Studentská grantová soutěž - předchozí roky

Pokročilé metody řízení střídavých regulovaných pohonů

SP2022/48

Kuchař Martin doc. Ing., Ph.D.

01. 01. 2022 - 31. 12. 2022

Součástí každého odvětví průmyslu i každodenního života jsou elektrické pohony, které tvoří ústřední prvek přeměny mezi elektrickou a mechanickou energií. V současnosti se ve strukturách regulovaných pohonů v průmyslu a dopravě nejvíce uplatňují střídavé stroje, které jsou v této oblasti následovníky dříve používaných strojů stejnosměrných. Střídavé stroje jsou konstrukčně jednodušší, odolnější, spolehlivější a nenáročné na údržbu, mají také menší moment setrvačnosti a větší proudovou přetížitelnost. Díky absenci komutátoru jsou použitelné i v agresivních nebo nebezpečných prostředích (např. prašných, výbušných apod.). Současný trend digitalizace a automatizace výroby, spojený s pojmem Průmyslu 4.0, klade požadavky na vývoj inteligentních elektrických regulovaných pohonů. Mezi aktuální výzkumná témata v této oblasti stále patří bezsenzorové řízení, řízení odolné vůči různým druhům poruch, prediktivní řízení a aplikace umělé inteligence, resp. soft-computingových metod v řízení, estimaci, identifikaci a diagnostice. Implementace těchto sofistikovaných algoritmů je nedílně spojena s rozvojem mikroprocesorové techniky a výkonových polovodičových měničů. Tento projekt se zaměřuje právě na oblast pokročilých metod řízení střídavých regulovaných pohonů. Střídavé pohony s vektorovým řízením vyžadují bezchybnou činnost snímačů mechanické úhlové rychlosti stroje, snímačů statorových proudů, snímačů napětí apod. V reálném provozu pohonu se však běžně vyskytují různé druhy poruch, např. poruchy motoru, měniče, řídicího systému a zmíněných snímačů. Statisticky patří mezi nejčastější poruchy elektrického pohonu poruchy výkonového měniče a snímačů. Z tohoto důvodu patří mezi velmi důležitá témata výzkumu metody řízení odolné vůči poruchám snímačů veličin (Sensor Fault Tolerant Control), příp. bezsenzorové pohony (Sensorless Drives). Bezsenzorové pohony neobsahují snímač rychlosti, resp. polohy rotoru elektrického stroje, ale snímače proudu, napětí apod. jsou nadále součástí elektrického pohonu. Hlavním úkolem bezsenzorového řízení je s dostatečnou přesností estimovat úhlovou rychlost rotoru stroje a prostorový vektor magnetického toku pro celý pracovní rozsah otáček včetně nejvyšších, nejnižších, příp. nulových otáček. Hlavní výzvou pro výzkumníky z tohoto oboru je tedy stále řešení problematiky odhadu mechanických otáček motoru v okolí nulové rychlosti stroje, v režimech hlubokého odbuzení apod. [1]. Hlavní výhody spojené s nasazením bezsenzorového řízení jsou nárůst mechanické robustnosti, použití v agresivním prostředí, aplikace pro pohony pracující ve velmi vysokých otáčkách, vyšší spolehlivost, nárůst šumové imunity, neovlivněný moment setrvačnosti stroje, aplikace na standardní elektrické motory s vyvedenou hřídelí jen na jednu stranu, aplikace na velmi malé motory atd. Algoritmy řízení s odolností vůči poruchám snímačů veličin umožňují v případě detekce chyby snímače mechanické úhlové rychlosti, příp. snímačů statorových proudů asynchronního motoru využít odhadované veličiny z různých estimačních technik místo původně měřených veličin vadnými snímači [1], [2], [3]. V takovém případě bude daný elektrický pohon schopen nadále pracovat i při porouchaném snímači. Toto výzkumné téma je velmi důležité pro oblast automotive, kolejové vozidla apod. Pro estimaci zmíněných veličin pak mohou být použity estimátory nebo pozorovatelé známí z oblasti bezsenzorového řízení [1]. Ve zmíněných výzkumných tématech nacházejí uplatnění i metody z oblasti umělé inteligence nebo meta-heuristické metody optimalizace. Meta-heuristické algoritmy lze chápat jako systém strategie optimalizačních přístupů, které jsou založeny na hrubém odhadu z předchozích zkušeností. Díky tomu se zkracuje proces rozhodování. Lze je tedy chápat jako metody, které vznikly inspirací z okolních dějů. Základní rozdělení vychází ze sledování procesů evoluce (Evolutionary-based algorithms), fyzikálních jevů (Physics-based algorithms), párování/rojení hmyzu či ptactva (Swarm-based algorithms) a přirozených procesů v lidském těle (Human-based algorithms). K ověřování výsledků tedy dochází jen na základě zkušeností, výsledek nelze vždy absolutně přesně prokázat a velká část těchto algoritmů má stochastický charakter. Využití těchto sofistikovaných algoritmů může vést k výraznému zlepšení vlastností regulovaných pohonů, zvýšení jejich robustnosti a zmenšení závislosti na měnících se parametrech stroje. Tyto systémy mohou být robustní vůči šumům a změnám parametrů regulovaného systému. Při jejich aplikaci není často potřeba znalosti matematického modelu použitého elektrického motoru [4], [5], [6]. Implementace výše uvedených sofistikovaných výpočetně náročných algoritmů, které musí běžet v reálném čase, se neobejde bez výkonného mikropočítačového řídicího systému, v dnešní době často i více jádrového. Jedno jádro je pak využíváno k implementaci zmíněných časově velmi náročných algoritmů a druhé řeší veškeré ostatní úlohy. Tento projekt je zaměřen na výzkum, vývoj a implementaci vybraných sofistikovaných metod řízení z výše prezentovaných oblastí. Zvolený postup řešení úkolů bude zahrnovat analýzu a teoretický rozbor vybraných metod, modelování a simulaci algoritmů v prostředí Matlab-Simulink, 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 odvětví. 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. Reference [1] Kuchar, M. Metody bezsenzorového řízení asynchronních motorů. Ostrava, 2018, Habilitační práce, VŠB-TU Ostrava, Fakulta elektrotechniky a informatiky, Katedra elektroniky. [2] Gao, Z., Cecati, C., Ding, S.X. A survey of fault diagnosis and fault-tolerant techniques - Part I: Fault diagnosis with model-based and signal-based approaches. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, vol. 62, issue 6, pp. 3757–3767. DOI: 10.1109/TIE.2015.2417501. [3] Salmasi, F.R. A Self-healing induction motor drive with model free sensor tampering and sensor fault detection, isolation, and compensation. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, vol. 64, issue 8, pp. 6105-6115. DOI: 10.1109/TIE.2017.2682035. [4] Vas, P. Artificial-Intelligence-Based Electrical Machines and Drives. New York: Oxford University Press, 1999, ISBN 0-19-859397-X [5] Vas, P. Sensorless vector and direct torque control. New York: Oxford University Press, 1998. ISBN 0-19-856465-1. [6] Kouřil, D. Aplikace moderních procesorových systémů v řízení elektrických regulovaných pohonů. Ostrava, 2021, Disertační práce, VŠB-TU Ostrava, Fakulta elektrotechniky a informatiky, Katedra elektroniky.

Ing. Martin Sobek, Ph.D.
Ing. Jan Strossa, Ph.D.
doc. Ing. Martin Kuchař, Ph.D.
Ing. David Bielesz
Ing. Vojtěch Šotola
Ing. Marek Kubatko
Huu Chau Minh Nguyen
Ing. Richard Blaho
Ing. Štěpán Kirschner
Ing. Miroslav Kufa
Ing. Pavel Cyprich
Ing. Petr Cyprich
MSc. Kamal Hamani, M.Sc.
Ing. Jan Milata

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 a vývoj v oblasti pokročilých metod řízení elektrických regulovaných pohonů. Implementace navržených algoritmů bude provedena s využitím řídicích systémů založených na digitálních signálových kontrolérech (DSC) s plovoucí řadovou čárkou, v některých případech i více jádrových. Nedílnou součástí elektrického regulovaného pohonu je i výkonový polovodičový měnič, který je společně s řídicím systémem navržen a realizován přímo na řešitelském pracovišti.
Dílčí cíle projektu
C1. Modelování a simulace regulačních struktur elektrických pohonů v prostředí Matlab-Simulink.
C2. Analýza a vyhodnocení simulačních výsledků.
C3. Realizace potřebného HW, vývoj a implementace vybraných pokročilých metod řízení pro systémy s DSC.
C4. Experimentální ověřování realizovaného HW a implementovaných algoritmů v laboratořích řešitelského pracoviště.
C5. Analýza a vyhodnocení experimentálních výsledků.
C6. Publikace dílčích výsledků v odborných časopisech, příp. na mezinárodních konferencích.
Očekávané přínosy
• Zvýšení aktivity ve výzkumné činnosti doktorandů, příp. studentů navazujícího magisterského studia - zapojení studentů do výzkumných projektů ve spolupráci s průmyslovými partnery. Rozvoj výzkumných aktivit na samotném řešitelském pracovišti.
• Zapojení řešitelského pracoviště do sítě výzkumných pracovišť s podobnou výzkumnou problematikou (FEL ZČU Plzeň, FEKT VUT Brno, FEL ČVUT Praha).
• Publikace v kvalitních časopisech indexovaných v databázích Web of Science a Scopus.