Zastosowanie filtrów cyfrowych w układach sterowania napędów

Dominik Łuczak
Politechnika Poznańska
Stypendysta projektu pt. „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych
za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu
Operacyjnego Kapitał Ludzki
Zastosowanie filtrów cyfrowych w układach sterowania napędów
elektrycznych o złożonej strukturze mechanicznej
W napędach wielu mechanizmów, takich jak napędy ramion robota, mechanizmy
posuwu obrabiarek czy napędy dźwigów budowlanych występują połączenie elastyczne
pomiędzy silnikiem elektrycznym a napędzanym urządzeniem. Interesującym rozwiązaniem
są napędy bezpośrednie, pozwalające na zwiększoną precyzję pozycjonowania. Jednak ze
względu na brak przekładni są one wrażliwe na odziaływanie napędzanego mechanizmu. W
takim przypadku należy w układzie regulacji uwzględnić niesztywne połączenie pomiędzy
silnikiem elektrycznym a układem mechanicznym. Jeśli obciążenie mechaniczne jest
stacjonarne
należy
odpowiednio
wyznaczyć
wartości
częstotliwości
rezonansu
mechanicznego układu mechanicznego. Wyznaczone parametry pozwolą na dostrojenie filtru
w torze sprzężenia zwrotnego, którego celem jest usunięcie składowych rezonansu
mechanicznego. Unika się dzięki temu wzmocnienia częstotliwości rezonansowych przez
układ regulacji. Praca poświęcona jest analizie metod czasowo-częstotliwościowych
pozwalających na wydobycie informacji o rezonansie mechanicznym oraz odpowiedniemu
samostrojeniu filtru cyfrowego. Właściwy dobór struktury regulacji i filtrów cyfrowych pozwoli
zminimalizować wpływ ograniczonej sztywności układu mechanicznego, przy zachowaniu
bardzo dobrych właściwości dynamicznych i statycznych napędu. Wcześniejsze badania
przeprowadzone przez autora z analizy sygnałów cyfrowych w dziedzinie czasu oraz
częstotliwości upatrują zastosowanie nowych metod przetwarzania sygnałów w napędzie
elektrycznym w celu ekstrakcji cech skorelowanych z drganiami w układach napędowych o
złożonej strukturze mechanicznej.
Celem naukowym rozprawy doktorskiej jest opracowanie koncepcji i algorytmów
sterowania
oraz
przeprowadzenie
wszechstronnych
badań
prototypowego
modelu
laboratoryjnego napędu bezpośredniego z silnikiem synchronicznym o magnesach trwałych
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
o bardzo dobrych właściwościach dynamicznych i statycznych. W ramach przeprowadzonych
badań rozwiązane zostało następujące główne zadanie badawcze, związane z uzyskaniem
dużej precyzji i dynamiki sterowania: opracowanie odpornego układu sterowania dla napędu
o złożonej strukturze mechanicznej na zmiany parametrów. Opracowane zostały algorytmy
doboru filtrów cyfrowych wykorzystujące najnowsze osiągnięcia w zakresie sterowania.
W pracy przyjęto następującą tezę: Układ sterowania z przestrajanym filtrem cyfrowym
dla napędu elektrycznego o złożonej strukturze mechanicznej jest odporny na zmiany
parametrów.
Dla wykazania postawionej tezy przyjęto następujące tezy cząstkowe:
Istnieje
1.
możliwość
identyfikacji
rezonansów
mechanicznych
przez
mikroprocesorowy układ sterowania.
Zastosowanie filtrów cyfrowych w układzie sterowania napędu elektrycznego o
2.
złożonej strukturze mechanicznej i stałych parametrach pozwala zminimalizować wpływ
ograniczonej sztywności połączeń mechanicznych.
Istnieje możliwość przestrajania filtru cyfrowego dla zmieniających się
3.
parametrów napędu elektrycznego o złożonej strukturze mechanicznej.
W
pracy
wykorzystano
oraz
porównano
metody
identyfikacji
rezonansu
mechanicznego w układach napędowych. Zostały opracowane nowe algorytmy cyfrowego
przetwarzania sygnałów pozwalających opisać, wykryć oraz śledzić zmiany częstotliwości
rezonansu mechanicznego w napędzie ze złożoną strukturą mechaniczną. Identyfikacja
zmian częstotliwości rezonansu mechanicznego pozwoliła na przestrajanie filtrów cyfrowych.
Podstawą warsztatu naukowego jest analiza i synteza teoretyczna złożonych
algorytmów
sterowania,
cyfrowe
przetwarzanie
sygnałów,
kompleksowe
badania
symulacyjne oraz weryfikacja laboratoryjna. W trakcie prac wykorzystano różnorodne metody
badawcze. W pierwszym etapie prac badania skoncentrowane były na analizie symulacyjnej.
Wykorzystano modele sygnałowe, opisujące zależności funkcjonalne, oraz modele
obwodowe, umożliwiające pogłębioną analizę zjawisk fizycznych. Badania symulacyjne
mające na celu analizę różnych stanów pracy napędów oraz testowanie różnych metod
wykrywania i identyfikacji częstotliwości rezonansowych zrealizowano metodą sygnałową
oraz obwodową, z wykorzystaniem odpowiednio rozbudowanych modeli zrealizowanych w
przyborniku obwodowym PowerSim pakietu Matlab – Simulink. Cyfrowej analizy sygnałów
dokonano w środowisku Matlab z wykorzystaniem pakietu Wavelet. Wykorzystany został
model
struktury
mechanicznej
wielo-masowej
opracowanej
podczas
prowadzenia
wcześniejszych badań. Powstał zbioru cech skorelowanych z drganiami w napędzie
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
elektrycznym. Zbiór cech został wyznaczony dla różnych przekształceń sygnału cyfrowego.
Sprawdzono algorytmy przyporządkowane kolejnym etapom identyfikacji rezonansu
mechanicznego: przetwarzanie wstępne polegające na filtracji sygnału, ekstrakcja cech
wykorzystując wybrany algorytm (m.in. dyskretna transformata Fouriera, widmo gęstości
mocy, dyskretna transformata falkowa), selekcja cech a następnie klasyfikacja. Ostatnim
krokiem badań była szeroka weryfikacja eksperymentalna analizowanych algorytmów
identyfikacji rezonansu mechanicznego oraz strojenia filtrów cyfrowych. Wyposażenie
stanowiska laboratoryjnego, na którym możliwe jest wykonywanie wspomnianych badań jest
następujące: zestaw napędu bezpośredniego składający się z maszyny synchronicznej z
magnesami trwałymi oraz ruchomej części mechanicznej. Zestaw wyposażony jest w czujnik
prędkości obrotowej. Elementami energoelektronicznymi przekształtnika są: zintegrowany 3fazowy prostownik oraz 3-fazowy inteligentny moduł mocy z elementami IGBT będącymi
częścią składową modułu falownika. Pracą przekształtnika steruje procesor sygnałowy. W
posiadaniu jednostki badawczej, w której przeprowadzane będą badania (Wydział
Elektryczny, Instytut Automatyki i Inżynierii Informatycznej Politechniki Poznańskiej), jest
stanowisko laboratoryjne opisane powyżej, do którego autor ma dostęp. Na stanowisku tym
przeprowadzone zostały badania wstępne.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego