Prof. dr hab. inż. Teresa Orłowska-Kowalska: Hybrydowe metody detekcji uszkodzeń silników synchronicznych z magnesami trwałymi w napędach elektrycznych ze sterowaniem wektorowym przy wykorzystaniu obliczeń analitycznych i neuronowych. Narodowe Centrum Nauki – OPUS 14, 2017/27/B/ST7/00816. (2018-2022).

Celem niniejszego projektu jest opracowanie nowych metod detekcji i diagnostyki uszkodzeń typu elektrycznego i mechanicznego w układach napędowych z silnikami synchronicznymi o magnesach trwałych przy wykorzystaniu zaawansowanych metod przetwarzania sygnałów i sieci neuronowych. Opracowane hybrydowe metody diagnostyki uszkodzeń będą testowane w badaniach symulacyjnych i eksperymentalnych.

Rozważane będą różne uszkodzenia silnika PMSM o charakterze elektrycznym i mechanicznym: zwarcia zwojowe uzwojenia stojana, zwarcia fazowe, demagnetyzacja wirnika, uszkodzenia łożysk, niewyosiowanie, niewyważenie, ekscentryczność. Sprawdzony zostanie ich wpływ na pracę napędu z silnikiem PMSM sterowanym metodą wektorową, jak również zostaną wytypowane sygnały diagnostyczne umożliwiające detekcję wybranych uszkodzeń oraz różnicowanie uszkodzeń powodujących podobne symptomy. Na ich podstawie zostaną opracowane algorytmy detekcji i diagnostyki silnika PMSM, oparte na sygnałach napięcia i prądu oraz na wewnętrznych sygnałach ze struktury sterowania, wykorzystujące metody algorytmiczne i metody sztucznej inteligencji, realizowane za pomocą narzędzi sprzętowych oraz programowych. Opracowane algorytmy diagnostyczne umożliwią wczesne wykrywanie i różnicowanie rozważanych uszkodzeń, czyli opracowanie kompleksowego systemu diagnostyki uszkodzeń dla napędu z silnikiem PMSM. Opracowany system diagnostyczny, oparty na zewnętrznych i wewnętrznych sygnałach struktury sterowania wektorowego, ich przetwarzaniu i analizie przy wykorzystaniu metod analitycznych i neuronowych, w sposób automatyczny będzie wykrywał i lokalizował uszkodzenie silnika napędowego.

Badania planowane w ramach tego projektu, związane z metodami detekcji i diagnostyki uszkodzeń silników PMSM (uzwojeń stojana, demagnetyzacji wirnika, uszkodzeń o charakterze mechanicznym) pracujących w układach sterowania wektorowego, przy wykorzystaniu zaawansowanych metod przetwarzania sygnałów w celu wyodrębnienia symptomów różnych uszkodzeń oraz metod neuronowych do projektowania detektorów i klasyfikatorów uszkodzeń, lokują się w aktualnym nurcie prac badawczo-rozwojowych związanych z zagadnieniami diagnostyki układów automatyki napędu, a w szczególności serwonapędów. Stanowią również przedmiot zainteresowania przemysłu w zakresie hybrydowych lub całkowicie elektrycznych środków transportu i robotyki. Ponadto, planowane badania dobrze wpisują się w szybko rozwijającą się dziedzinę odpornych na uszkodzenia metod sterowania złożonymi systemami dynamicznymi.

Celem badań w projekcie będzie opracowanie i przetestowanie, w badaniach symulacyjnych i eksperymentalnych, dyskretnych algorytmów i układów sterowania i estymacji zmiennych stanu silnika indukcyjnego wykorzystujących ruch ślizgowy.

Zakres prac w ramach projektu podzielony zostanie na dwa główne nurty:

• dyskretne układy sterowania ślizgowego wszystkimi zmiennymi stanu silników indukcyjnych: prądem (przy sterowaniu wektorowym równoznaczne ze sterowaniem momentem elektromagnetycznym), prędkością i położeniem wału,
• dyskretne estymatory zmiennych stanu silnika indukcyjnego wykorzystujące ruch ślizgowy, ze szczególnym uwzględnieniem układów bez pomiaru prędkości kątowej (ang. speed-sensorless).

Układy estymatorów zmiennych stanu i układów sterowania, pomimo swojej odrębnej funkcji w układzie napędowym, wykazują wiele cech wspólnych (wykorzystują ten sam model matematyczny silnika elektrycznego), stąd obecność w projekcie obu powyższych zagadnień. W ramach projektu przeanalizowana zostanie również współpraca dyskretnych układów sterowania ślizgowego z klasycznymi (ciągłymi) i dyskretnymi estymatorami zmiennych stanu silnika indukcyjnego i oceniona ich odporność na zmiany lub błędy identyfikacji parametrów napędu.

W ramach projektu zrealizowane zostaną badania o charakterze podstawowym dotyczące dyskretnych algorytmów ślizgowego sterowania i estymacji zmiennych stanu, z uwzględnieniem szeroko zakrojonych badań o charakterze symulacyjnym, zweryfikowanych następnie na laboratoryjnym stanowisku badawczym. W szczególności plan badań będzie obejmował:

1. Krytyczną analizę ciągłych i dyskretnych metod sterowania ślizgowego w zastosowaniu do sterowania i estymacji zmiennych stanu napędów z silnikami indukcyjnymi.
2. Opracowanie wybranych algorytmów i struktur dyskretnego sterowania ślizgowego momentem elektromagnetycznym, prędkością i położeniem silnika indukcyjnego.
3. Analizę porównawczą stabilności wybranych estymatorów zmiennych stanu i możliwości ich zastosowania w strukturach dyskretnego sterowania ślizgowego.
4. Opracowanie i analizę dyskretnych obserwatorów ślizgowych do estymacji zmiennych stanu silnika indukcyjnego.
5. Opracowanie implementacji wybranych algorytmów dyskretnego sterowania i estymacji stanu dla silnika indukcyjnego w procesorze sygnałowym.
6. Realizacja badań eksperymentalnych i opracowanie wyników.

Otrzymane wyniki badań pozwolą na utworzenie układów sterowania posiadających wszystkie cechy sterowania ślizgowego (odporność na zakłócenia i zmiany parametrów obiektu, doskonałą i definiowalną dynamikę), uwzględniających jednocześnie dyskretną naturę działania współczesnych układów sterowania.

Opracowanie układów sterowania dyskretnego może pozwolić w przyszłości na utworzenie przemysłowych falowników napięcia zapewniających doskonałą pracę układów napędowych, pozwalających użytkownikowi na wybór częstotliwości pracy falownika (częstotliwości „kluczowania”) w zależności od mocy zasilanego silnika. Podobnie, estymatory projektowane w sposób dyskretny pozwolą na utworzenie efektywnych układów wyznaczających niezbędne zmienne stanu oraz prędkość kątową, uwzględniających jednocześnie sposób działania współczesnych układów sterowania, co pozwoli na zmniejszenie negatywnych efektów wynikających z cyfrowej implementacji układów ciągłych.

Wyniki prac przedstawione zostaną na najważniejszych konferencjach o zasięgu międzynarodowym (np. ISIE, IECON, EPE, IFAC) jak i ogólnopolskim (np. SENE, MMAR). Najbardziej wartościowe wyniki prac zostaną opublikowane w czasopismach o zasiągu międzynarodowym (np. IEEE Transactions on Industrial Electronics, IEEE Transactions on Industrial Informatics, International Journal of Control) oraz krajowym (np. Biuletyn Polskiej Akademii Nauk, Przegląd Elektrotechniczny). Część wyników badań, prowadzonych w ramach niniejszego projektu wejdzie w skład monografii habilitacyjnej wykonawcy projektu. Wyniki części projektu (dotyczące estymatorów stanu) będą również stanowić główną zawartość rozprawy doktorskiej uczestnika studiów doktoranckich w Politechnice Wrocławskiej, dla którego wnioskuje się o sfinansowanie stypendium.

Prof. dr hab. inż. Teresa Orłowska-Kowalska: Badania i rozwój metod detekcji i kompensacji uszkodzeń o charakterze elektrycznym i mechanicznym w sterowanych wektorowo układach napędowych z silnikami indukcyjnymi, w szczególności dla systemów bezpiecznych. Narodowe Centrum Nauki – OPUS 5, 2013/09/B/ST7/04199. (2014-2017).

W ramach projektu zostaną opracowane i przetestowanie (w badaniach symulacyjnych i eksperymentalnych) algorytmy adaptacyjnego sterowania rozmytego opartego na różnego typu systemach rozmytych do sterowania układu napędowego z połączeniem sztywnym i sprężystym (w przypadku znamionowych i zmienionych parametrów obiektu przy uwzględnieniu elementów nieliniowych pracujących w różnym punkcie pracy – prędkości wysokie i ultra-niskie). Rozważane będą układy wykorzystujące przetwornik prędkości jak również układy pracujące w trybie tzw. sensorless. W tym przypadku prędkość silnika będzie odtwarzana za pomocą sygnałów napięcia i prądu. Krytyczna analiza porównawcza właściwości struktury adaptacyjnej z różnego typami systemów rozmytych (Mamdaniegi, TSK, ze zbiorami typu I i II , z sieciami Petriego, z funkcji falkowymi) jest jednym z podstawowych celów projektu. Opracowane algorytmy sterowania wraz z wykonanymi badaniami przyczynią się do rozwoju następujących dziedzin naukowych: napędu elektrycznego, teorii sterowania, sterowania rozmytego i sterowania adaptacyjnego.

Sterowanie ślizgowe, będąc jedną z odmian sterowania odpornego, pozwala na osiągnięcie doskonałej jakości pracy napędów z silnikami indukcyjnymi. Jednocześnie jednak, sterowanie bezpośrednie (definiujące bezpośrednio sygnały załączeń kluczy tranzystorowych) nie uwzględnia ograniczenia prądowego oraz ograniczenia na maksymalny moment silnika. Ślizgowe sterowanie kaskadowe, które będzie głównym celem badań w niniejszym zleceniu, umożliwia uwzględnienie obu wspomnianych ograniczeń. Efekty prac zawarte zostaną w pracy doktorskiej realizatora projektu.

Celem projektu jest opracowanie oraz przetestowanie (w badaniach symulacyjnych i eksperymentalnych) neuronowych adaptacyjnych regulatorów prędkości napędu elektrycznego z połączeniem sprężystym, zapewniających efektywne tłumienie drgań skrętnych, precyzję odtwarzania trajektorii zadanej oraz niewrażliwość na zmiany parametrów napędu.

Obiektem badań będą napędy z połączeniem sprężystym, z silnikami prądu stałego oraz indukcyjnymi, w których jest zapewnione dynamiczne (prawie bezinercyjne) wymuszenie momentu elektromagnetycznego. Zakres badań będzie obejmował testowanie regulatorów neuronowych opartych na modelach: perceptronowych, radialnych, ADALINE, trenowanych off-line oraz on-line.

Szczególna uwaga będzie zwrócona na możliwości adaptacji współczynników wagowych w trakcie pracy napędu. Zaprojektowane regulatory neuronowe będą testowane w badaniach symulacyjnych oraz eksperymentalnych na stanowisku laboratoryjnym z zastosowaniem procesora sygnałowego zmiennoprzecinkowego oraz stałoprzecinkowego, a także zostanie podjęta próba realizacji takiego regulatora w matrycy FPGA (równoległe przetwarzanie sygnałów – typowe dla SN).

W celu krytycznej oceny właściwości opracowanego neuronowego sterowania adaptacyjnego, uzyskane wyniki zostaną porównane ze strukturami z regulatorem liniowym i z dodatkowymi sprzężeniami zwrotnymi, jak również ze strukturą z regulatorem rozmytym.

Celem projektu jest opracowanie i przetestowanie (w badaniach symulacyjnych i eksperymentalnych) odpornych algorytmów estymacji opartych na filtrze Kalmana, algorytmach hybrydowych, systemach rozmytych oraz estymatora z przesuwnym oknem, dla układu napędowego z połączeniem sprężystym (w przypadku znamionowych i zmienionych parametrów obiektu przy uwzględnieniu elementów nieliniowych). Krytyczna analizy porównawcza właściwości zaprojektowanych estymatorów (z uwzględnieniem klasycznych obserwatorów Luenbergera i filtrów Kalmana stosowanych w sterowaniu układu napędowego z połączeniem sprężystym) jest jednym z podstawowych celów projektu. Opracowane estymatory zostaną przebadane zarówno w strukturze otwartej (sprawdzenie jakości estymacji zmiennych stanu i parametrów) jak również w zamkniętej (ocena wpływu estymatora na właściwości struktury sterowania), w której wyznaczane wielkości będą wykorzystywane w zaawansowanych strukturach sterowania układu napędowego z połączeniem sprężystym (stanu, adaptacyjnej, predykcyjnej).

Celem niniejszego projektu jest synteza predykcyjnego regulatora prędkości i położenia dla dwumasowego napędu indukcyjnego. Opracowane algorytmy można podzielić na dwie grupy: pierwsza grupa algorytmów obliczana off-line charakteryzować się będzie możliwością pracy w obszarze prędkości poniżej synchronicznej z uwzględnieniem ograniczeń nakładanych na zmienne stanu napędu i współpracować będzie z wewnętrzną pętlą generacji momentu elektromagnetycznego (DFOC, DTC). Drugą grupą opracowanych algorytmów będzie grupą adaptacyjnych regulatorów predykcyjnych liczona metoda on-line pracujących w obszarze prędkości poniżej i powyżej synchronicznej. Algorytmy te charakteryzować się będą adaptacją poziomu ograniczenia momentu elektromagnetycznego oraz momentu skrętnego jak również wartością strumienia w zależności od obszaru pracy napędu. Do adaptacji regulatora zostanie podjęta próba wykorzystania metod logiki rozmytej. W ramach obu grup algorytmów przygotowane zostaną regulatory prędkości i położenia. W zakres projektu wejdą: Analiza istniejących rozwiązań w obszarze sterowania indukcyjnymi napędami dwumasowymi. Poddana analizę zostanie również literatura związana ze sterowaniem predykcyjnym i możliwością wykorzystania technik jego adaptacji. W przypadku opracowanych algorytmów poddane zostaną one wszechstronnym badaniom symulacyjnym. Przeprowadzona zostanie również analiza opracowanych algorytmów pod kątem odporności na niepewność wyznaczenia parametrów układu napędowego. Wybrane algorytmu zostaną poddane badaniom eksperymentalnym na stanowisku badawczym.