Zespół badawczy:

• prof. dr hab. inż. Teresa Orłowska-Kowalska (kierownik projektu),
• dr inż. Maciej Skowron,
• dr inż. Michał Adamczyk, mgr inż. Krystian Teler,
• mgr inż. Magdalena Miniach,
• inż. Maciej Skuriat

Tematyka projektu jest związana ze znacznym wzrostem zainteresowania zastosowaniami elektrycznych układów napędowych nie tylko jak dotychczas w automatyce przemysłowej i robotyce, ale również w szeroko rozumianym transporcie osób i rzeczy (wózki transportowe, drony, samoloty, statki, samochody osobowe i ciężarowe). Spowodowane jest to wymaganiami związanymi z ekologią i powszechnym żądaniem obniżenia zużycia paliw płynnych oraz emisji szkodliwych gazów do atmosfery, jak również hałasu i kosztów obsługi. Dlatego pojawiły się nowe wymagania w stosunku do elektrycznych układów napędowych, takie jak: mały ciężar i kompaktowość konstrukcji, niski koszt, wysoka sprawność, bezobsługowość i niezawodność.

Współczesne konstrukcje i rozwiązania technologiczne silników indukcyjnych (SI), a w szczególności silników synchronicznych z magnesami trwałymi (PMSM), spełniają te wymagania, a dzięki zastosowaniom układów energoelektronicznych i nowoczesnych metod sterowania tworzą elektryczne układy napędowe doskonale nadające się do wyżej wymienionych zastosowań. Jednak jak wszystkie układy techniczne, również napędy elektryczne mogą ulegać uszkodzeniom. Jednym ze słabszych ogniw w takich układach są czujniki prądu. Bez informacji o prądzie nie mogą działać układy automatycznej regulacji momentu elektromagnetycznego i prędkości kątowej silników prądu przemiennego. Ponadto nie może być realizowane odtwarzanie niedostępnych pomiarowo zmiennych stanu, które jest niezbędne do realizacji tzw. wektorowych algorytmów sterowania, wykorzystywanych do precyzyjnego sterowania momentem silnika indukcyjnego lub synchronicznego z magnesami trwałymi.

W związku z tym, w ostatnich latach poszukuje się nie tylko skutecznych metod detekcji uszkodzeń czujników prądu stojana, ale przede wszystkim metod kompensacji ich uszkodzeń tak, aby układ napędowy mógł zachować swoją pełną funkcjonalność pomimo zaistniałego uszkodzenia i umożliwić bezpieczne zatrzymanie napędzanego urządzenia (np. dojazd autobusu do przystanku, samochodu do parkingu etc.) lub sterowanego procesu przemysłowego (np. linii produkcyjnej).

Celem projektu jest więc opracowanie i przetestowanie w badaniach symulacyjnych i eksperymentalnych układów napędowych z silnikami prądu przemiennego (indukcyjnymi i synchronicznymi wzbudzanymi magnesami trwałymi), sterowanych metodami wektorowymi, odpornych na uszkodzenia czujników prądu stojana. Realizacja tego celu będzie możliwa dzięki opracowaniu nowych metod wykrywania i kompensacji uszkodzeń czujników prądu w uzwojeniach stojana badanych silników, wykorzystujących zmodyfikowane estymatory zmiennych stanu i parametrów silnika, w tym sieci neuronowe.

Opracowane metody kompensacji uszkodzeń czujników prądu stojana umożliwią nieprzerwaną pracę struktur sterowania wektorowego napędów IM lub PMSM w trybie „bezczujnikowym prądu” do momentu, aż ze względu na wymogi bezpieczeństwa kontrolowanego procesu możliwe będzie płynne zatrzymanie układu napędowego. Rozważane będą różne awarie czujników prądu, w tym całkowita utrata sygnału, która w przypadku zaledwie dwóch czujników prądu stosowanych do napędów silników trójfazowych (co jest obecnie powszechną praktyką w rozwiązaniach przemysłowych) stanowi najpoważniejszy problem, ponieważ uniemożliwia działanie metod sterowania wektorowego momentem obrotowym silnika prądu przemiennego i prędkością/położeniem wirnika.

Do niedawna stosowane podejście polegało na przełączeniu struktury sterowania na tzw. sterowanie skalarne, co nie zapewnia pełnej funkcjonalności układu napędowego. Innowacyjne rozwiązania proponowane w tym projekcie będą wykorzystywać obserwatory zmiennych stanu, filtry Kalmana i sieci neuronowe (w tym sieci głębokie), wyposażone w algorytmy dostosowujące wybrane parametry w celu zapewnienia dobrej jakości rekonstrukcji prądu stojana w przypadku awarii jednego lub nawet obu czujników prądu stojana.

Rozważane będą również narastające uszkodzenia czujników, jak np. zmiana wzmocnienia lub zmieniająca się wartość składowej stałej sygnału (off-set). Planowane prace badawcze wpisują się w aktualne światowe trendy badawczo-rozwojowe związane z zagadnieniami diagnostyki i sterowania tolerancyjnego w układach automatyki napędowej i dobrze wpisują się w szybko rozwijającą się dziedzinę metod sterowania tolerancyjnego złożonych układów mechatronicznych.