Studentská grantová soutěž - předchozí roky

Výzkum bezsenzorových metod řízení střídavých regulovaných pohonů

SP2011/107

Šimoník Petr doc. Ing., Ph.D.

prof. Ing. Pavel Brandštetter, CSc.

01. 01. 2011 - 31. 12. 2011

Díky rozvoji výkonové elektroniky a mikroprocesorové techniky se uplatňují nové způsoby řízení, které umožňují nasazení střídavých motorů i ve vysoce dynamických pohonech, trakčních pohonech a dalších náročných aplikacích. K těmto způsobům řízení patří také metoda vektorového řízení střídavého stroje. Značné úsilí je věnováno problematice zavedení pohonů s vektorovým řízením bez čidla rychlosti, resp. polohy. Tyto pohony jsou označovány jako bezsenzorové vzhledem k čidlu rychlosti (polohy hřídele) – stále jsou potřeba pro regulaci v uzavřené regulační smyčce jiné senzory (nejčastěji jde o čidla proudu resp. napětí). Eliminací senzoru rychlosti dochází ke snížení složitosti celkového hardware, nárůstu mechanické robustnosti a odolnosti celého pohonu. Rovněž při takovémto způsobu řízení (bez čidla rychlosti) dochází k nárůstu šumové imunity celého systému. To vše se odráží v konečné ceně celého pohonu. U velmi malých motorů není možné použití elektromechanických senzorů. Rychlostní senzory nemohou být montovány vůbec u pohonů pracujících v agresivním prostředí nebo u vysokorychlostních pohonů. Při použití elektromechanických senzorů dochází navíc k nárůstu momentu setrvačnosti. Jejich začlenění má rovněž za následek vyšší požadavky kladené na údržbu. Bezsnímačové řízení střídavých regulovaných pohonů (Sensorless Control of AC Controlled Drives) je tedy řízení, u kterého není použit snímač magnetického toku ani snímač mechanické úhlové rychlosti. Základní úlohou je výpočet polohy vektoru statorového nebo rotorového magnetického toku a mechanické úhlové rychlosti ze znalosti statorových proudů a napětí. Pro samotné řízení střídavého pohonu se samozřejmě použijí stejné principy a struktury jako v případě se snímačem rychlosti [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]. Aktuálnost problematiky bezsenzorového řízení potvrzuje také první mezinárodní sympozium s problematikou bezsenzorového řízení, které se konalo červenci 2010 v Itálii (First IEEE International Symposium on Sensorless Control for Electrical Drives - SLED 2010, Padova, Italy). Mezi nejznámější metody patří např. pozorovatelé využívající systémy s referenčním modelem (MRAS), Kalmanův pozorovatel, Luenbergerův pozorovatel, pozorovatel s klouzavým módem), estimátory s injektováním napěťového signálu, estimátory využívající umělé neuronové sítě. Moderní koncepce řídicích systémů umožňují realizaci časově náročných řídicích algoritmů v reálném čase, např. metody „Hardware in the Loop Simulation“, u kterých je řízený mechatronický systém nahrazen komplexním počítačovým modelem. Pro zvolení vhodné metody bezsenzorového řízení je nutné definovat základní požadavky: regulační rozsah otáček, přesnost vyhodnocení otáček, resp. polohy rotoru, činnost v trvalém režimu nebo jen jako náhrada při poruše snímače apod. Je nutné však zdůraznit, že všechny výhody bezsenzorového řízení nejsou zadarmo a jdou na úkor snížení dynamiky a přesnosti řízení pohonu. Reference [1] Boldea I., Nasar S. A.: Electric Drives, USA : CRC Press LLC, 1999. ISBN 0-8493-2521-8. [2] Bose B. K.: Modern Power Electronics and AC Drives. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall PTR, 2002, 711 p. ISBN 0-13-016743-6. [3] Finch J. W., Giaouris D.: Controlled AC Electrical Drives. IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 55, no. 2, pp. 481–491, 2008. [4] Leonhard W.: Control of Electrical Drives. Springer - Verlag Berlin, 1997, ISBN 3-540-59380-2. [5] Vas P.: Sensorless Vector and Direct Torque Control. New York: Oxford University Press, 730 p., 1998, ISBN 0-19-856465-1. [6] Conference Proceedings, 13th European Conference on Power Electronics and Applications - EPE 2009, Barcelona, Spain, 2009, ISBN 978-1-4244-4432-8. [7] Symposium Proceedings, IEEE International Symposium on Industrial Electronics, Bari, Italy, Vols 1-6, 2010.

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

Hlavním cílem projektu je výzkum bezsenzorových metod řízení střídavých regulovaných pohonů.

Dílčí cíle projektu
C1. Smulace metod bezsenzorového řízení střídavých regulovaných pohonů pomocí programu Matlab-Simulink.
C2. Alikace moderních elektronických prvků pro zpracování signálů ze snímačů proudu, napětí a polohy.
C3. Vvoj aplikačního software pro implementaci do moderních řídicích systémů se signálovými procesory.
C4. Eperimentální ověřování vlastností vybraných metod řízení.
C5. Zpracování výsledků řešení.
C6. Publikace dílčích výsledků na zahraničních konferencích a v odborných časopisech.