Estimarea fluxului rotoric, vitezei și rezistenței rotorice în sistemele de acționare elctrică inteligente, performante energetic, cu motoare de inducție, pentru automobile electrice

1. INTRODUCERE

Tema propusa are ca obiectiv principal aplicarea actionarilor electrice cu motoare de inductie fara senzori mecanici la automobilele electrice cu sistem de tractiune “direct drive”.

Impedimentul principal in utilizarea pe scara larga a automobilelor electrice este legat de problema stocarii energiei electrice. Acumulatorii cu plumb nu au dat rezultatele scontate si se pare ca aceasta varianta este abandonata. In anii 95-97, cercetarile in domeniul automobilului electric au cunoscut o puternica revenire, in special datorita aparitiei celulelor de combustie cu hidrogen lichid. Se pare ca aceasta va reprezenta solutia stocarii energiei in cazul automobilului electric. La Conferinta Internationala IECON’97, New-Orleans, SUA, (23rd IEEE International Conference on Industrial Electronics, Control and Instrumentation) s-a conturat viitorul acestei variante de stocare a energiei pentru automobilul electric. Exista doua tipuri de motoare aplicabile sistemului de tractiune:

-motorul sincron, mai usor de controlat, dar mai scump si cu un consum mare de cupru;

-motorul asincron, cel mai ieftin motor, cu cel mai mic consum de cupru, dar mult mai dificil de controlat.

Daca se tine cont de cifra de afaceri in acest domeniu, cantitatea de cupru necesara motorului utilizat in actionarea automobilui electric devine un factor hotarator in alegerea acestuia, aspect care recomanda continuarea cercetarilor in domeniul actionarilor electrice cu motoare de inductie.

O alta problema care constituie pe plan international o tema de cercetare principala a ultimului deceniu si care inca nu a fost finalizata pana in prezent, o reprezinta eliminarea senzorilor mecanici in sistemele de actionare cu motoare de inductie. Prezenta senzorilor mecanici la aceste sisteme creste pretul, scade fiabilitatea si mai ales creste complexitatea cablajului de la sistemul tractor la cel de control; din aceste motive firmele contructoare de automobile impun eliminarea senzorilor mecanici la actionarile electrice pentru automobile. Din acest punct de vedere prezentul proiect isi propune sa gaseasca solutii optime pentru aplicarea metodelor de control vectorial al sistemelor de actionare electrica cu motoare de inductie fara senzori mecanici elaborate pana in prezent, la automobilele electrice. Aplicarea acestor strategii de control are ca efect optimizarea actionarii atat din punct de vedere al dinamicii si al stabilitatii in functionare, cat si din cel al optimizarii din punct de vedere energetic, aspect de o importanta deosebita in cazul automobilului electric.

Inlocuirea motorului cu ardere interna cu 2 sau 4 motoare electrice ne idreapta spre varianta automobilului electric cu tractiune directa (“Direct-Drive”), fara sistem diferential. Utilizarea a doua sisteme de actionare identica, care lucreaza in conditii de temperatura si umiditate aproape identice, permite considerarea celor doua actionari ca un sistem unic; acest mod de tratare poate rezolva in mare masura problemele legate de identificarea parametrilor motorului de inductie. Mentionam ca in prezent estimarea simultana a vitezei si parametrilor motorului de inductie nu are o solutie unanim acceptata. Directorul prezentului proiect a propus in acest sens o metoda originala de estimare simultana a vitezei si rezistentei rotorice a motorului de inductie bazata pe algoritmi statistici, publicata in reviste de specialitate din tara si strainatate, precum si la conferinte internationale de prestigiu. Prezentul contract isi propune sa determine metodele de estimare a fluxului rotoric, a vitezei rotorice si a parametrilor motorului de inductie cele mai avantajoase pentru sistemele de actionare cu control vectorial pentru automobilul electric, tinandu-se cont de particularitatile acestui domeniu: stocare limitata de enegie primara, control riguros al vitezelor in scopul eliminarii derapajelor tranversale si longitudinale.

2. MEDIUL DSPACE- IN IMPLEMENTAREA SISTEMELOR DE REGLARE VECTORIALA FARA SENZORI MECANICI

Implementarea sistemelor de reglare vectoriala cu motoare de curent alternativ implica un efort de calcul substantial; in acelasi timp, perioadele de esantionare pentru care se mentine caracterul de control in timp real nu pot depasi 200-300µs. In continuare se prezinta toate fazele de calcul din cadrul unui ciclu de control (a unei perioade de esantionare), precum si operatiile matematice caracteristice fiecarei faze, pentru acest tip de aplicatii:

• achizitia in timp real a curentilor si tensiunilor statorice si eventual a vitezei rotorice;

• transformarea din sistem trifazat in sistem bifazat - calcule matriceale;

• estimarea prin metode robust-adaptive a fazorului spatial al fluxului rotoric (faza implica integrarea numerica a unei ecuatii diferentiale matriceale);

• estimarea vitezei si rezistentei rotorice - calcule statistice pentru anularea efectului de impartire cu zero;

• orientarea dupa camp - evaluare de functii trigonometrice, inmultiri cu matrici;

• executarea algoritmului de control:

- regulatoare PI;

-regulatoare autoacordabille Fuzzy;

- retele neuronale.

• transformarile inverse de sistem - inmultiri cu matrici.

Complexitatea ridicata a procesului de reglare vectoriala a sistemelor de actionare cu motoare de inductie, care se situeaza la granitele mai multor discipline de baza din domeniul ingineriei (masini si actionari electrice, teoria moderna a sistemelor, tehnica programarii in timp real, stiinta calculatoarelor), impune o metodologie vasta care trebuie urmata de la proiectarea si pana la implementarea acestor sisteme. Se va insista in continuare in special asupra aspectelor legate de simularea in timp real si de implementarea pe sisteme de calcul dedicate. Ambele aspecte trebuiesc tratate in contextul evolutiei actuale in domeniul sistemelor de calcul dedicate pentru controlul proceselor rapide (DSP si transputere). Aceste tipuri speciale de procesoare au fost concepute cu scopul de a satisface cerintele impuse de tipurile de calcule descrise in paragraful anterior; calitatile lor esentiale sunt urmatoarele:

• sunt prevazute cu sisteme de achizitie de date inglobate in sistem;

• arhitectura unitatii centrale este adaptata operatiilor cu matrici;

• arhitectura procesorului permite construirea de structuri paralele de tip multiprocesor.

Structura hardware a procesoarelor de semnal este complexa; structura de tip multiprocesor (diferita conceptual de structura clasica von Neumann) a impus dezvoltarea unei noi filozofii in domeniul limbajelor de programare. Limbajele de programare de tip asamblor pentru aceste procesoare au o complexitate remarcabila, care constituie un real handicap chiar pentru specialistii din domeniul ingineriei. Acest neajuns este in prezent rezolvat de aparitia compilatoarelor C in limbaj de asamblare pentru procesoarele de semnal din familia TMS si NEC. Limbajul OCCAM are atat proprietati caracteristice limbajelor de nivel inalt, cat si limbajelor de tip asamblor aplicabile transputerelor.

Simularea in timp real a sistemelor de reglare vectoriala reprezinta o etapa dificila, premergatoare implementarii. Dificultatea acestei faze rezida din complexitatea modelului matematic simulat. Practic, structura contine cel putin trei elemente neliniare, descrise de ecuatii diferentiale cu coeficienti variabili: modelele matematice ale motorului de inductie si modelele observatorului de flux robust-adaptiv si al estimatorului de viteza rotorica. Aceste modele trebuiesc inglobate intr-o singura structura, care se simuleaza numeric, in timp real. Trebuie mentionat faptul ca simularea se executa in domeniul timp, pentru a se apropia cat mai mult de cazul real. Dificultatea implementarii unei structuri globale sub forma unui model unic in domeniul timp indeparteaza designerul de fenomenul fizic, efortul principal fiind indreptat spre elementul "programare". Interpretarea "rezultatelor curioase" este in aceste cazuri foarte dificila. Aceste neajunsuri majore au fost inlaturate de mediile de simulare de tip CAD, dintre care cel mai raspandit pare a fi mediul de simulare SIMULINK pentru MATLAB. Acest mediu permite construirea structurii care se simuleaza sub forma grafica, cu ajutorul blocurilor existente in biblioteca SIMULINK (asemanator strategiilor de tip CAD).