VESELÝ, L. Algoritmy bezsnímačového řízení synchronního motoru s permanentními magnety [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. 2013.
Předložená disertační práce se zabývá problematikou odhadu polohy a rychlosti rotoru pro bezsnímačové řízení pohonů se synchronním motorem s permanentními magnety. Jedná se o téma relativně náročné jak v oboru teorie, kde směřuje na problematiku estimace stavu nelineárních dynamických systémů, tak i s velkým dopadem na praktické průmyslové aplikace. Práce přináší ucelený pohled na celou škálu algoritmů odhadu požadovaných mechanických veličin v jednotlivých provozních režimech pohonu – nulové otáčky, nízké otáčky, vysoké otáčky. Doktorand provedl ověření chování existujících algoritmů, přičemž získané znalosti byly využity pro přípravu nových algoritmů. Hlavním přínosem práce je vyvinuté schéma pro odhad počáteční polohy rotoru v klidovém stavu. Rovněž byla připravena modifikace existujícího algoritmu založeného na EKF využívající dalších informací o dynamickém chování pohonu, přičemž lze touto cesto dosáhnou zlepšení kvality odhadu v oblasti nízkých otáček. Významnou součástí činnosti doktoranda byla i výpočetní optimalizace a praktická implementace algoritmů, kde výsledkem je kompletní experimentální systém pro ověřování algoritmů bezsnímačového řízení i dalších výpočetně komplikovaných úloh z oblasti řízení elektrických pohonů. Výsledky byly publikovány na mezinárodních konferencích. Významné je i využití výsledků práce v dalších výzkumných činnostech směřujících například na problematiku prediktivního řízení pohonů. V této oblasti je doktorand spoluautorem publikace v impaktovaném časopise IEEE Transactions on Industrial Electronics, která je v současné době v recenzním řízením. Výsledky práce mají i přímý dopad pro výzkumné činnosti v rámci Centra Aplikované Kybernetiky, kde jsou využívány pro vývoj průmyslově využitelného systému bezsnímačového řízení synchronního motoru. Doktorand se aktivně zapojuje do výzkumných projektů na VUT FEKT ÚAMT i VUT STI, přínosné jsou i jeho pedagogické aktivity v odborně blízkých předmětech. Zkušenosti ze zpracování disertační práce jsou přenášeny na studenty v rámci vedení jejich závěrečných prací. Celkově předložená disertační práce svědčí o schopnostech doktoranda vést systematickou vědeckou práci. Práci doporučuji k obhajobě.
viz poosudek ve formátu pdf
Oponentní posudek disertační práce Doktorand: Ing. Libor Veselý Název práce: Algoritmy bezsnímačového řízení synchronního motoru s permanentními magnety Oponent: Doc. Ing. Jiří Melichar, CSc. Předložená disertační práce je zaměřena na problematiku bezsnímačového řízení rychlosti a/nebo polohy synchronních motorů s permanentními magnety. Standardně používanou metodou řízení je vektorové řízení s orientací na rotorové souřadnice, jehož efektivita závisí na precizní znalosti aktuální polohy rotoru v celém rozsahu požadované regulace otáček, v klidovém stavu, při spouštění, při reverzaci a při měnícím se zatěžovacím momentu. Pro odhad polohy rotoru synchronního motoru s permanentními magnety se využívají zejména algoritmy detekce a vyhodnocení zpětně indukovaného elektromotorického napětí, algoritmy adaptivního řízení s referenčním modelem (MRAS) a algoritmy Kalmanovy filtrace. Pokud algoritmy pracují s modelem synchronního motoru, kdy je předpokládána neměnná statorová indukčnost v závislosti na natočení rotoru, je známo, že tyto algoritmy selhávají v oblasti nízkých a nulových otáček, neboť stav synchronního motoru s neproměnnou indukčností je v oblasti nízkých otáček nepozorovatelný. Proto je problematickou úlohou také odhad počátečního natočení rotoru při nulové úhlové rychlosti motoru. Bezsnímačové řízení pohonu se synchronním motorem v oblasti vysokých otáček je v současné době přijatelně řešeno existujícími algoritmy. Problematika efektivního řízení při nízkých otáčkách, přesnost odhadu polohy při nízkých otáčkách a odhad počáteční polohy je však stále otevřenou úlohou. Jako perspektivní se jeví přechod na algoritmy stavové rekonstrukce založené na rozšířeném Kalmanově filtru. Zejména vývoj těchto algoritmů, jejich implementace a ověření je v centru zájmu disertační práce. Disertační práce má celkem 122 stran, z toho 2 strany příloh a je rozdělena do deseti kapitol. Seznam literatury obsahuje 34 citací, včetně dvou prací doktoranda, které se vztahují ke zkoumané problematice a byly publikovány na významných mezinárodních konferencích. a) Aktuálnost tématu a význam disertace pro obor Bezsnímačové řízení synchronních motorů s permanentními magnety nachází uplatnění v polohové a rychlostní regulaci v případech, kdy se upouští od použití rotačních snímačů polohy či rychlosti z důvodu lepší dynamiky, spolehlivosti, bezpečnosti či ceny. V náročnějších aplikacích, kde je nutná vysoká míra přesnosti řízení, je klíčovým problémem návrh algoritmů pro získávání přesné informace o poloze rotoru a to zejména v klidovém stavu, při spouštění, při reverzaci a při měnícím se zatěžovacím momentu. Přestože je v literatuře popsán značný počet možných přístupů k návrhu takových algoritmů, přesnost odhadu není dosud uspokojivě vyřešena, a proto téma práce považuji za aktuální. b) Vyjádření k postupu řešení, použitým metodám a splnění stanoveného cíle Doktorand si v práci stanovil čtyři cíle: 1. Ověření vlastností estimátoru, založeného na struktuře MRAS 2. Využití modelu s proměnnými indukčnostmi pro návrh algoritmu odhadu polohy a rychlosti rotoru synchronního motoru v oblasti nízkých otáček 3. Návrh algoritmu pro odhad počáteční polohy rotoru 4. Implementace navržených algoritmů, návrh experimentálního systému a praktické ověření algoritmů v laboratorních podmínkách. Po úvodních třech popisných kapitolách doktorand uvádí ve 4. kapitole standardní model popisu chování synchronního motoru s permanentními magnety (s vnitřním i povrchovým rozložením permanentních magnetů) v podobě napěťových rovnic ve statorových a rotorových souřadnicích s příslušnými transformacemi a momentové rovnice pro popis dynamiky rotoru. V páté kapitole doktorand analyzuje známý princip vektorového řízení synchronních motorů, který vyžaduje znalost aktuální polohy rotoru a nezávislé řízení statorových proudů v d-q souřadném systému. Řízení synchronního motoru je navrženo jako kaskádní regulace, přičemž řízení obou proudových smyček a rychlostní smyčky je realizováno PI regulátory. Nastavení parametrů PI regulátorů by si zasloužilo podrobnější rozbor a zdůvodnění (možné důsledky krácení nuly PI regulátoru oproti pólu systému v proudové regulační smyčce, návrh PI regulátoru rychlostní smyčky podle standardního tvaru frekvenční charakteristiky). Odhadu polohy rotoru je věnována 6. kapitola. Pro odhad polohy při vyšších otáčkách doktorand nejprve analyzuje možnost detekce okamžiků, kdy zpětné elektromotorické napětí prochází nulou a testuje možnost využití vyšších harmonických. Tato metoda selhává z důvodu jejich nevýrazného zastoupení a obtížné měřitelnosti. Dále je uveden estimátor založený na struktuře MRAS. Postrádám zde specifikaci parametrů adaptivního mechanismu a analýzu jeho stability. Simulace ukazují nepřesnosti odhadu při rozběhu motoru (Obr. 6.11) a naznačují i možnou nestabilitu, pokud by průchod nízkými otáčkami trval delší dobu. Přínosem k odhadu polohy i při nízkých otáčkách je použití rozšířeného Kalmanova filtru s rozšířeným modelem synchronního motoru o vazbu proudu na změnu otáček a o změny statorových indukčností. Této části lze vytknout nepřesnosti v odvozených rovnicích a v označení veličin. Odhad počáteční polohy rotoru řeší doktorand v 7. kapitole. Pro získání průběhu statorové indukčnosti využívá injekce vysokofrekvenční složky a odhad polohy určuje korelací s ideální indukčností v d-q souřadnicích. Injekcí vysokofrekvenčního signálu se stejnosměrnou složkou je současně detekována polarita magnetu. V podstatě stejný přístup je použit v 8. kapitole pro odhad polohy při nízkých otáčkách. V deváté kapitole je popsána realizace zařízení pro ověřování algoritmů na reálném pohonu. Závěrem lze konstatovat, že doktorand vhodně využil stávajících poznatků, doplnil je vlastním přínosem a ověřil je jak simulačně, tak i experimentálně na reálných motorech. Stanovené cíle splnil. c/ Vlastní přínos autora • Využití modelu s proměnnými indukčnostmi pro návrh algoritmu odhadu polohy a rychlosti rotoru synchronního motoru v oblasti nízkých otáček • Metodika odhadu počáteční polohy rotoru a odhadu při nízkých otáčkách • Realizace experimentálního zařízení a dílčí ověření funkčnosti algoritmů v reálných podmínkách. d/ Formální úroveň práce Práce je napsána vcelku přehledně, často však sklouzává do popisného a rešeršního charakteru. Ne vždy je řešení dílčích problémů dovedeno do patřičné hloubky a možných souvislostí. V práci jsem nalezl kromě drobných gramatických prohřešků následující nepřesnosti: str. 37 … v Obr.5-1 je chybně označen zátěžný úhel str. 56 … ve vztazích (6.2) a (6.3) chybí integrační meze a počáteční podmínky str. 65 … rov.(6.12) je nelineární, označení kovariančních matic šumů je nekonzistentní se str. 66 str. 69 … rov. (6.33) v matici jsou chybné parametry v posledních dvou řádkách str. 94 … ve jmenovateli přenosu filtru chybí e) Otázky k obhajobě 1/ Odhad úhlu natočení rotoru (metoda MRAS): Za jakých předpokladů je platný přechod od vztahu (6.9) ke vztahu (6.10)? 2/ Za jakých podmínek je zaručena stabilita adaptačního algoritmu v metodě MRAS? 3/ Jak byly nalezeny vhodné kovarianční matice u rozšířeného Kalmanova filtru? f/ Závěr Ing. Libor Veselý prokázal tvůrčí schopnosti potřebné pro samostatnou vědeckou práci a dosažené výsledky naznačují možnost částečného zlepšení přesnosti odhadu polohy rotoru při nízkých otáčkách, naznačují směr dalších prací a umožňují ověřování algoritmů na navrženém a realizovaném experimentálním zařízení. Publikační činnost autora ukazuje, že se uvedenou problematikou systematicky zabývá a že autorovy výsledky prošly mezinárodní oponenturou. Přes uvedené výtky a nedostatky je předložená práce přínosná pro obor Kybernetika a splňuje požadavky na doktorské disertační práce ve smyslu §47 zákona č. 111/98 Sb. Práci doporučuji k obhajobě. V Plzni, dne 30.4. 2013 Doc. Ing. Jiří Melichar, CSc. Katedra kybernetiky ZČU – FAV Plzeň
eVSKP id 41351