L2-60152 Napredne metode za identifikacijo parametrov in vektorsko vodenje sinhronskih strojev s trajnimi magneti

V okviru aplikativnega projekta je obravnavana uporaba in izvedba naprednih metod identifikacije parametrov in vodenja sinhronskih strojev s trajnimi magneti (angl. Permanent Magnet Synchronous Machine - PMSM) za potrebe razvoja, proizvodnih procesov in končnih izdelkov.

Projekt bo potekal v tesnem sodelovanju s podjetjem MAHLE Electric Drives Slovenija d.o.o. (MAHLE), vodilnim mednarodnim pred-razvojnim in razvojnim dobaviteljem avtomobilske industrije, ki proaktivno naslavlja izzive trajnostne e-mobilnosti z razvojem inovativnih, energetsko, snovno in stroškovno učinkovitih električnih strojev in pogonskih sklopov.

Podjetje razvija, proizvaja in trži zaganjalnike, alternatorje, različne pomožne in vlečne elektromotorje ter druge mehatronske sisteme. Večina pogonov MAHLE (tako za pomožne sisteme kot tudi vleko) temelji na PMSM zaradi njihovih izjemnih lastnosti, kot so visoka gostota moči, dobra dinamična zmogljivost, visok izkoristek in širok razpon delovanja hitrosti oz. navora znotraj pogonov s spremenljivo hitrostjo (angl. Variable Speed Drives - VSD).

PMSM podjetja MAHLE bi lahko izkoristili številne prednosti naprednega vektorskega vodenja v orientaciji polja (angl. Field-Oriented Control - FOC) v VSD, pri čemer implementacija naprednih metod FOC ni bistvena samo za končni izdelek, ampak tudi za razvoj, testiranje in proizvodnjo izdelka. Trije glavni izzivi, povezani z industrijsko implementacijo FOC, so identifikacija parametrov PMSM, brezsenzorsko vodenje in računska kompleksnost FOC. Opisane ključne izzive bomo naslovili v okviru projekta.

Pogoni PMSM podjetja MAHLE vključujejo zelo raznoliko in nelinearno skupino PMSM, ki obratujejo v spremenljivih in zahtevnih pogojih. Izzive pri implementaciji napredne identifikacije parametrov in naprednega FOC je mogoče premostiti z uporabo ustreznih strojnih in programskih rešitev ter z uporabo naprednih metod, algoritmov in tehnik. Te so obsežno raziskane in obravnavane v znanstveni skupnosti.

Za premagovanje vrzeli v ravni tehnološke razvitosti (angl. Technology-Readiness Level - TRL) in aplikacijo inovativnih konceptov z nizko TRL v industrijski uporabi, je uporabljen iterativen sistematičen pristop načrtovanja v okviru dolgoročnega tesnega sodelovanja med UM FERI in podjetjem MAHLE. Predlagani potek dela temelji na pristopu modelno osnovanega načrtovanja (angl. Model-Based Design - MBD). Ta vključuje sistematičen razvoj in validacijo z izkoriščanjem blokovnega programiranja v Simulinku in avtomatskega generiranja kode (angl. Automated Code Generation - ACG), kot tudi validacijo na osnovi analize procesorja v zanki (angl. Processor-in-the-Loop - PiL) in strojne opreme v zanki (angl. Hardware-in-the-Loop - HiL) pred eksperimentalnim testiranjem in validacijo. V tem delovnem procesu razširjenega hitrega razvijanja prototipov (angl. Extended Rapid Control Prototyping - ERCP) bodo nastale težave identificirane in naslovljene že v zgodnjih korakih procesa. V MBD bodo uporabljene sodobne tehnike umetne inteligence, s čimer bomo zmanjšali obremenitev procesorjev in omogočili implementacijo naprednih metod na industrijski strojni opremi. Predlagani potek dela bo omogočil implementacijo napredne identifikacije parametrov in FOC na industrijski strojni opremi. Poenoten potek dela MBD z ACG bo poleg tega omogočil enostavno spreminjanje, prilagajanje in izboljšanje implementirane kode za specifične aplikacije v prihodnje.

GLAVNI CILJ aplikativnega projekta je razviti enoten pristop za napredno identifikacijo parametrov PMSM podjetja MAHLE Electric Drives in implementirati napredni FOC, ki bo omogočil delovanje v slabljenju polja in v globokem slabljenju polja, avtomatski zagon, sprotno ocenjevanje parametrov s parametrskim prilagajanjem regulatorjev, kot tudi vodenje na podlagi senzorjev ali brez senzorjev položaja oz. hitrosti. Cilj je uporabiti MBD in ACG ter potrditi predlagane koncepte na TRL-7.

Specifični cilji so:

• Identifikacija parametrov PMSM podjetja MAHLE Electric Drives z namensko laboratorijsko opremo in primerjava natančnosti identifikacije parametrov na podlagi FEM2FOC.
• Izvedba avtomatiziranega zagona generičnih PMSM s pretvornikom močnostne elektronike na podlagi nesprotnih metod identifikacije parametrov.
• Izvedba naprednega FOC, ki omogoča slabljenje in globoko slabljenje polja za PMSM podjetja MAHLE Electric Drives.
• Implementacija sprotnih metod ocenjevanja parametrov v povezavi s parametrskim prilagajanjem FOC.
• Implementacija brezsenzorskega naprednega FOC (s in brez sprotnega ocenjevanja parametrov).
• Razvoj poenotenega poteka dela za načrtovanje, razvoj in implementacijo naprednih metod FOC v industrijsko strojno opremo. Delovni tok bo temeljil na blokovnem programiranju v okolju Simulink in ACG.
• Razširjanje rezultatov. Dodano vrednost, ustvarjeno s projektom, bomo prenašali v ustrezne skupine znotraj podjetja z namenskimi predstavitvami in delavnicami. Nove koncepte, ki bodo razviti bomo zaščitili, izsledke pa razširjali v odmevnih znanstvenih revijah, z aktivnim sodelovanjem na konferencah in po drugih komunikacijskih kanalih.

Pričakovani rezultati aplikativnega projekta bodo nepogrešljivi za pospešen razvoj in implementacijo novih, nastajajočih tehnologij in znanstvenih področij na visoke TRL. Aplikativni projekt bo omogočil močno povezavo med temeljnimi raziskavami (TRL 1-3), uporabnimi raziskavami in razvojem (TRL 4-6) in komercializacijo (TRL 7-9). Rezultati tega aplikativnega projekta bodo omogočili in podprli razvoj ter proizvodnjo visoko učinkovitih električnih strojev in pogonov z vidika porabe energije in materiala ter stroškov na enoto izdelka.

Cilj je okrepiti MAHLE Electric Drives Slovenia d.o.o. kot enega vodilnih ponudnikov novih rešitev, ki izboljšujejo elektrifikacijo vozil, tako z ustvarjanjem inovativnih izdelkov, ki odpirajo nove poti na tem področju, kot tudi z razvojem in implementacijo učinkovitih, zelenih, brez-emisijskih in digitaliziranih izdelkov ter proizvodnih procesov.

UM FERI