Struktury odpornego sterowania elektrycznego napędu bezpośredniego z wykorzystaniem koncepcji sterowania ślizgowego

Tematyka rozprawy obejmuje rozważania teoretyczne oraz badania symulacyjne i doświadczalne napędów bezpośrednich z silnikami synchronicznymi o wzbudzeniu od magnesów trwałych sterowanych metodą ruchu ślizgowego. W pracy skupiono się na układach regulacji położenia oraz prędkości, przyjmując założenie, że zrealizowana jest wewnętrzna pętla wektorowego sterowania silnika i regulacji składowych wektora prądu. Wykazano, że metoda sterowania ślizgowego dla elektrycznych napędów bezpośrednich umożliwia uzyskanie odporności na zmiany parametrów napędu także dla napędów z dużym momentem tarcia.

Na podstawie rozważań teoretycznych potwierdzonych badaniami symulacyjnymi i laboratoryjnymi sformułowano wniosek, że w przypadku rzeczywistych napędów elektrycznych sterowanych w sposób dyskretny konieczne jest ograniczenie wzmocnienia w pętli regulacji momentu obrotowego. Wynika stąd konieczność zastąpienia w analizowanej strukturze regulacji nieciągłej funkcji sgn() przez ciągłą aproksymację sat(). Przeanalizowane zostały różne realizacje takiej aproksymacji, obejmujące układy o stałej i zmiennej szerokości strefy aproksymacji oraz układy z członem całkującym wewnątrz strefy aproksymacji. Badano również układy z różnymi filtrami wyjściowymi, a także struktury sterowania ślizgowego z obserwatorami.

Szczególnie dużo uwagi poświęcono zastosowaniu metod wnioskowania rozmytego. Przeprowadzona analiza i badania pozwoliły na sformułowanie wniosków dotyczących zasad stosowania tej techniki w połączeniu z regulatorami ślizgowymi. W pracy krytycznie oceniono obecny w piśmiennictwie światowym nurt prac polegających na prostym zastąpieniu ciągłej aproksymacji funkcji sgn() przez jedno- lub dwuwymiarowy układ wnioskowania rozmytego. Wykazano brak istotnych zalet takiego rozwiązania przy jednoczesnym braku reguł doboru bloku wnioskowania rozmytego i trudnej ocenie stabilności. Pozytywnie zweryfikowano natomiast zastosowanie mechanizmu wnioskowania rozmytego jako agregacji regulatorów elementarnych.

Zaproponowano strukturę rozmytego, hybrydowego układu regulacji położenia i prędkości, łączącą metodą logiki rozmytej zmodyfikowany regulator położenia i prędkości o strukturze P-P-I oraz regulator ślizgowy z wyjściowym członem całkującym. Zaletami takiej struktury są: bardzo dobre właściwości dynamiczne i statyczne układu regulacji, przejrzysty zbiór reguł doboru parametrów obu regulatorów, a także prosta implementacja w rzeczywistym układzie sterowania. Wykazano eksperymentalnie, że tak zaproponowany hybrydowy układ regulacji cechuje się również dobrymi właściwościami odporności na zmiany parametrów.

Na potrzeby napędu bezpośredniego mechanizmów o dużym momencie tarcia suchego zaproponowano modyfikacje układu sterowania polegające na zastosowaniu zmiennej szerokości strefy aproksymacji funkcji sgn() wraz z obserwatorem momentu obciążenia oraz na zastosowaniu sektorowego sterowania ślizgowego. Zweryfikowano także zachowanie się w takich warunkach pracy hybrydowego układu regulacji z wnioskowaniem rozmytym.

Zaproponowano nowe rozwiązanie generatora sygnałów wzorcowych pełniącego rolę interpolatora w systemie sterowania układu napędowego. Istotą proponowanego rozwiązania jest zastąpienie typowych obliczeń off-line trajektorii wzorcowej przez obliczany on-line modelowy układ regulacji prędkości i położenia.

W pracy przedstawiono praktyczną kompensację tętnień wytwarzanego momentu elektromagnetycznego poprzez wprowadzenie dodatkowej składowej prądu zadanego. Przeprowadzono także identyfikację częstotliwościową obciążenia mechanicznego. Wyznaczone częstotliwości rezonansowe i antyrezonansowe wykorzystano do syntezy filtru cyfrowego w torze sprzężenia zwrotnego. Opracowano model symulacyjny wiernie odwzorowujący zachowania się rzeczywistego napędu. Szczególną rolę zwrócono na identyfikację i modelowanie tarcia, uwzględnienie opóźnień wnoszonych przez układy sterowania i pomiarów oraz dyskretny charakter układu sterującego. Przeprowadzone badania doświadczalne napędu bezpośredniego z silnikiem synchronicznym o magnesach trwałych pozwoliły na weryfikację rozważań teoretycznych i badań symulacyjnych