dr hab. inż. Andrzej Burghardt, Prof. PRz Rzeszów 10.05.2020r.
Katedra Mechaniki Stosowanej i Robotyki Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa
Politechnika Rzeszowska im. Ignacego Łukasiewicza
Recenzja rozprawy doktorskiej Mgr. inż. Grzegorza Góry pod tytułem
„Sterowanie napędami bezpośrednimi”
1. Ocena aktualności wybranego tematu
Zastępowanie pracy ludzkiej poprzez automatyzację jest zjawiskiem nieuniknionym i pożądanym z ekonomicznego punktu widzenia. Główne czynniki (oprócz ekonomicznych) determinujące rozwój automatyzacji to, szybkość wytwarzania, poprawa jakości wytwarzanych produktów. Szeroko pojęta w takim ujęciu automatyzacja i robotyzacja oraz transport wewnątrz zakładowy związana jest z implementację aktuatorów, gdzie znaczącą większość stanowią silniki elektryczne różnych typów.
Najpopularniejsze ze względu na cenę i prostotę stosowania są asynchroniczne silniki indukcyjne prądu przemiennego. Ich wadą jest brak liniowego charakteru zależność moment-prędkość przy stałym napięciu i częstotliwości. Ważnym postępem w dziedzinie silników indukcyjnych prądu przemiennego było powstanie w latach 70 napędu falownikowego oraz nowych metod sterowania, takich jak sterowanie skalarne i wektorowe. Pozwoliło to na w miarę płynne sterowanie prędkością obrotową silnika jednak stałość wartości momentu obrotowego w funkcji prędkości była niezadawalająca. Odpowiedzią na tego typu zapotrzebowanie były silniki bezszczotkowe z magnesami stałymi zasilane napięciem stałym typu BLDC i podobne konstrukcje zasilane napięciem przemiennym PMSM.
Tego typu silniki z magnesami trwałymi mają bardzo dobre właściwości regulacyjne i cechują się dużą sprawnością.
Pierwszą aplikacją masowego użytku dla bezszczotkowych silników z magnesami stałymi była precyzyjna regulacja prędkości w dyskach twardych. Najpopularniejsze dzisiaj aplikacje to serwonapędy ze sprzężeniem zwrotnym sterujące położeniem.
Obecnie prowadzone prace badawczo-rozwojowe nad doskonaleniem napędów związane są z poszerzenie ich możliwych zakresów implementacji, które skorelowane są z poszukiwaniem silników i układów sterowania pozwalających na uzyskanie konstrukcji napędów o parametrach dotąd nieosiągalnych.
Konkludując Doktorant podjął temat zaprojektowania i wykonania otwartego systemu do badania algorytmów komutacji napędów, opracowania nowego rodzaju modulacji zapewniającej poprawę dokładności pozycjonowania oraz minimalizację wartości tętnień momentu, który w mojej ocenie jest aktualny.
2. Przegląd treści pracy
Treść opiniowanej rozprawy doktorskiej mgr. inż. Grzegorza Góry zawiera 173 strony podzielone na osiem rozdziałów. Zamieszczono wykaz ważniejszych oznaczeń, dwa dodatki oraz spis literatury obejmujący 137 pozycji literaturowych, w tym liczne adresy dokumentów zawartych na stronach internetowych wykorzystywanych podczas przygotowania rozprawy.
Praca zawiera 111 rysunków oraz 34 tabele.
Rozdział pierwszy jest wprowadzeniem w problematykę napędów bezpośrednich oraz wyjaśnia genezę i uzasadnienie podjętej tematyki badawczej. Autor w rozdziale drugim przedstawia cel i zakres pracy, a także nakreśla ogólnie zakres pracy.
Przeglądem rozwiązań dotyczącym budowy stopni mocy, rozpoczyna się rozdział trzeci.
W dalszej części, Autor podaje, bazując na materiale źródłowym, modele matematyczne silników BLDC oraz PMSM. Opisuje pięć algorytmów komutacji elektronicznej oraz stosowane rodzaje modulacji szerokością impulsu. Zakończenie rozdziału to przegląd platform sprzętowych umożliwiających realizację komutacji elektronicznej.
W rozdziale czwartym Doktorant przedstawił wyniki badań symulacyjnych algorytmów komutacji elektronicznej, dobór platformy sprzętowej do implementacji algorytmów komutacji, w oparciu o badania porównawcze wydajności obliczeniowej oraz opisał proces programowania podstawowych operacji arytmetycznych i trygonometrycznych w języku HDL.
Rozdział piąty poświęcony jest opracowanemu przez Autora otwartemu systemowi umożliwiającemu badanie algorytmów komutacji elektronicznej napędów bezpośrednich.
Znalazł się tu opis stanowiska badawczego, wykorzystanych stopni mocy, bibliotek modułów sprzętowych pozwalającą na testowanie algorytmów komutacji napędów bezpośrednich o różnym poziomie złożoności czy dokładności obliczeniowej oraz opis aplikacji wykorzystanych do konfiguracji układu komutacji elektronicznej i akwizycji danych pomiarowych.
Rozdział szósty zatytułowany „Badania eksperymentalne” zawiera wyniki badań porównujących algorytmy komutacji elektronicznej o różnym poziomie złożoności oraz dokładności obliczeniowej. W trzech podrozdziałach porównano wpływ częstotliwości próbkowania układu komutacji, wpływ sposobu modulacji PWM, wpływ dokładności obliczeniowej na sposób pracy napędu.
Wnioski końcowe pracy zamieszczono w rozdziale siódmym, w których potwierdzono realizację założonego celu i zakresu rozprawy. Autor ponadto nakreślił kierunki dalszych badań, które pozwoliłyby udoskonalić proponowane rozwiązanie.
Spis literatury uwzględnia szereg prac z zakresu omawianej tematyki badawczej, w tym wiele prac o podstawowym znaczeniu dla rozważanego problemu. Zawiera pięć współautorskich publikacji Doktoranta.
Rozprawę kończą dwa dodatki, w których zawarto odpowiednio opis matematyczny transformacji układów odniesienia związanych z: współrzędnymi fazowymi, stojanem, wirnikiem oraz opisy napędów wykorzystanych w pracach badawczych.
Treść dysertacji stanowi kompendium wiedzy w zakresie projektowania układów sterowania realizujących elektroniczną komutację silników bezszczotkowych prądu stałego i prądu przemiennego. Zawiera szereg informacji technicznych, inżynierskich, napisana jest zrozumiałym przejrzystym językiem.
3. Wyniki pracy i ich ocena
Oceniana praca stoi na wysokim poziomie pod względem merytorycznym. Autor precyzyjnie określił cel, który chce osiągnąć i w pełni go zrealizował stosując konsekwentnie właściwe narzędzia i metody badawcze. Wykazał się przy tym dobrym rozeznaniem w rozpatrywanej problematyce naukowej. Na podkreślenie zasługuje sprawność w organizacji warsztatu badawczego i umiejętność wyciągania właściwych wniosków z przeprowadzanych analiz, pozostaje tu pewien niedosyt jeśli chodzi o formę ich prezentacji. Sposób przedstawiania rozważań jest zrozumiały i przekonujący. Poszczególne etapy pracy świadczą o dobrym przygotowaniu badawczym Autora oraz o jego umiejętności prowadzenia prac badawczych. Warto tu zwrócić uwagę na wielorakość stosowanych narzędzi i metod badawczych, których właściwe używanie wymaga solidnej podbudowy teoretycznej i doświadczenia.
Strona edytorska rozprawy pozostawia wiele do życzenia. Stylistycznie praca jest na dobrym poziomie, chociaż nie jest wolna od drobnych błędów i pomyłek, niemniej nie wpływają one znacząco na lekturę pracy.
Do oryginalnych osiągnięć Autora należy zaliczyć:
• wykonania oryginalnego autorskiego stanowiska do eksperymentalnego badania algorytmów komutacji elektronicznej napędów typu BLDC oraz PMSM;
• porównanie wydajności obliczeniowej platform sprzętowych pod kątem implementacji algorytmów komutacji elektronicznej;
• eksperymentalne porównanie wpływu wybranych parametrów różnych algorytmów komutacji na pracę napędu w tych samych warunkach;
• zaimplementowanie biblioteki modułów sprzętowych pozwalającej na zaprojektowanie układu sterowania napędem bezpośrednim o zadanej architekturze i parametrach pracy;
• eksperymentalne wykazanie, iż zadawalające parametry pracy napędu można uzyskać przy stosunkowo niewielkiej dokładności obliczeń numerycznych algorytmu komutacji elektronicznej, co pozwala na implementację układu sterowania napędami bezpośrednimi na platformach sprzętowych o mniejszym poziomie złożoności;
• opracowanie nowego rodzaju modulacji nieciągłej pozwalającej na zastosowanie jej w stopniach mocy wykorzystujących pomocniczą pojemność gromadzącą ładunek do sterowania górnym tranzystorem półmostka (bootstrap) oraz zapewniającą bardziej równomierną redukcję strat termicznych w stopniu mocy.
Autor dysertacji jest niewątpliwie praktykiem o bardzo dużym doświadczeniu. Stosuje różne narzędzia do projektowania, prowadzi symulację z wykorzystaniem kilku środowisk pracy (Matlab/Simulink, LTspice), zna różne języki programowania układów elektronicznych, znakomicie potrafi zaplanować eksperyment z wykorzystaniem układów FPGA. Samodzielnie potrafi projektować i wykonywać obwody drukowane oraz układy elektroniczne.
Niestety istnieją też elementy pracy, które budzą wątpliwości lub wymagają wyjaśnienia.
Uwagi ogólne
W mojej ocenie tytuł prac jest nieodpowiedni. Praca dotyczy sterowania silnikami bezszczotkowymi typu BLDC i PMSM. Z definicji napęd bezpośredni charakteryzuje się brakiem przekładni redukującej czy multiplikującej. Nie jest istotne jak będzie wykorzystywany napęd sterowany zaproponowanym i przetestowanym w pracy algorytmem sterowania. Czy zostanie wykorzystany jako napęd bezpośredni czy będzie zawierał elementy pośredniczące jak przekładnie, sprzęgła reduktory itp. Bardzo wiele napędów typu BLDC czy PMSM wyposażone jest w zintegrowane przekładnie np. w robotyce. Praca nie porusza tego typu rozważań choć tytuł sugeruje inaczej. Doktorant bezkrytycznie przetłumaczył angielską nazwę, nie uwzględniając jakie znaczenie ma sformułowanie „napęd bezpośredni” w języku polskim. Co gorsza zawarł to w tytule. W samej pracy Doktorant badał silnik pracujące jako napęd pośredni (silnik ze zintegrowana przekładnią EC-max 283858) oraz silniki pracujące jako napędy bezpośrednie (EMJ-04APB, BLWS235D).
W pracy jako czujniki kąta położenia wału Doktorant wykorzystuje i opisuje przetworniki obrotowo-impulsowe potocznie zwane enkoderami oraz czujniki Halla. Należy zaznaczyć że bardzo dużą grupę czujników kąta położenia wału w silnikach PMSM stanowią transformatory położenia kątowego zwane resolwerami. Resolwery są bardzo popularne w układach, które pracują w podwyższonych temperaturach, narażonych na wstrząsy i wibracje, ponadto nie podlegają efektowi starzenia. Dla przykładu wszystkie napędy robotów, pozycjonerów, torów jezdnych firmy ABB wykorzystują resolwery obsługiwane przez dedykowane do tego układy firmy Analog Devices serii np. AD2S80A. Autor rozprawy pomija tak popularne układy, nie komentuje racjonalności wybranego przez siebie czujnika pomiarowego kąta wału.
Doktorant rozważa w pracy układy sterowania napędów, pomijając i nie odnosząc się do tego jakich metod użył do wyznaczenia parametrów regulatorów, ponadto nie przeprowadził analizy stabilności stosowanych rozwiązań. W pracy naukowej nawet jeśli najlepsze rozwiązania nastaw uzyskano w sposób inżynierski, należało się odwołać do kilku metod doboru nastaw regulatora oraz wykorzystać jedną z wielu metod do wykazania stabilności.
Algorytmy sterowania silnikami PMSM bazują na utrzymaniu kąta pomiędzy strumieniem magnetycznym stojana, a strumieniem magnetycznym wirnika. Maksymalne parametry dynamiczne uzyskuje się w przypadku, gdy kąt ten wynosi dziewięćdziesiąt stopni.
W pracy brak jest wyjaśnienia jak ten kąt wyznaczono, co więcej Autor pisze na stronie 111, że kąt ten zależy od liczby par biegunów, ale nie podaje jak. Sposób wyznaczania kąta ma kluczowe znaczenie jeśli rozważamy dynamikę napędu. Brak jest wyjaśnienia jak ten kąt wyznaczono.
W pracy brak jest przeglądu stanu wiedzy w analizowanej tematyce. Autor we wstępie odnosi się do wad i zalet analizowanych napędów oraz miejsc ich implementacji. Materiał źródłowy dotyczy głównie opisu modeli napędów bezpośrednich, algorytmów komutacji elektronicznej, rodzajów modulacji szerokości impulsów. Pozostałe pozycje literaturowe w większości dotyczą kart katalogowych, opisów sprzętu jego wad i zalet. Brak jest odniesienia jak wybrana tematyka badań, (w mojej ocenie zasadna i trafna) wpisuje się w badania realizowane w kraju i za granicą.
Ogólnie praca jest bardzo trudna w odbiorze, Autor nie wprowadza odbiorcy w tematykę, co będzie wykonane, zrobione przebadane, jakie są oczekiwania, brak planu eksperymentu.
Brak jest na końcu wniosków podsumowań, co wynika z przeprowadzonych analiz. Bardzo dużo czasu poświęcone jest metodzie jak to jest wykonane, wadom i zaletom poszczególnych rozwiązań, czasem różniących się tylko szczególikami, które nie wpływają istotnie na eksperyment. Autor podaje nawet konstrukcje ramek komunikacyjnych. I tak na przykład rozdział 6 pt. „Badania eksperymentalne” rozpoczyna się od szczegółowego omówienia platformy sprzętowej, a na czym polega eksperyment mamy zawarte w jednym lakonicznym zdaniu na końcu. Cała praca sprawia wrażenie bardzo dokładnego opisu jak coś zrobić, czym, brak jest natomiast klarownego, przejrzystego wyjaśnienia co robię, czego oczekuję, co wynika z mojej pracy.
Uwagi szczegółowe
• W pracy mamy bardzo dużo tzw. elementów wiszących w tekście. Rozdział czy też podrozdział powinien się zaczynać wstępem, tekstem zasadniczy oraz kończyć sentencją, podsumowaniem. W pracy w jednym miejscu rozdział zaczyna się rysunkiem str. 90 rys.
5.1, w bardzo wielu miejscach rozdziały czy też podrozdziały kończą się tabelami (tab. 3.3, tab. 6.26), wzorem (3.13), czy w największej liczbie rysunkami (rys. 3.30, rys. 5.13, rys.
5.14, rys. 4.16, rys.5.20, rys. 5.22, rys. 6.6). W kilku miejscach w tekście zamiast podsumowań mamy zakończenie wypunktowaniem tak jest na stronach 69, 70, 94, 96, 104.
• W pracy często spotkamy oznaczenia kursywą w tekście, a na rysunkach już nie. Np. wzór 3.31 jest pisany kursywą, a już opis elementów wzoru nie. Ponadto 𝛹𝛹𝑆𝑆 we wzorze 3.32 nie jest pogrubione, w opisie już jest, brak jest 𝛹𝛹𝑆𝑆 czy 𝚿𝚿𝐒𝐒 w wykazie oznaczeń stosowanych w pracy. Na rys. 3.16 opisy bez kursywy, we wzorach 36, 37 już z kursywą, analogicznie rys. 4.14 wzory 4.1.
• Wykaz literatury choć obszerny to często wskazujący jako materiał źródłowy nierecenzowane materiały internetowe. Pozycje literatury [1], [12], [117], [135] są nie do zidentyfikowania. Raz podawany jest rok wydania raz nie jak w [3], całość jest przygotowana nieprecyzyjnie.
• Na str. 23 Autor kilkakrotnie pisze „inteligentne moduły mocy”. Zawarte w modułach układy elektroniczne charakteryzują się co najwyżej adaptacją. Inteligencja maszynowa jest zdefiniowana na podstawie bazy wiedzy w postaci reguł, wag czy informacji lingwistycznej w układach inteligentnych powstaje informacja, której wartość jest zależna w czasie od procesu uczenia. Mimo iż anglojęzyczna nazwa wskazuje na „inteligencję układów” ja się jej nie doszukałem, jest to nadużycie.
• Na str. 43 Autor używa stwierdzenia „optimium ilorazu” jest to niewłaściwe, o wartości optymalnej mówimy w przypadku zdefiniowanej funkcji celu i przyjętym kryterium.
• Na stronie 76 rozprawy Autor opisując uzyskane przebiegi sygnałów pisze „Odpowiedź układu na zadany ciąg impulsów prostokątnych potwierdza stabilność układu dla dobranych nastaw regulatorów”. W pracy naukowej należałoby ująć w sposób matematyczny, czy przy wykorzystaniu wskaźników jakości, wyciągane wnioski.
Mówienie o stabilności układu sterowania na podstawie obserwacji wykresów jest nieodpowiednie. Mamy bardzo dużo metod wykazania stabilności układów sterowania, należało skorzystać z jednej ze sformalizowanych metod.
• Na str. 117 autor stwierdza „Wyznaczenie wartości średniej z 12 pomiarów pozwoliło uniezależnić otrzymane wyniki od błedów….”, wartość średnia nie pozwala na uniezależnienie wyników od błędów.
• Na str. 120 Autor wskazuje jako źródło oscylacyjnego charakteru przebiegu
„wykorzystanie łączników o najwyższej dostępnej twardości”. Czytelnik nie wie jakich łączników to dotyczy, jak wygląda ich umiejscowienie itp. Należy też zauważyć, że ze zmianą wymiaru łącznika, będącą ewentualnym źródłem tętnień będzie związana jego sztywność, a nie twardość.
4. Wniosek końcowy
Recenzowana praca zawiera algorytmy, wyniki symulacji komputerowych oraz wyniki badań doświadczalnych, przeprowadzonych z wykorzystaniem opracowanego stanowiska do eksperymentalnego badania algorytmów komutacji elektronicznej napędów.
Zawarta w dysertacji tematyka stanowi niewątpliwie znaczący wkład Autora w zakresie rozwoju układów sterowania napędami typu BLDC oraz PMSM. Opracowanie nowego rodzaju modulacji nieciągłej pozwalającej na równomierną redukcję strat termicznych w stopniu mocy oraz wykazanie iż można budować algorytmu komutacji elektronicznej na platformach sprzętowych o mniejszym poziomie złożoności ma znaczenie utylitarne.
Autor wykazał w przedłożonej rozprawie odpowiednią znajomość podjętego problemu naukowego, umiejętność jego rozpatrywania, opanowanie nowoczesnych metod projektowania układów elektronicznych oraz sprawność w zaplanowaniu i przeprowadzeniu eksperymentu.
Uważam, że opiniowana praca Pana mgr. inż. Grzegorza Góry spełnia wymagania stawiane dysertacjom doktorskim zgodnie z obowiązującymi w tym zakresie przepisami o stopniach naukowych i tytule naukowym i może być dopuszczona do dalszego procedowania.
