Εφαρμογή προβλεπτικών τεχνικών ελέγχου στα συστήματα οδήγησης κινητήρων μονίμων μαγνητών ηλεκτρικών οχημάτων

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία επιχειρεί αφενός τη μελέτη των τεχνικών του προβλεπτικού ελέγχου και των δυνατοτήτων εφαρμογής τους στα συστήματα οδήγησης ηλεκτρικών οχημάτων και αφετέρου την σύγκρισή τους με ορισμένα πιο απλά σχήματα ελέγχου που εξετάστηκαν σε προηγούμενες σχετικές εργασίες. Το σύστημα κίνησης που μελετάται, σχεδιάστηκε για τις ανάγκες μικρού ηλεκτρικού λεωφορείου μεταφοράς προσωπικού (mini-van). Ο κινητήρας που επιλέχθηκε για την πρόωσή του είναι ένας σύγχρονος κινητήρας μονίμων μαγνητών, ενώ ο μετατροπέας που τον οδηγεί, είναι ένας τριφασικός αντιστροφέας πηγής τάσης δύο επιπέδων. Ως ένα πρώτο βήμα, παρουσιάζεται η γενική δομή των συστημάτων ηλεκτρικής κίνησης και καθορίζονται οι στόχοι που πρέπει να πληροί το σύστημα του ελέγχου. Στη συνέχεια, αφού αιτιολoγηθεί η επιλογή του τύπου του κινητήρα, περιγράφονται οι επιμέρους συνιστώσες του κυκλώματος ισχύος και αναπτύσσονται οι μαθηματικές εξισώσεις της λειτουργίας τους. Επιπλέον, παρουσιάζονται οι κυριότεροι ελεγκτές των μετατροπέων ισχύος, όπως οι PI και οι ελεγκτές υστέρησης , καθώς και οι πιο καθιερωμένες στρατηγικές ελέγχου της ταχύτητας κινητήρων μονίμων μαγνητών, όπως ο έλεγχος προσανατολισμένος στο πεδίο του στάτη (field oriented control – FOC) και ο απ’ ευθείας έλεγχος της ροπής (direct torque control – DTC). Ακολούθως, αφού αναλυθούν οι βασικές ιδέες από τις οποίες η εφαρμογή του προβλεπτικού ελέγχου στα ηλεκτρονικά ισχύος απορρέει, σχεδιάζονται τρεις αλγόριθμοι για τον έλεγχο της ταχύτητας του κινητήρα: ο διακριτός προβλεπτικός έλεγχος ρεύματος (Discrete control Set Model Predictive Current Control, DS-MPCC), ο απ’ ευθείας διακριτός προβλεπτικός έλεγχος της ταχύτητας (Discrete control Set Model Predictive Speed Control, DS-MPSC) και ο deadbeat έλεγχος του ρεύματος με την χρήση της τεχνικής διαμόρφωσης SVM (deadbeat current control with SVM). Οι τρεις αλγόριθμοι προβλεπτικού ελέγχου που σχεδιάσθηκαν, εφαρμόστηκαν για τον έλεγχο του δυναμικού μοντέλου του κινητήριου συστήματος σε διάφορες δοκιμές που προσομοιώνουν τις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας του οχήματος. Η εργασία ολοκληρώνεται με την παράθεση των αποτελεσμάτων και την σύγκρισή τους με αυτά διαφόρων άλλων τεχνικών που έχουν σχεδιαστεί για τον έλεγχο του ίδιου συστήματος. Τέλος, αξίζει να σημειωθεί ότι αν και δεν πραγματοποιείται η πειραματική επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων, έχει δοθεί ιδιαίτερη έμφαση στις διαφοροποιήσεις που ενδέχεται να προκύψουν κατά τη μεταφορά των αλγορίθμων σε ένα πραγματικό σύστημα.

The present thesis attempts on one hand to study predictive techniques as well as the possibility of their being applied on electric vehicle drive systems and on the other hand, their comparison with certain simpler control schemes examined in previous relevant studies. The motion system currently studied has being designed for the need of a small sized electric bus. The motor is selected for its propulsion permanent magnet synchronous motor, whereas the converter used in order to drive is a two-level voltage source inverter. As a first step, the general structure of the electric motion systems is presented, and the goals, the control system has to meet, are set. Further on, after the selection of the motor type is justified, the particular components of the power circuit are described and the mathematical equations of their operation are developed. Moreover, the main controllers of the power converters, such as the PI hysteresis control, as well as the most established speed control strategies of permanent magnet motors, such as the field oriented control and direct torque control, are presented. Furthermore, after the main ideas from which the application of power electronics’ predictive control is derived, three algorithms for controlling the speed of the motor are designed: the discrete control set model predictive current control DS-MPCC, the discrete control set model predictive speed control DS-MPSC and the deadbeat current control with space vector modulation SVM. The three predictive control algorithms designed, where applied for the control of the dynamic model of the motion system in various test, simulating the real conditions of operation of the vehicle. The thesis concludes with the displaying of the results and their comparison with those of various other techniques, designed for controlling the same system. Finally, it is worth noting, that although the experimental confirmation of the results is not carried out, special emphasis has been placed on the differentiations that might occur during the transfer of the algorithms into a real system.