BEZCZUJNIKOWY UKŁAD NAPĘDOWY Z KOMPENSATOREM NEURONOWO-ROZMYTYM

Transkrypt

1 Prac Naukow Instytutu Maszyn, Napędów Poarów Elktrycznych Nr 7 Poltchnk Wrocławskj Nr 7 Studa Matrały Nr 4 14 Matusz DYBKOWSKI, Krzysztof SZABAT* DTC-SVM, strowan wktorow, slnk ndukcyjny, rgulator adaptacyjny, ANFC, kopnsator nuronowo-rozyty BEZCZUJNIKOWY UKŁAD NAPĘDOWY Z KOMPENSATOREM NEURONOWO-ROZMYTYM W artykul przdstawono ożlwośc wykorzystana adaptacyjngo rgulatora nuronowo-rozytgo (ang. Adaptv Nuro Fuzzy Controllr ANFC) w bzczujnkowj strukturz bzpośrdngo strowana ont lktroagntyczny slnka ndukcyjngo DTC-SVM. Sprawdzono ożlwośc jgo aplkacj w charaktrz tzw. kopnsatora rgulatora prędkośc kątowj. Przprowadzono badana kspryntaln pozwalając na ocnę pracy napędu bzczujnkowgo w różnych warunkach pracy. Zwrócono szczgólną uwagę na zakrs nskch prędkośc kątowych, w których napędy tgo typu ogą pracować w sposób nstablny. Do styacj prędkośc struna wrnka/stojana wykorzystano adaptacyjny styator MRAS CC. Badana kspryntaln wykonano przy wykorzystanu układu szybkgo prototypowana DS WPROWADZENIE Układy bzczujnkow stanową altrnatywn rozwązan dla napędów, w których często dochodz do awar układu poaru prędkośc kątowj. W ostatn dzsęcolcu ożna zaobsrwować ntnsywny rozwój systów napędowych z slnka ndukcyjny [1], [], któr pozbawon są czujnków wlkośc chancznych. W ch jsc wykorzystywan są styatory znnych stanu. Układy tak nazywan są napęda bzczujnkowy (ang. snsorlss) []. Poza zwększn bzpczństwa napędu lnacja czujnków prędkośc obrotowj pozwala na nalzację kosztów, rdukcję przstrzn zajowanj przz napęd. Często styatory znnych stanu (prędkośc kątowj) wykorzystywan są jako układy rdundantn []. Tak podjśc powoduj zwększn bzpczństwa kopltngo napędu lktryczngo. * Poltchnka Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów Poarów Elktrycznych, ul Soluchowskgo 19, 5-7 Wrocław, -al: atusz.dybkowsk@pwr.du.pl, krzysztof.szabat@pwr.du.pl

2 17 Jdny z podstawowych założń stawany napędo lktryczny jst ch stablna praca w szrok zakrs zan prędkośc kątowj przy znnośc paratrów napędów [1] []. Zagadnn to jst szczgóln stotn w napędach bzczujnkowych, któr w otocznu nskch prędkośc ogą pracować błędn. Dlatgo w nnjszj pracy przdstawono ożlwośc wykorzystana Adaptacyjngo Nuronowo-Rozytgo Rgulatora (ANFC Adaptv Nuro Fuzzy Controllr), jako tzw. kopnsatora w strukturz bzczujnkowj DTC-SVM. Do styacj prędkośc kątowj struna stojana /lub wrnka wykorzystano styator adaptacyjny MRAS CC [].. MODEL MATEMATYCZNY BEZCZUJNIKOWEGO UKŁADU NAPĘDOWEGO DTC-SVM Z KOMPENSATOREM ANFC W nnjszj pracy analz poddana została struktura bzpośrdngo strowana ont (DTC-SVM) []. Schat dowy bzczujnkowgo układu DTC-SVM przdstawono odpowdno na rys. 1. Kopnsator Nuronowo Rozyty u d ANFC PI Ψ srf Rgulator struna PI u sxrf PI u Rgulator syrf ontu x y α β γ sψ U sc SVM S A S B S C Moduł ocy Ψ s Estyator MRAS Oblczan u d napęca u s α β sa sb ABC s Strowan Inducton Motor ( Load Machn) Obcążn En Slnk ndukcyjny Rys. 1. Struktura układu bzpośrdngo strowana ont dla napędu z slnk ndukcyjny z kopnsator nuronowo-rozyty Wraz z rozwoj tod strowana wykorzystujących koncpcję DTC układy t stają sę coraz bardzj złożon zalżn od paratrów schatu zastępczgo SI.

3 18 Można powdzć, ż najnowsz tody strowana DTC-SVM (bzpośrdn strowan ontu) coraz bardzj przyponają klasyczną todę DFOC (ang. Drct Fld Orntd Control) [], []. Do ch prawdłowgo dzałana nzbędna staj sę transforacja współrzędnych, blok styacj struna wrnka /lub stojana, a ch wwnętrzna struktura często wykorzystuj odl atatyczny aszyny do oblczana odpowdnch wlkośc struna zadango lub kąta. Składow struna stojana nzbędn do prawdłowj pracy układu DTC-SVM ożna wyznaczyć z zalżnośc: Ψ s x = Ψr + x s σ s, gdz x r x σ =1. (1) x x Do wyznaczna składowych struna wrnka wykorzystano odl prądowy slnka ndukcyjngo: d r r 1 Ψr = ( xs Ψr ) + jψr. () dt xr TN Do styacj prędkośc kątowj wykorzystano styator MRAS CC []. W układz ty wartośc składowych wktora struna wrnka oblczan są na podstaw odlu prądowgo () (stąd oznaczn C ang. currnt), natoast równan styatora prądu stojana wynka z przkształcna równań opsujących slnk ndukcyjny []: d s 1 r r x xrr x T = N us rs s s + ψr j ψrω dt x. () sσ xr xr xr Prędkość kątowa otrzyywana jst na wyjścu rgulatora PI, który w ty przypadku spłna zadan chanzu adaptacj. ( ψ rβ ψ rα ) + k ( ψ rβ ψ rα ) ω = k p sα sβ I sα sβ dt, (4) = sα,. sα, β sα, β β Otrzyywana w tn sposób prędkość kątowa wykorzystywana jst do przstrajana zarówno odlu prądowgo jak styatora prądu stojana []. Schat dowy styatora prędkośc struna wrnka typu MRAS pokazano na rys.. W pracy zaproponowano wykorzystan rgulatora adaptacyjngo nuronowo-rozytgo (ANFC) [5] w syst strowana wktorowgo slnka ndukcyjngo, jako kopnsatora nuronowo-rozytgo, poprawającgo pracę klasyczngo rgulatora prędkośc typu PI. Rolą systu adaptacyjngo jst zapwnn stablnj pracy napędu przy zanach paratrów warunków jgo pracy [5]. Dzęk zastosowanu dodatkowo wstęp- s r

4 19 n nastrojongo rgulatora PI uzyskuj sę zapwnn stablnj pracy napędu w początkowj faz jgo pracy. u sα u sβ Slnk Indukcyjny (Modl odnsna) sα sβ Modl prądowy Estyator prądu stojana Modl przstrajalny Ψ rα Ψ rβ s β s α s β s α sβ Ψ rα sα Ψ rβ Mchanz adaptacj PI Rys.. Schat blokowy styatora MRAS CC Schat dowy struktury strowana kaskadowgo z klasyczny rgulator PI oraz z kopnsator nuronowo-rozyty przdstawono na rys., a schat dowy rgulatora nuronowo-rozytgo na rys. 4. Kopnsator Nuronowo Rozyty Modl Odnsna od Algoryt Uczący Rgulator Nuronowo Rozyty + rf Pętla rgulacj ontu Częsć chanczna Rgulator typu PI Rys.. Schat dowy układu napędowgo z kopnsator nuronowo-rozyty Wykorzystan rgulatora ANFC jako kopnsatora nuronowo-rozytgo n zapwna tak szybkgo procsu adaptacj, jak a to jsc w przypadku wykorzystana go jako podstawowgo układu [4], jdnak zapwnna stablność napędu podczas różnych warunków pracy, w ty takż przy rozruchu dla zrowych wag początkowych.

5 W nnjszj pracy założono, ż donujący układ jst rgulator PI z ogranczna sygnałów wyjścowych o dobranych nastawach K p T. Rgulator adaptacyjny zapwna poprawę dzałana systu w dłuższy przdzal czasowy. A1 O j=1 O r= 1 Mchanz adaptacj (k) Δ(k) A A A4 A5 O j= O j= O j= 4 O j= 5 O r = O r= O r= 4 O r = 5 6 O r= O r=7 Σ O j= 6 O A6 r= 9 Warstwa 1 Warstwa Warstwa Warstwa 4 = j=6 r=9 o=1 O r= 8 w 1 w w w 4 w 5 w 6 w 7 w 8 w 9 Δu( k) Intgrator wyjścowy 1 z u( k) Rys. 4. Struktura rgulatora rozytgo (PD, jśl ntgrator wyjścowy jst ponęty, PI jśl ntgrator jst wykorzystywany) [], [6] Jako algoryt adaptacj wykorzystano todę bazująca na lokalny gradnc, w clu adaptacj wag paratrów warstwy rozytj sc nuronowj. Funkcję clu dfnuj sę w następujący sposób [6]: ( ω ω) F =. (5) W clu przyspszna dzałana algorytu użyta została odyfkacja algorytu optyalzacj polgająca na wprowadznu sygnału proporcjonalngo do zany błędu: δ Δ. (6) o Wprowadzn sygnału proporcjonalngo Δ zapwna wększą swobodę w kształtowanu właścwośc algorytu. Natoast rozbc współczynnka uczna γ na dw nzalżn składow k p k d ułatwa uzyskan korzystnjszych właścwośc dynacznych strowango obktu. Po odyfkacjach algoryt przdstawa sę następująco [5]: j j p Δ w ( k + 1) = w ( k) + ( k + k Δ ) u. (7) d j

6 1. ANALIZA PRACY BEZCZUJNIKOWEGO UKŁADU NAPĘDOWEGO DTC-SVM Z KOMPENSATOREM NEURONOWO ROZMYTYM Wykonano badana kspryntaln bzczujnkowgo napędu strowango todą DTC-SVM zarówno z klasyczny rgulator PI w torz rgulacj prędkośc kątowj, jak układu z dodatkowy kopnsator nuronowo-rozyty typu PD. Na rysunku 5 przdstawono wybran wynk badań kspryntalnych napędu bzczujnkowgo DTC-SVM z klasyczny rgulator lnowy typu PI. ω [ p.u. ] - ω [ p.u. ] ω st - - ω st ω st ω st a) b) Rys. 5. Wynk badań kspryntalnych bzczujnkowgo układu napędowgo z slnk ndukcyjny strowany todą DTC-SVM z rgulator PI; przy skokowych zanach prędkośc kątowj = ±,1N, (a) oraz przy wyusznu snusodalny = ± N (b) Struktura strowana została sprawdzona przy pracy nawrotnj z prędkoścą zadaną 1% wartośc znaonowj oraz dla wyuszna snusodalngo. Badana ały na clu zlustrowan zachowana sę napędu w otocznu nskch prędkośc kątowych oraz dla różnj dynak jj zan. Napęd bzczujnkowy dzała w sposób stablny dla analzowanych wyuszń. Błędy styacj prędkośc kątowj oscylują wokół zra. Podczas przjśca prędkośc przz zro błędy t sę zwększają.

7 Na koljnych przbgach pokazano wpływ zastosowana kopnsatora nuronowo-rozytgo w bzczujnkowj strukturz strowana DTC-SVM (rys. 6, 7)..8.6 ω [ p.u. ] - - od - ω st.4. - ω st -. a) b) Ψ s.8.6 [ p.u. ] c) d) x w NB-PB 8 6 W 4 - w ZE-ZE w NB-NB -4-6 w PB-PB ) Rys. 6. Wynk badań kspryntalnych bzczujnkowgo układu napędowgo z slnk ndukcyjny strowany todą DTC-SVM z rgulator PI kopnsator nuronowo-rozyty; przy skokowych zanach prędkośc kątowj = ± N, prędkośc (a), błąd odtworzna prędkośc (b), oduł struna stojana (c), ont lktroagntyczny (d), wybran wag () Wdoczn jst, ż prędkość rzona pokrywa sę z prędkoścą styowaną prędkoścą z odlu napędu (rys. 6a, 7a) dla wszystkch wyuszń prędkośc kątowj. Podczas przjśca prędkośc przz zro prędkość styowana pokrywa sę z wartoścą rzoną.

8 .. ω [ p.u. ] - - ω st od - ω st a) b) Ψ s.8.6 [ p.u. ].4. - c) d) x 1-5 w ZE-ZE 6 4 w NB-PB W - -4 w NB-NB w PB-PB ) Rys. 7. Wynk badań kspryntalnych bzczujnkowgo układu napędowgo z slnk ndukcyjny strowany todą DTC-SVM z rgulator PI kopnsator nuronowo-rozyty; przy snusodalnych zanach prędkośc kątowj = ±N, prędkośc (a), błąd odtworzna prędkośc (b), oduł struna stojana (c), ont lktroagntyczny (d), wybran wag () Błędy odtwarzana prędkośc w układz DTC-SVM (rys. 6b, 7b) z kopnsator nuronowo-rozyty są njsz nż ało to jsc w układz z rgulator PI (ulgają on stopnowu znjsznu wraz z czas). Struń stojana utrzyywany jst na stałj wartośc (rys. 6c, 7c, wag rgulatora adaptacyjngo rosną od wartośc równj zro powodują, ż napęd adaptuj sę do aktualnych wa-

9 4 runków pracy napędu. Dla przbgów o wększj dynac szybkość ch zan jst wększa. Na rysunku 7 przdstawono dzałan układu przy snusodalny wyusznu prędkośc kątowj. Wdoczn jst lpsz śldzn wartośc zadanj przz napęd nż ało to jsc w układz wyłączn z rgulator typu PI. Podczas przjśca prędkośc przz zro błąd odtworzna prędkośc jst nwlk (njszy nż w przypadku układu bz kopnsatora). 4. WNIOSKI Cl pracy była analza pracy bzczujnkowgo układu napędowgo strowango todą DTC-SVM z kopnsator nuronowo-rozyty w torz rgulacj prędkośc kątowj. Wykazano, ż w przypadku zastosowana dodatkowgo kopnsatora nuronowo-rozytgo w układz bzczujnkowy uzyskano poprawę dzałana napędu. Wdoczna jst ona przd wszystk podczas wolnych zan prędkośc. Zastosowan dodatkowgo układu adaptacyjngo koplkuj budowę napędu jdnak gwarantuj dopasowan sę obktu do aktualnych warunków pracy. Praca zralzowana w raach projktu fnansowango przz Narodow Cntru Nauk na podstaw dcyzj UMO-11//B/ST7/517 (1 15). LITERATURA [1] DYBKOWSKI M., ORŁOWSKA-KOWALSKA T., KAPELA D., Analza wpływu tod adaptacj rgulatorów prędkośc na właścwośc dynaczn napędu ndukcyjngo, Prac Naukow Instytutu Maszyn, Napędów Poarów lktrycznych, Nr 64, Sra: Studa Matrały, Nr, Ofcyna Wydawncza PWr., Wrocław 1. [] DYBKOWSKI M., Spd staton n th vctor controlld nducton otor drv slctd probls, Sctnfc Works of Inst. El. Machns Drvs and Masurnts, Vol. 67, Monographs, No., Ofcyna Wydawncza PWr., Wrocław 1. [] ORŁOWSKA-KOWALSKA T., Bzczujnkow ukłakdy napędow z slnka ndukcyjny, Ofcyna Wydawncza Poltchnk Wrocławskj, Wrocław. [4] PIEGAT A., Modlowan strowana rozyt, Akadcka Ofcyna Wydawncza EXIT, Warszawa [5] SZABAT K., Struktury strowana lktrycznych układów napędowych z połączn sprężysty, Ofcyna Wydawncza Poltchnk Wrocławskj, Wrocław 8. [6] CHUN-FEI HSUA, PING-ZONG LINB, TSU-TIAN LEEC, CHI-HSU WANGB, Adaptv asytrc fuzzy nural ntwork controllr dsgn va ntwork structurng adaptaton, Fuzzy Sts and Systs, Vol. 159, Iss., 8, [7] FAA-JENG LIN, RONG-JONG WAI, PAO-CHUAN LIN, Robust Spd Snsorlss Inducton Motor Drv, IEEE Transacton on Arospac and Elctronc Syst, Vol. 5, Iss., 1999,

10 5 SENSORLESS DIRECT TORQUE CONTROL OF INDUCTION MOTOR WITH ADAPTIVE NEURO-FUZZY COMPENSATOR Th possblty of applcaton th adaptv nuro-fuzzy controllr n th structur of Drct Torqu Control as a so-calld nuro-fuzzy spd copnsator ar prsntd n th papr. In th papr th sulaton and xprntal rsults of th vctor controlld nducton otor drv syst undr dffrnt condtons ar prsntd. Th sulaton tsts carrd out n Matlab/S Powr Syst softwar, DS11 card s appld n th xprntal tsts.