Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Rozszerzony konspekt preskryptu do przedmiotu Sterowanie napędów i serwonapędów elektrycznych prof. dr hab. inż. Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej Wydział Elektryczny Politechnika Warszawska
Wydział Elektryczny Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej Zakład Napędu Elektrycznego Sterowanie napędów i serwonapędów elektrycznych (rozszerzony konspekt preskryptu) Wprowadzenie Konstrukcje i właściwości maszyn elektrycznych prądu stałego i przemiennego. Silniki komutatorowe prądu stałego Silniki bezkomutatorowe prądu stałego o magnesach trwałych (BLDCM - Brushless Direct Current Motor) Silniki synchroniczne o magnesach trwałych (PMSM - Permanent Magnet Synchronous Motor) Silniki asynchroniczne klatkowe Konstrukcje i topologie przekształtników energoelektronicznych dla układów napędu elektrycznego Właściwości łączników energoelektronicznych (diody, tyrystory SCR, tyrystory IGCT, tranzystory MOSFET, tranzystory IGBT) Przekształtniki DC/DC obniżające napięcie Przekształtniki DC/DC podwyższające napięcie Przekształtniki DC/DC cztero-kwadrantowe Falowniki napięcia dwu- i wielo-poziomowe (przekształtniki DC/AC) Falowniki prądu (przekształtniki DC/AC) Prostowniki aktywne z obwodem pośredniczącym napięcia stałego (przekształtniki AC/DC) Prostowniki aktywne z obwodem pośredniczącym prądu stałego (przekształtniki AC/DC) Przekształtniki złożone dwu- i wielopoziomowe (przekształtniki AC/DC/AC) Przekształtniki bezpośrednie (matrycowe) Podstawowe strategie sterowania wykorzystywane w napędach (serwonapędach)elektrycznych Regulacja momentu obrotowego Regulacja prędkości Regulacja drogi kątowej (położenia) Modele matematyczne maszyn prądu prądu stałego o wzbudzeniu obcym i o magnesach trwałych Maszyny ze wzbudzeniem obcym opis w dziedzinie czasu (w przestrzeni stanu) i w dziedzinie częstotliwości Maszyny z magnesami trwałymi opis w dziedzinie czasu (w przestrzeni stanu) i dziedzinie częstotliwości 1
Schematy blokowe maszyn prądu stałego Modele matematyczne przekształtników DC/DC dla napędów z maszynami prądu stałego (DC) Przekształtnik obniżający napięcie cztero-kwadrantowy, właściwości i modele matematyczne, uproszczenia modeli i aproksymacja dynamiki przekształtnika impulsowego przy wykorzystaniu modeli ciągłych Regulatory liniowe (układy ciągłe) - ogólne zasady projektowania kryterium modułowego optimum, kryterium symetrycznego optimum metoda lokowania biegunów projektowanie regulatorów wspomagane komputerowo w środowisku MATLAB/ SIMULINK (SISO Tools) Regulatory dyskretne - ogólne zasady projektowania przejście z opisu ciągłego do dyskretnego projektowanie regulatorów dyskretnych wspomagane komputerowo w środowisku MATLAB/SIMULINK Kaskadowe struktury regulacji z regulatorami liniowymi PID (układy ciągłe) Regulator prądu Projektowanie regulatora prądu z wykorzystaniem metod analitycznych (kryteria modułowego i symetrycznego optimum) i ograniczenia w ich stosowaniu. Sposoby przekształcania i upraszczania schematów blokowych w przypadku stosowania kryterium modułowego optimum i kryterium symetrycznego optimum Projektowanie regulatora prądu metodą lokowania biegunów Projektowanie regulatora prądu wspomagane komputerowo w środowisku MATLAB/SIMULINK (SISO Tools) prądu oraz wyznaczenie uchybu ustalonego dla skokowego sygnału referencyjnego. Badanie stabilności układu. Regulator prędkości Projektowanie regulatora prędkości z wykorzystaniem metod analitycznych (kryteria modułowego i symetrycznego optimum). Ograniczenia w ich stosowaniu. Sposoby przekształcania i upraszczania opisu obwodu regulacji prądu dla potrzeb wyznaczenia transmitancji obiektu regulacji dla regulatora prędkości. Projektowanie regulatora prędkości metodą lokowania biegunów Projektowanie regulatora prędkości wspomagane komputerowo w środowisku MATLAB/SIMULINK (SISO Tools) prędkości oraz wyznaczenie uchybu ustalonego dla skokowego sygnału referencyjnego. Badanie stabilności układu. 2
Regulator położenia Projektowanie regulatora położenia z wykorzystaniem metod analitycznych (kryteria modułowego i symetrycznego optimum). Ograniczenia w ich stosowaniu. Sposoby przekształcania i upraszczania opisu obwodu regulacji prędkości dla potrzeb wyznaczenia transmitancji obiektu regulacji dla regulatora położenia. Projektowanie regulatora położenia metodą lokowania biegunów Projektowanie regulatora położenia wspomagane komputerowo w środowisku MATLAB/SIMULINK (SISO Tools) położenia oraz wyznaczenie uchybu ustalonego dla skokowego sygnału referencyjnego. Badanie stabilności układu. Kaskadowe struktury regulacji z regulatorami dyskretnymi Dyskretny regulator prądu Opis regulatora dyskretnego i jego związek z opisem regulatora ciągłego. Projektowanie dyskretnego regulatora prądu wspomagane komputerowo w środowisku MATLAB/SIMULINK prądu z regulatorem dyskretnym dla skokowego sygnału referencyjnego. Badanie stabilności układu dyskretnego. Dyskretny regulator prędkości Opis regulatora dyskretnego i jego związek z opisem regulatora ciągłego. Projektowanie dyskretnego regulatora prędkości wspomagane komputerowo w środowisku MATLAB/SIMULINK prędkości z regulatorem dyskretnym dla skokowego sygnału referencyjnego. Badanie stabilności układu dyskretnego. Dyskretny regulator położenia Opis regulatora dyskretnego i jego związek z opisem regulatora ciągłego. Projektowanie dyskretnego regulatora położenia wspomagane komputerowo w środowisku MATLAB/SIMULINK położenia z regulatorem dyskretnym dla skokowego sygnału referencyjnego. Badanie stabilności układu dyskretnego. Opis obiektu regulacji (silnik DC i przekształtnik energoelektroniczny) w przestrzeni stanu dla układu ciągłego i dyskretnego. Opis matematyczny silnika i przekształtnika energoelektronicznego w przestrzeni stanu dla układu sterowania prędkością kątową. Modele symulacyjne w środowisku MATLAB/SIMULINK 3
Opis matematyczny silnika i przekształtnika energoelektronicznego w przestrzeni stanu dla układu sterowania położeniem kątowym. Modele symulacyjne w środowisku MATLAB/SIMULINK Sterowanie prędkością napędu DC w układzie z regulatorem stanu Opis matematyczny regulatora od stanu i zasady jego optymalizacji. Metoda lokowania biegunów układu zamkniętego (place). Modele symulacyjne napędu z regulatorem stanu w środowisku MATLAB/ SIMULINK Analiza właściwości statycznych i dynamicznych układu Badanie stabilności układu Sterowanie położeniem napędu DC (serwonapęd) w układzie z regulatorem stanu Opis matematyczny regulatora od stanu i zasady jego optymalizacji. Metoda lokowania biegunów układu zamkniętego (place). Modele symulacyjne serwonapędu z regulatorem stanu w środowisku MATLAB/ SIMULINK Analiza właściwości statycznych i dynamicznych układu Badanie stabilności układu Sterowanie prędkością napędu DC w układzie z regulatorem LQR Opis matematyczny regulatora LQR i zasady projektowania Regulator LQR z modelem wewnętrznym wejścia dla sygnału skokowego Regulator LQR z modelem wewnętrznym wejścia dla sygnału liniowo narastającego w czasie Modele symulacyjne w środowisku MATLAB/SIMULINK Sterowanie położeniem serwonapędu DC w układzie z regulatorem LQR Opis matematyczny regulatora LQR i zasady projektowania Regulator LQR z modelem wewnętrznym wejścia dla sygnału skokowego Regulator LQR z modelem wewnętrznym wejścia dla sygnału liniowo narastającego w czasie Układy napędowe z silnikiem synchronicznym o magnesach trwałych (PMSM) Opis matematyczny silnika PMSM z wykorzystaniem wektora przestrzennego. Transformacja Clarke a - stacjonarny układ odniesienia. Transformacja Parka - wirujący układ odniesienia. Struktury sterowania prędkością kątową wykorzystujące metody orientacji wektora pola (FOC - Field Oriented Control) Zasady projektowania regulatorów prądu i prędkości w układach FOC 4
Struktury sterowania prędkością kątową z wykorzystaniem metody bezpośredniej regulacji momentu (DTC_SVM - Direct Torque Control with Space Vector Method) Zasady projektowania regulatorów prędkości i momentu w układach DTC-SVM Struktury sterowania z wykorzystaniem regulatora stanu. Optymalizacja poprzez lokowanie biegunów. Optymalizacja LQR. Przestrajanie regulatora w funkcji prędkości kątowej. Układy serwonapędów z silnikiem synchronicznym o magnesach trwałych (PMSM) Struktury sterowania położeniem kątowym wykorzystujące metody orientacji wektora pola (FOC - Field Oriented Control) Zasady projektowania regulatorów prądu i prędkości i położenia w układach FOC Struktury sterowania położeniem kątowym z wykorzystaniem metody bezpośredniej regulacji momentu (DTC_SVM - Direct Torque Control with Space Vector Method) Zasady projektowania regulatorów położenia, prędkości i momentu w układach DTC-SVM Struktury sterowania serwonapędu z wykorzystaniem regulatora stanu. Optymalizacja poprzez lokowanie biegunów. Optymalizacja LQR. Przestrajanie regulatora w funkcji prędkości kątowej. Układy napędowe z silnikiem asynchronicznym klatkowym Opis matematyczny silnika asynchronicznego klatkowego z wykorzystaniem wektora przestrzennego. Transformacja Clarke a - stacjonarny układ odniesienia. Transformacja Parka - wirujący układ odniesienia. Struktury sterowania prędkością kątową wykorzystujące metody orientacji wektora pola (FOC - Field Oriented Control) Zasady projektowania regulatorów prądu i prędkości w układach FOC z silnikiem asynchronicznym klatkowym Struktury sterowania prędkością kątową z wykorzystaniem metody bezpośredniej regulacji momentu (DTC_SVM - Direct Torque Control with Space Vector Method) Zasady projektowania regulatorów prędkości i momentu w układach DTC-SVM Struktury sterowania z wykorzystaniem regulatora stanu. Optymalizacja poprzez lokowanie biegunów. Optymalizacja LQR. Przestrajanie regulatora w funkcji prędkości kątowej. 5
Układy serwonapędów z silnikiem asynchronicznym klatkowym Struktury sterowania położeniem kątowym wykorzystujące metody orientacji wektora pola (FOC) Zasady projektowania regulatorów prądu i prędkości i położenia w układach FOC Struktury sterowania położeniem kątowym z wykorzystaniem metody bezpośredniej regulacji momentu (DTC_SVM ) Zasady projektowania regulatorów położenia, prędkości i momentu w układach DTC-SVM Struktury sterowania serwonapędu z wykorzystaniem regulatora stanu. Optymalizacja poprzez lokowanie biegunów. Optymalizacja LQR. Przestrajanie regulatora w funkcji prędkości kątowej. 6