نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه مهندسی برق، دانشگاه قم، قم

2 کارشناسی ارشد، گروه مهندسی برق، دانشگاه قم، قم

چکیده

در این مقاله، طراحی کنترل کننده مدلغزشی-عصبی برای کلاس خاصی از موتور سنکرون مغناطیس دائم به منظور بهره گیری در زیردریایی بدون سرنشین مورد بررسی واقع شده است. ابتدا موتور مدنظر با مشخصاتی که در مقاله ارائه شده در نرم افزار تمام موج ماکسول که بر پایه روش المان محدود می باشد، طراحی و شبیه سازی شده است؛ سپس با استفاده از داده های حاصله از شبیه سازی موتور در نرم افزار، مدل غیرخطی به وسیله شبکه عصبی استخراج شده است. از آنجا که بهره گیری از روش های کنترل مبتنی بر مدل به دلیل وابستگی شدید به مدل سازی و همچنین به علت استفاده از سنسورها گران و دارای خطا خواهد بود، بهره گیری از کنترل کننده بدون سنسور مورد استفاده قرار گرفته که با توجه به مدل غیرخطی مطروحه، کنترل کننده مدلغزشی برای این موتور خاص طراحی شده است. کنترل کننده مدلغزشی-عصبی ارائه شده با توجه به مقاوم بودن در مقابل عدم قطعیت های سیستم و اغتشاشات خارجی، پایداری حلقه بسته سیستم کلی و همگرایی خطای ردیابی به صفر، نتایج بهتری را نسبت به کنترل کننده PID بدست آورده است. نتایج شبیه سازی انجام شده در این مقاله عملکرد مناسب مدل و کنترل کننده پیشنهادی را تایید می نماید.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Designing a Neural-Sliding Mode Controller for a Certain Class of Permanent-magnet Synchronous Motors for use in Unmanned Submarines

نویسندگان [English]

  • s Mohammad-Ali-Nezhad 1
  • s. N Mahdianzade 2
  • R Ghasemi 1
  • M Ghazavipour moghadam 2

1 Electrical & Electronics Engineering Department, University of Qom. Qom, I.R. Iran

2 Electrical & Electronic Department, University of Qom, Qom, Iran

چکیده [English]

In this paper, a new design is proposed for a neural-sliding mode controller for a certain class of permanent-magnet synchronous motors to employ in unmanned submarines. Using presented specifications; first, the intended motor is designed and simulated in the Maxwell full-wave software based on the finite element method. Then, the nonlinear model is derived by the neural network using the data obtained from the simulation of the motor in the software. Since the model-based control methods are expensive and error-prone due to the high dependence on the modeling as well as the use of sensors, a sensorless controller is used, and with respect to the proposed nonlinear method, a sliding mode controller is designed for this particular motor. The proposed neural-sliding controller has obtained better results than the PID controller due to its robustness against system uncertainties and external disturbances, the overall closed-loop stability and convergence of error-trace to zero. The simulation results confirm the proper performance of the proposed model and controller.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Permanent Magnetic Synchronous Motor
  • Sliding mode controller
  • Neural network
  • finite element method
  • unmanned submarines

 [1] Ghasemi, N. and Naderi,  S.M., “Vector control of permanent magnet synchronous motor by using a fuzzy algorithm,” 1st international conference on new research achievements in Electrical and Computer Engineering, 2016.

[2] Suleimani, M.J., Goodarzi, A., Morad pour, R., and Alizadeh, M., “Design and optimization of permanent magnet synchronous motor for use in unmanned submarines,” Journal of Marine Science and Technology. Vol. 80, pp. 44-50, 2016.

]3[ قاسمی، جمال و عبدی، یاسر "کنترل عمق زیر دریایی بدون سرنشین با استفاده از کنترل کننده مود لغزشی عصبی". فصلنامه علمی - پژوهشی دریا فنون, شماره 5، صفحه 1-13، 1397.

 

[4] Zhao, S., Wallmark, O., and Leksell, M., “Low-speed sensorless control with reduced copper losses for saturated PMSynRel machines”  IEEE Transactions on Energy Conversion. Vol.  28, No. 4, pp. 841-848, 2013.

]5[گلدانی، افشی، رمضانی ورکانی، علی، "کنترل سرعت موتور القایی با استفاده از روش کنترل پیش‌بین گشتاور". پذیرفته شده در فصلنامه علمی - پژوهشی دریا فنون, 1397.

[6] Erik, H., Frisk, E., and Eriksson, L., “Observer design and model augmentation for bias compensation with a truck engine application, Control Engineering Practice 17, No. 3, pp.408-417, 2009.

[7] Changchun, H., Yu, C., and Guan,  X., “Neural network observer-based networked control for a class of nonlinear systems,” Neurocomputing. Vol. 133,pp. 103-110, 2014.

[8] Stipetic, S., Zarko, D., and Kovacic, M., “Optimised design of permanent magnet assisted synchronous reluctance motor series using combined analytical–finite element analysis based approach,” IET Electric Power Applications. Vol. 10, No. 5, pp. 330-338, 2016.

[9] Seong-Hwan, K., Park, T., Yoo, J., and Park, G., “Speed-sensorless vector control of an induction motor using neural network speed estimation,” IEEE Transactions on industrial electronics. Vol. 48, No. 3, 609-614, 2001.

[10] Alfio, C., Scarcella, G., and Testa, A., “Industry application of zero-speed sensorless control techniques for PM synchronous motors,” IEEE Transactions on Industry Applications. Vol. 37, No. 2 , pp.513-521, 2001.

[11] Schroedl M., and Stefan, T., “New rotor position detector for permanent magnet synchronous machines using the INFORM method,” Eur.Trans. Elect. Power Eng. Vol. 1, No. 1, pp. 47–53, 1991.

[12] Schroedl, M., “Sensorless control of ac machines at low speed and standstill based on the INFORM  method,”  in Conf. Rec. IEEE-IAS Annu.Meeting, pp. 270–277, 1996.

[13] Young-Real, K., Sul, S., and Park, M., “Speed sensorless vector control of induction motor using extended Kalman filter,” IEEE Transactions on Industry Applications. Vol.  30, No. 5 , 1225-1233, 1994.

 [14] Zhiqian, Ch., Tomita, M., Doki  Sh., and Okuma, Sh., “An extended electromotive force model for sensorless control of interior permanent-magnet synchronous motors,”  IEEE transactions on Industrial Electronics. Vol. 50, No. 2 ,pp. 288-295, 2003.

 [15] Toshiyuki, M., Yu, F., and Ohnishi, K., “Torque sensorless control in multidegree-of-freedom manipulator,” IEEE Transactions on Industrial Electronics. Vol. 40, No. 2 , pp.259-265, 1993.

[16] Alonge, F., Cangemi, T.,  D'ippolito, F., Fagiolini, A., and Sferlazza, A., “Convergence analysis of extended Kalman filter for sensorless control of induction motor,” IEEE Transactions on Industrial Electronics. Vol. 62, No. 4 , pp. 2341-2352, 2015.

 [17] Hussain, S., Bazaz, MA., “Neural network observer design for sensorless control of induction motor drive,” IFAC-PapersOnLine, pp.106-111, 2016.

[18] Rojas, C., Rodriguez, J. R., Kouro, S., and Villarroel, F., “Multiobjective fuzzy-decision-making predictive torque control for an induction motor drive,” IEEE Transactions on Power Electronics. Vol. 32, No. 8 , pp. 6245-6260, 2017.

[19] Zhao, S., Wallmark, O., and Leksell, M., “Analysis of a deeply saturated sensorless PMSynRel drive for an automotive application,” Proceedings of the 2011-14th European Conference on In Power Electronics and Applications , pp. 1-10, 2011.

[20] Song, C., Zhang, Zh., and Xu, L., “Sliding-mode sensorless control of direct-drive PM synchronous motors for washing machine applications,” IEEE Transactions on Industry Applications. Vol. 45, No. 2, pp.582-590, 2009.

[21] Merabet, A., Tanvir, A., and Beddek, K., “Torque and state estimation for real-time implementation of multivariable control in sensorless induction motor drives,” IET Electric Power Applications. Vol. 11, No. 4, pp. 653-663, 2017.

 [22] In-Cheol, B., Kim, K., and Youn, M., “Robust nonlinear speed control of PM synchronous motor using boundary layer integral sliding mode control technique,” IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol. 8, No. 1 , pp. 47-54, 2000.

[23] Saqib, I., Mehmood, A., Tayyab Razzaq, M., and Iqbal, J., “Advanced sliding mode control techniques for Inverted Pendulum: Modelling and simulation,” Engineering Science and Technology, an International Journal, 2018.

[24] Lascu, C., Jafarzadeh, S., Sami Fadali, M., and Blaabjerg, F., “Direct torque control with feedback linearization for induction motor drives,” IEEE Transactions on Power Electronics. Vol. 32, No. 3 , pp. 2072-2080, 2017.

]25[موسوی میرکلائی، سید محمدرضا، کاوه، مسعود، خویشه، محمد; آقابابایی، مجید. "طراحی و پیاده‌سازی یک دسته‌بندی کننده دادگان سوناری مبتنی بر شبکه عصبی ادراکی چندلایه آموزش دیده شده با الگوریتم بهینه‌سازی گروهی فیل‌ها". فصلنامه علمی - پژوهشی دریا فنون, شماره 5، صفحه 1-12، 1397.

]26[ ملکی زاده، حمید، جاهد مطلق، محمد رضا، معاونی، بیژن، معرفیان پور، علی. "کنترل مد لغزشی رول- فین کشتی در مقابل نوسانات ناشی از امواج و عدم قطعیت‌". فصلنامه علمی-پژوهشی دریا فنون, شماره 2 صفحه 35-41، 1394.

 [27] Hang, J., Zhang, J., Cheng, M., and Zhang, B., “High-resistance connection detection in permanent magnet synchronous machine using zerosequence current component,” IEEE Trans. Power Electron. Vol. 31, No. 7, pp. 4710–4719, 2016.

[28] Mohammadpour A., and Parsa, L., “Global fault-tolerant control technique for multiphase permanent-magnet machines,” IEEE Trans. Ind. Appl, Vol. 51, No. 1, pp. 178–186, 2015.

]29[فرهمند، محمد، قاسمی، رضا، سالاری، محمد. "طراحی کنترل‌کننده هیبرید فازی–مد لغزشی فرا‌پیچش برای کلاس خاصی از دینامیک غیر‌‌خطی کوادروتور،" مهندسی مکانیک مدرس.; شماره ۱۸ (۱) ، صفحه ۳۰۷-۳۱۶، 1397.