Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η ανάπτυξη μιας ιδιαίτερης τεχνικής προβλεπτικού ελέγχου ρεύματος και προβλεπτικού ελέγχου ταχύτητας για την επίτευξη γρήγορης μεταβατικής απόκρισης στη ροπή και την ταχύτητα, μέσω ρύθμισης των DQ συνιστωσών του ρεύματος με στόχο την υψηλή επίδοση και απόδοση λειτουργίας σε ένα σύγχρονο κινητήρα μόνιμου μαγνήτη (PMSM), για εφαρμογή σε ηλεκτρικό όχημα. Ένας συνδυασμός των τεχνικών προβλεπτικού ελέγχου Deadbeat και προβλεπτικού ελέγχου αναφοράς σε μοντέλο (MPC) υλοποιήθηκε και προσωμοιώθηκε. Το προτεινόμενο σύστημα ελέγχου τίθεται σε σύγκριση με μια τυπική στρατηγική ελέγχoυ προσανατολισμένου πεδίου (FOC) με τυπικούς γραμμικούς PI ελεγκτές για το ρεύμα και αναδεικνύονται τα οφέλη του από τη βελτιωμένη μεταβατική απόκριση και τη δυνατότητα για περισσότερα κριτήρια βελτιστοποίησης στον έλεγχο.
Σε πρώτο βήμα, περιγράφεται η σχηματική δομή των συστημάτων ηλεκτρικής κίνησης. Ένα τέτοιο σύστημα αποτελείται από το μοτέρ, την πηγή ενέργειας, (συσσωρευτές, κυψέλες καυσίμου κλπ), τον ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος και το σύστημα ελέγχου. Περαιτέρω, γίνεται αναλυτικότερη αναφορά ιδίως σε κάθε συνιστώσα του συστήματος ηλεκτρικής κίνησης, περιγράφονται και οι μαθηματικές εξισώσεις και η αρχή λειτουργίας της κάθε μιας. Επιπλέον, αναλύονται οι βασικές τεχνικές οδήγησης του αντιστροφέα, και κατά συνέπεια του κινητήρα, όπως ο PI έλεγχος με βρόχο υστέρησης, ο SPWM και ο
SVM, όπως και οι πιο διαδεδομένες τεχνικές ελέγχου των στροφών του κινητήρα μονίμων μαγνητών, όπως ο διανυσματικός αποσυζευγμένος έλεγχος (FOC) και ο άμεσος έλεγχος ροπής (DTC). Επιπλέον, μετά την ανάλυση της χρησιμότητας της εφαρμογής των τεχνικών προβλεπτικού ελέγχου σε συστήματα ηλεκτρονικών ισχύος, δυό προβλεπτικοί αλγόριθμοι για τον έλεγχο της ταχύτητας και του ρεύματος του κινητήρα σχεδιάστηκαν: ο διακριτός προβλεπτικός έλεγχος ρεύματος, σε συνδυασμό με PI έλεγχο της ταχύτητας και ο απ’ ευθείας ο προβλεπτικός έλεγχος της ταχύτητας, με εκτίμση της μηχανικής ροπής φορτίου. Σε κάθε περίπτωση οι παλμοί του αντιστροφέα διαμορφώνονται μέσω της SPWM τεχνικής. Η αντικειμενική συνάρτηση και οι περιορισμοί που τίθενται σε κάθε εφαρμογή προβλεπτικού ελέγχου αναλύονται.
Τα μοντέλα προβλεπτικού ελέγχου που σχεδιάστηκαν, εφαρμόζονται και προσωμοιώνονται για το δυναμικό έλεγχο του μοντέλου σύγχρονης μηχανής μονίμων 3 μαγνητών. Μέσα από τις δυναμικές προσωμοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν, μελετήθηκε
η απόκριση του συστήματος σε βηματικές εντολές ταχύτητας, και σε βηματικές μεταβολλές του μηχανικού φορτίου ροπής.
Η παρούσα διπλωματική εργασία κλείνει με την απεικόνηση των γραφημάτων από τις προσωμοιώσεις, με τους προβλεπτικούς ελεγκτές και τη σύγκριση αυτών με τον ‘’συμβατικό’’ PI διανυσματικό έλεγχο, σχεδιασμένο για τον έλεγχο του ίδιου κινητήρα και συστήματος κίνησης. Τέλος, ιδιαίτερη έμφαση έχει δοθεί στις διαφοροποιήσεις και δυσκολίες που μπορεί να παρουσιαστούν κατά τη διάρκεια της υλοποίησης των
διαδικασιών του ελέγχου σε ένα πραγματικό σύστημα, που οφείλονται σε καθυστερήσεις που εισάγονται από τον ψηφιακό επεξεργαστή σήματος (DSP) και τις μετρητικές διατάξεις ταχύτητας και ρεύματος, και προτείνεται τρόπος αντιμετώπισής τους.
(EL)
Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Συστήματα Αυτοματισμού”
(EL)
The purpose of this work was the development of a particular Predictive Current Controller (PCC) and a speed Predictive Controller (SPC) for fast torque monitoring and high performance operation of a permanent magnet synchronous motor (PMSM) drive. A combination of a Deadbeat and a Model-based Predictive Control (MPC) techniques has been implemented. The proposed controller is compared to typical PI current controllers in Field Oriented Control (FOC) strategy and has an advantage on the improved transient response and possibility of extensive criteria inclusion in the cost function.
As a first step, the general structure of a typical electric drive system is presented, composed by the motor, the power source, the power converter, and the control system. Furthermore, the particular components of the power circuit are described and the
mathematical equations of their operation were developed. Μoreover, the main controllers of the power converters, such as the PI hysteresis-loop control, as well as the most
established speed control strategies of permanent magnet motors, such as the Vector or Field Oriented Control and the Direct Torque Control, are presented. In addition, after
analyzing the evaluation of predictive control in power electronics applications, two predictive control methods for controlling the speed and the current of the motor were designed: The discrete current model predictive controller, in combination with a speed PI
controller, and the speed-current model predictive controller. In each case the inverter is driven by the SPWM technique. The objective function and the limitations imposed on this are analyzed.
The model predictive control algorithms designed, were applied for the control of the dynamic model of the PMSM. Dynamic simulations were performed and the response on step speed commands and Mechanical Torque step change was shown.
The thesis concludes with the displaying of the results and their comparison with the classic FOC-PI control technique, designed for controlling the same motor drive system.
Finally, special emphasis has been placed on the differentiations that might occur during the transfer of the mpc algorithms into a real drive system, due to time delays imported by the Digital Signal Processor (DSP) and position and current sensors operation, and a simple compensation technique is proposed.
(EN)
Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο
