Search

Tämä työ käsittelee virtaohjetaulukon avulla ohjatun hybridiaskelmoottorin käyttöä nosturisovelluksessa. Pääpaino on moottorin mallintamisella ja kentänheikennysalueen ohjauksella. Sinimuotoisilla virroilla syötetty hybridiaskelmoottori tuottaa vääntömomenttiin värähtelyn, joka voidaan kompensoida muokkaamalla vaihevirtoja sopivasti. Työssä tutkitussa moottorikäytössä värähtelyn kompensoivat vaihevirrat on tallennettu taulukkoon vääntömomenttiohjeen ja roottorin asennon funktiona. On havaittu, että moottorin tuottama vääntömomentti pienenee nopeuden funktiona tietyn nopeuden jälkeen. Tämä johtuu siitä, että välipiirin jännite ei enää riitä toteuttamaan vääntömomenttiohjeen mukaisia vaihevirtoja roottorin kestomagneetin synnyttämän vastasähkömotorisen voiman vuoksi. Vastasähkömotorisen voiman vaikutus voidaan kompensoida käyttämällä demagnetoivaa virtaa, mikä pienentää staattorivuon pitkittäiskomponenttia. Tätä kutsutaan kentänheikennykseksi. Moottorille johdettiin dynaaminen kaksiakselimalli, joka oletettiin rautahäviöttömäksi ja magneettisesti lineaariseksi. Mallinnusta varten moottorin induktanssit ja kestomagneetin vaihekäämeihin synnyttämät käämivuot mitattiin roottorin asennon funktiona. Vääntömomenttimittausten perusteella mallin todettiin kuvaavan moottorin toimintaa melko hyvin. Kentänheikennysaluetta tarkasteltiin samalla tavoin kuin avonapaisen kestomagneettitahtikoneenkin kentänheikennysaluetta voidaan tarkastella. Moottorimallin perusteella johdettiin yhtälöt, joilla voidaan laskea roottorikoordinaatistossa esitetyn virtavektorin komponentit nopeuden ja vääntömomenttiohjeen funktiona kentänheikennysalueella. Lisäksi laskettiin virtavektorin komponentit, jotka maksimoivat koneen tuottaman vääntömomentin kentänheikennysalueella, kun toimitaan moottorikäytön virtarajalla. Lopuksi ehdotetaan mittausmenetelmää virtaohjetaulukon avulla ohjatun hybridiaskelmoottorin kentänheikennysalueen testaamiseen käytännössä., This thesis deals with a hybrid stepping motor controlled by means of a current lookup table in a crane application. The emphasis is on modelling the motor and motor control in the flux weakening region. A hybrid stepping motor supplied with sinusoidal phase currents produces torque oscillations, but the oscillations can be suppressed by shaping the currents properly. In the motor drive discussed in this thesis, the phase current references are stored in a lookup table as functions of the torque reference and rotor position. It has been observed that above a certain speed, the torque of the machine decreases as a function of the speed. The permanent magnet flux induces a back electromotive force, which increases with the speed, and the DC-link voltage fails to fulfil the current references at high speeds. The impact of the back electromotive force can be compensated by applying flux weakening, i.e. by using a demagnetizing current component for decreasing the direct-axis stator flux. A dynamic two-axis model was derived for the motor, omitting both iron losses and magnetic saturation for simplicity. For the motor model, the inductances and permanent magnet flux linkages were measured as functions of the rotor position. The accuracy of the model is satisfactory according to the torque measurements of the motor. The flux weakening approach is similar to the one used for salient-pole permanent magnet synchronous machines. Based on the motor model, equations were derived for the current vector components as functions of the torque reference and motor speed. Moreover, the torque maximizing current vector was calculated when operating on the current limit of the motor drive in the flux weakening region. Finally, a method is proposed for testing the flux weakening in a hybrid stepping motor drive controlled by means of a current lookup table.

Tässä työssä tutkitaan mekaanisia värähtelyjä sekä niiden vaimentamista. Erityisesti tarkastellaan hissiä, jossa on joustavat nostoköydet. Korkeissa rakennuksissa hissin köysien joustavuus on merkittävä, mikä aiheuttaa epämiellyttävää matalataajuista värähtelyä hissikorissa. Mekaanisen värähtelyn herätteenä ovat äkilliset nopeuden ohjearvomuutokset sekä kuorman vaihtelut. Sähkökäyttö voi myös herättää mekaanisen resonanssin, esimerkiksi virheellisen virranmittauksen seurauksena. Hissin nopeussäädön on toimittava tarkasti, mikä vaatii säätöjärjestelmältä riittävää kaistanleveyttä. Nopeussäätimen viritys on yksi olennainen osa hissin toimivuutta. Työssä esitetään muutamia säätimien viritysmenetelmiä, joista symmetristä stabilointia kokeillaan hissin nopeussäätimen virittämiseksi. Hissikorin värähtelyjen vaimentamiseksi tutkitaan simuloinnein kahta aktiivista vaimennusmenetelmää: nopeuserotakaisinkytkentää ja kuorman kiihtyvyyden säätöä. Molemmat menetelmän vaativat joko ylimääräisen mittausanturin tai tilatarkkailijan. Kuorman kiihtyvyyden säädössä kokeillaan laajennettua tilatarkkailijaa korin kiihtyvyyden estimoimiseksi. Molemmilla työssä tarkasteltavilla vaimennusmenetelmillä saadaan korin värähtely vaimenemaan selvästi. Nopeuserotakaisinkytkennän ongelmana on kuitenkin säätimen parametrien muutostarve korin kuorman ja paikan mukaan. Korin kiihtyvyyssäätö sen sijaan toimii hyvin koko toiminta-alueella samoilla säätimen parametreilla. Työn lopussa tutkitaan vielä virheellisestä virranmittauksesta johtuvaa vääntömomenttivärähtelyä DTC-ohjatussa kestomagneettitahtikoneessa. Nämä värähtelyt ovat lähellä hissin mekaanista resonanssitaajuutta, kun hissi kulkee pienellä nopeudella.