Ніконенко Є. О. Керування електромеханічними системами електричних транспортних засобів з гібридним акумуляторно-суперконденсаторним джерелом живлення

У дисертаційній роботі вирішується задача розвитку методів синтезу та аналізу тягових електромеханічних систем (ЕМС) на базі векторно-керованих асинхронних двигунів (АД) і синхронних двигунів з постійними магнітами (СДПМ) з гібридними джерелами живлення (ГДЖ) на основі акумуляторних батарей (АКБ) і блоку суперконденсаторів (СК), спрямована на підвищення їх статичних, динамічних та енергетичних характеристик за рахунок розробки і впровадження методів нелінійного і адаптивного керування. У першому розділі проведено аналіз існуючих методів керування тяговими електромеханічними системами з ГДЖ з метою обґрунтування необхідності вирішення науково-прикладної задачі, яка розглядається в роботі. За результатами аналітичного огляду встановлено, що системи ослаблення поля АД не забезпечують повне використання потужності джерела; для живлення типових ЕТЗ використовуються тільки АКБ, що спричиняє їх прискорене старіння. Типові системи керування ГДЖ на основі лінійних пропорційно-інтегральних регуляторів (ПІ-регуляторів) струмів і напруги з фільтром низьких частот (ФНЧ) не мають строгого теоретичного обґрунтування, стійкість суттєво нелінійних систем не доведено. Як наслідок, підсистеми керування ГДЖ і тяговим електроприводом (ЕП) є взаємозв’язаними і чутливими до координатних і параметричних збурень, основними з яких є варіації активного опору ротора АД, електричних параметрів СДПМ і параметрів DC-DC перетворювачів. Вказані збурення в існуючих системах призводять до деградації динамічних показників якості керування і зниження енергетичної ефективності процесів електромеханічного перетворення енергії. У другому розділі розроблено нові алгоритми ослаблення поля в системах векторного керування АД, які забезпечують більш повне використання потужності джерела, а також синтезовано з використанням другого методу Ляпунова адаптивний спостерігач активного опору ротора АД і алгоритми ідентифікації параметрів СДПМ, які забезпечують глобально стійкий процес оцінювання і є простішими у використанні, ніж існуючі аналоги. У третьому розділі виконано теоретичний аналіз та дослідження властивостей стійкості і характеристик систем керування класом реверсивних DC-DC перетворювачів як нелінійних немінімально-фазових об’єктів керування в стандартній конфігурації з лінійними ПІ-регуляторами струму та напруги. Розроблений метод синтезу і аналізу систем керування DC-DC перетворювачами базується на використанні часткової лінеаризації зворотним зв’язком. Вперше показано яким чином струм навантаження впливає на структуру систем керування DC-DC перетворювачами та їх параметри, що дозволяє здійснювати робастне налаштування регуляторів для підвищення навантажувальної здатності перетворювачів. Показано, що завдяки компенсації струму навантаження забезпечується підвищення динамічної точності стабілізації напруги. У четвертому розділі вперше теоретично обґрунтовано структуру композитної системи керування ГДЖ, що складається зі зв’язаних підсистем регулювання вихідної напруги, струмів АКБ і СК, фільтру розподілу частот (ФРЧ) і підсистеми регулювання напруги СК. Доведено, шляхом розгляду динаміки системи зниженого порядку, що масштабування завдання струму СК у функції співвідношення напруг АКБ і СК у складі ФРЧ (лінеаризація зворотним зв’язком), а також формування розділення у часі динаміки у контурах регулювання забезпечують асимптотичне регулювання напруги ланки постійного струму і розподіл динамічних складових струмів АКБ і СК. Показано, що компенсація струму навантаження підвищує динамічні показники якості регулювання напруги. Розроблено новий алгоритм регулювання напруги (заряду) блоку СК і надано рекомендації з його налаштування, яке гарантує, що процес заряду не впливає на регулювання вихідної напруги ГДЖ. У п’ятому розділі обґрунтовано концепцію експериментальних досліджень тягових ЕМС з ГДЖ, яка дозволяє розробляти уніфіковані експериментальні установки для повномасштабних тестувань широкого спектру алгоритмів керування в умовах, які наближені до існуючих в реальних ЕТЗ. Розроблено структуру, виготовлено і налагоджено станцію швидкого прототипного тестування для дослідження тягових ЕМС, яка складається з АД потужністю 0.7 кВт, СДПМ 3 кВт, літій-іонних і свинцево-кислотних АКБ і блоку СК з DC-DC перетворювачами, яка дозволила провести повномасштабні експериментальні тестування розроблених структур керування з метою підтвердження теоретичних висновків роботи та виявлення ефектів, які не враховуються при синтезі та моделюванні. Керування установкою здійснюється з використанням контролера на основі цифрового сигнального процесора TMS320F28335 і розробленого програмного забезпечення.