Studentská grantová soutěž - předchozí roky

Výzkum řídicích algoritmů elektrických regulovaných pohonů

SP2012/85

Šimoník Petr doc. Ing., Ph.D.

prof. Ing. Pavel Brandštetter, CSc.

01. 01. 2012 - 31. 12. 2012

V současné době jsou požadavky na průmyslovou výrobu charakterizovány vysokou intenzifikací, minimální spotřebou a optimalizací technologických procesů, čehož lze dosáhnout dokonalejším výrobním zařízením, jeho úspornějším provozováním a dokonalejším řízením. Výrobní zařízení sestávají z celé řady různorodých systémů a prvků, jejichž činnost je podmíněna využíváním vhodného pohonu. Elektrické pohony nabízí celou řadu předností (nízké pořizovací a provozní náklady, jednoduchá instalace, minimální údržba, vysoká spolehlivost, ekologičnost, široké možnosti řiditelnosti) pro které dnes ve většině průmyslových i neprůmyslových aplikacích mají dominantní postavení. V minulosti byly v aplikacích s nároky na plynulé řízení otáček upřednostňovány stejnosměrné regulované pohony. Rozvoj polovodičové základny a mikroprocesorové techniky, umožňuje technickou realizaci moderních způsobů řízení střídavých regulovaných pohonů, důsledkem čehož je možnost nasazení těchto pohonů i ve vysoce dynamicky náročných aplikacích. Ve střídavých elektrických pohonech se nejčastěji používají asynchronní motory (AM). Nasazení asynchronních motorů i ve vysoce dynamických pohonech, trakčních pohonech a dalších náročných aplikacích umožnila technická realizace moderních způsobů řízení, mezi které patří také metoda vektorového řízení AM [1], [2]. Do skupiny střídavých pohonů patří i spínané reluktanční motory (SRM), které se vyznačují především svou jednoduchou konstrukcí, nízkou cenou a vysokou účinností. I přes uvedené výhody SRM a rychle se rozvíjející polovodičovou a mikroprocesorovou techniku, je ale počet komerčně vyráběných produktů se SRM stále velmi nízký a do dnešního dne neexistuje univerzální způsob návrhu pohonu se SRM a jeho řízení pro širší oblast aplikací. Nalezení takovéhoto způsobu je v současné době snahou mnoha světových laboratoří a vědeckých pracovišť o čemž svědčí množství publikací posledních let [3]. Značné úsilí je věnováno problematice zavedení střídavých pohonů bez snímače rychlosti, resp. polohy rotoru stroje. Tyto pohony jsou označovány jako bezsenzorové vzhledem k snímači rychlosti, resp. polohy rotoru. Stále jsou však nutné pro regulaci v uzavřené regulační smyčce jiné senzory (nejčastěji jde o snímače proudu a napětí). Eliminací senzoru rychlosti dochází ke snížení složitosti celkového hardware, nárůstu mechanické robustnosti a odolnosti celého pohonu. To vše se odráží v konečné ceně celého pohonu. Všechny tyto výhody však nejsou zadarmo a jdou na úkor snížení dynamiky a přesnosti řízení pohonu. Značné úsilí je věnováno problematice zavedení střídavých pohonů bez snímače rychlosti, resp. polohy rotoru stroje. Tyto pohony jsou označovány jako bezsenzorové vzhledem k snímači rychlosti, resp. polohy rotoru. Stále jsou však nutné pro regulaci v uzavřené regulační smyčce jiné senzory (nejčastěji jde o snímače proudu a napětí). Eliminací senzoru rychlosti dochází ke snížení složitosti celkového hardware, nárůstu mechanické robustnosti a odolnosti celého pohonu. To vše se odráží v konečné ceně celého pohonu. Všechny tyto výhody však nejsou zadarmo a jdou na úkor snížení dynamiky a přesnosti řízení pohonu. Jestliže je estimace polohy odvozena z modelu střídavého motoru, pak jde o tzv. bezsenzorové řízení s modelem motoru. V opačném případě jsou to metody nevyužívající model motoru, pak jde o tzv. bezsenzorové řízení bez modelu motoru. Bezsnímačové řízení asynchronního motoru je tedy řízení, u kterého není použit snímač magnetického toku ani snímač mechanické úhlové rychlosti. Základní úlohou je tedy výpočet polohy vektoru statorového nebo rotorového magnetického toku a mechanické úhlové rychlosti ze znalosti statorových proudů a napětí [4], [5], [6], [7]. Cílem bezsenzorového řízení SRM je nalézt odhad polohy rotoru, který je použit pro spínání proudů v jednotlivých fázích SRM a pro polohovou či rychlostní zpětnovazební smyčku [3], [6], [7]. Moderní koncepce řídicích systémů umožňují realizaci časově náročných řídicích algoritmů v reálném čase, např. metody „Hardware in the Loop Simulation“, u kterých je řízený elektrický pohon nahrazen komplexním počítačovým modelem. Pro zpracování analogových signálů ze snímačů napětí a proudů se používají elektronické obvody s operačními zesilovači. Mezi perspektivní elektronické prvky patří proudové konvejory, které si lze obecně představit jako funkční mnohobrany, které mají různě definovány vztahy mezi branovými proudy (konvejování proudů) a jinak a nezávisle definovány vztahy mezi branovými napětími. Reálné proudové konvejory se vykazují lepšími kmitočtovými vlastnostmi, než je tomu např. u klasického operačního zesilovače. Patří mezi moderní stavební bloky, které umožňují realizovat obvody s lepšími elektrickými vlastnostmi. Obvody s těmito aktivními prvky dovolují rozšířit kmitočtové spektrum zpracovávaných signálů, zlepšují šumovou odolnost a dynamiku obvodů a v neposlední řadě jsou také schopny pracovat při nižším napětí a odběru, což je v současné době velmi důležitý faktor především u obvodů pro mobilní zařízení s bateriovým napájením. Tyto moderní elektronické prvky nachází uplatnění v aplikacích, jako jsou například aktivní kmitočtové filtry, zesilovače, oscilátory, řízené usměrňovače atd. [8]. Reference [1] Boldea I., Nasar S. A.: Electric Drives, USA: CRC Press LLC, 1999. ISBN 0-8493-2521-8. [2] Finch J. W., Giaouris D.: Controlled AC Electrical Drives. IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 55, no. 2, pp. 481–491, 2008. [3] Miller, T. J. E.: Electronic Control of Switched Reluctance Machines, University of Glasgow, 2001, ISBN 0 7506. [4] Vas P.: Sensorless Vector and Direct Torque Control. New York: Oxford University Press, 730 p., 1998, ISBN 0-19-856465-1. [5] Holtz, J.: Sensorless Control of Induction Motor Drives, IEEE ETATS-UNIS, vol. 90, pp. 1359-1394, New York, USA, 2002, ISSN 0018-9219. [6] Conference Proceedings, 14th European Conference on Power Electronics and Applications - EPE 2011, Birmingham, United Kingdom, 2011. [7] Symposium Proceedings, IEEE International Symposium on Industrial Electronics, Gdansk, Poland, 2011. [8] Smith K. C., Sedra A.: A second-generation current conveyor and its applications. In IEEE Transactions on Circuit Theory, vol. 17, p. 132-134, 1970.

doc. Ing. Petr Šimoník, Ph.D.
Ing. Pavel Bílek
Ing. Marek Dobrovský
Ing. Petr Krňa, Ph.D.
Ing. Lukáš Klein
Ing. Jiří Friedrich
prof. Ing. Pavel Brandštetter, CSc.

Hlavním cílem projektu je výzkum řídicích algoritmů elektrických pohonů s asynchronními motory a se spínanými reluktančními motory.

Dílčí cíle projektu
C1. Vývoj modelů a simulace vybraných řídicích algoritmů pomocí programu Matlab-Simulink.
C2. Vývoj elektronických obvodů pro zpracování signálů s využitím proudových konvejorů.
C3. Implementace aplikačního software do moderních řídicích systémů se signálovými procesory Freescale a Texas Instruments.
C4. Experimentální činnost v laboratořích řešitelského pracoviště.
C5. Analýza a vyhodnocení experimentálních výsledků.
C6. Publikace dílčích výsledků na zahraničních konferencích a v odborných časopisech.

Časový harmonogram řešení
Doba řešení: 1 rok (01/2012 – 12/2012)
Etapa 1. Koncepční řešení
Období 01/2012 - 02/2012 C1, C2, C3
Etapa 2. Simulace metod řízení, vývoj elektronických obvodů, vývoj řídicích algoritmů
Období 02/2012 - 06/2012 C1, C2, C3
Etapa 3. Realizace dílčích částí funkčních prototypů, implementace řídicích algoritmů
Období 06/2012 - 12/2012 C4, C6
Etapa 4. Experimentální činnost v laboratořích
Období 06/2012 - 12/2012 C4, C6
Etapa 5. Zpracování výsledků řešení a tvorba závěrečné zprávy
Období 12/2012 C5, C6

Očekávané přínosy
• Vytvoření kvalitních podmínek pro výzkumnou činnost doktorandů.
• Vytvoření podmínek pro zapojení do sítě výzkumných pracovišť s podobnou výzkumnou problematikou.
• Nabídka a využití výsledků ve firmách a společnostech pro zvýšení užitných vlastností a konkurenceschopnosti nových výrobků.