Review of Anti-Windup strategies for PI speed controllers in Field Oriented Control of Permanent Magnet Synchronous Machines

• Autorzy: Espina J. , Arias A. , Balcells J. , Ortega C.

Warianty tytułu

PL

Przegląd strategii sterowania typu "anti-windup" dla regulatorów prędkości typu PI w sterowaniu polowo zorientowanym maszyn synchronicznych z magnesami stałymi

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The work presented in this paper addresses the unwanted windup phenomenon reviewing and comparing different PI anti-windup strategies employed in speed control of electric drives. The tuning process of PI controllers is usually carried out considering the system as linear and therefore disregarding its physical limits such as maximum current and voltage. To safeguard the system's integrity, the PI output is normally limited eventually causing the windup phenomenon characterized by long periods of overshoots which may even result in instability. Firstly, this paper models and tunes the current and speed PI controllers with the root locus method for Field Oriented Control of a Permanent Magnet Synchronous Machines. Secondly, it is shown the mentioned unwanted Windup phenomenon in the speed loop. Finally, the Anti-Windup strategies are simulated and their behavior are compared when driving a Permanent Magnet Synchronous Machine with Field Oriented Control. Finally, some experimental results obtained from a PMSM Matrix Converter-fed set up have been carried out. These results corroborate the mathematical study and simulations presented all over this paper.

PL

Artykuł dotyczy niepożądanego efektu "windup" (wzrost amplitudy sygnału wyjściowego regulatora całkującego, wynikający z nasycenia elementu wykonawczego), przedstawionego na tle różnych strategii "anti-windup" dla regulatora PI prędkości obrotowej silników elektrycznych. Podczas strojenia, regulator PI jest zazwyczaj traktowany jako liniowy, z pominięciem fizycznych ograniczeń takich jak maksymalny prąd i napięcie, natomiast, w praktyce efekt "windup" zwiększa czas przeregulowania, co może skutkować niestabilnością systemu. W artykule pokazano modele i nastawy regulatorów PI prądu i prędkości z zastosowaniem metody Evansa dla sterowania polowo zorientowanego maszyn synchronicznych z magnesami stałymi. Opisano również efekt "windup" w pętli sprzężenia prędkościowego oraz przedstawiono i porównano wyniki badań symulacyjnych dla różnych strategii "anti-windup", a także wybrane wyniki eksperymentalne dla przypadku zasilania PMSM z przekształtnika matrycowego. Uzyskane wyniki laboratoryjne potwierdzają opis matematyczny i wyniki badań symulacyjnych.

Słowa kluczowe

EN

anti-windup; SVM; permanent magnet synchronous machine; PI

PL

modulacja wektorowa; silniki synchroniczne; regulator PI; magnesy trwałe

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2009
• Tom: R. 85, nr 10
• Strony: 262--266
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Espina J.

autor

Arias A.

autor

Balcells J.

autor

Ortega C.

• Deparment of Electronics Engineering, Universitat Polit?cnica de Catalunya, c/ Colom, 1, 08222 Terrassa (Catalonia) SPAIN,

Bibliografia

• [1] [1] Bimal K. Bose, “Modern Power Electronics and AC Drivers,” Penitence Hall PTR, 2001.
• [2] Richard M. Crowder, ”Electric Drives and their Controls,” Clarendon Press, Oxford, 1995.
• [3] T.J.E. Miller, “Brushless Permanent-Magnet and Reluctance Motor Drives,” Clarendon Press, Oxford, 1989.
• [4] M. Aten, C. Whiltely, P. W. Wheeler, J. C. Clare, K. J. Bradley, and G. Towers, “Dynamic performance of a matrix converter driven electro-mechanical actuator for an aircraft rudder,” in Proc. IEE PEVD Conf., Edinburgh, U.K. (2004), pp.464-468.
• [5] C. Klumpner, P Nielsen, I. Boldea, and F. Blaabjerg, “A new matrix converter (MCM) for industry applications,“ IEEE Trans. on Ind. Electronics, vol. 49 (2002), no.2, pp.325-335.
• [6] Karl J. Åström, Tore Hägglund, PID Controllers: Theory, Design, and Tuning. Instrument Society of America, 1995.
• [7] K. Ogata, “Modern Control Engineering,” Penitence Hall PTR, 2001.
• [8] Yu-Sheng Lu, “Non-overshooting PI control of variable-speed motor drives with sliding perturbation observers,” ELSEVIER, Mechatronics. vol.15 (2005), pp.1143-1158.
• [9] Jong-Woo Choi, Sang-Cheol Lee, “Antiwindup Strategy for-Type Speed Controller,” IEEE Trans. on Ind. Electronics, vol.56 (2009). no.6.
• [10] C. Bohn, D.P Atherton, “A Simulink package for comparative studies of PID Anti-windup Strategies,” IEEE/IFAC joint Symposium, 1994.
• [11] K. Ohishi, E. Hayasaka, “High.Performance Speed Servo System Considering Voltge Saturation of a Vector-Controlled Induction Motor,” IEEE Trans. on Ind. Electronics, vol.53 (2006), no.3.
• [12] P. March, M. Turner, “Anti-windup Compensator Designs for Permanent Magnet Synchronous Motor Speed Regulation,” The IEEE Int. Electric Machines & Drives Conference, IEMDC’2007, vol. 1 (2007), Antalaya.
• [13] Xiaofeng Xu, “´Design of Current Control of Fully Integrated Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor Drive Servo Actuators,” EPE’2005 Conference, Dresden (2005), pp.9.
• [14] Hwi-Beom Shin, “New Antiwindup PI Controller for Variable-Speed Motor Drives,” IEEE Trans. on Ind. Electronics, vol.45 (1998). no.3.
• [15] Zhang Jinggang, Chen Zhimei, “A New Antiwindup Speed Controller for Induction Motor Drive System,” Int. Conf. ICEMS, vol.2, 2001.
• [16] Z. Krzeminski, “Speed observers based on extended models of induction motor,” Przeglad Elektrotechniczny, vol.85 (2009), nr.7, pp.141-147.
• [17] Xie Dongmei, “Design of H Feedback Controller and IP-Position Controller of PMSM Servo System,” The IEEE Int. Conference on Mechatronics & Automation, Niagara Falls , vol.2 (2005), pp 578-583.
• [18] J. Kolar, T. Friedli, F. Krismer, S. Round, “The essence of three phase AC/AC converter system,” Przeglad Elektrotechniczny, vol.84 (2008), nr.9, pp 14-29.
• [19] I. Shapoval, J. Clare, E. Chekhet, “Experimental Evaluation of the Variable Speed Doubly-Fed Induction Machine with Matrix Converter,” Przeglad Elektrotechniczny, vol.85 (2009), nr 07, pp.115-119.