Studentská grantová soutěž - předchozí roky

Výzkum algoritmů pro řízení elektrických pohonů s vysokou dynamikou

SP2014/119

Šimoník Petr doc. Ing., Ph.D.

prof. Ing. Pavel Brandštetter, CSc.

01. 01. 2014 - 31. 12. 2014

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 nabízejí 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 [1], [2]. Úspory energie jsou důležitými tématy výzkumu v celosvětovém měřítku. V současnosti 40% celkové spotřeby energie tvoří spotřeba elektrické energie, která poroste do roku 2040 až na 60%. Podíl elektrické energie, která bude ovlivňována výkonovou elektronikou v mechatronických systémech s elektrickými regulovanými pohony poroste na 80% v roce 2015. V komplexu konkurenceschopného strojírenství jsou témata zabývající se úsporami energie vysoce aktuální a jsou v souladu s prioritními směry výzkumu nejen v České republice, ale také v celém světě. Úspory energie a zvyšování účinnosti její přeměny (Energy Efficiency and Savings) představují významnou oblast pro výzkumné projekty rámcových programů EU. 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) a synchronní motory s permanentními magnety (SMPM). Velice perspektivní jsou také lineární motory s permanentními magnety (LMPM). Pro řízení dynamicky náročných střídavých pohonů s asynchronními motory a synchronními motory se v současnosti užívá metoda vektorového řízení a metoda přímého řízení momentu elektrického motoru. Principiálně jde o to, že se z matematického modelu střídavého motoru v reálném čase s použitím moderních signálových procesorů vypočítávají veličiny a parametry motoru nezbytné pro jeho řízení zvolenou metodou. Jak je obecně známo, že jedním z hlavních znaků a výhod vektorového řízení a přímého řízení momentu je možnost nezávislé regulace momentu a magnetického toku motoru. Pro regulaci jeho mechanických otáček je ovšem zapotřebí znát rychlost otáčení rotoru, a to jak v ustáleném stavu, tak i v přechodných stavech [1], [2]. Moderní trendy řízení střídavých regulovaných pohonů s vysokou dynamikou zahrnují aplikace adaptivních a robustních algoritmů, automatickou identifikaci parametrů regulovaných soustav a aplikaci bezsensorových metod řízení vhodných nejen pro střední a vysoké otáčky, ale také pro velmi nízké otáčky střídavých motorů. 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. 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 [3]. Bezsensorové metody vyhodnocení polohy rotoru střídavého motoru lze rozdělit do čtyřech základních skupin: a) metody založené na různých matematických modelech, které využívají pro stanovení polohy rotoru, resp. mechanické úhlové rychlosti, měřitelné nebo rekonstruovatelné stavové veličiny; b) metody založené na odezvě na vnější injektovaný signál; d) metody využívající metody soft computingu; d) hybridní metody, které přepínají předchozí přístupy [3]. Pro oblast nízkých a středních otáček jsou vhodné metody založené na různých typech nelineárních pozorovatelů a estimátorů, např. MRAS, rozšířený Kalmanův filtr, Luenbergerův pozorovatel, pozorovatel pracující v klouzavém módu. Pro oblast velmi nízkých otáček je vhodná metoda injekce pomocného napěťového signálu do statorového vinutí, jehož proudovou odezvu lze využít pro estimaci polohy rotoru a rotorové rychlosti. Hybridních estimátory využívají výše uvedené typy estimátorů a ve vhodném okamžiku řídí přepnutí na vhodný typ estimátoru pro danou oblast rotorové úhlové rychlosti [3], [4], [5]. Pro zpracování analogových signálů ze snímačů napětí a proudů se používají elektronické obvody s operačními zesilovači. Mezi perspektivní elektronické prvky patří konvejory, které vykazují lepší kmitočtové vlastnosti, než klasické operační zesilovače. 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 [6]. Při řešení projektu budou analyzovány některé metody uvedených skupin. Zvolené metody zpracování budou zahrnovat analýzu a teoretický rozbor zkoumaných estimátorů, struktur a řízení estimátorů, realizaci experimentálního pracoviště s funkčními prototypy a experimentální ověření zkoumaných problémů. Ve zvoleném postupu prací bude použita výzkumná linie „teorie – simulace – aplikační možnosti – experimentální ověření“. Řešená problematika vyžaduje interdisciplinární přístup, který zahrnuje efektivní spojení teoretických a praktických znalostí z různých oblastí elektrotechniky a informačních technologií. Význam projektu pro technickou praxi spočívá ve využití poznatků z realizace funkčních prototypů a experimentálního ověření navržených metod řízení elektrických regulovaných pohonů. Reference [1] Boldea I., Nasar S. A. Electric drives, USA : CRC Press LLC, 1999. ISBN 0-8493-2521-8. [2] Brandštetter P.: Střídavé regulační pohony - Moderní způsoby řízení. Monografie, VŠB - Technická univerzita Ostrava, 1999, ISBN 80-7078-668-X. [3] Holtz J.: Sensorless Control of Induction Motor Drives, IEEE ETATS-UNIS, vol. 90, pp. 1359-1394, New York, USA, 2002, ISSN 0018-9219. [4] Conference Proceedings, 15th European Conference on Power Electronics and Applications - EPE 2013, Lille, France, 2013. [5] Symposium Proceedings, 22nd IEEE International Symposium on Industrial Electronics, Taipei, Taiwan, 2013. [6] 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. Jiří Friedrich
Ing. Tomáš Verner
Ing. Radek Šulák
Ondřej Petrtýl
Ing. Jiří Takáč
Ing. Tomáš Mrověc, Ph.D.
Ing. Jiří Hájovský
prof. Ing. Pavel Brandštetter, CSc.

Cíle a milníky projektu

Hlavním cílem projektu je výzkum prostředků a moderních metod řízení pro realizaci bezsensorových střídavých regulovaných pohonů s vysokou dynamikou.

Dílčí cíle projektu

C1. Vývoj simulačních modelů a simulace vybraných řídicích algoritmů pomocí programů Matlab-Simulink a OrCAD-PSpice.
C2. Vývoj elektronických obvodů pro zpracování signálů s využitím moderních aktivních prvků.
C3. Implementace aplikačního software do moderních řídicích systémů se signálovými procesory.
C4. Realizace funkčních vzorků a experimentální činnost v laboratořích řešitelského pracoviště.
C5. Analýza a vyhodnocení experimentálních výsledků.
C6. Publikace dílčích výsledků na mezinárodních konferencích a v odborných časopisech.

Očekávané přínosy

• Zajištění vhodných podmínek pro výzkumnou činnost doktorandů.
• Zapojení doktorandů 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).
• Využití výsledků ve firmách a společnostech pro zvýšení užitných vlastností a konkurenceschopnosti nových výrobků.