libraries is explained based on multiphysical model comprising electric and thermal subsystems. The paper highlights a complementary benefit of models black-boxing that may play an important role for know-how protection. The analyses performed herein revealed that proposed universal models are able to produce credible quantitative results in case of all considered software environments (PSCAD, Matlab, DIgSILENT), however with significant differences in the recorded computation time.

PL

Niniejszy artykuł przestawia metodę przygotowania uniwersalnych modeli komponentów, możliwych do użycia w różnych środowiskach symulacyjnych służących do analiz multifizyczyny w dziedzinach takich jak elektrotechnika, elektronika i fizyka. Zaproponowana metodyka uwzględniająca generację bibliotek DLL została przedstawiona w oparciu o multifizyczny model składający się z części termicznej i elektrycznej. Przeprowadzona analiza wykazała dużą zbieżność wyników pomiędzy rozpatrywanymi programami symulacyjnymi (PSCAD, Matlab, DIgSILENT), jednakże z zauważalnymi różnicami w długości trwania obliczeń.

4

Sprzętowa implementacja transformacji Clarka i Parka

Góra G., Karpiel G., Mars P., Sitek R., Goczał M.

Maszyny Elektryczne : zeszyty problemowe

|

2017

|

Nr 1 (113)

23--28

PL

Wykorzystanie układu FPGA jako platformy sprzętowej pozwala na równoległe przetwarzanie zadań oraz implementację wielu systemów na jednym układzie fizycznym. Te zalety układów reprogramowalnych skłoniły autorów do przedstawienia koncepcji systemu, który pozwala na implementację wielu sterowników dla napędów bezpośrednich małych i średnich mocy na jednym układzie fizycznym. Implementacja transformacji Clarka i Parka jest konieczna, aby proponowany system dawał możliwość zaprojektowania sterowników pracujących w trybie prądowym. Elementami zaprojektowanego modułu sprzętowej transformacji prądów fazowych do współrzędnych (d,q) są: komponent wykorzystujący algorytm CORDIC do wyznaczania wartości funkcji trygonometrycznych kąta wejściowego, zaimplementowany algorytm mnożenia sekwencyjnego oraz maszyna stanu, której zadaniem jest wyznaczenie transformaty przy pomocy wcześniej opisanych komponentów oraz podstawowych operacji arytmetycznych i logicznych. W celu weryfikacji zaimplementowanego modułu sprzętowego przygotowano system bazujący na softprocesorze Nios II umożliwiający: przygotowanie pseudolosowych danych wejściowych, weryfikację poprawności otrzymywanych wyników oraz pomiar czasu wykonywania transformacji przez testowany moduł. W podsumowaniu omówiono otrzymane błędy numeryczne oraz przedstawiono zalety i wady opracowanego modułu.

EN

The FPGA chip utilization as a hardware platform enables the parallel processing of tasks and multiple systems on a single chip implementation. These advantages of the reprogrammable chips led authors to present the concept of the system, which allows the implementation of multiple controllers for the small and medium power direct drives on a single physical system. The Clarke and Park transformations implementation is essential to gives the possibility to design the working in current mode controllers for the proposed system. The designed module elements for hardware transformation of phase currents to the (d,q) coordinates are: component utilizing CORDIC algorithm for the calculation of trigonometric functions values of the input angle, the implemented sequential multiplication algorithm as well as the state machine which aims to determine the transform using the previously described components and basic arithmetic and logic operations. In order to verify the implemented hardware module, the system based on soft-processor Nios II was prepared which enables: preparation of pseudo-random input data, verification of the correctness of the obtained results, and the transformation execution time measurement of the tested module. In the conclusion, the obtained numerical errors were discussed as well as advantages and disadvantages of the developed module was presented.

5

Aproksymacja funkcji trygonometrycznych w algorytmach komutacji elektronicznej napędów bezpośrednich

Góra Grzegorz, Karpiel G., Mars P., Sitek R., Goczał M.

Maszyny Elektryczne : zeszyty problemowe

|

2017

|

Nr 1 (113)

15--21

PL

W przypadku funkcji trygonometrycznych, które są wykorzystywane w algorytmach komutacji elektronicznej napędów bezpośrednich już aproksymacja wielomianem stopnia drugiego pozwala na uzyskanie dobrego przybliżenia, a powstałe różnice nie muszą w niekorzystny sposób wpływać na pracę napędu. W celu przeanalizowania rezultatów aproksymacji, zaimplementowano trzy moduły sprzętowe SPWM, w których do obliczania wartości funkcji trygonometrycznych wykorzystano następujące algorytmy: CORDIC z dokładnością 16-bitową i 12-bitową oraz proponowaną aproksymację wielomianem kwadratowym. Badanie wpływu zastosowanych algorytmów na pracę silnika przeprowadzono na trzech wersjach sterownika pozycyjnego, bazujących na regulatorze typu PI, wykorzystujących wcześniej zaprojektowane bloki sprzętowe elektronicznej komutacji SPWM. Jako platformę sprzętową do budowy sterownika pozycyjnego wykorzystano układ FPGA Cyclone IV firmy Altera oraz prototyp stopnia mocy oparty na tranzystorach typu Power MOSFET. Eksperyment przeprowadzono wykorzystując trajektorię, która dobrze testuje zarówno stany statyczne jak i przejściowe o zmiennej dynamice. W podsumowaniu omówiono otrzymane różnice w rezultatach oraz przedstawiono zalety i wady zastosowania aproksymacji wielomianem kwadratowym w module elektronicznej komutacji.

EN

In the case of trigonometric functions which are utilized in the direct drives’ electronic commutation algorithms, the using of quadratic polynomial approximation allows obtaining a good approximation, and the arising differences do not adversely affect the drive operation. In order to analyze the results of approximation, the three SPWM hardware modules were implemented inside which the calculation of trigonometric functions is realized by the following algorithms: CORDIC with the accuracy of 16-bit and 12-bit, as well as the proposed quadratic polynomial. The study of the utilized algorithms impact on the drive operation was carried out on the three different positional controllers which are based on PI regulators, using pre-designed SPWM electronic commutation hardware blocks. As a hardware platform for the positional controller building, the Altera’s Cyclone IV FPGA chip and the power stage prototype based on the Power MOSFET transistors were utilized. The experiment was performed using the trajectory that tests well both static and transient with variable dynamics states. In the conclusion, the obtained differences from results were discussed as well as advantages and disadvantages of the quadratic polynomial approximation application in the electric commutation module were presented.

6

Zastosowanie napędów bezpośrednich w urządzeniach mechatroniczych

Mars P.

Technical Issues

|

2015

|

nr 1

38--46

EN

The article provides a general introduction to the direct drive technology. It describes the basic divisions and types of the electric direct drives as well as their construction and properties. In addition, the article highlights the advantages and disadvantages of the direct drives. The paper also presents numerous applications of the direct drives including: wheeled vehicles, advanced numerically controlled machine tools, household appliances, generators, wind turbines, transportation devices, motion simulators as well as devices used in medicine and pharmacy. The summary contains development trends of the direct drive technology both in terms of the mechanical construction and the control system.