UKŁAD NAPĘDOWY O ZWIĘKSZONYM STOPNIU BEZPIECZEŃSTWA Z ADAPTACYJNYM REGULATOREM NEURONOWO-ROZMYTYM

Transkrypt

1 Prac Naukow Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elktrycznych Nr 7 Politchniki Wrocławskij Nr 7 Studia i Matriały Nr 4 14 Matusz DYBKOWSKI* DTC-SVM, strowani wktorow, silnik indukcyjny, rgulator adaptacyjny, ANFC, uszkodznia czujnika prędkości, dtktor uszkodznia czujnika prędkości UKŁAD NAPĘDOWY O ZWIĘKSZONYM STOPNIU BEZPIECZEŃSTWA Z ADAPTACYJNYM REGULATOREM NEURONOWO-ROZMYTYM W artykul przdstawiono możliwości wykorzystania adaptacyjngo rgulatora nuronowo rozmytgo w układzi bzpośrdnigo strowania momntm lktromagntycznym (DTC-SVM) silnika indukcyjngo o zwiększonym stopniu bzpiczństwa. Wykonano badania ilustrując wpływ zastosowania układu adaptacyjngo w torz rgulacji prędkości kątowj na jakość pracy napędu podczas zmiany topologii układu strowania, wywołanj uszkodznim czujnika prędkości kątowj. Badania wykonano w środowisku Sim Powr Systm. 1. WPROWADZENIE Intnsywny rozwój układów napędowych strowanych mtodami wktorowymi, w szczgólności w przmyśl automotiv, spowodował wzrost zaintrsowania systmami o zwiększonym stopniu bzpiczństwa FTC (ang. Fault Tolrant Control) [6], [7], [1], [11]. Do podstawowych uszkodzń napędów, występujących w przmyśl, zalicza się awari silnika indukcyjngo, czujników pomiarowych oraz przminnika częstotliwości. Awari każdgo z lmntów prowadzą do powstania nikontrolowanych zjawisk w układzi napędowym, a w skrajnym przypadku mogą doprowadzić do utraty jgo stabilności i/lub uszkodznia. Koniczn jst więc wykrywani uszkodzń w możliwi wczsnj fazi ich występowania i przłączaniu systmu na układ rdundantny (jżli istnij taka możliwość) [6]. * Politchnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elktrycznych, ul Smoluchowskigo 19, 5-7 Wrocław, -mail: matusz.dybkowski@pwr.du.pl

2 49 Jdnym z najczęścij występujących uszkodzń w złożonych układach napędowych jst uszkodzni czujnika prędkości kątowj. Jgo awaria, powoduj, ż nimożliwa staj się praca napędu, który z samgo założnia wymaga tj mchanicznj zminnj stanu do prawidłowj pracy. Istnij wil koncpcji wykrywania uszkodzń tgo typu układów pomiarowych i ich kompnsacji [1]. Istotn jst aby w fazi zmiany topologii układu strowania lub systmu pomiarowgo przjści pomiędzy nimi było możliwi płynn i nizauważaln dla użytkownika [8], [1], [11]. W ninijszym artykul przdstawiono analizę układu napędowgo strowango mtodą wktorową DTC-SVM podczas wystąpinia uszkodznia inkrmntalngo czujnika prędkości kątowj [8]. Skupiono się na fazi przjścia pomiędzy systmm z pomiarm prędkości kątowj na układ bzczujnikowy [9]. Sprawdzono i porównano możliwości pracy takigo napędu z klasycznym rgulatorm PI oraz z Adaptacyjnym Rgulatorm Nuronowo-Rozmytym (ang. Adaptiv Nuro Fuzzy Controllr ANFC) w torz rgulacji prędkości kątowj. Wykonano badania symulacyjn w środowisku Sim Powr Systm.. MODEL MATEMATYCZNY UKŁADU NAPĘDOWEGO DTC-SVM ORAZ REGULATORA ANFC Jdną z najbardzij popularnych mtod strowania silnikim indukcyjnym w zastosowaniach przmysłowych, jst struktura DTC-SVM [8], [9] (rys. 1), w którj dzięki zastosowaniu modulatora wktorowgo (ang. Spac Vctor Modulation) i zastąpiniu rgulatorów histrzowych struminia i momntu silnika (któr występują w klasycznj strukturz DTC-ST) rgulatorami typu PI, można uzyskać stałą częstotliwość łączń zaworów przminnika częstotliwości, a tym samym stałą wartość strat łączniowych w przkształtniku [8]. Schmat idowy struktury DTC-SVM przdstawiono na rys. 1 [8]. Składow struminia stojana, nizbędn do prawidłowj pracy układu DTC-SVM można wyznaczyć z zalżności: Ψ s xm = Ψr + x s σi s. (1) x r Do wyznacznia składowych struminia wirnika wykorzystano modl prądowy silnika indukcyjngo: d i r i i 1 Ψr = ( xmis Ψr ) + jψr. () dt xr TN Do pomiaru prędkości kątowj wykorzystano nkodr inkrmntalny o rozdzilczości 5 imp./obr.

3 5 u d lub ω lub Rgulator prędkosci PI lub ANFC (PD) rf m m Pętla rgulacji prędkosci Dtktor uszkodznia czujnika prędkosci rf Ψ s PI PI rf u sx rf u sy x y m Ψ s rf us α rf us β α β γ ss Estymator m Przkształtnik SVM S A S B S C u s i s Obliczani napięcia α β ABC u d i sa i sb Moduł mocy Zminn stanu Induction Motor Obciążni ( Load Machin) En Silnik Indukcyjny Rys. 1. Struktura układu bzpośrdnigo strowania momntm dla napędu z silnikim indukcyjnym W stymatorz prędkości MRAS CC, który wykorzystano w układzi jako systm rdundantny, wartości składowych wktora struminia wirnika obliczan są na podstawi modlu prądowgo () (stąd oznaczni C ang. currnt), natomiast równani stymatora prądu stojana wynika z przkształcnia równań opisujących silnik indukcyjny [8]: d i s 1 r xm xmr i xm i T = N us rsi s is + Ψr j Ψrωm dt x. () sσ xr xr xr W stymatorz tym prędkość kątowa otrzymywana jst na wyjściu rgulatora PI, który w tym przypadku spłnia zadani mchanizmu adaptacji. i i i i ( ψ rβ ψ rα ) + k ( ψ rβ ψ rα ) ωm = k p isα isβ I isα isβ dt, (4) = i i sα,. isα, β sα, β β Otrzymywana w tn sposób prędkość kątowa wykorzystywana jst do przstrajania zarówno modlu prądowgo jak i stymatora prądu stojana [8]. W układzi sprawdzono możliwości wykorzystania Adaptacyjngo Rgulatora Nuronowo-Rozmytgo w pętli rgulacji prędkości kątowj w clu poprawy pracy napędu podczas zmiany topologii strowania napędu. Schmat idowy zastosowango Rgulatora Nuronowo-Rozmytgo przdstawiono na rys.. Widoczn są rlacj

4 51 między błędm rgulacji prędkości kątowj (k), jgo zmiany Δ(k) i sygnału strującgo Δu(k). Układ tn jst rgulatorm typu PD, jżli intgrator wyjściowy zostani pominięty (rys. ) (taki układ poddany był analizi w ninijszj pracy) [], [], [4], [5]. 1 z ( k) Δ( k) k k d Wwnętrzna struktura Δu( k) Rys.. Schmat rgulatora typu PD lub ślizgowgo rgulatora rozmytgo [1], [] Powirzchnię przłączania w rgulatorz ślizgowym można obliczyć na podstawi właściwości bazy rguł, któr opisują związk między błędm () a jgo zmianą. Podobni jak dla klasyczngo rgulatora, powirzchnia przłączania moż być opisana za pomocą zalżności []: s * = λ * * + Δ *, (5) gdzi λ przdstawia nachylni funkcji przłączającj λ * * + Δ * =. Adaptacyjny rgulator rozmyty można przdstawić jak na rys.. (k) Δ(k) A1 A A A4 A5 O j=1 O j= O j= 4 O j= O j= 5 O r= 1 O r = O r= 4 O r= O r =5 O r=6 O r=7 Σ O j= 6 O A6 r= 9 Warstwa 1 Warstwa Warstwa Warstwa 4 i= j=6 r=9 o=1 8 O r= Mchanizm adaptacji w 1 w w w 4 w 5 w 6 w 7 w 8 w 9 Δu( k) Intgrator wyjściowy 1 z u( k) Rys.. Struktura wwnętrzna rgulatora rozmytgo (PD, jśli intgrator wyjściowy jst pominięty, PI jśli intgrator jst wykorzystywany)

5 5 Baza rguł rgulatora rozmytgo opira się na kilku zasadach opisanych warunkami IF-THEN: j r i R j : IF x1 is A and x is A THEN y = wi, (6) j gdzi x i zminna wjściowa, A r wjściowa funkcja przynalżności, w i waga wyjściowa []. Rgulator startuj z wagami zrowymi i jst dostrajany na podstawi błędu odtworznia prędkości kątowj [], [8]. Modl odnisinia wykorzystywany w analizowanj strukturz strowania moż być opisany zalżnością: n Gm ( p) = ω p + ξω p + ω, (7) gdzi ζ współczynnik tłuminia, ω n częstotliwość rzonansowa. Mchanizm adaptacji poszczgólnych wag Rgulatora Nuronowo-Rozmytgo w warstwi wyjściowj opisano w sposób szczgółowy w pracy [4]. Na rysunku 4 przdstawiono schmat idowy układu strowania DTC-SVM z Adaptacyjnym Rgulatorm Nuronowo-Rozmytym. n n Modl od Algorytm uczący ω rf ANFC m rf Pętla rgulacji momntu m Częsć mchaniczna Rys. 4. Schmat idowy układu strowania DTC-SVM z rgulatorm ANFC typu PD. ANALIZA PRACY UKŁADU NAPĘDOWEGO O ZWIĘKSZONYM STOPNIU BEZPIECZEŃSTWA W przypadku inkrmntalngo czujnika prędkości kątowj możliw są do wystąpinia cztry typy uszkodzń, przdstawion na rys. 5, któr można opisać za pomocą równania [7]: m m ( ) ω = 1 γ (8)

6 5 m gdzi: mirzona wartość prędkości mchanicznj, rzczywista wartość prędkości mchanicznj, γ współczynnik pomocniczy, przy czym: 1 γ 1. USZKODZENIA CZUJNIKÓW PRĘDKOŚCI BRAK IMPULSÓW WYJŚCIOWYCH SPOWODOWANE PRZERWANIEM PĘTLI PRĘDKOŚCI CYKLICZNE PRZERYWANIE SYGNAŁU WYJŚCIOWEGO OFFSET SYGNAŁU WYJŚCIOWEGO REDUKCJA IMPULSÓW WYJŚCIOWYCH SPOWODOWANA BLOKOWANIEM OTWORÓW ENKODERA Rys. 5. Rodzaj uszkodzń czujników prędkości W zalżności od współczynnika γ, otrzymywana wartość prędkości mchanicznj pobirana z czujnika moż być przrywana lub zrowa. Brak impulsów wyjściowych z nkodra jst spowodowan całkowitym przrwanim pętli pomiarowj. Ograniczni liczby impulsów moż być wynikim blokowania otworów tarczy czujnika, a cykliczn przrywani sygnału pomiarowgo występuj dla uszkodznia lktroniki bądź przwodów zasilających [1]. Najprostszym sposobm dtkcji awarii w układach napędowych jst wykorzystani zminnych stanu z wwnętrznj pętli strowania. W ninijszj pracy wykorzystano algorytm opisany w pracach [1], [11]. Analizi poddano zachowani się układu strowango mtodą DTC-SVM podczas zmiany topologii strowania (z układu z pomiarm prędkości na systm bzczujnikowy) wywołanj dtkcją jdngo z opisanych uszkodzń czujnika prędkości kątowj. Sprawdzono działani napędu z klasycznym rgulatorm typu PI oraz z układm ANFC. W clu możliwości ocny jakości adaptacji rgulatora ANFC do zminnych warunków pracy w pirwszj koljności sprawdzono odpowidź klasyczngo układu DTC-SVM (z rgulatorm liniowym typu PI) na zmianę w nadrzędnym torz rgulacji z sygnału mirzongo na sygnał stymowany za pomocą stymatora MRAS. Wyniki tj analizy przdstawiono na rys. 6. Napęd w czasi początkowym pracuj w układzi strowania z pomiarm prędkości kątowj. Wartość struminia stojana wyznaczana jst na podstawi modlu prądowgo silnika indukcyjngo (1), (). Po chwili t = 1, s następuj awaria czujnika prędkości kątowj oraz jgo dtkcja (po upływi 1 ms). Napęd przłączony zostaj w tryb pracy bzczujnikowj. W momnci przjścia na tryb pracy bzczujnikowj następuj stosunkowo duży uchyb pomiędzy prędkością rzczywistą (oraz

7 54 a) ω rf ω dt ω ral ω st ω nc USZKODZENIE ENKODERA b) ω rf ωral USZKODZENIE ENKODERA ω nc DETEKCJA USZKODZENIA ω dt ω st m Ψ s c) d) Rys. 6. Przbigi prędkości (a, b), momntu lktromagntyczngo (c), modułu struminia stojana (d) podczas zmiany struktury strowania wywołanj uszkodznim czujnika prędkości kątowj (t = 1, s); układ z klasycznym rgulatorm PI 5 x 1- ω rf - ω dt ω ral - ω st a) b) Rys. 7. Przbigi uchybu w pętli strowania prędkością oraz błędu odtwarzania podczas zmiany struktury strowania wywołanj uszkodznim czujnika prędkości kątowj (t = 1, s); układ z klasycznym rgulatorm PI

8 55 stymowaną) a wartością zadaną. Paramtry rgulatora PI dobran były dla układu z pomiarm prędkości, któr przy zmiani topologii układu strowania ni pozwalają na szybszą rakcję napędu. W czasi pracy napędu błąd stymacji prędkości jst bliski zru (rys. 7). Prędkość kątowa odtwarzana jst z niwilkim błędm takż podczas zmiany sygnału podawango na wjści struktury strowania z pomiaru na wartość stymowaną. Istotn jst, ż napęd z klasycznym rgulatorm PI zapwnia stabilną pracę napędu nawt podczas występowania uszkodznia czujnika prędkości kątowj i zmiany topologii strowania. W koljnj części pracy przdstawiono wybran wyniki badań układu napędowgo strowango mtodą DTC-SVM odporngo na uszkodznia czujnika prędkości kątowj z adaptacyjnym rgulatorm nuronowo-rozmytym. Na podstawi wczśnijszych badań zdcydowano się wykorzystać układ typu PD, zwany rgulatorm ślizgowym [4], [5]... ω rf USZKODZENIE ENKODERA a) m ω dt ω ral ω nc USZKODZENIE ENKODERA ω st b) Ψ s ω nc DETEKCJA USZKODZENIA ω dt ω rf ω ral ω st c) d) Rys. 8. Przbigi prędkości (a, b), momntu lktromagntyczngo (c), modułu struminia stojana (d) podczas zmiany struktury strowania wywołanj uszkodznim czujnika prędkości kątowj (t = 1, s); układ z rgulatorm ANFC

9 56 W pirwszj koljności wykonano badania dla trajktorii zmian prędkości kątowj jak dla struktury z rgulatorm typu PI. Wagi początkow rgulatora były ustawion na zro. Na rysunku 8 przdstawiono przbigi prędkości mirzonj, zadanj, stymowanj i rzczywistj (z modlu silnika), a na rys. 9 odpowiadając im przbigi błędów. 5 6 x ω rf - ω dt ω ral - ω st a) b) Rys. 9. Przbigi uchybu w pętli strowania prędkością oraz błędu odtwarzania podczas zmiany struktury strowania wywołanj uszkodznim czujnika prędkości kątowj (t = 1, s); układ z rgulatorm ANFC W przypadku układu z adaptacyjnym rgulatorm nuronowo-rozmytym podczas normalnj pracy praktyczni ni da się zaobsrwować różnicy pomiędzy działanim obu napędów. Po wykryciu awarii nkodra i przłączniu układu w tryb bzczujnikowy, zauważaln jst jdnak, ż układ z zaproponowanym rgulatorm szybcij adaptuj się do aktualnych warunków pracy. Zapad prędkości jst zdcydowani mnijszy niż w przypadku napędu z rgulatorm typu PI, błędy odtwarzania prędkości przyjmują mnijsz wartości, co istotn ulgają on zmianom podczas koljnych cykli pracy napędu. Na koljnym rysunku przdstawiono pracę układu z rgulatorm ANFC podczas wystąpinia awarii czujnika prędkości dla innych jj wartości i podczas zmian momntu obciążnia. Zminny momnt obciążnia wpływa w sposób istotny na pracę napędu oraz na wartość zapadu prędkości przy wystąpiniu uszkodznia nkodra. Szczgólni widoczn jst to na przbigu momntu lktromagntyczngo silnika indukcyjngo. W chwili awarii impuls dochodzi do ponad 4 większj wartości od momntu znamionowgo. Podobni w przypadku osłabiania pola. W momnci zmiany topologii strowania powstaj duży udar momntu, który moż doprowadzić do wyłącznia napędu przz zwnętrzn zabzpicznia.

10 ω ral ω st ω rf ω dt ω nc m a) ω rf ω st ω ral ω dt ω nc m - -4 b) Rys. 1. Przbigi prędkości i momntu lktromagntyczngo podczas zmiany struktury strowania wywołanj uszkodznim czujnika prędkości kątowj (t = 1, s) dla układu z rgulatorm ANFC pracującgo z prędkością 5% (a) i 15% (b) wartości znamionowj 4.WNIOSKI Clm pracy było opracowani układu wktorowgo strowania silnikim indukcyjnym z adaptacyjnym rgulatorm nuronowo-rozmytym (ANFC) odporngo na uszkodznia czujnika prędkości kątowj. Wykazano, ż zastosowani tgo typu rozwiązania poprawia pracę napędu podczas zmiany jgo topologii na bzczujnikową wywołaną uszkodznim czujnika prędkości. Czas dtkcji ma istotny wpływ na wartość przrgulowania prędkości kątowj. Możliw jst opracowani dtktora, cchującgo się zdcydowani krótszym czasm działania, a tym samym zmnijszni skutków zmiany topologii struktury strowania. W pracy zdcydowano się jdnak na wykorzystani bardzo prostgo w konstrukcji systmu diagnostyczngo cchującgo się stosunkowo długim czasm potrzbnym na prawidłową diagnozę w clu dokładngo zilustrowania zjawisk zachodzących w na-

11 58 pędzi podczas zmiany struktury strowania z układu z pomiarm prędkości na strukturę bzczujnikową. LITERATURA [1] SZABAT K., ORLOWSKA-KOWALSKA T., Vibration Supprssion in Two-Mass Driv Systm using PI Spd Controllr and Additional Fdbacks Comparativ Study, IEEE Trans. on Industrial Elctronics, 7, Vol. 54, No., [] ORLOWSKA-KOWALSKA T., SZABAT K., Control of th Driv Systm with Stiff and Elastic Couplings Using Adaptiv Nuro-Fuzzy Approach, IEEE Trans. on Industrial Elctronics, 7, Vol. 54, No. 1, 8 4. [] YAGER R.R., FILEV D.P., Essntials of Fuzzy Modling and Control, Wily, [4] ORŁOWSKA-KOWALSKA T., DYBKOWSKI M., SZABAT K., Adaptiv nuro-fuzzy control of th snsorlss induction motor driv systm, 1th Intrnational Powr Elctronics and Motion Control Confrnc. EPE PEMC 6, [5] ORLOWSKA-KOWALSKA T., SZABAT K., DYBKOWSKI M., Nuro-Fuzzy Adaptiv Control of th IM Driv with Elastic Coupling, EPE PEMC 8, Poznań, Poland, on CD. [6] BENBOUZID M.E.H., DIALLOD D., ZERAOULIA M., Advancd fault-tolrant control of induction motor drivs for EV/HEV traction applications, from convntional to modrn and intllignt tchniqus, IEEE Transactions on Vhicular Tchnology, 7, 56, [7] CAMPOS-DELGADO D.U., ESPINOZA-TREJO D.R., PALACIOS E., Fault-tolrant control in variabl spd drivs, a survy, Elctric Powr Applications IET, 8, (), [8] DYBKOWSKI M., Estymacja prędkości kątowj w złożonych układach napędowych zagadninia wybran, Prac Naukow Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elktrycznych Politchniki Wrocławskij, Nr 67, Sria: Monografi, Nr, Oficyna Wydawnicza PWr., Wrocław 1. [9] ORLOWSKA-KOWALSKA T., Bzczujnikow układy napędow z silnikami indukcyjnymi, Oficyna Wydawnicza Politchniki Wrocławskij, Wrocław. [1] KLIMKOWSKI K., DYBKOWSKI M., An influnc of th chosn snsors faults to th prformanc of induction motor driv systm working in vctor control mthod, Poznań Univrsity of Tchnology, Acadmic Journals, Elctrical Enginring, 14, No. 77, (in Polish). [11] KLIMKOWSKI K., DYBKOWSKI M., An analysis of th chosn snsors fault tolrant induction motor driv, Poznań Univrsity of Tchnology, Acadmic Journals, Elctrical Enginring, 14, No. 77, 19 (in Polish). FAULT TOLERANT DIRECT TORQUE CONTROL OF INDUCTION MOTOR WITH ADAPTIVE NEURO-FUZZY CONTROLLER In th papr th possibility of adaptiv nuro-fuzzy controllr application in th Dirct Torqu Controlld (DTC-SVM) induction motor driv systm was prsntd. Simulation rsults of th vctor controlld induction motor driv systm during th spd snsor faults wr illustratd. Systm was chckd during th control topology changs. Control structur was tstd and chckd during diffrnt driv oprations. Simulation rsults wr obtaind using Sim Powr Systm.