Аннотация результатов, полученных в 2016 году
За 2016 год был произведен анализ публикаций о методах самосенсорного управления для асинхронных электроприводов и синхронных машин с постоянными магнитами, который выявил два основных направления реализации самосенсорного управления – методы, основанные на оценке ЭДС машины (не работают на низких скоростях, где ЭДС мала), и методы, обеспечивающие работу на низких и нулевых скоростях. Предлагаемые типы наблюдателей были изучены, выявлены их преимущества и недостатки, выбраны наиболее перспективные для использования применительно к вентильно-индукторному двигателю с независимым возбуждением. По результатам исследования разработана общая структура системы самосенсорного управления для вентильно-индукторного двигателя с независимым возбуждением, представляющая собой систему бездатчикового векторного управления с переключаемой структурой наблюдателя в зависимости от частоты вращения двигателя. Так как применение методов инжектирования тестовых сигналов в обмотки двигателя всегда сопряжено с возникновением паразитных эффектов, таких как, увеличение шума, ухудшение КПД электропривода и т.п., то становится очевидным, что в диапазоне высоких скоростей, где ЭДС двигателя значительна, целесообразно использовать наблюдатель на основе оценки ЭДС двигателя, так как эти методы не привносят дополнительных паразитных эффектов. Поэтому в работе обосновывается использование наблюдателя на основе скользящего режима для диапазона высоких скоростей. Для диапазона низких скоростей методы, основанные на оценке противо-ЭДС, неработоспособны, поэтому для диапазона низких скоростей было решено использовать методы инжектирования тестового напряжения в фазные обмотки двигателя. Применение методов инжектирования для исследуемого типа двигателя возможно, так как магнитная анизотропия ротора во всех режимах работы не снижается ниже 20%. Кроме того, для исследуемого типа двигателя при использовании методов инжектирования имеется возможность получать отклик в токе обмотки возбуждения, что является дополнительным источником информации для наблюдателя. Для исследования вопросов самосенсорного управления в среде MATLAB Simulink была разработана модель вентильно-индукторного двигателя с независимым возбуждением на базе параметров реальных двигателей мощностью 37 и 60 кВт, применяемых в многоколесных гибридных транспортных средствах. Для возможности исследования методов инжектирования тестовых сигналов и выделения углового положения ротора в модель была заложена магнитная анизотропия (явнополюсность ротора). Исследуемый вентильно-индукторный двигатель имеет независимо управляемую обмотку возбуждения, которая также имеет индуктивную связь со статорными обмотками. Поэтому идентификация углового положения вала ротора при инжектировании напряжения в статорные обмотки может осуществляться не только по отклику в токах фаз, но и по отклику в контуре возбуждения, что является дополнительным источником информации. Взаимосвязь обмотки возбуждения со статорными обмотками также учтена в модели. Кроме того, для лучшего соответствия модели реальному двигателю в модели было учтено наличие паразитного короткозамкнутого витка в контуре обмотки возбуждения (в реальном двигателе поток обмотки возбуждения замыкается через станину статора, а также не шихтованную сердцевину ротора, что приводит к возникновению вихревых токов при изменении потока возбуждения машины). Для учета эффектов, связанных с работой полупроводниковых элементов инвертора, таких как влияние мертвого времени, искажение формы тока вследствие широтно-импульсной модуляции и т.п., в среде MATLAB Simulink также были реализованы модели различных топологий инверторов – двухуровневого, трехуровневого, трехуровневого инвертора с плавающими конденсаторами, многоуровневого инвертора на базе низковольтных ячеек, питаемых от многообмоточного трансформатора, и многоуровневого инвертора на базе каскада низковольтных ячеек. Для исследования вопросов самосенсорного управления необходимо учитывать работу полупроводниковых приборов, но не требуется учитывать переходной процесс переключения полупроводниковых элементов и падение напряжения на них в проводящем состоянии. Поэтому полупроводниковые элементы считаются идеальными. Такая оптимизация моделей инверторов позволяет существенно сократить необходимые для расчета модели инвертора вычислительные ресурсы и уменьшить время расчета при моделировании. Модели инверторов и электродвигателя были реализованы в среде математического моделирования MATLAB Simulink в виде отдельных блоков, реализованных на языке программирования "С". Причин реализации основных элементов непосредственно на языке программирования несколько. Во-первых, язык программирования гораздо более гибок и обладает потенциально большими возможностями, чем стандартные средства Simulink. Это упрощает реализацию алгоритмов и сокращает время разработки. Во-вторых, алгоритмы системы управления, реализованные и отлаженные на языке программирования "С", в последующем могут напрямую переноситься в программное обеспечение реального контроллера. Иными словами, определенная часть алгоритмов программного обеспечения (ПО) реальной системы управления может быть отлажена еще на этапе моделирования. Все разработанные модели прошли тестирование на адекватность методом баланса мощностей. Данный вид теста позволяет интегрально оценить правильность реализации модели. Суть данного метода заключается в сравнении мощности поступившей на вход модели, с мощностью, оказавшейся на выходе модели. Так, например, применительно к модели двигателя считается электрическая мощность на входе двигателя из мгновенных значений фазных токов и фазных напряжений. Мощность на выходе модели соответствует механической мощности на валу двигателя (произведение момента на валу двигателя на угловую частоту вращения). Далее производится сравнение – механическая мощность на выходе должна быть меньше электрической мощности на входе на величину электрических потерь (потери на перемагничивание и механические потери в модель не закладываются) в обмотках двигателя (вычисляется из мгновенных фазных токов и сопротивлений фаз). В случае, если баланс мощностей сходится (с учетом погрешностей математических вычислений, операций интегрирования и т.п.), модель признается адекватной. В случае значительного расхождения в балансе мощностей, делается вывод о неадекватности модели и производится поиск ошибок. Аналогичным образом выполняется тест модели инвертора. Например, для двухуровневого инвертора входная мощность соответствует мощности потребленной от звена постоянного тока (ЗПТ) – вычисляется как произведение мгновенных значений тока ЗПТ на напряжение ЗПТ. Выходная мощность рассчитывается из мгновенных значений тока фазы и напряжения фазы инвертора. Так как полупроводниковые элементы в моделях инверторов идеальные, потери в инверторе отсутствуют, и выходная мощность должна соответствовать входной. Для экспериментальной проверки адекватности разработанных моделей был подготовлен испытательный стенд, состоящий из спарки двух вентильно-индукторных двигателей с независимым возбуждением (60 кВт), двух преобразователей частоты, источника питания с возможностью плавной регулировки напряжения звена постоянного тока, измерительного оборудования – датчиков тока, напряжения, температуры, а также персонального компьютера с программным обеспечением, позволяющим производить настройку и управление преобразователями частоты по сети CAN. На данном оборудовании была произведена экспериментальная проверка адекватности разработанных моделей, а также дополнительная настройка параметров модели двигателя для лучшего соответствия реальному двигателю. Для верификации модели двигателя сравнивались результаты моделирования с осциллограммами реального двигателя для различных тестов: реакции тока фазы двигателя на скачок напряжения; реакции тока обмотки возбуждения на скачок напряжения; опыт короткого замыкания; опыт холостого хода; реакции напряжения/тока обмотки возбуждения при модуляции токов фаз двигателя. Для верификации модели инвертора сравнивались осциллограммы влияния мертвого времени ключей инвертора на форму тока фаз двигателя. По результатам работы за 2016 год было опубликовано 5 статей, индексируемых в базе Scopus. Соответствующие доклады были представлены на конференциях IECON 2016 (24-27 октября 2016 г., Флоренция, Италия), RTUCON 2016 (13-14 октября 2016 г., Рига, Латвия), MECHATRONIKA 2016 (7-9 декабря 2016 г., Прага, Чехия).

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
За 2017й год проведены следующие виды работ и исследований: 1. Разработаны интерполяционные зависимости параметров электроприводов на базе вентильно-индукторных двигателей с независимым возбуждением для различных возможных применений при условии работы привода в режиме самосенсорного управления. Эта информация полезна для разработчиков электрических машин, которые могут заложить в проектируемые характеристики данные требования, в результате чего машина окажется оптимальной для самосенсорного управления. Можно выделить три главных требования для конструкторов машин, которые необходимо соблюдать для обеспечения работы машины в режиме самосенсорного управления: 1) Наличие разницы между индуктивностями поперечной и продольной оси более, чем 30% (хотя бы при одном сочетании токов для каждого уровня задания момента). 2) Отсутствие режимов работы электрической машины при сильном насыщении магнитопровода (в особенности зубцового насыщения), которое приводит к появлению нелинейностей и ухудшает точность самосенсорных алгоритмов. 3) Снижение влияния контура вихревого тока при изменении потока возбуждения машины. Это позволит в большей мере использовать механизм получения отклика от тока обмотки возбуждения на инжекцию напряжения высокой частоты со стороны статора, который показал себя наиболее перспективным методом самосенсорного управления. 2. Разработано два математических алгоритма самосенсорного управления для вентильно-индукторного двигателя с независимым возбуждением, использующих метод выделения отклика на инжекцию в статор напряжения высокой частоты. Один метод является более классическим и использует выделение отклика из статорных токов, второй является уникальным для ВИД НВ и использует выделение отклика со стороны контура обмотки возбуждения. Методы были формализованы для реализации на современных микроконтроллерах управления электроприводами, реализованы и проверены на экспериментальной установке, доказав свою работоспособность. В своей основе оба метода используют: 1) Выделение необходимой гармоники инжектируемого сигнала из токов двигателя за счет упрощенного алгоритма быстрого преобразования Фурье. 2) Вычисление углового положения ротора на основе информации об амплитуде сигнала отклика (метод выделения отклика из статорных токов) или фазовом сдвиге сигнала отклика (метод выделения отклика из тока обмотки возбуждения) 3) Фильтрацию оценки углового положения за счет фильтров скользящего среднего и фильтра на основе ФАПЧ. Оба алгоритма были представлены на конференциях RTUCON 2017 (http://ieeexplore.ieee.org/document/8125631/) и IECON 2017. Также на IECON 2017 представлена статья про реализацию системы управления тягового электропривода с ВИД НВ. 3. На лабораторной установке проверена энергетическая эффективность разработанных методов самосенсорного управления. Выявлено две основных причины снижения КПД привода вследствие работы алгоритма самосенсорного управления: 1) Увеличение потерь в приводе за счет появления дополнительных токов, являющихся реакцией на инжекцию высокочастотного напряжения. Тем не менее, по данным экспериментального исследования эти потери являются относительно небольшими и не ухудшают КПД привода сильнее, чем на 0.2%. 2) Увеличение потерь в приводе за счет неверного определения углового положения ротора. В некоторых режимах (при сильном насыщении магнитопровода двигателя) ошибка определения положения ротора в алгоритмах самосенсорного управления может доходить до 30 электрических градусов, что требует увеличения токов основной гармоники на 12% для поддержания той же частоты вращения и нагрузки. Так как при работе на низких частотах вращения основными потерями являются оммические потери обмотки статора, можно ожидать, что потери в некоторых режимах самосенсорного управления возрастут на четверть. Однако такие режимы не являются основными для работы привода и в большинстве режимов при самосенсорном управлении работа привода близка к оптимальной. Также на лабораторной установке были проверены повышающие энергетическую эффективность новые алгоритмы ШИМ, позволяющие либо снизить потери в инверторе силового преобразователя, либо поднять частоту коммутации ШИМ, что повышает качество работы алгоритмов самосенсорного управления. Алгоритм ШИМ со сниженным уровнем потерь представлен на конференции IEMDC 2017 (http://ieeexplore.ieee.org/document/8002325/). Также экспериментально была проверена потенциальная возможность использования естественных пульсаций тока статора за счет работы ШИМ вместо специального инжектируемого сигнала. В эксперименте показано, что пульсация тока в статоре наводит отчетливый отклик на контур возбуждения, который может быть использован для определения положения ротора. В случае реализации алгоритма, использующего этот эффект, возможно исключить инжекцию дополнительного сигнала, тем самым повысив КПД привода при работе самосенсорного управления и, главное, исключить требования к высокой частоте ШИМ (заменив её на требование, наоборот, низкой частоты ШИМ). Реализация такого алгоритма требует как дополнительных исследований, так и большей вычислительной производительности используемых микроконтроллеров. Однако, есть все предпосылки полагать, что такой алгоритм на современной элементной базе может быть реализован. В рамках работ по наладке измерительного комплекса лабораторной установки был реализован новый метод измерения скорости с использованием инкрементального датчика положения для калибровки алгоритмов самосенсорного управления. Результаты представлены на конференции Ee2017 (http://ieeexplore.ieee.org/document/8171692/). Для метода бездатчикового управления на основе выделения противо-ЭДС, функционирующего на высоких скоростях, реализован алгоритм фильтрации сигналов, исключающий накопление ошибки прямого интегрирования. Результат представлен на конференции EPE'17 (http://ieeexplore.ieee.org/document/8099234/). По результатам работы за 2017й год было опубликовано 8 статей в изданиях, индексируемых в базе Scopus. Соответствующие доклады были представлены на конференциях: IEEE International Electric Machines and Drives Conference IEMDC 2017 (Маями, США, 21-24 мая 2017), 19th European Conference on Power Electronics and Applications EPE’17 ECCE Europe Warsaw (Варшава, Польша, 11-14 сентября 2017), 19th International Symposium POWER ELECTRONICS Ee2017 (Нови Сад, Сербия, 19-21 октября, 2017), IEEE 58th International Scientific Conference on Power and Electrical Engineering of Riga Technical University RTUCON 2017 (Латвия, Рига, 12-13 октября 2017), IEEE Industrial Electronics Conference IECON 2017 (Пекин, Китай, 29 октября - 1 ноября, 2017)

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
За 2018 год выполнены следующие виды работ и исследований: 1. Разработаны алгоритмы самосенсорной идентификации углового положения вала ротора на основе отклика от стандартных методов модуляции напряжения и от модифицированных методов модуляции напряжения. • Алгоритм самосенсорной идентификации от стандартных методов ШИМ основан на анализе индуктивностей фаз двигателя и подходит для электрических машин обладающих анизоторопией ротора в магнитном отношении (выраженной явнополюсностью). Для решения проблемы удвоения электрического угла и определения положительного направления продольной оси двигателя используется сравнение знака отклика в фазах двигателя со знаком отклика в обмотке возбуждения. • Алгоритм самосенсорной идентификации от модифицированных методов ШИМ основан на выделении отклика в обмотке возбуждения двигателя как реакции на инжектирование в статорные обмотки вращающегося вектора напряжения. Данный метод подходит для машин имеющих независимо управляемую обмотку возбуждения, таких как вентильно-индукторный двигатель с независимым возбуждением, синхронный двигатель с независимым возбуждением. При этом для работы самосенсорной идентификации анизотропия ротора в магнитном отношении не требуется, то есть машина может быть как с явнополюсным ротором, так и с неявнополюсным ротором. 2. Определены ограничения, влияющие на возможность применения методов самосенсорной идентификации углового положения вала ротора от стандартных методов ШИМ в области низких и нулевых скоростей. Для тягового электропривода на базе вентильно-индукторного двигателя с независимым возбуждением обоснована целесообразность применения в области низких, в том числе нулевых, скоростей алгоритмов самосенсорной идентификации на основе отклика в токе возбуждения и инжекции от ШИМ с фазовым сдвигом опорных сигналов. 3. Разработаны и апробированы два алгоритма фильтрации оценки углового положения вала ротора. Первый алгоритм основан на реализации расширенного фильтра Калмана для синусно-косинусных сигналов. Второй алгоритм основан на реализации алгоритма фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ, или PLL в англоязычной литературе). Главной важной особенностью разработанных фильтров является отсутствие фазовой задержки в отфильтрованном сигнале относительно исходного зашумленного сигнала. Оба фильтра показали идентичную качественную фильтрацию оценки углового положения вала ротора. 4. Сформулированы рекомендации по проектированию вентильно-индукторных двигателей с независимым возбуждением с целью улучшить их приспособленность для самосенсорного управления. Основными рекомендациями являются: • обеспечение магнитной анизотропии ротора на уровне не ниже 30%. Выполнение данной рекомендации важно лишь при использовании алгоритма самосенсорной идентификации основанной на анализе индуктивностей фаз двигателя. • минимизация эффектов относительного снижения магнитной анизотропии ротора из-за эффектов насыщения стали – данный эффект может приводить к ухудшению точности восстановления углового положения вала ротора при работе двигателя с большими моментами. Выполнение данной рекомендации важно лишь при использовании алгоритма самосенсорной идентификации основанной на анализе индуктивностей фаз двигателя. • оптимизации конструкции статора и ротора для снижения вихревых токов в контуре возбуждения. Это необходимо для беспрепятственного прохождения инжектируемого тестового сигнала со стороны статора в контур возбуждения. Выполнение данной рекомендации важно для всех типов наблюдателей. 5. Разработанные алгоритмы самосенсорной идентификации углового положения вала ротора и алгоритмы фильтрации формализованы и представлены в виде программного кода на языке С и могут использоваться для систем управления как в микроконтроллерах, так и в математических пакетах моделирования. Полученное алгоритмическое обеспечение может быть использовано как для разработки и создания систем управления тяговых, специальных и общепромышленных электроприводов отечественного производства, так и для обучения студентов электротехнических специальностей. 6. По результатам выполненных работ за 2018 год опубликовано 7 статей, индексируемых в базе Scopus и WoS. Соответствующие доклады были представлены на конференциях: 25th International Workshop on Electric Drives: Optimization in Control of Electric Drives (IWED), Moscow, Russia 17th International Ural Conference on Alternating Current Electric Drives, ACED 2018, Ekaterinburg, Russia 9th International Conference on Power Electronics, Machines and Drives (PEMD), Liverpool, UK 2018 INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion Amalfi, Italy 44th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society The IECON 2018, Washington DC, USA International Conference on Electrical Systems for Aircraft, Railway, Ship Propulsion and Road Vehicles (ESARS) and International Transportation Electrification Conference (ITEC), Nottingham, UK 2018 IEEE 59th International Scientific Conference on Power and Electrical Engineering of Riga Technical University (RTUCON), Riga, Latvia