Projekty

Výzkum moderních metod řízení střídavých regulovaných pohonů

SP2021/70

Kuchař Martin doc. Ing., Ph.D.

01. 01. 2021 - 31. 12. 2021

Součástí každého odvětví průmyslu i každodenního života jsou elektrické pohony, které tvoří ústřední prvek přeměny mezi elektrickou a mechanickou energií. Současný trend digitalizace a automatizace výroby, spojený s pojmem Průmyslu 4.0, klade požadavky na vývoj inteligentních pohonů pro kyberfyzické systémy chytrých továren budoucnosti. Mezi aktuální výzkumná témata v oblasti elektrických regulovaných pohonů patří bezsenzorové řízení, řízení odolné vůči různým druhům poruch, aplikace umělé inteligence, resp. soft-computingových metod v řízení a estimaci parametrů apod. Implementace těchto sofistikovaných algoritmů je nedílně spojena s rozvojem mikroprocesorové techniky a výkonových polovodičových měničů. Tento projekt se zaměřuje právě na oblast moderních střídavých regulovaných pohonů. Střídavé pohony s vektorovým řízením vyžadují bezchybnou činnost snímačů mechanické úhlové rychlosti stroje, snímačů statorových proudů, snímačů napětí apod. V reálném provozu pohonu se však běžně vyskytují různé druhy poruch, např. poruchy motoru, měniče, řídicího systému a zmíněných snímačů. Statisticky patří mezi nejčastější poruchy elektrického pohonu poruchy výkonového měniče a snímačů. Z tohoto důvodu patří mezi velmi důležitá témata výzkumu metody řízení odolné vůči poruchám snímačů veličin (Sensor Fault Tolerant Control), příp. bezsenzorové pohony (Sensorless Drives). Bezsenzorové pohony neobsahují snímač rychlosti, resp. polohy rotoru elektrického stroje, ale snímače proudu, napětí apod. jsou nadále součástí elektrického pohonu. Hlavním úkolem bezsenzorového řízení je s dostatečnou přesností estimovat úhlovou rychlost rotoru stroje a prostorový vektor magnetického toku pro celý pracovní rozsah otáček včetně nejvyšších, nejnižších, příp. nulových otáček. Hlavní výzvou pro výzkumníky z tohoto oboru je tedy stále řešení problematiky odhadu mechanických otáček motoru v okolí nulové rychlosti stroje, v režimech hlubokého odbuzení apod. [1]. Hlavní výhody spojené s nasazením bezsenzorového řízení jsou redukce ceny a použitého hardwaru, nárůst mechanické robustnosti, použití v agresivním prostředí, aplikace pro pohony pracující ve velmi vysokých otáčkách, vyšší spolehlivost, snížené požadavky na údržbu, nárůst šumové imunity, neovlivněný moment setrvačnosti stroje, aplikace na standardní elektrické motory s vyvedenou hřídelí jen na jednu stranu, aplikace na velmi malé motory apod. Algoritmy řízení s odolností vůči poruchám snímačů veličin umožňují v případě detekce chyby snímače mechanické úhlové rychlosti, příp. snímačů statorových proudů asynchronního motoru využít odhadované veličiny z různých estimačních technik místo původně měřených veličin vadnými snímači [1], [2], [3]. V takovém případě bude daný elektrický pohon schopen nadále pracovat i při porouchaném snímači. Pro estimaci zmíněných veličin mohou být použity estimátory nebo pozorovatelé známí z oblasti bezsenzorového řízení [1]. Ve zmíněných výzkumných tématech nacházejí uplatnění i metody z oblasti „soft computingu“ nebo meta-heuristické metody optimalizace. Využití těchto sofistikovaných algoritmů může vést ke zlepšení vlastností pohonů, zvýšení robustnosti a zmenšení závislosti na měnících se parametrech stroje. Tyto systémy mohou být robustní vůči šumům a změnám parametrů regulovaného systému. Při jejich aplikaci není často potřeba znalosti matematického modelu použitého elektrického motoru [4], [5]. Implementace výše uvedených sofistikovaných výpočetně náročných algoritmů, které musí běžet v reálném čase, se neobejde bez výkonného mikropočítačového řídicího systému, v dnešní době často i více jádrového. Jedno jádro je pak využíváno k implementaci zmíněných časově velmi náročných algoritmů a druhé řeší veškeré ostatní úlohy. Tento projekt je zaměřen na výzkum, vývoj a implementaci vybraných sofistikovaných metod řízení z výše prezentovaných oblastí. Zvolený postup řešení úkolů bude zahrnovat analýzu a teoretický rozbor vybraných metod, modelování a simulaci algoritmů v prostředí Matlab-Simulink, implementaci zkoumaných metod do řídicího systému se signálovým procesorem a jejich experimentální ověření. Bude tedy použita výzkumná linie „teorie – simulace – aplikační možnosti – experimentální ověření“. Řešení takto náročných úkolů vyžaduje mezioborový přístup a spojení teoretických a praktických dovedností z oblasti řídicí techniky, výkonové elektroniky, elektrických pohonů, informačních technologií, matematiky a dalších souvisejících odvětví. Hlavní význam projektu pro technickou praxi je ve využití poznatků z praktické realizace vybraných metod řízení elektrických regulovaných pohonů a v získání experimentálních výsledků z funkčních prototypů. Reference [1] Kuchar, M. Metody bezsenzorového řízení asynchronních motorů. Ostrava, 2018, Habilitační práce, VŠB-TU Ostrava, Fakulta elektrotechniky a informatiky, Katedra elektroniky. [2] Gao, Z., Cecati, C., Ding, S.X. A survey of fault diagnosis and fault-tolerant techniques - Part I: Fault diagnosis with model-based and signal-based approaches. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, vol. 62, issue 6, pp. 3757–3767. DOI: 10.1109/TIE.2015.2417501. [3] Salmasi, F.R. A Self-healing induction motor drive with model free sensor tampering and sensor fault detection, isolation, and compensation. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, vol. 64, issue 8, pp. 6105-6115. DOI: 10.1109/TIE.2017.2682035. [4] Vas, P.: Artificial-Intelligence-Based Electrical Machines and Drives. New York: Oxford University Press, 1999, ISBN 0-19-859397-X [5] Vas, P. Sensorless vector and direct torque control. New York: Oxford University Press, 1998. ISBN 0-19-856465-1.

prof. Ing. Pavel Brandštetter, CSc.
Ing. Martin Sobek, Ph.D.
doc. Ing. Martin Kuchař, Ph.D.
Ing. David Bielesz
Ing. Vojtěch Šotola
Ing. Marek Kubatko
Huu Chau Minh Nguyen
Ing. Jakub Bača
Ing. Daniel Kouřil, Ph.D.
Ing. Jan Strossa, Ph.D.
Ing. Richard Blaho
Ing. Bc. Jan Mojžíšek
Ing. Štěpán Kirschner
MSc. Kamal Hamani, M.Sc.

Cíle a milníky projektu
Projekt navazuje na projekty SGS, které byly řešeny na výzkumném pracovišti Katedry elektroniky v předchozích letech. Hlavním cílem projektu je výzkum a vývoj v oblasti moderních elektrických regulovaných pohonů. Implementace navržených algoritmů bude provedena s využitím řídicích systémů založených na digitálních signálových kontrolérech (DSC) s plovoucí řadovou čárkou, v některých případech i více jádrových.
Dílčí cíle projektu
C1. Modelování a simulace regulačních struktur elektrických pohonů v prostředí Matlab-Simulink.
C2. Analýza a vyhodnocení simulačních výsledků.
C3. Realizace potřebného HW, vývoj a implementace vybraných moderních metod řízení pro systémy s DSC.
C4. Experimentální ověřování realizovaného HW a implementovaných algoritmů v laboratořích řešitelského pracoviště.
C5. Analýza a vyhodnocení experimentálních výsledků.
C6. Publikace dílčích výsledků na mezinárodních konferencích a v odborných časopisech.
Očekávané přínosy
• Zvýšení aktivity ve výzkumné činnosti doktorandů, příp. studentů navazujícího magisterského studia - zapojení studentů
do výzkumných projektů ve spolupráci s průmyslovými partnery.
• Zapojení řešitelského pracoviště do sítě výzkumných pracovišť s podobnou výzkumnou problematikou (FEL ZČU Plzeň, FEKT
VUT Brno, FEL ČVUT Praha).
• Publikace ve sbornících konferencí a časopisech indexovaných v databázích Web of Science a Scopus.