SUPERVISOR
Mohsen Mojiri foroshani,Sayed Morteza Saghaian nejad esfahani
محسن مجیری فروشانی (استاد مشاور) سیدمرتضی سقائیان نژاداصفهانی (استاد راهنما)
STUDENT
Gholamreza Lalezar
غلامرضا لاله زار
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1394
TITLE
Torque and Flux Ripples reducing in Improved Direct Torque Control of Permanent Magnet Synchronous Motors
Permanent magnet synchronous motors due to their features such as high efficiency, good power density, high torque to inertia ratio, high reliability, controllability and structure simplicity are widely used in industrial applications such as machine tool industry, servo motor, robot, watch, scanner and etc. Proper control is important in this type of the motors since in most applications requires precise control with high quality and with minimum output ripples. One of the most recently proposed methods applied in motor control is the model predictive current control. From among all these methods, the applying of current variables has a faster dynamics response and fewer calculations. Because this method does not require flux and torque estimating, the control variable (current) is measured directly. Also, in this method, it is not necessary to determine and adjust the weighting factor in the cost function. Apart from the advantages of the mentioned method, the adjacency of the vertical axis with each of the voltage vectors leads to current axis accumulation phenomenon in this method, where increases the current ripples and consequently reduces the torque quality. In this thesis, two methods based on the improved model predictive along with duty cycle control have been proposed in order to improve the torque and electrical flux quality. In the first proposed method, the control cycle is divided into two-time interval, where one voltage vector is applied to the motor in each time interval. Here the first voltage vector has a non-zero value and is selected by the cost function. Also, the second voltage vector is used to suppress the current accumulation phenomenon and reduces current ripples. From the simulation and experimental results, it can be concluded that the first proposed method in the steady state has advantages in compared with the previous methods. Thus by applying the first proposed method, the torque and flux have less ripples and the current quality has improved in comparison to the other two methods. However, despite these advantages, it is clear from the results, in the transient state, the dynamic speed of the response is slow in comparison to the other two methods if the proposed method is applied. High switching frequency is another disadvantage of the first proposed method. In order to improve the defects of the first proposed method, the second proposed method consists of three control techniques is proposed with the aim of increasing the output quality in the steady state and to improve the dynamic response in the transient state. Here, the transient state is distinguished from the steady state by appalling a mathematical relation, and depending on this state, an appropriate control technique is applied. These control techniques differ from each other in terms of selecting voltage vectors and calculating the duration of the voltage vector application. In the transient state, the control technique is designed to move the output value closer to the reference value in the fastest possible time. In the steady state, two other control techniques have been proposed to improve the torque and electrical flux quality. The proposed methods performance are evaluated by MATLAB software and practical implementation. The simulation and experimental results show that the drive performance improves torque, flux and THD compared to previous methods in steady state. These results also show that by using the second proposed method, the dynamic speed response in transient state has not weakened significantly compared to conventional methods. Keywords: Permanent magnet synchronous motor, Variable speed drives, Torque and flux
موتورهای سنکرون مغناطیس دائم به واسطهی خصوصیاتی همچون بازدهی بالا، چگالی توان مناسب، نسبت گشتاور به اینرسی زیاد، قابلیت اطمینان بالا، کنترلپذیری و سادگی ساختار به طور وسیعی در کاربردهای صنعتی نظیر صنایع ماشین ابزار، سرو موتور، ربات، ساعت، اسکنر و مواردی دیگر استفاده میشوند. از آنجا که در اغلب کاربردهای ذکر شده، نیاز به کنترل دقیق به همراه کیفیت بالا و با حداقل نوسانات خروجی میباشد لذا کنترل مناسب در این نوع موتور اهمیت زیادی دارد. از دسته روشهای که اخیرا به منظور کنترل موتور پیشنهاد شده، کنترل به روش مدل پیشبین جریان میباشد. در این روش نیاز به تخمین شار و گشتاور نبوده و متغیر کنترلی (جریان) به صورت مستقیم اندازه گیری میشود. همچنین در این روش نیاز به تعیین و تنظیم ضریب وزنی تابع هدف نمیباشد. علیرغم مزایای موجود در روش کنترل جریان پیشبین مدل، همسایگی بردار عمودی جریان محور روتور با هریک از بردارهای ولتاژ باعث ایجاد پدیدهی جمعشدگی جریان در این روش میشود که این پدیده باعث افزایش نوسانات جریان و به تبع آن کاهش کیفیت گشتاور میگردد. در این رساله به منظور بهبود کیفیت گشتاور و شار الکتریکی و سرکوب پدیدهی جمعشدگی جریان، دو روش مبتنی بر مدل پیشبین بهبودیافتهی جریان به همراه کنترل سیکل وظیفه پیشنهاد شده است. در روش پیشنهادی اول سیکل کنترل به دو بخش تقسیم میشود و در هر بخش یک بردار ولتاژ مجزا به موتور اعمال میگردد. به طوریکه بردار ولتاژ اول دارای یک مقدار غیرصفر بوده و توسط تابع هدف انتخاب میشود. همچنین بردار ولتاژ دوم با هدف سرکوب پدیدهی جمعشدگی جریان به کار گرفته شده و باعث کاهش نوسانات جریانی میگردد. از نتایج شبیهسازی و تجربی میتوان اینگونه نتیجهگیری کرد که روش پیشنهادی اول درحالت دائم دارای برتریهایی نسبت به روشهای قبلی میباشد. به طوریکه با به کارگیری این روش، گشتاور و شار دارای نوسانات کمتری بوده و کیفیت جریان در مقایسه با دو روش دیگر بهبود پیدا کرده است. اما علیرغم این مزایا، سرعت دینامیکی پاسخ در صورت به کارگیری این روش نسبت به دو روش دیگر در حالت گذرا کندتر میباشد. از عیوب دیگر این روش فرکانس کلیدزنی بالا میباشد. به منظور رفع نقایص روش پیشنهادی اول، روش پیشنهادی دوم مشتمل بر سه تکنیک کنترلی با هدف افزایش کیفیت خروجی در حالت ماندگار و به منظور بهبود پاسخ دینامیکی در حالت گذرا پیشنهاد شده است. در اینجا حالت گذرا با استفاده از رابطهی ریاضی از حالت پایدار متمایز شده و وابسته به این حالت، تکنیک کنترلی مقتضی اعمال میگردد. این تکنیکهای کنترلی از نقطه نظر انتخاب بردارهای ولتاژ و محاسبه ی مدت زمان اعمال بردار ولتاژ با یکدیگر تفاوت دارند. در حالت گذرا تکنیک کنترلی با هدف نزدیکتر کردن مقدار خروجی به مقدار مرجع در سریعترین زمان ممکن طراحی شده است. در حالت پایدار دو تکنیک کنترلی دیگر با هدف بهبود کیفیت گشتاور و شار پیشنهاد شده است. چگونگی عملکرد روشهای پیشنهادی توسط نرمافزار متلب و پیادهسازی عملی مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج شبیهسازی و تجربی حاکی از بهبود عملکرد درایو از نقطهنظر کیفیت پاسخ گشتاور، شار و THD جریان نسبت به روشهای قبلی در حالت کار پایدار میباشد. همچنین این نتایج نشان میدهند که با بهکارگیری روش پیشنهادی دوم، بهبود کیفیت پاسخ خروجی در حالت پایدار منجر به کاهش سرعت عملکرد درایو در حالت گذرا نشده است. واژههای کلیدی: موتور سنکرون مغناطیس دائم، درایو سرعت متغیر، نوسانات شار و گشتاور، کنترل جریان پیشبین مدل.