Rozprawa doktorska pod tytułem „Wybrane metody cyfrowego przetwarzania sygnałów w czasie rzeczywistym w układach sterowania przekształtnikami energoelektronicznymi” rozważa zastosowanie cyfrowych algorytmów sterowania w energoelektronicznych układach impulsowych o wysokich częstotliwościach pracy łączników. Celem badawczym było opracowanie zaawansowanych algorytmów sterowania, ich implementacja oraz weryfikacja zarówno w środowisku symulacyjnym jak również w warunkach rzeczywistego obiektu. W związku z doborem częstotliwości sterowania przekraczającej możliwości większości popularnych mikrokontrolerów, Autor zdecydował się na implementację algorytmów sterowania w układach FPGA.

Rozprawa doktorska miała na celu weryfikację następujących hipotez badawczych:

• Dostosowanie algorytmów sterowania przekształtnikami energoelektronicznymi do warunków realizacji na dedykowanych platformach sprzętowych może poprawić jakość i pewność dostarczanej energii elektrycznej.
• Pomimo złożonego charakteru algorytmów sterowania przekształtnikami energoelektronicznymi jest możliwa efektywna implementacja w czasie rzeczywistym w środowisku FPGA / DSP.

Pierwsza część pracy przybliża rozwiązania stosowane historycznie oraz współcześnie w elektronicznych układach impulsowego przetwarzania energii. Przedstawione zostały podstawy działania przekształtników impulsowych i wyszczególniono podstawowe topologie i typy układów. Przedstawione zostały realizacje elektroniczne wybranych układów przetwarzania energii elektrycznej oraz ich modele matematyczne. Zaproponowane zostały również wskaźniki i kryteria oceny jakości prądu i napięcia wyjściowego.

Następna część pracy skupia się na sposobie projektowania układów sterowania, począwszy od przetwarzania analogowo-cyfrowego, poprzez dostosowanie cyfrowego filtru uśredniającego, dobór regulatora i zaprojektowanie modulatora sygnału sterującego łącznikami. Przy doborze regulatora szczególny nacisk położony został na analizę niepewności parametrycznej modelu obiektu i zapewnienie stabilności systemu dla całego zbioru obiektów znajdujących się w przedziale niepewności.

W kolejne części pracy, Autor projektuje regulator dla konkretnego obiektu fizycznego modelu laboratoryjnego przekształtnika typu „buck”. Dokonano identyfikacji obiektu w oparciu o odpowiedź częstotliwościową a wynik porównano z symulacyjną charakterystyką Bodego dla modelu numerycznego. Wysoki poziom zgodności odpowiedzi w paśmie od 1 Hz do 10 kHz umożliwił przeprowadzenie doboru i strojenia regulatora w środowisku do symulacji numerycznych Matlab/Simulink. Autor wybrał dwa typy regulatorów, które miały spełniać określone wcześniej parametry specyfikacji: błąd ustalony, pasmo przenoszenia, zapas fazy, zapas amplitudy oraz wskaźniki oparte na normie L∞ funkcji wrażliwości. Autor zaproponował syntezę regulatora H_∞ 4-go rzędu oraz porównanie go z regulatorem typu Lead-Lag. Uzyskane prototypy zostały poddane analizie w dziedzinie częstotliwości. Po weryfikacji prototypów regulatorów opisanych w dziedzinie czasu ciągłego, regulatory zostały zdyskretyzowane z okresem próbkowania 20 μs i zrealizowane w postaci równań przestrzeni stanów.

Uzyskane dyskretne realizacje regulatorów oraz kompletny opis algorytmu sterowania uwzględniający sprzężenie „feedforward” od wartości napięcia wejściowego, układ modulatora sygnału sterującego tranzystorami oraz cyfrowe filtry uśredniające zostały zaimplementowane w układzie FPGA. Weryfikacja działania obu regulatorów oraz całego algorytmu sterowania została wykonana na podstawie analizy szeregu badań eksperymentalnych, zrealizowanych w dedykowanych stanowiskach badawczych. Zweryfikowana została odpowiedź częstotliwościowa układu zamkniętego i porównana z odpowiedzią modelu symulacyjnego. Poddane analizie zostało widmo napięcia wyjściowego i porównane z widmem napięcia zasilającego obiekt, które celowo zostało zniekształcone tętniącym prądem o częstotliwości podstawowej 100 Hz wytworzonym przez pasywny prostownik diodowy. Analizowane również zostały przebiegi przejściowe – odpowiedź na skok wartości zadanej oraz odpowiedź na skokową zmianę prądu wyjściowego obiektu.

Wyniki przeprowadzonych prac badawczych pozwoliły potwierdzić postawione przez Autora hipotezy badawcze. Cyfrowy system sterowania zaimplementowany w układzie FPGA pozwolił na wydajną implementację regulatora 4-go rzędu i sterowanie obiektem z częstotliwością 50 kHz. Wyniki badań eksperymentalnych potwierdziły, że realizacja zadania sterowania a w konsekwencji dostarczona energia elektryczna (prąd i napięcie wyjściowe przetwornicy) spełnia przyjęte kryteria jakości zgodnie z ustalonymi wskaźnikami oceny.

Pełna wersja autoreferatu tdziwinski_autoreferat.pdf

Pełna wersja pracy doktorskiej tdziwinski_rozprawa_doktorska.pdf

1. Dziwiński T., Chmielowiec K., High performance FPGA-based digital real-time controller for electric power conversion applications 2014 IEEE Power and Energy Society General Meeting.
2. Dziwiński T., Włodarczyk P., The application of the exact state estimation method in electric power systems Przegląd Elektrotechniczny, ISSN 0033-2097, 2013 R. 89 nr 7, s. 164–168.
3. Dziwiński T., A novel approach of an absolute encoder coding pattern IEEE Sensors Journal, ISSN 1530-437X, 2015 R. 15 nr 1, s. 397–401.
4. Chmielowiec K., Dziwiński T., Intelligent power conditioning and monitoring interface for smart grids prosumers (Prosumer Interface) 2014 IEEE Power and Energy Society General Meeting.
5. Dziwiński T., Piątek P., Słowik W., Baranowski J., On design of digital control system for power electronic converters 2016 SPETO: XXXIX konferencja z podstaw elektrotechniki i teorii obwodów.
6. Słowik W., Piątek P., Dziwiński T., Baranowski J., Selected current sensing circuits for motor control applications PAR Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, 2017 R. 21 nr 1, s. 5–12.

• dr hab. inż. Jacek Kabziński, prof. PŁ Recenzja nr 1
  
• prof. dr hab. inż. Andrzej Sikorski recenzja_2.pdf