Název projektu
Výzkum moderních algoritmů pro řízení elektrických pohonů
Kód
SP2015/81
Řešitel
Období řešení projektu
01. 01. 2015 - 31. 12. 2015
Předmět výzkumu
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 [1], [2].
V současnosti existují dvě základní metody řízení pro nasazení asynchronního a synchronního motoru v dynamicky náročných aplikacích – vektorové řízení (Vector Control) nebo přímé řízení momentu (Direct Torque Control). Tyto metody umožňují oproti jednodušším skalárním technikám provoz motoru v optimálních podmínkách v ustáleném stavu i během přechodných dějů. Charakteristickým rysem těchto metod je nezávislá regulace momentu a magnetického toku motoru. V případě požadavku na regulaci mechanických otáček motoru nebo potřeby znalosti polohy rotoru pro matematický model určující orientující veličiny, musí být pohon vybaven snímačem otáček, resp. polohy nebo musí být rychlost otáčení, resp. poloha rotoru odhadována pomocí speciálního algoritmu v řídicím systému [1], [2].
Velká pozornost výzkumných pracovišť a také v průmyslové praxi (např. v oblasti kolejových vozidel) je věnována problematice střídavých regulovaných pohonů bez snímače rychlosti, resp. polohy rotoru stroje (tzv. bezsenzorové pohony). Takové typy pohonů můžou přinést především zvýšení mechanické robustnosti systému, vyšší spolehlivost a eliminaci problémů s rušením signálových výstupů snímačů otáček. Mezi další výhody je možné uvést snížení ceny, menší rozměry, snížení hardwarové složitosti celého systému, možnost aplikace pohonu v agresivním prostředí apod.
Bezsensorové metody lze rozdělit do čtyř základních skupin [3]:
a) metody založené na různých 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;
b) metody založené na odezvě na vnější injektovaný signál, např. metoda s injektováním napěťového signálu s vyšší frekvencí;
c) metody využívající metody soft computingu, např. aplikace umělých neuronových sítí, fuzzy logiky a genetických algoritmů v řízení elektrických regulovaných pohonů;
d) hybridní metody, které používají předchozí metody pro různou oblast otáček a ve vhodném okamžiku přepínají předchozí metody.
Pro implementace nejnáročnějších algoritmů jsou často využívány v dnešní době již dostupné digitální signálové procesory s plovoucí řádovou čárkou, díky kterým odpadají problémy spojené s normováním veličin (zlomkový doplňkový kód – fractional format F1.15 apod.) a dochází k urychlení vykonání některých matematických operací. Při tvorbě softwaru se pak 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 [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].
Tento projekt je zaměřen na výzkum 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 s využitím simulací HIL (Hardware in Loop Simulation), 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 oborů.
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 rovněž zapojen do výzkumných projektů s průmyslovými partnery (Projekt TAČR – CIDAM, Centrum kompetence).
Reference
[1] Vas P.: Sensorless Vector and Direct Torque Control. New York: Oxford University Press, 730 p., 1998, ISBN 0-19-856465-1.
[2] Vittek J., Dodds S. J.: Forced Dynamics Control of Electric Drives, EDIS, University of Žilina, 2003, ISBN 80-8070-087-7.
[3] Holtz J.: Sensorless Control of Induction Motor Drives. In Proceedings of the IEEE, Vol. 90, No. 8, pp. 1359-1394, 2002.
[4] Conference Proceedings, IECON 2014 – 40th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics Society, 2014.
[5] Symposium Proceedings, 23rd IEEE International Symposium on Industrial Electronics, Istanbul, Turkey, 2014.
[6] Sedra, A. The current conveyor: History and progress, IEEE ISCAS Proceedings, pp. 1567- 1571, 1989.
Členové řešitelského týmu
prof. Ing. Pavel Brandštetter, CSc.
Ing. Jiří Friedrich
Ing. Tomáš Verner
Ing. Radek Šulák
Ondřej Petrtýl
Ing. Jiří Hájovský
Chau Si Thien Dong, M.Sc.
Huu Hau Vo, M.Sc.
Ing. Petr Chamrád
doc. Ing. Martin Kuchař, Ph.D.
Specifikace výstupů projektu (cíl projektu)
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 moderních metod řízení elektrických regulovaných pohonů s různými typy motorů a prostředků pro jejich realizaci.
Dílčí cíle projektu
C1. Návrh a realizace simulačních modelů v prostředí Matlab-Simulink a OrCAD-PSpice.
C2. Návrh elektronických obvodů pro zpracování signálů s využitím konvejorů.
C3. Implementace řídicích algoritmů v systémech s DSP.
C4. 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
• Zvýšení aktivity ve výzkumné činnosti doktorandů s cílem budoucího 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.