Direct torque control of permanent magnet synchronous motors using feedback passivation

• Autorzy: Sribumrung Panuschai , Nungam Suksun

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2023.12.05

Warianty tytułu

PL

Bezpośrednie sterowanie momentem obrotowym silników synchronicznych z magnesami trwałymi przy użyciu pasywacji ze sprzężeniem zwrotnym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Direct torque control of permanent magnet synchronous motor by feedback passivation is proposed in this paper. An error state equation consisting of velocity, torque, and flux is considered. Two schemes of designing feedback passivation are studied. The first scheme is called cascade feedback passivation. This scheme divides the system into subsystems. Each subsystem is iteratively passive by feedback passivation, resulting in a cascade interconnection of these subsystems to ensure the passivity of the overall system. Therefore this scheme is easy to design. However, the subsystems are related, so specifying the control loop dynamics is not easy. The second scheme applies the passivity theorem to the overall system. Although the design is more complicated than the first scheme, the closed-loop dynamics consist of independent subsystems. Therefore it is straightforward to design the loops. Both proposed schemes give rise to second-order linear dynamic of speed loop where the gain constants are determined by the pole-placement technique. The simulation results and the experimental results verify both proposed techniques can guarantee the stability of the system, with fast torque response and low torque ripple due to the use of the switch-vector modulation method.

PL

W artykule zaproponowano bezpośrednie sterowanie momentem obrotowym silnika synchronicznego z magnesami trwałymi poprzez pasywację ze sprzężeniem zwrotnym. Rozważane jest równanie stanu błędu składające się z prędkości, momentu obrotowego i strumienia. Badane są dwa schematy projektowania pasywacji ze sprzężeniem zwrotnym. Pierwszy schemat nazywa się pasywacją kaskadowego sprzężenia zwrotnego. Schemat ten dzieli system na podsystemy. Każdy podsystem jest iteracyjnie pasywny przez pasywację ze sprzężeniem zwrotnym, co skutkuje kaskadowym połączeniem tych podsystemów w celu zapewnienia pasywności całego systemu. Dlatego ten schemat jest łatwy do zaprojektowania. Jednak podsystemy są ze sobą powiązane, więc określenie dynamiki pętli sterowania nie jest łatwe. Drugi schemat stosuje twierdzenie o pasywności do całego systemu. Chociaż projekt jest bardziej skomplikowany niż pierwszy schemat, dynamika w zamkniętej pętli składa się z niezależnych podsystemów. Dlatego projektowanie pętli jest proste. Oba proponowane schematy dają początek liniowej dynamice pętli prędkości drugiego rzędu, w której stałe wzmocnienia są określane techniką umieszczania biegunów. Wyniki symulacji i wyniki eksperymentów potwierdzają, że obie proponowane techniki mogą zagwarantować stabilność systemu, z szybką odpowiedzią momentu obrotowego i niskim tętnieniem momentu obrotowego dzięki zastosowaniu metody modulacji wektora przełączającego.

Słowa kluczowe

EN

feedback passivation; permanent magnet synchronous motor; PMSM; direct torque control; DTC

PL

pasywacja sprzężenia zwrotnego; silnik synchroniczny z magnesami trwałymi; PMSM; bezpośrednia kontrola momentu obrotowego; DTC

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 99, nr 12
• Strony: 26--34
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Sribumrung Panuschai

• Department of Electrical and Computer Engineering, King Mongkut’s University of Technology North Bangkok (KMUTNB), 1518 Wong Sang Bangsue District, Bangkok, Thailand

autor

Nungam Suksun

• Department of Electrical and Computer Engineering, King Mongkut’s University of Technology North Bangkok (KMUTNB), 1518 Wong Sang Bangsue District, Bangkok, Thailand

Bibliografia

• [1] R. Krishnan, Permanent Magnet Synchronous and Brushless DC Motor: CRC Press. 2010.
• [2] F. Blaschke., Johnson B., The principle of field orientation as applied to new TRANSVECTOR close loop control system for rotation field machines: Siemens Review, Vol.39, No.5, 217-220
• [3] I. Takahashi and T. Noguchi, A new quick-response and high efficiency control strategy of an induction motor, IEEE Trans Ind. Appl., Vol. 22, No.5, (Sep 1986), 820-827
• [4] L. Zhong, F. Rahman, W. Y. Hu and K. W. Lim, Analysis of Direct Torque Control in Permanent Magnet Synchronous Motor Drive, IEEE Transactions on Power Electronic, Vol.12, No.3, (May 1997), 528-536
• [5] M. H. Vafaie, B. M. Dehkordi, P. Moallem and A. Kiyoumarsi, A New Predictive Direct Torque Control Method for Improving Both Steate-State and Transient-State Operations of the PMSM, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.31, No.5, (May 2016), 2738-3753
• [6] D. Casadei, F. Profumo, G. Serra and A. Tani, FOC and DTC: Two Viable Schemes for induction Motors Torque Control, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.17, No. 5, (September 2002), 779-787
• [7] F. Niu, B. Wang, A. S. Babel, K. Li and E. G. Strangas, Comparative Evaluation of Direct Torque Control Strategies for Permanent Magnet Synchronous Machines, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 31, No. 2, (Feb 2016), 1408-1424
• [8] G. S. Buja and M. P. Kazmierkowski, Direct Torque Control of PWM Inverter-Fed AC Motor-A Survey, IEEE Transactions on power Electronics, Vol.51, No.4, (August 2004), 744-757
• [9] T. G. Habetler, F. Profumo, M. Pastorelli, and L. M. Tolbert, Direct torque control of induction machines using space vector modulation, IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 28, No. 5, (Sep 1992), 1045-1053
• [10] C. Xia, J. Zhao, Y. Yan and T. Shi, A novel direct torque control of matrix converter-fed PMSM drives using duty cycle control for torque ripple reduction, IEEE Trans Ind. Electron., Vol. 61, No. 6, (Jun 2014), 2700-2713
• [11] A. A. Hassan, Y. S. Mohamad and E. G. Shehata, Direct torque control of an ipmsm drive based on sliding mode technique, Eleventh International Middle East Power System Conference, Vol. 1, (2006), 10-17
• [12] Z. Chen, X. D. Lui and D. P. Yang, Dynamic sliding mode control for direct torque control of PMSM base on expected space vector modulation, In Proc. 2nd Int. Conf. Syst, Vol. 1, 2010, 394-397
• [13] S. Z. Chen, N. C. Cheung, K. C. Wong and J. Wu, Integral sliding-mode direct torque control of doubly-fed induction generators under unbalanced grid voltage, IEEE Trans. Energy Convers., Vol. 25, No. 2, (Jun. 2010), 356-368.
• [14] G. H. B. Foo and M. F. Rahman, Direct torque control of an IPM-synchronous motor drive at very low speed using a sliding-mode stator flux observer, IEEE Trans. Power Electron., Vol. 25, No. 4, (Apr. 2010), 933-942.
• [15] Y.S. Choi, H. H. Choi and J. W Jung, Feedback linearization direct torque control with reduced torque and flux ripples for ipmsm drives, IEEE Trans. Ind. Appl, Vol. 31, No. 5, (May 2016), 3728-3737
• [16] M. Pacas and J. Weber, Predictive direct torque control for PM synchronous machine, IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 52, No. 5, (Oct. 2005), 1350-1356.
• [17] T. Gyer, G. Papafotiou and M. Morari, Model predictive direct torque control -partI: Concept, algorithm and analysis, IEEE Trans. Power Electron, Vol. 56, No. 6, (Jun. 2009), 1894-1905
• [18] H. Zhu, X. Xiao and Y. Li,Torque ripple reduction of the torque predictive control scheme for permanent magnet synchronous motor, IEEE Trans Ind. Electron., Vol. 59, No. 2, (Feb. 2012), 871-877
• [19] M. Preindl and S. Bolognani, Model predictive direct torque control with finite control set for PMSM drive systems, part 1: Maximum torque per ampere operation, IEEE Trans. Ind. Inf, Vol. 9, No. 4, (Nov. 2013), 1912-1921
• [20] Y. Zhang and J. Zhu, A novel duty cycle control strategy to reduce both torque and flux ripple for DTC of permanent magnet synchronous motor drives with switching frequency reduction, IEEE Trans. Power Electron, Vol. 26, No. 10, (Oct. 2011), 3055-3067
• [21] Y. Cho, K. B. Lee, M. Lin, J. H. Song and Y. I. Lee, Torqueripple minimization and fast dynamic scheme for torque predictive control of permanent-magnet synchronous motors, IEEE Trans. Power Electron., Vol. 30, No. 4, (Apr. 2015), 2182-2190
• [22] R. Ortega. G. E. Perez and A. Astolfi. Theory for the user and application examples of the passivity-base control for ac electric machine, IEEE International Symposium on Industrial Electronics, (2012), 758-763
• [23] H. Xue and Y. Wang. Passivity-based control of synchronous motor. IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Europe (ISGT Europe), Berlin, Germany, (2012), 1-5
• [24] R. Mocanu and A. Onea, Passivity Base Torque Control of PMSM used in Electrical Vehicles, International Conference on System Theory. Control and Computing (ICSTCC), Cheile Gradistei Romania, (2015), 803-810
• [25] J. Qui and G. Zhao, PMSM Control with Port-Controlled Hamiltonian Theory, First International Conference on Innovative Computing, Information and Control (ICICIC’06), Beijing, China, (2006), 275-278
• [26] X. Liu, H. Yu, J. Yu and Y. Zhao., A Novel Speed Control Method Based on Port-Controlled Hamiltonian and Disturbance Observer for PMSM Drives, IEEE Access, (2019), Vol. 7, 111115-1111123
• [27] Khalil K. H., Nonlinear System, Upper Saddle River, NJ, Prentice-Hall, 2002.
• [28] H. Yu and P. J. Antsaklis, A passivity measure of system in cascade based in passivity indices, IEEE Conference on Decision and Control, (Dec 2010), 2186-2191

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2025).