Struktury odpornego sterowania elektrycznego napędu bezpośredniego z wykorzystaniem koncepcji sterowania ślizgowego

Tematyka rozprawy obejmuje rozważania teoretyczne oraz badania symulacyjne i doświadczalne napędów bezpośrednich z silnikami synchronicznymi o wzbudzeniu od magnesów trwałych sterowanych metodą ruchu ślizgowego. W pracy skupiono się na układach regulacji położenia oraz szybkości, przyjmując założenie, że zrealizowana jest wewnętrzna pętla wektorowego sterowania silnika i regulacji składowych wektora prądu. Wykazano, że metoda sterowania ślizgowego dla elektrycznych napędów bezpośrednich zezwala na uzyskanie oporności na zmiany parametrów napędu także dla napędów z sporym momentem tarcia.
Na podstawie rozważań teoretycznych potwierdzonych badaniami symulacyjnymi i laboratoryjnymi sformułowano wniosek,w sytuacji rzeczywistych napędów elektrycznych sterowanych w sposób dyskretny potrzebne jest ograniczenie wzmocnienia w pętli regulacji momentu obrotowego. Wynika stąd konieczność zastąpienia w analizowanej strukturze regulacji nieciągłej funkcji sgn() przez ciągłą aproksymację sat(). Przeanalizowane zostały najróżniejsze realizacje takiej aproksymacji, obejmujące układy o stałej i zmiennej szerokości strefy aproksymacji i układy z członem całkującym we wnętrzu strefy aproksymacji. Badano ponadto układy z zróżnicowanymi filtrami wyjściowymi, a także struktury sterowania ślizgowego z obserwatorami.
istotnie dużo uwagi poświęcono zaimplementowaniu metod wnioskowania rozmytego. Przeprowadzona analiza i badania pozwoliły na sformułowanie wniosków dotyczących zasad używania tej techniki w połączeniu z regulatorami ślizgowymi. W pracy krytycznie oceniono obecny w piśmiennictwie światowym kierunek prac polegających na prostym zastąpieniu ciągłej aproksymacji funkcji sgn() poprzez jedno- lub dwuwymiarowy układ wnioskowania rozmytego. Wykazano brak pokaźnych zalet takiego rozwiązania przy jednoczesnym braku reguł doboru bloku wnioskowania rozmytego i nieprzystępnej ocenie stabilności. Pozytywnie zweryfikowano natomiast zastosowanie mechanizmu wnioskowania rozmytego jako agregacji regulatorów elementarnych.
Zaproponowano strukturę rozmytego, hybrydowego układu regulacji położenia i prędkości, łączącą metodą logiki rozmytej zmieniony regulator położenia i szybkości o strukturze P-P-I, a także regulator ślizgowy z wyjściowym członem całkującym. Zaletami takiej struktury są: wyjątkowo prawidłowe parametry dynamiczne i statyczne układu regulacji, transparentny zbiór reguł doboru parametrów obu regulatorów i prosta implementacja w rzeczywistym układzie sterowania. Wykazano eksperymentalnie, iż tak zaproponowany hybrydowy układ regulacji znamionuje się jeszcze prawidłowymi właściwościami niepodatności na zmiany parametrów.
Na potrzeby napędu bezpośredniego mechanizmów o sporym momencie tarcia suchego zaproponowano modyfikacje układu sterowania polegające na zastosowaniu zmiennej szerokości strefy aproksymacji funkcji sgn() wraz z obserwatorem momentu obciążenia oraz na zastosowaniu sektorowego sterowania ślizgowego. Zweryfikowano także zachowanie się w takich warunkach pracy hybrydowego układu regulacji z wnioskowaniem rozmytym.
Zaproponowano nowe rozwiązanie generatora sygnałów wzorcowych pełniącego rolę interpolatora w systemie sterowania układu napędowego. Istotą proponowanego rozwiązania jest zastąpienie standardowych obliczeń off-line trajektorii wzorcowej poprzez obliczany on-line modelowy układ regulacji prędkości i położenia.
W pracy przedstawiono poręczną kompensację tętnień stworzonego momentu elektromagnetycznego przez wprowadzenie dodatkowej składowej prądu zadanego. Przeprowadzono także identyfikację częstotliwościową obciążenia mechanicznego. Wyznaczone częstotliwości rezonansowe i antyrezonansowe wykorzystano do syntezy filtru cyfrowego w torze sprzężenia zwrotnego. Opracowano model symulacyjny wiernie odwzorowujący zachowania się rzeczywistego napędu. Szczególną rolę zwrócono na identyfikację i modelowanie tarcia, uwzględnienie opóźnień wnoszonych przez układy sterowania i pomiarów i dyskretny charakter układu sterującego. Przeprowadzone badania doświadczalne napędu bezpośredniego z silnikiem synchronicznym o magnesach trwałych pozwoliły na weryfikację rozważań teoretycznych i badań symulacyjnych