Studentská grantová soutěž - předchozí roky

Vývoj a implementace řídicích algoritmů elektrických regulovaných pohonů

SP2016/83

Kuchař Martin doc. Ing., Ph.D.

01. 01. 2016 - 31. 12. 2016

V současné době patří mezi přední témata zájmu výzkumných pracovišť zabývajících se problematikou elektrických pohonů řízení střídavých strojů bez snímače rychlosti, resp. polohy, tzv. bezsenzorové řízení a dále inteligentní sofistikované řídicí techniky zahrnující adaptivní a robustní algoritmy včetně automatické identifikace parametrů. V těchto tématech nacházejí uplatnění i metody z oblasti umělé inteligence [1], [2], [3]. V oblasti bezsenzorových typů pohonů je snahou s dostatečnou přesností estimovat rychlost rotoru stroje, ne jen pro oblast středních a vysokých otáček, ale i pro nejnižší, příp. nulové otáčky. V těchto režimech činnosti je estimace rychlosti značně problematická především z důvodu obtížného určení statorových napětí stroje. Snahou je tedy vyřešit problematiku odhadu otáček motoru v nízkých rychlostech. Obecně mohou tyto bezsenzorové pohony vést ke zvýšení mechanické robustnosti systému, vyšší spolehlivosti a eliminaci problémů s rušením signálových výstupů snímačů otáček. Mezi další výhody je možné zařadit snížení ceny, menší rozměry, snížení hardwarové složitosti celého systému, možnost aplikace pohonu v agresivním prostředí apod. Bezsenzorové metody lze rozdělit do čtyř základních skupin [3], [4]: • metody založené na matematických modelech, které využívají pro stanovení polohy rotoru, resp. mechanické úhlové rychlosti, měřitelné nebo rekonstruovatelné stavové veličiny, např. MRAS, Kalmanův filtr, Luenbergerův pozorovatel, Gopinathův pozorovatel, pozorovatel pracující v klouzavém módu apod.; • metody z oblasti umělé inteligence, např. aplikace umělých neuronových sítí, fuzzy logiky a genetických algoritmů v řízení elektrických regulovaných pohonů; • metody založené na odezvě na vnější injektovaný signál, např. metoda s injektováním napěťového signálu s vyšší frekvencí; • hybridní metody, které uvedené způsoby využívají v různých oblastech otáček a ve vhodném okamžiku mezi nimi dokáží přecházet. Pro řešení problematiky bezsenzorových pohonů je možné využít oblast umělé inteligence, např. umělé neuronové sítě, fuzzy-neural sítě apod. Tyto techniky je možné nasadit např. ve spojení s metodou Reference Frame MRAS, kde neuronová síť realizuje referenční model. Tyto systémy mohou být robustní vůči šumům a změnám parametrů regulovaného systému. Při jejich aplikaci není potřeba znalosti použitého elektrického motoru, resp. jeho matematického modelu, a lze docílit minimální závislosti přesnosti odhadu rychlosti na měnících se parametrech motoru [5], [6]. Samotná realizace výpočetně náročných algoritmů bezsenzorového řízení často vyžaduje výkonný mikropočítačový řídicí systém. V dnešní době jsou k tomuto účelu většinou využívány nyní již dostupné digitální signálové procesory nebo kontroléry pracující s plovoucí řádovou čárkou. Při implementaci zmíněných algoritmů pak odpadají problémy spojené s normováním veličin (zlomkový doplňkový kód – fractional format F1.15 apod.), které je nutné řešit v případě použití mikroprocesorů pracujících s pevnou řádovou čárkou. Signálové procesory s plovoucí řádovou čárkou tedy umožňují urychlení vykonání některých matematických operací, dále se při tvorbě aplikačního softwaru pracuje přímo s reálnými čísly, což značně zpřehledňuje software, usnadňuje jeho parametrizaci, zrychluje jeho vývoj a vede ke komfortnějšímu programování. Software se stává přehlednějším, lépe kontrolovatelným a ve výsledku tedy i bezpečnějším. V poslední době se pro reprezentaci čísel plovoucí řádové čárky nejčastěji používá standard IEEE 754 [5], [6]. Tento projekt je zaměřen na výzkum a implementaci některých sofistikovaných metod z výše prezentovaných oblastí. Zvolený postup řešení úkolů bude zahrnovat analýzu a teoretický rozbor vybraných metod, modelování a simulaci metod v prostředí Matlab-Simulink, implementaci zkoumaných metod do řídicího systému se signálovým procesorem a jejich 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 oborů. Pro realizaci vybraných metod bude využit moderní řídicí systém se signálovým procesorem Texas Instruments TMS320F28335 pracujícím s plovoucí řadovou čárkou, který se v poslední době často používá pro aplikace „motor control“ jak na výzkumných pracovištích, tak i v technické praxi. Tento procesor obsahuje řadu periferních jednotek, které jsou pro oblast řízení elektrických pohonů velmi důležité, např. 16-ti kanálový 12-ti bitový AD převodník, jednotku pulsně-šířkové modulace s řadou možností nastavení, jednotku QEP pro zpracování signálů z inkrementálních snímačů rychlosti, tři 32-bitové čítače/časovače, komunikační sériová rozhraní, dostatečnou paměť pro program a data apod. 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. Řešitelský tým bude zapojen do výzkumných projektů s průmyslovými partnery (Projekt TAČR – CIDAM, Centrum kompetence). Reference [1] Bose B. K.: Global Energy Scenario and Impact of Power Electronics in 21st Century, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 60, No. 7, pp. 2638-2651, 2013. [2] Bose B. K.: Modern Power Electronics and AC Drives. Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall, 2001. [3] Vas P.: Sensorless Vector and Direct Torque Control. New York: Oxford University Press, 730 p., 1998, ISBN 0-19-856465-1. [4] Symposium Proceedings, 6th IEEE International Symposium on Sensorless Control for Electrical Drives (SLED2015), Sydney, Australia, 2015. [5] Conference Proceedings, 17th Conference on Power Electronics and Applications, EPE’15-ECCE Europe, Geneva, Switzerland, 2015. [6] Symposium Proceedings, 24th IEEE International Symposium on Industrial Electronics, Rio de Janeiro, Brazil, 2015.

prof. Ing. Pavel Brandštetter, CSc.
Ondřej Petrtýl
Ing. Jiří Hájovský
Chau Si Thien Dong, M.Sc.
Huu Hau Vo, M.Sc.
Thinh Cong Tran
Ing. Petr Chamrád
doc. Ing. Martin Kuchař, Ph.D.

Projekt navazuje na projekty SGS, které byly řešeny na výzkumném pracovišti Katedry elektroniky v předchozích letech. Hlavním cílem projektu je vývoj a implementace řídicích algoritmů elektrických regulovaných pohonů s využitím řídicích systémů s moderními signálovými procesory (DSP) s plovoucí řádovou čárkou.

Dílčí cíle projektu

C1. Vývoj simulačních modelů a simulace regulačních struktur pohonů v prostředí Matlab-Simulink.
C2. Analýza a vyhodnocení simulačních výsledků.
C3. Vývoj řídicích algoritmů pro systémy s DSP.
C4. Implementace řídicích algoritmů v systémech s DSP.
C5. Experimentální činnost v laboratořích Katedry elektroniky.
C6. Analýza a vyhodnocení experimentálních výsledků.
C7. Publikace dílčích výsledků na mezinárodních konferencích a v odborných časopisech.

Očekávané přínosy

• Zvýšení aktivity ve výzkumné činnosti doktorandů - zapojení doktorandů do výzkumných projektů ve spolupráci s průmyslovými partnery (Projekt TAČR - Center for Intelligent Drives and Advanced Machine Control – CIDAM, Centrum kompetence).
• 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.