Eisenhawer Fernandes_Tese

(1)

ADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE de P ós-gr aduação em Engenha ria Elétri a

A ionamento de motor sín rono a

ímã permanente sem sensor

de posição rotóri a

EISENHAWER DE MOURA FERNANDES

CAMPINA GRANDE PARAÍBA

(2)

posição rotóri a

por

Eisenhawer de Moura Fernandes

M.S . (Universidade Federal de Campina Grande - 2006)

TESE DE DOUTORADO

Submetidaem satisfaçãopar ial dos requisitos aograu de

DOUTOR EM CIÊNCIAS

EM

ENGENHAR IA ELÉTRICA

à

Câmarade Ensino de Pós-Graduação ePesquisa

da

(3)

FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA CENTRAL DA UFCG

F363a Fernandes, Eisenhawer de Moura.

Acionamento de motor síncrono a imã permanente sem sensor de

posição rotórica / Eisenhawer de Moura Fernandes. ─ Campina Grande,

2011.

216 f.: il. col.

Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal de

Campina Grande, Centro de Engenharia Elétrica e Informática.

Orientadores: Profº Dr. Ing. Cursino Brandão Jacobina, Profº D.Sc.

Antonio Marcus Nogueira Lima, Prof º D.Sc. Alexandre Cunha Oliveira.

Referências.

1. Motores Síncronos. 2. Posição Rotórica - Estimação. 3. Posição

Rotórica – Acionamento sem Sensor. I. Título.

CDU 621.313.323(043)

(4)

(5)

Moura, à minhaesposa Sheila

(6)

(7)

Agradeço aos professores Antonio Mar us N. Lima, Alexandre C. Oliveirae Cursino B.

Ja- obinapelaorientação,pa iên iae ontribuiçãone essáriasparaarealizaçãodestetrabalho.

Aosprofessores da ComissãoExaminadora destedo umentopelas sugestões e valorosas

ontribuições.

AosprofessoresdaUnidadeA adêmi adeEngenhariaMe âni a, emespe ial,aos olegas

CarlosJ.de Araújo,Cí eroR.Souto,ErinaldoC. dos Santos, Antonio A.Silva,Jus elinoF.

Maribondo,Ri ardoC. de Vas on elos peloapoioin ondi ionalpararealização dotrabalho.

Agradeçoaos amigosdo Cursode EngenhariaElétri a, Montiê, Rafael,Welen, Euzeli,

Nady, Lu as, Osglay, Artur, Darlan, Alberto, Kleber, Patry kson, Alfranque, Álvaro, pela

agradável onvivên ia, pelas dis ussõese o pelo' afezinho'.

Aoprofessor EdgarR.B.Filhopelas dis ussõesa er ado omportamentomagnéti odo

motor utilizado nos experimentos.

Agradeço aos té ni os doLEIAM e LIEC, Fabrí io, Tâmisa e Simõespela olaboração

namontagem daban ada.

À empresa Rasatroni Transformadores pela doação do equipamento para isolação da

fonte de alimentaçãodo onversor da ban ada experimental.

Meu agrade imento espe ial à minha esposa Sheila Milena pelo ompanheirismo e

pa- iên ia,para que eu enfrentasse as di uldades naturaisdarealização do trabalho.

Agradeçoàmeuspaiseirmãospela onança,entusiasmoein entivo onstantes durante

o períododotrabalho.

Finalmente, agradeço a Deus por ter me dado ondições de realizar este trabalho de

(8)

(9)

O motor sín rono a ímã permanente apresenta ara terísti as importantes para o

a io-namentode altodesempenho omo elevada e iên ia erelaçãopotên ia/volume. O ontrole

dessetipode máquinarequer ousode umsensorde posiçãoe/ouvelo idade. Todavia,ouso

dessesensor representa restriçõesaosistemade a ionamento omo usto e onabilidade. A

eliminação dosensor de posição porté ni as de estimação de posição tem sido uma área de

intensa investigação. De modogeral, as té ni as são divididasem duas ategorias: té ni as

baseadas em saliên ias magnéti as, destinadas para baixa velo idade e, té ni as baseadas

naf em, voltadaspara altavelo idade. Notadamente, ada ategoria apresentavantagens e

limitaçõesa dependerda velo idadede operação. Ini ialmente, um estudo omparativodas

té ni as de injeção de tensão de alta frequên ia utilizadas para estimação de posição e/ou

velo idadeem baixavelo idadeéapresentado. Neste enário,estetrabalhopropõeuma

ava-liação do limite superior de operação para um estimador de posição baseado na injeção de

tensãodealtafrequên ianoreferen ialesta ionário. Opro edimentoébaseado naavaliação

do onteúdo harmni o CA da orrente de referên ia de eixo q em função da velo idade e

da largura de faixa do observador de posição. Além disso, o trabalho apresenta uma

pro-posta para a determinação daregião de transição entre estimadores de posição rotóri a. O

estudo é apli adoa transição entre as respostas de dois estimadores de posição. Em baixa

velo idade, é apli ada tensão de alta frequên ia no referen ial esta ionário para rastrear a

saliên ia magnéti a. Para alta velo idade, utiliza-se um ltro de estados para se estimar

a força ontra-eletromotriz. Com base no ritério estabele ido, são denidas as larguras

de faixa dos observadores de posição em função da velo idade. Resultados de simulação e

resultados experimentaisdos estudos realizados são apresentados e analisados.

Palavras- have: Motor sín rono a ímã permanente, estimação de posição rotóri a,

(10)

(11)

Thepermanent-magnetsyn hronous motorpresentsimportantfeaturesforhighperforman e

drives su h as high e ien y and high power/volume ratio. The ontrol of this ma hine

demands the use of rotor position/speed sensor. However, the use of these sensor means

onstraintstothe drivesystemsu has ost andreliability. Theeliminationofthis sensorby

rotorpositionestimationte hniqueshavebeenanareaofintenseresear h. Therotorposition

estimationte hniques anbedivided intwo ategories: magneti salien ybasedapproa hes,

suitedforlowspeed and,ba k-emfbasedmethods, suitedforhighspeed. Ea h lassof rotor

positionestimationmethodpresentsadvantagesand limitationsinfun tionofthe operation

speed. First, it is presented a omparative study of voltage inje tion te hniques used for

rotor position/speedestimationatlowspeed. This work presentsa study forevaluatingthe

high speedlimitforapositionestimatorbased onthe highfrequen y (HF) voltage inje tion

in the stationary referen e frame. The proposed pro edure is based on evaluating the AC

harmoni ontentofthe q-axisreferen e urrentinfun tionoftherotorspeedandobserver`s

bandwidth. This work presents an approa h for determining the transitionregion between

rotorpositionestimators. The study isappliedtoanalgorithmforestimationinwidespeed

range. Forlowspeed, itisused the HFvoltageinje tion forsalien y tra king. On the other

hand,for highspeed region,itis implemented astate ltertoestimatethe ba k-emf. Based

onthe riterion, ithas been dened the bandwidth of the observers in fun tionof the rotor

speed. Simulation and experimental results obtained with the test setup are shown and

analyzed.

Keywords: Permanent-magnetsyn hronous motor(PMSM),rotorpositionestimation,

(12)

(13)

Agrade imentos . . . v

Resumo . . . vii

Abstra t . . . ix

Índi e . . . xi

Índi e de Tabelas . . . xv

Índi e de Figuras . . . xvii

Lista de Símbolos . . . .xxix

1 Introdução . . . 1

1.1 Contribuiçõesda pesquisa . . . 4

1.2 Organizaçãodo trabalho . . . 5

2 Revisão bibliográ a . . . 7

2.1 Introdução. . . 7

2.2 Métodos de estimação de posição baseados naforça ontra-eletromotriz . . . 7

2.3 Métodos de estimação de posição baseados nasaliên iamagnéti a . . . 12

2.4 Métodos de estimação de posição em todafaixa de velo idade . . . 30

2.5 Con lusões . . . 39

3 Estimação de posição rotóri a em baixa velo idade . . . 41

3.2 Sistemasimulado . . . 42

(14)

3.3.1 Testes de desempenho . . . 42

3.3.2 Robustez às não-linearidades do inversor . . . 54

3.3.3 Os ilaçõesde onjugado . . . 65

3.3.4 Rigidez dinâmi a . . . 73

3.4 Restriçõesdo sistemade a ionamento . . . 75

3.5 Con lusões . . . 84

4 Estudo do limite superior para rastreamento em baixa velo idade . . . . 87

4.2 Método de estimação baseado em saliên iasmagnéti as . . . 89

4.3 Qualidade dos sinais de posição . . . 91

4.3.1 Harmni osde modulaçãodo inversor fonte de tensão . . . 92

4.3.2 Inuên iadavariaçãoda amostragemdas orrentes de altafrequên ia 93 4.4 Avaliaçãodo método de estimação. . . 98

4.4.1 Conguração dosistema simulado . . . 99

4.4.2 Degradação daqualidade davelo idade estimada . . . 100

4.4.3 Determinação dalargurade faixa doobservador de posição . . . 102

4.4.4 Avaliação darigidez dinâmi adosistema . . . 105

4.5 Resultados experimentais . . . 110

4.6 Con lusões . . . 125

5 Determinação da região de transição entre estimadores de posição . . . 131

5.2 Determinação da regiãode transição entre estimadores de posição . . . 134

5.2.1 Métodos baseados na estimação de força ontra-eletromotriz . . . 134

5.2.2 Métodos baseados em saliên iasmagnéti as . . . 136

5.2.3 Critériode transição entre as respostas dos estimadores . . . 137

5.3 Resultados de simulação . . . 139

5.3.1 Sistemasimulado . . . 140

5.3.2 Regiãode transição . . . 140

5.3.3 Testes de desempenho . . . 145

(15)

6 Con lusões . . . 173

6.1 Sugestões para trabalhos futuros . . . 176

Referên ias Bibliográ as . . . 177

A Sintonia dos ontroladores . . . 189

B Estimadores de posição rotóri a . . . 193

C Expressões - Té ni as de injeção de tensão. . . 199

D Plataforma experimental . . . 201

D.1 Avaliação dasaturação magnéti ado motor . . . 203

D.2 Leitura dosensor de posiçãome âni a do motor . . . 207

D.3 Implementação dos algoritmosno pro essador Renesas . . . 210

(16)

(17)

2.1 Comparativo entre as propostas de injeção de portadora girante: (1) NI -Não Informado, (2) MIT - Motor de Indução Trifási o, (3) SMPM - Motor om ímãs montados na superfí ie, (4) BTTI - Bases Téori as da Té ni a de Injeção, (5) IPI - Identi ação da Posição Ini ial, (6) EPVC - Estimação de Posição a Velo idade Constante, (7) DTC - Controle Direto de Torque. . . . 19

2.2 Comparativo entre as propostas de injeção de portadora pulsante: (1)V

N

-Tensão nominal, (2)NI- Não Informado, (3)IPM - Motor om ímãs inseri-dos no rotor, (4)SMPM - Motor om ímãs montados na superfí ie do rotor, (5)EPVC - Estimação de Posição a Velo idade Constante, (6)CP -Controle de Posi ionamento,(7)CV- Controlede Velo idade,(8)ECTI -Estudo Com-parativo entre as Té ni as de Injeção. . . 26

2.3 Comparativo entre as propostas de estimação de posição rotóri a para uma ampla faixa de velo idade: (1)IS - Injeção de Sinal, (2)NI- Não Informado, (3) BR - Baixa Resolução. . . 39

3.1 Parâmetros nominaisdo motorsín rono aímã permanente. . . 43

4.1 Parâmetros dos ontroladores, do onversor de potên ia e espe i ação da tensãode altafrequên ia (

v

s

sdqh

)-(Figura 4.11). . . 100

4.2 Parâmetros nominaisdo motorsín rono aímã permanente. . . 101

4.3 Parâmetros nominaisdos motoresa ímãs permanentes. . . 112

v

s

sdqh

) . . . 113

v

s

(18)

5.2 Parâmetros nominais domotor sín ronoa ímãpermanente. . . 141

D.1 Parâmetros nominais dos motoresa ímãs permanentes. . . 202

D.2 Defasamentoangular entre a f em geradana fase

1

(

e

s1

) e a posição rotóri a elétri a(

θ

r

). . . 210

(19)

1.1 Diagramade ontrole de um motor sín ronoa ímãpermanente. . . 2

2.1 Diagrama de injeção de sinal de alta freqüên ia para estimação da posição rotóri a: (a) injeção de tensão;(b) injeção de orrente. . . 13

2.2 Diagrama típi o de injeção de tensão de alta frequên ia no referen ial esta- ionário- portadoragirante. . . 15

2.3 Representaçãodoespe trodeuma orrenteresultantedainjeçãodeportadora girante. . . 16

2.4 Pro esso heterodino e observador de posição rotóri a estilo observador de Luenberger. . . 17

2.5 Estrutura Phase-Lo ked Loop (PLL)utilizada omo estimador de posição. . . 17

2.6 Diagramade blo os dademodulaçãoproposto por Ortegaet al.(2006). . . . 19

2.7 Diagrama típi o de injeção de portadora pulsante no eixo

d

b

do referen ial sín ronoestimado. . . 21

2.8 Representação do espe tro de uma orrente resultante da injeção de tensão pulsante

d

b

. . . 21

2.9 Representação daimplementaçãodainjeção de portadorapulsante de tensão noeixo

b

q

doreferen ial sín ronoestimado. . . 22

2.10 Diagramade demodulação daportadorade orrente pulsante. . . 22

2.11 Regiõesdeoperaçãode adamétododeestimaçãodeposição: saliên iaeforça ontra-eletromotriz(f em). . . 31

2.12 Estrutura doobservador de uxo híbridoproposto porHa, Kang e Sul (1999). 32

2.13 Estrutura doobservador de uxo híbridoproposto porAihara etal. (1999a). 33

(20)

2.15 Estrutura do observador de uxo híbrido proposto porFrenzke ePiepenbrier (2004). . . 34

2.16 Estrutura do observador de uxo híbridoproposto por Perassi et al. (2005). 35

2.17 Estrutura do observador de uxo híbridoproposto por Silvaet al. (2006). . . 36

2.18 Funçõesde transição entre as té ni as

f

1 (b

ω

r

)

e

f

2 (b

ω

r

)

(Silvaet al.,2006). . . . 36

2.19 Estrutura do observador de uxo om estrutura variável proposto por An-drees u etal. (2008). . . 37

2.20 Estrutura do observador de posição/velo idade ombinando os modelos de f eme INFORM(S hroedl et al.,2009). . . 38

3.1 Controledevelo idadesemsensordeposiçãobaseadonainjeçãode portadora girante,referên ia onstante:(a)velo idadesrotóri as(

ω

rm

, b

ω

rm

),(b) posições rotóri as(

θ

rm

, b

θ

rm

),( ) erro de posição (

θ

rm

− b

θ

rm

). . . 44

3.2 Injeçãodeportadoragirante(

60

V-

1, 0

kHz):(a) orrentes

i

s

sd

,

i

s

sq

,(b)espe tro, ( ) espe tro - detalhedas omponentes de altafrequên ia. . . 46

3.3 Controle de velo idade sem sensor de posição baseado na injeção de porta-dora pulsante (

d

b

), referên ia onstante:(a) velo idades rotóri as (

ω

rm

, b

ω

rm

), (b) posições rotóri as(

θ

rm

, b

θ

rm

), ( ) erro de posição (

θ

rm

− b

θ

rm

). . . 47

3.4 Injeção de portadora pulsante

d

b

(

60

V-

1, 0

kHz):(a) orrentes

i

s

sd

,

i

s

sq

, (b) espe tro, ( ) espe tro - detalhedas omponentes de altafrequên ia. . . 48

3.5 Controle de velo idade sem sensor de posição baseado na injeção de porta-dora pulsante (

q

b

), referên ia onstante:(a) velo idades rotóri as (

ω

rm

, b

ω

rm

), (b) posições rotóri as(

θ

rm

, b

θ

rm

), ( ) erro de posição (

θ

rm

− b

θ

rm

). . . 49

3.6 Injeção de portadora pulsante

q

b

(

60

V-

1, 0

kHz):(a) orrentes

i

s

sd

,

i

s

sq

, (b) espe tro, ( ) espe tro - detalhedas omponentes de altafrequên ia. . . 50

3.7 Controle de velo idade sem sensor baseado na injeção de portadora girante, reversão de velo idade: (a) velo idades, (b) posições, ( ) erro. . . 50

3.8 Controledevelo idadesemsensorbaseadonainjeçãodeportadoragirante, re-versãode velo idade: (a) orrente

i

s1

,(b) orrente

i

s

sdh

,( ) posiçõesrotóri as, (d) erro. . . 51

3.9 Controle de velo idade sem sensor baseado nainjeção de portadorapulsante (

d

b

), reversão de velo idade: (a) velo idades, (b) posições, ( ) erro. . . 51

(21)

3.10 Controle de velo idade sem sensor baseado na injeção de portadora pulsante (

d

b

), reversão de velo idade: (a) orrente

i

s1

, (b) orrente

i

b

r

sqh

, ( ) posições rotóri as, (d) erro. . . 52

b

q

), reversão de velo idade: (a) velo idades, (b) posições, ( ) erro. . . 52

b

q

), reversão de velo idade: (a) orrente

i

s1

, (b) orrente

i

b

r

sdh

, ( ) posições rotóri as, (d) erro. . . 53

3.13 Controle de orrente domotor om inversor fonte de tensão om tempo morto. 54

3.14 Distorçãodetensãodevidoaoefeitodotempomortoe ruzamentoporzeroda orrentefundamental: (a) orrentedefase

i

s1

,(b)distorçãode tensãorelativa a omponentefundamental

i

s1

, ( ) distorção de tensãorelativaa omponente alta frequên ia

i

sh

, (d) distorção de tensão relativa a

i

s1

e

i

sh

, (e) distorção total de tensão

v

d

.. . . 56

3.15 Modelo que representa o efeitoda distorção de tensão devido a omponente

i

h

.

56

3.16 Injeçãode portadoragirante ominversorideal: orrentedefase

i

s1

, orrentes dealtafrequên ia

(i

s

sdh

, i

s

sqh

)

,posiçõesmedidaeestimada

(θ

r

e

θ

b

r

)

,erro

(θ

r

− b

θ

r

)

. 59

3.17 Injeção de portadora girante om inversor om tempo morto igual a

2, 5µ

s: orrentede fase

i

s1

, orrentes de altafrequên ia

(i

s

sdh

, i

s

sqh

)

,posiçõesmedidae estimada

(θ

r

e

θ

b

r

)

, erro

(θ

r

− b

θ

r

)

. . . 60

3.18 Modelo que onsidera os efeitos das distorções de tensão devido as não-linearidadesdo inversor. . . 61

3.19 Injeçãodeportadorapulsante(

d

b

),inversorideal: orrentedefase

i

s1

,posições medidae estimada

(θ

r

e

θ

b

r

)

, erro

(θ

r

− b

θ

r

)

. . . 62

3.20 Injeção de portadora pulsante (

d

b

), inversor om tempo morto igual a

2, 5µ

s: orrentede fase

i

s1

,posições medidae estimada

(θ

r

e

θ

b

r

)

, erro

(θ

r

− b

θ

r

)

. . . . 63

3.21 Injeçãode portadorapulsantenoreferen ialsín ronoestimado

q

b

ominversor ideal: (a) orrentede fase

i

s1

, (b)posiçõesmedidaeestimada(

θ

r

,

b

θ

r

),( ) erro

(θ

r

− b

θ

r

)

. . . 64

3.22 Injeção de portadora pulsante no referen ial sín rono estimado

q

b

, inversor om tempo morto de

2, 5µ

s: (a) orrente de fase

i

s1

, (b) posições medida e estimada(

θ

r

, b

θ

r

),erro (

θ

r

− b

θ

r

). . . 64

(22)

3.23 Torqueeletromagnéti odesenvolvido, injeçãodeportadoragirante:(a) orren-tes

i

r

sd

e

i

r

sq

, (b) torque eletromagnéti o(

T

e

) e torque de arga (

T

L

). . . 67

3.24 Torque eletromagnéti o desenvolvido, injeção no eixo

d

b

): (a) orrentes

i

r

sd

e

i

r

sq

,(b) torque eletromagnéti o(

T

e

) e torque de arga (

T

L

). . . 69

3.25 Torque eletromagnéti odesenvolvido, injeçãonoeixo

q

b

):(a) orrentes

i

r

sd

e

i

r

sq

, (b) torque eletromagnéti o(

T

e

) etorque de arga (

T

L

). . . 71

3.26 Diagramadeblo osdo ontroledevelo idade, omsensordevelo idade/posição e ontrolador ideal de torque. . . 74

3.27 Rigidez dinâmi a teóri a do sistema de a ionamento om ontrole de velo i-dade om sensor de velo idade -expressão (3.50). . . 74

3.28 Diagramadeblo osdo ontroledevelo idade,semsensordevelo idade/posição e ontrolador ideal de torque. . . 75

3.29 Rigidez dinâmi a simulada do sistema de a ionamento om ontrole de ve-lo idade om sensor de velo idade e sem sensor de velo idade (estimadores baseados na injeção de sinal). . . 76

3.30 Diagrama de blo os do sistemade mediçãode orrentedo onversor.. . . 77

3.31 Resposta do estimador para injeção de portadoragirante(

60

V-

1

kHz), on-versorA/D(

10

bits)efundodees ala

±13, 34

A:(a) orrentes

i

n

sdq

,(b)posições rotóri as(

θ

r

,

θ

b

r

), ( ) erro (

θ

r

-

θ

b

r

). . . 78

60

V-

1

kHz), on-versorA/D(10bits)efundodees ala

±2, 70

A:(a) orrentes

i

s

sdq

,(b) orrentes

i

n

sdqh

,( ) posiçõesrotóri as(

θ

r

,

θ

b

r

), (d) erro (

θ

r

-

b

θ

r

). . . 78

60

V-

1

kHz), on-versor A/D de

14

bits:(a) orrentes

i

n

sdqh

, (b) posições rotóri as (

θ

r

,

θ

b

r

), ( ) erro (

θ

r

-

θ

b

r

). . . 79

3.34 Distorção da tensão de alta frequên ia, espe tro de

v

s

sdqh

:(a) espe tro total, (b) omponentes de sequên ia negativa. . . 81

3.35 Distorção da tensão de alta frequên ia, espe tro de

i

s

sdqh

:(a) espe tro total, (b) omponentes de sequên ia negativa. . . 82

3.36 Distorçãodatensãodealtafrequên ia

v

s

sdqh

naestimaçãodeposiçãorotóri a:(a) orrentes

i

s

sdq

,(b) sinais de entrada doobservador de posição

p

αβ

, ( ) posição rotóri a

θ

r

, posição estimada

θ

b

r

,(d) erro (

θ

r

− b

θ

r

). . . 83

(23)

3.37 Minimização da distorção da tensão de alta frequên ia (

v

s

sdqh

, uso de ltro passa-faixa (FPF)após ademodulaçãodos sinais

p

αβ

. . . 84

3.38 Minimizaçãodoefeito dadistorção datensãode altafrequên ia

v

s

sdqh

na esti-mação de posição rotóri a:(a) orrentes

i

s

sdq

, (b) sinais de entrada do obser-vador de posição

p

αβf

, ( ) posição rotóri a

θ

r

, posição estimada

θ

b

r

,(d) erro (

θ

r

− b

θ

r

). . . 85

4.1 Diagramadedemodulaçãodossinaisdeposiçãodevidoainjeçãodeportadora girante noreferen ialesta ionário. . . 90

4.2 Representaçãodoobservadordeposiçãorotóri abaseado norastreamentodas saliên iasmagnéti as. . . 91

4.3 Correntes

i

s

sd

, i

s

sq

e distorção do sinal de posição (

p

α

) devido ao onversor (

ω

∗

r

= 12, 6

rad/s,

E

d

= 300

V). . . 93

4.4 Espe tro dosinal de posição

p

α

(

ω

∗

r

= 12, 6

rad/s,

E

d

= 300

V). . . 93

4.5 Correntes

i

s

sd

, i

s

sq

e perl do sinal de posição (

p

α

) para tensão de barramento CC reduzida (

ω

∗

r

= 12, 6

rad/s,

E

d

= 150

V). . . 94

4.6 Espe trodosinaldeposição

p

α

paratensãodebarramentoCCreduzida(

ω

∗

r

=

12, 6

rad/s,

E

d

= 150

V). . . 94

4.7 Perl do sinal de posição

p

α

para

f

r

=

2, 0

Hz: velo idade estimada

ω

b

r

_

sal

, orrente

i

s

sdh

, sinal de posição

p

α

, espe tro de

p

α

.. . . 95

4.8 Perl do sinal de posição

p

α

para

f

r

=

25, 0

Hz: velo idade estimada

ω

b

r

_

sal

, orrente

i

s

sdh

p

α

, espe tro de

p

α

.. . . 96

4.9 Espe trodo sinalde posição

p

α

em funçãoda frequên iade operação

f

r

: (a)

2, 0

Hz, (b)

5, 0

Hz, ( )

10

Hz,(d)

13

Hz, (e)

15

Hz,(f)

20

Hz,(g)

30

Hz. . . 97

4.10 Reduçãodadistorçãodosinaldeposição

p

α

omoaumentode

f

h

: velo idade estimada

ω

b

r

_

sal

, orrente

i

s

sdh

p

α

, espe tro de

p

α

. . . 98

4.11 Diagramadosistemade ontrolede velo idadesem sensordeposiçãorotóri a em baixavelo idade utilizando até ni a de injeção de portadoragirante. . . 100

4.12 Conteúdo harmni o da velo idade estimada

ω

b

r

_

sal

_

CA

em função da lar-gura de faixa doobservador (LFO), em função davelo idade

ω

r

. . . 102

4.13 Curvas da velo idade rotóri aestimada

ω

b

r

_

sal

em função da velo idade de referên ia

(ω

∗

(24)

4.14 Impa to do aumentode velo idade em um sistemade ontrole de velo idade sem sensor baseado nainjeção de sinal. . . 103

4.15 Curvas da velo idadeestimada

ω

b

r

_

sal

em função da velo idade de referên ia, largurade faixadoobservador de posição(LFO)iguala

480

Hz-Controle de velo idadesem sensorde posição/velo idade. . . 104

4.16 Curvas da orrente de referên ia

i

r∗

sq

em função da velo idade de referên ia, paralarguradefaixadoobservadordeposição(LFO)iguala

480

Hz-Controle de velo idade sem sensor de posição/velo idade. . . 105

4.17 Conteúdo harmni o da orrente

i

r∗

sq

(

|i

r∗

sq

_

CA

|

)vs.

ω

r

para diferentes larguras defaixadoobservadorde posiçãorotóri a-Controledevelo idadesemsensor de posição/velo idade. . . 106

4.18 Pro edimento da restrição do onteúdo CA da orrente

i

r∗

sq

omo parâmetro de es olha daLFO doestimador de posição. . . 106

4.19 Largurade faixadoobservador de posiçãoem funçãodavelo idadede opera-ção para manter

i

r∗

sq

_

CA

≤ 0, 04I

N

. . . 107

4.20 Diagrama para levantamento da rigidez dinâmi a(DSFR) do ontrole de ve-lo idade sem sensor de posição rotóri a.. . . 107

4.21 Ex itaçãoerespostaparaotestederigidezdinâmi a(DSFR):torquede arga (

T

L

)apli ado( hirp [0-100 Hz℄)e, velo idadedesenvolvida (

ω

r

). . . 108

4.22 Rigidez dinâmi a (DSFR) do sistema de ontrole de velo idade sensorless utilizando injeção de sinal em função da velo idade (

ω

r

) - Função de T rans-ferên iaEmpíri aEstimadaSuavizada( smoothETFE)utilizandoumajanela de Parzen (

γ = 20

). . . 109

4.23 Plataformaexperimental.. . . 110

4.24 Diagrama de temporização. . . 111

4.25 Diagrama de ltragempara extraçãodas omponentes dosinal

i

s

sdqh

dovetor orrente

i

s

sdq

. . . 114

4.26 Respostaem frequên ia omplexadoltroBSFparaextraçãoda omponente fundamental

i

s

(25)

4.27 Espe tro experimental datensão de altafrequên ia

v

s

sdqh

para diferentes am-plitudes(

E

d

= 115

V,

f

h

= 446, 43

Hz):(a) omponentes desequên iapositivae negativa, (b) omponente de sequên ia positiva, ( ) omponente de sequen ia negativa. . . 116

4.28 Espe troexperimentalda orrentede altafrequên ia

i

s

sdqh

paradiferentes am-plitudes(

E

d

= 115

V,

f

h

= 446, 43

Hz):(a) omponentes desequên iapositivae negativa, (b) omponente de sequên ia positiva, ( ) omponente de sequen ia negativa. . . 117

4.29 Sinais de entrada do observador de posição rotóri a

p

αβ

, efeito da distorção datensão

v

s

sdqh

: (a) formas de onda

p

α

, p

β

, (b) espe tro FFT(

p

αβ

). . . 118

4.30 Sinaisdeentradadoobservadordeposiçãorotóri a

p

αβ

,minimizaçãodoefeito dadistorção datensão

v

s

sdqh

: (a) formas de onda

p

α

, p

β

, (b) espe tro FFT(

p

αβ

).119

4.31 Efeitodadistorçãodatensãode altafrequên ianodesempenho doestimador de posição: posição rotóri a(

θ

r

), posição estimada(

θ

b

r

_

sal

), erro (

θ

r

− b

θ

r

_

sal

). 119

4.32 Minimização do efeito da distorção da tensão de alta frequên ia no desem-penhodoestimadordeposição: posiçãorotóri a(

θ

r

),posiçãoestimada(

b

θ

r

_

sal

), erro (

θ

r

− b

θ

r

_

sal

). . . 120

4.33 Espe tro experimental da tensão de alta frequên ia

v

s

sdqh

(

E

d

= 230

V,

V

h

=

56

V,

f

h

= 446, 43

Hz),efeitodotempomortodoinversornadistorçãodatensão

gerada:(a) omponentes de sequên ia positiva e negativa, (b) omponente de sequen ia negativa. . . 121

4.34 Espe tro experimental da orrente de alta frequên ia

i

s

sdqh

(

E

d

= 230

V,

V

h

=

56

V,

f

h

= 446, 43

Hz),efeitodotempomortodoinversornadistorçãodatensão

gerada:(a) omponentes de sequên ia positiva e negativa, (b) omponente de sequen ia negativa. . . 122

4.35 Ensaio experimentalpara avaliação dasaturação magnéti a domotor. . . 123

4.36 Esboço do espe tro do vetor orrente estatóri a

i

s

sdq

: (a) sem saturação ma-gnéti a,(b) om saturação magnéti a do motor, omponentes harmni osde sequên ia negativa adi ionais. . . 123

4.37 Tensõesdelinha(

v

s12

, v

s23

)e orrentesdefase(

i

s1

, i

s3

)medidasparao ontrole de orrente om injeção de sinal

v

s

sdqh

, avaliação de saturação magnéti a do motor(

E

d

= 230

V,

V

h

= 56

V,

f

h

= 446, 43

Hz). . . 125

(26)

4.38 Espe trodovetor omplexo

i

s

sdq

noreferen ialesta ionário,

f

r

= 5

Hz, orrente fundamental

0, 26

A,

V

h

=

56

V,

f

h

=

446, 43

Hz:(a) espe tro, (b) omponentes de sequên ia negativa. . . 126

4.39 Espe trodovetor omplexo

i

s

sdq

f

r

= 5

3, 54

A,

V

h

= 56

V,

f

h

= 446, 43

Hz:(a) espe tro,(b) omponentes de sequên ia negativa. . . 126

4.40 Componentes de sequên ia negativa do vetor omplexo

i

s

sdq

no referen ial esta ionário em função do valor e az da orrente fundamental (

f

r

= 5

Hz,

V

h

= 56

V,

f

h

= 446, 43

Hz): (1)

0, 26

A, (2)

0, 58

A, (3)

0, 90

A, (4)

1, 22

A,

(5)

1, 57

A,(6)

1, 81

A, (7)

2, 10

A, (8)

2, 36

A, (9)

2, 72

A, (10)

3, 26

A, (11)

3, 54

A.127

5.1 Estrutura do observador de posição rotóri a baseado na estimação da força ontra-eletromotriz estendida. . . 135

5.2 Estrutura do observador de posição rotóri a baseado no rastreamento das saliên iasmagnéti as dorotor (té ni a de injeção de sinal). . . 136

5.3 Propostadadeterminaçãodaregiãode transiçãoentre até ni adeinjeção de sinal(saliên iamagnéti a)eaté ni adeestimaçãodaforça ontra-eletromotriz (f em). . . 138

5.4 Fluxogramado pro edimento para determinação da faixa de transição entre as té ni as de estimação de posição rotóri as. . . 139

5.5 Estrutura de ontrole de velo idade sem sensor de posição em toda faixa de velo idade utilizando um estimador de posição baseado na injeção de sinal e um estimador de posição baseado na estimação daf em. . . 142

5.6 Determinaçãodaregiãodetransiçãoentreasté ni asdeestimaçãoassumindo

i

r∗

sq

_

CA

≤ 4%I

N

: Estimação baseada em saliên ias magnéti as (linhas

tra e-jadas), Estimaçãobaseada naf em (linhas heias).. . . 143

5.7 Largura de faixa dos observadores em função de

ω

r

assumindo

i

r∗

sq

_

CA

≤

4%I

N

: Estimação de posição baseada em injeção de sinal (linha tra ejada),

(27)

5.8 Desempenho do ontrole de velo idade sem sensor de posição para uma re-ferên ia em rampa (

0 − 20

Hz): (a) velo idade medida (

ω

r

), (b) velo idade estimada(

b

ω

r

), ( ) posiçõesmedida (

θ

r

)e estimada(

b

θ

r

), orrente

i

r∗

sq

,(e) evo-lução dovalore az

i

r∗

sq

_

CA

. . . 146

0 − 60

ω

r

b

ω

r

), ( ) posiçõesmedida (

θ

r

)e estimada(

b

θ

r

), orrente

i

r∗

sq

,(e) evo-lução dovalore az de

i

r∗

sq

_

CA

. . . 147

0 − 60

ω

r

ω

b

r

_

BLN D

),( )posiçõesmedida(

θ

r

)eestimada(

θ

b

r

_

BLN D

), orrente

i

s1

,(e) detalheda orrente

i

s1

. . . 148

5.11 Desempenho do ontrole de velo idade sem sensor de posição para uma on-diçãode reversãode velo idade: velo idademedida(

ω

r

),velo idadeestimada (

b

ω

r

_

BLN D

), posições medida (

θ

r

) e estimada (

θ

b

r

_

BLN D

), detalhe das urvas de posição medida (

θ

r

) e estimada(

θ

b

r

_

BLN D

), orrente

i

r∗

sq

, evolução dovalor e azde

i

r∗

sq

_

CA

. . . 149

5.12 Desempenhodo ontroledevelo idadesemsensordeposiçãoparaumtestede reversãodevelo idade: velo idademedida(

ω

r

),velo idadeestimada(

ω

b

r

_

BLN D

), posiçõesmedida (

θ

r

) e estimada(

θ

b

r

_

BLN D

), orrente

i

s1

, detalheda orrente

i

s1

-apli açãodo sinal de

v

s

sdqh

. . . 150

5.13 Desempenho do ontrole de velo idade sem sensor de posição para um de-graude arga de

40%

dotorquenominal: velo idademedida(

ω

r

),velo idade estimada (

ω

b

r

_

BLN D

), posições medida (

θ

r

) e estimada (

θ

b

r

_

BLN D

), posições estimadas

θ

b

r

_

sal

(azul) e

b

θ

r

_

f cem

(vermelho), orrente (

i

r∗

sq

). . . 151

5.14 Ini ialização do estimador de posição rotóri a baseado na injeção de sinal:

b

θ

r

_

sal

(k) ← b

θ

r

_

f cem

(k − 1)

,

ω

b

r

_

sal

(k) ← b

ω

r

_

f cem

(k − 1)

. . . 152

5.15 Ini ialização do estimador de posição rotóri a baseado na injeção de sinal:

b

θ

r

_

sal

(k) 6= b

θ

r

_

f cem

(k − 1)

,

ω

b

r

_

sal

(k) 6= b

ω

r

_

f cem

(k − 1)

. . . 153

5.16 Ponderação não-linear entre as respostas dos estimadores (

α

1 , 1 − α

1

). . . 154

(28)

0 − 60

Hz), utilizando ponderação não-linear (

α

1

): (a) velo idademedida(

ω

r

),(b) velo idadeestimada(

ω

b

r

_

BLN D

),( ) posições me-dida (

θ

r

) e estimada (

b

θ

r

_

BLN D

), orrente

i

r∗

sq

, (e) evolução do valor e az

i

r∗

sq

_

CA

. . . 155

0 − 60

Hz), utilizando ponderação não-linear (

α

2

): (a) velo idademedida(

ω

r

),(b) velo idadeestimada(

ω

b

r

_

BLN D

),( ) posições me-dida (

θ

r

) e estimada (

b

θ

r

_

BLN D

), orrente

i

r∗

sq

, (e) evolução do valor e az

i

r∗

sq

_

CA

. . . 156

5.20 Desempenho do ontrole de velo idade sem sensor de posição om largura de faixa dos estimadores xas, arga de

25%

do torque nominal: velo idade medida(

ω

r

b

ω

r

_

BLN D

),posiçõesmedida(

θ

r

)eestimada (

θ

b

r

_

BLN D

), orrente

i

r∗

sq

, modulo do onteúdo CA

|i

r∗

sq

_

CA

|

. . . 157

5.21 Desempenho do ontrole de velo idade sem sensor de posição om largura de faixa dos estimadores xas, arga de

25%

do torque nominal: velo idade medida(

ω

r

b

ω

r

_

BLN D

),posiçõesmedida(

θ

r

)eestimada (

θ

b

r

_

BLN D

), orrente

i

r∗

sq

, modulo do onteúdo CA

|i

r∗

sq

_

CA

|

. . . 158

5.22 Controledevelo idadesem sensorde posição/velo idadeutilizando estimado-res om largura de faixa xa, apli ação de arga de

30%

do torque nominal: velo idademedida(

ω

r

ω

b

r

_

BLN D

),posiçõesmedida(

θ

r

) e estimada(

θ

b

r

_

BLN D

),posições estimadas (

b

θ

r

_

sal

e

b

θ

r

_

f cem

), orrente

i

r∗

sq

. . . 159

5.23 Diagrama de ontrole de velo idade sem sensor de posição utilizando o esti-mador de posição baseado naf em. . . 162

5.24 Controle de velo idadesem sensor de posição utilizandoo estimador baseado naf em(

θ

b

r

_

f cem

)avelo idade onstantede

615

rpm (

41

Hz): posições medida (

θ

r

) eestimada(

θ

b

r

_

f cem

), erro (

θ

r

− b

θ

r

_

f cem

), orrente

i

s1

. . . 163

5.25 Controle de velo idade sem sensor de posição rotóri a, indi ação do uso das grandezas estimadas no sistema de ontrole : ag , posição rotóri a estimada (

θ

b

r

_

f cem

(29)

5.26 Controle de velo idade sem sensor de posição rotóri autilizandoo estimador baseadonaf emavelo idade onstante

615

rpm (

41

Hz): velo idadesrotóri as medida(

ω

rm

) eestimada (

ω

b

rm

_

f cem

), orrente

i

s1

. . . 164

5.27 Controle de velo idade sem sensorde posiçãoutilizandooestimador baseado na f em, variação em degrau da referên ia de velo idade: posição rotóri a estimada

θ

b

r

_

f cem

, velo idade rotóri ame âni a

ω

rm

, orrente

i

s1

. . . 164

5.28 Controle de velo idade sem sensorde posiçãoutilizandooestimador baseado na f em, referên ia de velo idade de

900

rpm (

60

Hz): posição rotóri a

θ

r

, posição rotóri aestimada

θ

r_f cem

, orrente

i

s1

. . . 165

5.29 Controle de velo idade sem sensorde posiçãoutilizandooestimador baseado na f em, referên ia de velo idade de

900

rpm (

60

Hz): velo idade me âni a medida

ω

rm

, velo idaderotóri a estimada

ω

rm

_

f cem

, orrente

i

s1

. . . 165

5.30 Conteúdo harmni o da orrente de referên ia (

|i

r∗

sq

_

CA

|/I

N

) em função da velo idade elétri a

ω

r

, variando a largura de faixa do observador de posição (LFO). Controle de velo idade sem sensor de posição utilizando o estimador de posição rotóri abaseado naf em. . . 166

5.31 Comparação entre a posição me âni a do rotor (

θ

rm

) e a posição elétri a do rotor (

θ

r

) a velo idade onstante de

250

rpm (

16, 67

Hz). . . 168

5.32 Comparação entre a posição elétri a do rotor (

θ

r

) f em da fase

1

(

e

s1

/4

) a velo idade de

300

rpm (

20

Hz). . . 169

A.1 Diagramade ontrole de orrentedomotor aímãpermanente: ontroladores emodelo elétri o. . . 190

A.2 Controlador de orrente PI sín ronopara a malha de eixo d. . . 190

A.3 Controlador de velo idadee plantame âni a do motora ímãpermanente.. . 191

B.1 Resposta emfrequên iadosestimadoresde poisçãobaseadosnainjeçãodesinal.194

B.2 Filtrode estadospara estimação da força ontra-eletromotriz estendida (

E

ex

). 195

B.3 Observador de posiçãodo rotor, estiloobservador de Luenberger.. . . 196

D.1 Vistafrontal daplataformaexperimental.. . . 202

(30)

in-D.3 Ensaio experimental doteste de saturação magnéti a. . . 205

D.4 Espe trodovetor omplexo

i

s

sdq

f

r

= 5

0, 26

A,

V

h

=

56

V,

f

h

=

446, 43

Hz:(a)espe tro,(b) omponentes de sequên ia negativa. . . 206

D.5 Espe trodovetor omplexo

i

s

sdq

f

r

= 5

3, 54

A,

V

h

= 56

V,

f

h

= 446, 43

Hz:(a)espe tro,(b) omponentes de sequên ia negativa. . . 206

D.6 Instalação do sensor de posição detalhe da posição me âni a

0

grau: motor de testes (esquerda), motorusado omo arga (direita). . . 208

D.7 Comparação entre a posição me âni a do rotor (

θ

rm

) e a posição elétri a do rotor (

θ

r

). . . 209

D.8 Comparaçãoentre aposição elétri a(

θ

r

)f em dafase

1

(

e

s1

/4

). . . 209

D.9 Período mínimode exe ução das rotinas de ontrole. . . 211

D.10Diagrama de blo os do sistemade mediçãode orrentedo onversor.. . . 212

D.11Teste do fundo de es ala dosistema de mediçãode orrente: orrente de fase (

i

s1

),leitura de

i

s1

(

i

s1

(SA1)

),tensão de polo

v

s1−CC

. . . 213

D.12Tensão de barramento(

E

d

) do onversor paraum ontrolede velo idade om injeção de tensão de altafrequên ia, velo idade de referên iade

165

rpm:(a) tensão de barramento,(b) orrentede fase

i

s1

, ( ) detalhe da orrente

i

s1

. . . 215

D.13Perl dos sinaisde omandodas havesdoinversor, geraçãodotempomorto do inversor: sinais de omando do braço 1 (

P W M

1p

, P W M

1n

), orrente

i

s1

, tensão de polo

v

s1−CC

. . . 216

(31)

* - expoente queindi a grandeza de referên ia

^ - expoente queindi a grandeza estimada

d

- eixodireto

(d)

- expoente referente à injeção de sinal no referen ial sín rono no eixo

d

b

- portadora pulsante

E

d

- tensãodo barramento CC (V)

E

ex

- força ontra-eletromotriz estendida (V)

b

E

_ex

- força ontra-eletromotriz estendida estimada(V)

f

d

- largurade faixa da FTMFdo sistemaem eixod (Hz)

f

q

- largurade faixa da FTMFdo sistemaem eixoq (Hz)

f

r

- frequên iada ex itaçãofundamental(Hz)

f

h

- frequên iada ex itaçãode altafrequên ia (Hz)

f

sampl

- frequên iade amostragem(Hz)

f

sw

- frequên iade haveamento (Hz)

(G) - expoente referente a injeção de sinal noreferen ial esta ionário- portadora girante

G

od

- função de transferên ia de malha aberta, ontroladorPI e plantaelétri a domotor

(32)

G

f ω

- função de transferên ia de malha fe hada, ontrolador PI de velo idade e planta me âni a do motor

i

si

- orrente estatóri a de fase (A),

i = 1, 2, 3

.

i

r

sd

- orrente estatóri a de eixo

d

(A)

i

r

sq

- orrente estatóri a de eixo

q

(A)

i

r∗

sq

_

CA

- onteúdo harmmi o(CA) de

i

r∗

sq

i

r∗

sq

_

CA

_

M AX

- valormáximoou admissível para o onteúdo harmni o (CA) de

i

r∗

sq

I

h

- amplitude da orrente de alta frequên ia(A)

I

N

- valornominal da orrente estatóri a (A)

I

r

- amplitude da orrente fundamental(A)

J

- momentode inér ia(

kg.m

2

)

j

- unidade imaginária

k

p

- ganho propor ional

k

i

- ganho integral

k

io

- ganho propor ional do ontroladordoobservador de posição

k

po

- ganho integral do ontroladordoobservador de posição

k

do

- ganho dotermo feedforward do ontroladordo observador de posição

k

id

- ganho integral do ontroladorPI sín ronode eixo

d

k

pd

- ganho propor ional do ontroladorPI sín rono de eixo

d

k

iq

- ganho integral do ontroladorPI sín ronode eixo

q

k

pq

- ganho propor ional do ontroladorPI sín rono de eixo

q

k

iv

- ganho integral do ontroladorPI de velo idade

(33)

l

sd

- indutân iaestatóri a de eixo

d

(H)

l

sq

- indutân iaestatóri a de eixo

q

(H)

L

med

- indutân iaestatóri a média (H)

L

dif

- indutân iaestatóri a diferen ial (H)

m

- índi ede modulaçãode amplitude

p

- operadorderivada

d

dt

p

i

- pólosdoobservador de posição, om i =

1, 2, 3.

p

α

, p

β

- sinais de posição referente a injeção de sinal no referen ial esta ionário - portadora girante

P

- pares de pólos

q

- eixoem quadratura

(q)

- expoente referente à injeção de sinal no referen ial sín rono no eixo

q

b

- portadora pulsante

r

- expoente querepresenta grandezas noreferen ial sín ronodorotor

r

s

- resistên ia de fase (

Ω

)

b

r

s

- resistên ia de fase estimada(

Ω

)

r

i

- raízesde um polinmio padrãodosegundo grau,

i = 1, 2

R

o

- ganhopropor ionaldo regulador PI doobservador de orrente

R

io

- ganhointegraldo regulador PI doobservador de orrente

s - variávelde Transformada de Lapla e

s

- expoente querepresenta grandezas noreferen ial esta ionário

t

- tempo (s)

(34)

T

- transposta de uma matrizou vetor

T

dt

- intervalode tempo referente aotempo-mortoefetivo (s)

T

e

- torque ou onjugado eletromagnéti o(N.m)

T

e1

- torque eletromagnéti oproduzidoreferentea omponente fundamental(N.m)

T

eh

- torque eletromagnéti oproduzidoreferentea omponente de altafrequên ia (N.m)

T

L

- torque ou onjugado de arga (N.m)

T

s

- períodode amostragem(s)

T

tr

- intervalode tempo referente aode aimentoda orrente em um IGBT (s)

T

1

- polinmiopadrão doter eiro grau

v

r

sd

- tensão estatóri a de eixo

d

(V)

v

r

sq

- tensão estatóri a de eixo

q

(V)

v

si

- tensões estatóri as trifási as (V), om i =

1, 2, 3.

v

t

- tensão médiade saída doinversor fonte de tensão (V)

v

∗

s

- tensão médiade referên iado inversor fontede tensão (V)

v

∗

f

- tensão médiade referên iado ontrolador de orrente (V)

v

h

- tensão de altafrequên ia (V)

v

d

- tensão resultantedas não-linearidadesdo inversor (V)

V

r

- amplitude daex itação fundamental(V)

V

h

- amplitude daex itação de altafrequên ia (V)

p

i

- raízes de um polinmiopadrãodo ter eirograu,

i = 1, 2, 3.

b

o

- ganhoda função de transferên ia entre a velo idade estimadae avelo idademedida

(35)

K

io

-ganho dafunção de transferên ia entre avelo idade estimadaea velo idademedida

α

- fatorde ponderação entre as respostas dos estimadoresde posição

β

- fatorque representa os efeitos das não-linearidades doinversor

φ

- ângulode arga,atan(

i

r

sq1

/i

r

sd1

)

ψ

- uxo rotóri o(Wb)

θ

r

- posição elétri adorotor (rad. elét.)

b

θ

r

- posição elétri adorotor estimada (rad. elét.)

b

θ

r

_

BLN D

- posição elétri adorotor resultante,

θ

b

r

_

BLN D

= αb

θ

r

_

sal

+ (1 − αb

θ

r

_

f cem

)

(rad. elét.)

θ

rm

- posição rotóri ame âni a (rad. me .)

b

θ

rm

- posição rotóri ame âni a estimada(rad. me .)

γ

- larguradajanela de frequên ia usada nopro esso de suavização da ETFE

λ

P M

- uxo rotóri odo ímãpermanente(Wb)

ω

- freqüên iaangular (rad./s)

ω

r

- velo idade angularelétri a dorotor (rad. elét./s)

b

ω

r

- velo idade angularelétri a dorotor estimada(rad. elét./s)

ω

rm

- velo idade me âni a dorotor (rad. me ./s)

b

ω

rm

- velo idade me âni a estimada(rad. me ./s)

ω

h

- frequên iaangular daex itação de altafrequên ia (rad. elét./s)

CA - orrentealternada

CC - orrente ontínua

(36)

f em - força ontra-eletromotriz

f cem

- subs rito referentea té ni a de estimação baseada na f em

high

- subs rito referentea limite superior

FFT - Transformada rápida de Fourier ( Fast Fourier Transform)

FPA - ltro passa-altas

FPB - ltro passa-baixas

FPF - ltro passa-faixa

BSF - ltro rejeita-faixa ( Band Stop Filter)

HF - altafrequên ia

IGBT - interruptor de potên ia( Insulated Gate Bipolar Transistor)

IPM -motorsín rono omosímãsinseridosnorotor( InteriorPermanent-Magnet

Syn hro-nous Motor)

low

- subs rito referentea limite inferior

LFO - largurade faixa doobservador (Hz)

PLL - Phase-Lo ked Loop

PWM - modulaçãopor largurade pulso Pulse-Width Modulation

PI - propor ionale integral

sal

- subs rito referentea té ni a de estimação baseada na injeção de sinal

SMPM - motor sín rono om os ímãs na superfí ie do rotor ( Surfa e Mounted

(37)

1

Introdução

Comoavanço nate nologiade fabri açãodemateriaismagnéti osdeterrasrarasnadé ada

de 80, em espe ial os ompostos de neodímio-ferro-boro(NeFeB), surgiu um res ente

inte-resse de sua utilização em motores elétri os(Bose, 1997). Em máquinas sín ronas, os ímãs permanentespossibilitaramasubstituiçãodo ir uitodeex itaçãoeletromagnéti a

tornando-se a prin ipal fonte de produção de uxo de entreferro. O uso de materiais magnéti os de

terras raras em motores sín ronos a ímãs permanentes propor ionou ara terísti as

singu-lares em relação às demais máquinas elétri as, tais omo elevada relação potên ia/volume,

alta razão torque/inér ia e alta e iên ia (Gieras e Wing, 1997). Consequentemente , esses motorestornaram-semuitoatrativosem apli açõesindustriaisdealtodesempenho omoem

manipuladores robóti os, posi ionamento de alta pre isão, máquinas-ferrramentas (Holtz, 2008), além de seu emprego res ente em veí ulos elétri os(Chau, Chan eLiu, 2008).

O a ionamento típi o de motores sín ronos a ímãs permanentes pode ser representado

pelodiagramadaFigura1.1. Aestruturaédivididaemum onversordeenergia,umsistema de ontrole e um sistema de medição de grandezas elétri as e me âni as. Um requisito

essen ialparao ontrolede máquinassín ronasaímãspermanentes éouso deum sensorde

posição( en oder ouresolver),umavezqueouxo rotóri oéproduzidopelosímãsmontados

norotor damáquina. Assim, pode-se garantiro sin ronismoentre ossinais produzidospelo

onversor de energia e a frequên ia angular do rotor. Todavia, o emprego de sensores de

posição em sistemas de a ionamento de motores a ímãs representa algumas desvantagens,

(38)

Figura1.1: Diagrama de ontrole de um motor sín ronoa ímãpermanente.

(i) aumento do volume do sistema de ontrole da máquina (Jansen e Lorenz, 1995), (Consoli etal.,1999),(Staineset al.,2005);

(ii)sus eptibilidadeàinterferên ia eletromagnéti aporpartedosensorde posição(Jang et al.,2003b);

(iii) uso de abos e onexões me âni as adi ionais (Corley e Lorenz, 1998), (Capponi et al.,2006);

(iv)reduçãoda onabilidadedosistema(Consolietal.,1999),(Consolietal.,2001),(Jang et al.,2003b);

(v) adaptação do formato onstrutivo ao ambiente de trabalho omo robs e veí ulos

(Consoli etal.,2001);

(vi)aumentodo ustodosistema(Consolietal.,2001),(Jang etal.,2003b),(Andrees u et al.,2008).

Diantedesse enário,diversosautorestêmdedi adoesforçosnainvestigaçãoeproposição

de soluções do ontrole do motor sín rono a ímã permanente que dispensem o emprego de

sensores de posição. Essas soluções são omumente designadas omo ontrole sensorless

ou ontrole self-sensing, e tem por objetivo a eliminação do sensor de posição obtendo

(39)

dosímãsde terras-raras,tornaramossistemasde a ionamentode motoresaímãsaindamais

ompetitivos frente aos sistemas de a ionamentos de motores de indução trifási os (Holtz, 2008).

Demaneirageral,osmétodosdeestimaçãodeposiçãorotóri apodemser lassi adosem

dois tipos: métodos baseados na estimação da força ontra-eletromotriz (f em) e métodos

baseados na identi ação e rastreamento das saliên ias magnéti as. No primeiro tipo de

ategoria,aforça ontra-eletromotrizéestimadaapartirdomodelofundamentaldamáquina

(Matsuie Shigyo,1992),(Zhiqianetal.,2000),(Morimotoetal.,2002),(Kimetal.,2003a). Esses esquemas apresentam um bom desempenho em faixas de velo idades médias e altas,

pois o mesmo depende da amplitude da f em gerada, que é diretamente propor ional à

velo idade de rotação. Consequentemente , em situações de baixas rotações, o desempenho

dessas estratégiasde estimação é omprometido,poisaamplitude daf emémuitopequena

ounula.

Para resolveresseproblema,asestratégiasbaseadasnorastreamentodassaliên ias

mag-néti as utilizam o modelo de alta frequên ia domotor. Basi amente, osmétodos onsistem

nainjeçãode um sinalde altafrequên ia (emtensãoouem orrente) sobreposto àex itação

fundamental,de modoquepossamseridenti adasassaliên iasmagnéti asdamáquina. As

diferenças em amplitude e em fase entre a tensão e orrente de alta frequên ia resultantes,

apresentam, de forma indireta, a informação da orientação espa ial da saliên ia magnéti a

domotor, ouseja, daposição do rotor. Tipi amente, té ni as explorando esse prin ípiosão

destinadas para operação da máquina em baixas velo idades ou a velo idade nula (Jansen e Lorenz, 1995), (Linke et al., 2002), (Jang et al., 2003b), (Holtz, 2008), (Fernandes et al., 2010). Nesse sentido, a literaturaapresenta trabalhos que desta am a apli açãoda té ni a para o rastreamento das saliên ias inerentes da máquina (imperfeições onstrutivas) omo

também, para identi ação daquelas provo adas por saturação do ir uito magnéti o da

mesma (Jansen e Lorenz, 1995).

Diferentes soluçõessão en ontradasna literaturade omo integrarou ombinar

estima-doresde posiçãobaseadosnorastreamentodassaliên iasmagnéti aseestimadoresbaseados

na estimação da f em ou uxo (Aihara et al., 1999), (Cape hi et al., 2001),(Perassi et al., 2005), (Frenzke e Piepenbrier, 2004), (Kim et al., 2005), (Khalil et al., 2007), (S hroedl et al., 2009). Essas propostas exploram a ombinação de estimadores híbridos de uxo

(40)

(Silva et al., 2006), (Andrees u et al., 2008), (Foo, Sayeef e Rahman, 2010), observadores adaptativos (Piippo et al., 2008) e observadores de modos deslizantes (Chi et al., 2009). Pou os trabalhos investigam os limites de operação de ada té ni a (Ribeiro et al., 2006), (Harkeetal.,2007),(Hejny eLorenz,2009). Holtz(2008) omentaque asté ni asbaseadas naestimação daf empodemfun ionar bem a imade

3%

davelo idadenominal. Poroutro

lado, Shinnaka (2008) refere-se a apli ações de veí ulos elétri os híbridos onde as té ni as baseadas nas saliên ias apresentaram bom desempenho até velo idades orrespondentes a

10%

da velo idade máxima da máquina. Dessa maneira, não se veri a na literatura uma proposta de pro edimento sistemáti o para se identi ar ou determinar a região de

tran-sição entre as té ni as e um ritério de es olha entre as té ni as que avalie a qualidade da

estimação de ada método.

Este trabalhoavaliaa integração de té ni as de estimação de posição rotóri abaseadas

na f em e baseadas em saliên ias magnéti as destinadas para o a ionamento de motores

sín ronos a ímã permanente ( Permanent-Magnet Syn hronous Motors - PMSM). A

om-binação das té ni as de estimação de posição possibilita a elaboração de um estimador de

posição para toda faixa de velo idade. Ini ialmente, é investigado o limite de operação de

té ni as de estimação baseadas no rastreamento das saliên ias magnéti as. Além disso, é

proposto um pro edimentopara avaliararegião de transição entre os dois tiposde té ni as

visando asua apli açãoaum sistemade a ionamentode motorsín ronoa ímãpermanente.

1.1 Contribuições da pesquisa

Estetrabalhoéuma ontribuiçãoao ontroledemotoressín ronosaímãpermanentebaseado

em estimação de posição e/ou velo idade rotóri as. As prin ipais ontribuiçõesdo trabalho

podem ser resumidas nos seguintes tópi os:

•

Análise dos fenmenos que inuen iam o desempenho de estimadores de posição ba-seados norastreamentodas saliên iasmagnéti as;

•

Avaliaçãodolimitesuperior de operaçãode té ni as de estimaçãode posiçãobaseadas no rastreamento das saliên ias;

(41)

té ni- as de estimação de posição voltadas para baixas velo idades e té ni as de estimação

destinadas a altas velo idades. O pro edimento foi apli adopara um sistema de

a io-namento de um motor sín ronoa ímãpermanente.

1.2 Organização do trabalho

O trabalhoestá organizado em

6

Capítulos onde são abordadosos seguintes temas:

Capítulo 2

Éapresentadaarevisãodaliteraturaté ni asobreestimaçãodeposiçãoe/ouvelo idade

de máquinassín ronas aímãpermanentevisando o ontrole de posiçãoe/ouvelo idadesem

sensor me âni o de posição.

Capítulo 3

Neste Capítuloé apresentado um estudo omparativoentre asté ni as de estimação de

posiçãorotóri abaseadas emsaliên iasmagnéti as. Asté ni as deestimaçãodeposição

uti-lizamainjeçãode tensãodealtafrequên ia. Otexto apresentaalgunsparâmetrosutilizados

na literatura para se avaliar o desempenho e a implementação das té ni as de estimação

baseadas na injeção de sinal. Osresultados doestudo porsimulação são apresentados.

Capítulo 4

É proposto um estudo a er a do desempenho da estimação de posição para té ni as

baseadas norastreamentodas saliên iasmagnéti as. São apresentados os fatores que

inu-en iamaqualidadedasgrandezasestimadasàmedidaqueavelo idadedeoperaçãoaumenta.

Dessa maneira,dis ute-se um pro edimentopara se avaliarolimitesuperior de métodos de

estimação baseados na injeção de portadoragirante. O estudo é validado através de

simu-lações omputa ionais. Resultadosexperimentaisdaté ni adeestimaçãodeposiçãorotóri a

são apresentados.

Capítulo 5

Neste Capítulo é proposto um pro edimento para determinação da faixa ou região de

(42)

estimaçãode posiçãoem altavelo idadeébaseadanaestimaçãodaforça ontra-eletromotriz

damáquina. OCapítuloapresentaasprin ipaisetapasparaimplementaçãodopro edimento

proposto e os resultados de simulação para um estimador de posição rotóri a para uma

ampla faixa de velo idade. Além disso, são apresentados os resultados experimentais da

implementação daté ni a proposta em um sistema de a ionamento omer ial.

Capítulo 6

São apresentadas as on lusões gerais do estudo e também as sugestões para trabalhos

(43)

2

Revisão bibliográ a

2.1 Introdução

Neste apítulo será apresentada a revisão bibliográ a do tema, métodos de estimação de

posiçãoe/ouvelo idaderotóri asdemáquinassín ronasaímãpermanente. Ini ialmente,são

estudadasasté ni as de estimaçãodestinadaspara médiasealtasvelo idades,basi amente,

sãopropostasqueutilizamomodelofundamentaldamáquina. Emseguida,sãoapresentados

osmétodosutilizadosparaestimaçãodeposiçãoembaixavelo idade ujoprin ípioérastrear

a posição da saliên ia rotóri a. Como será apresentado, ada uma dessas ategorias de

estimação de posiçãorotóri aapresenta vantagensourestrições emfunção davelo idadeou

ondiçãode operação. Emrazãodisso,soluçõesquevisamaintegraçãoou ombinaçãoentre

essas estratégias são dis utidas. Por último, as on lusões doestudo e as oportunidades de

pesquisa são apresentadas.

2.2 Métodos de estimação de posição baseados na força

ontra-eletromotriz

Osmétodosdeestimaçãodeposiçãobaseadosnaforça ontra-eletromotrizutilizamomodelo

fundamental da máquina uma vez que a informação da posição está ontida no termo de

força ontra-eletromotriz. As propostas podem utilizar estimadores baseados no modelo

(44)

forma, o desempenho desses métodos exige a estimação ou onhe imento dos parâmetros

da máquina tais omo uxo produzido pelo ímã permanente, a resistên ia estatóri a e as

indutân ias de eixos direto ( d) e quadratura ( q). O modelo fundamental de um motor

sín rono a ímã permanente, simétri o, trifási o, no referen ial sín rono do rotor é es rito

omo (Jang et al.,2003b):

v

r

sd

v

r

sq

=

r

s

+ pl

sd

−ω

r

l

sq

ω

r

l

sd

r

s

+ pl

sq

i

r

sd

i

r

sq

+

0 ω

r

λ

P M

(2.1) onde

[v

r

sd

v

sq

r

]

T

,

[i

r

sd

i

r

sq

]

T

são os vetores de tensão e orrente do estator no referen ial rotóri o, respe tivamente,

λ

P M

é o uxo do ímãpermanente,

ω

r

é a frequên ia elétri ado

rotor;

r

s

é a resistên ia do estator;

l

sd

e

l

sq

são as indutân ias do estator de eixos

d

e

q

,

respe tivamente,

p

é o operador derivada. O modelo em tensão (2.1) da máquina pode ser expresso no referen ialesta ionário omo:

v

s

sd

v

s

sq

=

r

s

− 2ω

r

L

dif

sin 2θ

r

2ω

r

L

dif

cos 2θ

r

2ω

r

L

dif

cos 2θ

r

s

+ 2ω

r

L

dif

sin 2θ

r

i

s

sd

i

s

sq

+

L

med

− L

dif

cos 2θ

r

L

dif

sin 2θ

r

L

dif

sin 2θ

r

L

med

+ L

dif

cos 2θ

r

pi

s

sd

pi

s

sq

+

− sin θ

r

cos θ

r

ω

r

λ

P M

(2.2)

onde

L

med

= (l

sd

+ l

sq

)/2

e

L

dif

= (l

sd

− l

sq

)/2

.

Naliteraturadiversassoluçõessãopropostas omoamediçãodaforça ontra-eletromotriz

(Iizukaetal.,1985),(Be erra etal.,1991),mediçãode harmni osdaf em(Moreira,1996), utilizaçãodomodelo(WueSlemon,1991),(NaidueBose,1992),naidenti açãodavariação daindutân iade fase(Binnsetal.,1991),nouso de observadoresde estado(Gu huan etal., 2001),(Hamadaet al.,1999), (Kim et al.,2003b),(I hikawa etal.,2001),(Morimotoet al., 2002)ou de ltro de Kalman (Bolognani et al.,1999).

Usando a medição da força ontra-eletromotriz

Iizukaetal. (1985),Be erraetal. (1991)propuseramsoluçõesparaestimaçãodeposição baseada namediçãodaforça ontra-eletromotriz(f em)apli adaaoa ionamentodemotores

sín ronos om f em trapezoidal. Iizuka et al. (1985) dete tou os instantes de haveamento do onversor a partir do ruzamento por zero da f em. Fazendo-se a monitoração da f em