دانلود رایگان مقاله مدل پیش بینی کنترل شار درایو های موتور القایی

چکیده

         مدل های مرسوم پیش بینی کنترل گشتاور (MPTC) برای فاکتور وزن شار استاتور نیازمند تنظیم کار خسته کننده و زمان بر می باشند و تقریبا امواج گشتاوری بلندی را ارائه میدهد. برای حل این مشکلات این مقاله یک مدل پیشبینی کنترل شارMPFC) ( برای اداره و کنترل موتور القایی دو سویه اینورتر تغذیه پیشنهاد می کند. در  MPFC) ( پیشنهادی  منابع اندازه شار استاتور و گشتاور در مدل های مرسوم پیش بینی کنترل گشتاور به یک منبع معادل از بردار شار استاتور تبدیل شده اند. به عنوان تنها ردیابی خطا در بردار شار استاتور نیاز هست که در تابع هزینه استفاده از فاکتور وزن حذف شود . بردار و جهت ولتاژ بهینه بر اساس اصل به حداقل رساندن خطای شار استاتور انتخاب می شود و به سرعت بر روی بهینه سازی شده تعویض میشود به جای اینکه در شروع هر دوره کنترل انجام شود. (MPFC) پیشنهادی درصورت وجود یا عدم وجود تعویض سریع بهینه سازی شده در یک پردازنده سیگنال دیجیتال بی سیم 32بیتی اجرا می شوند و هر دوی آنها در جزئیاتی از جمله ریپل گشتاور ، هارمونیک های جریان و میانگین فرکانس سویچینگ با یکدیگر مقایسه میشوند. هر دو شبیه سازی دیجیتال و تست های تجربی بر روی موتور القایی دو سویه اینورتر تغذیه انجام شده اند و نتایج به دست آمده اعتبار موثر بودن روش پیشنهادی را تائیید می کند.

مقدمه

          برای عملکرد بالای کنترل درایو های موتور القایی (IM) ، کنترل مرکز گرا (FOC)  و کنترل گشتاور مستقیم (DTC) دو متد و روش به ثبت رسیده است.در FOC  نیرو های استاتور به مولفه گشتاور و مولفه شار در یک قاب همزمان تجزیه می شوند و به صورت جدا گانه توسط کنترلر های انتگرال متناسب (PI) تنظیم می شوند. یک بلوک مدولاسیون متعاقبا برای ساخت پالس های ورودی نهایی استفاده شده است. عملکرد خوب گشتاور و کنترل شار قابل دسترسی است اما نیازمند کار منظم خوب حلقه های جاری درونی است[4]. در DTC  مسیر ولتاژ مستقیما بر اساس یک جدول سوئیچینگ از قبل تعیین شده و دو مقایسه قبلی است . از ویژگی های آن پاسخ دینامیکی بسیار سریع و ساختار ساده می یاشد اما حالت پایدار بالای ریپل گشتاور و فرکانس سوئیچینگ متغیری را نشان میدهد[2] , [3] , [5].

        اخیرا مدل پیش بینی کنترل گشتاور (MPTC) توجه فزاینده ای در هردو مجمع آکادمیک و صنعتی به دست آورد که ناشی از مفهوم بصری ، انعطاف پذیری بالا ، اختلاط آسان محدودیت ها می باشد. توسعه میکروپروسسور های قدرتمند و سریع MPTC  را به یک واقعیت در کنترل موتور های القایی تبدیل کرده است و همچنین آن به عنوان یک جایگزین برای FOC مرسوم و DTC  در نظر گرفته می شود.در MPTC  تحولات گشتاور و شار استاتور بر اساس مدل سیستم پیش بینی می شوند و آنها برای رسیدن خروجی بهینه کنترلر مطابق با معیار بهینه سازی از پیش تعیین شده ارزیابی می شوند[7]. یک مدل پیشبینی صریح پهنای بان بالا در [11] که توسعه داده شده عملکرد دینامیکی بالایی در نقاط مختلف عملیاتی به نمایش می گذارد.در [12] یه پسماند مبتنی بر MPTC  برای کنترل موتور القایی اینورتر تغذیه سه سطح که در مقایسه با DTC استاندارد تا بیش از 50 % میانگین فرکانس سوئیچینگ را کاهش میدهد.برای به دست آوردن پیش بینی دقیق از متغیر حالت یک مدل مستقل از زمان با پارامتر هایی با زمان های متغیر در [6] توسعه داده شده و یک تابع هزینه شامل خطای گشتاور و شار استاتور برای تعیین جهت ولتاژ بهینه بررسی شده است.

         به رغم مفهوم بصری و پاسخ سریع برجسته در MPTC  برای کنترل متغیر های گشتاور و شار استاور واحد ها و دامنه های مختلفی وجود دارد ، یک فاکتور وزنی مناسب برای شار استاتور باید به گونه ای طراحی شود که عملکرد رضایتبخش دستیابی پیدا کند [6]-[9] . متاسفانه ، در حال حاضر تنظیم عامل وزن هنوز یک مشکل حل نشده باقی مانده است و اکثرا آن بر اساس روش های تجربی طراحی میشود که زمان بر و خسته کننده است. برای مقابله با این مشکل چندین مدل پیشنهاد شده است ، شامل بهینه سازی چند منظوره بر اساس روش یک روش رتبه بندی [8] ، بهنیه سازی فاکتور وزن بر مبنای به حداقل رساندن ریپل گشتاور [9]، استراتژِ تصمیم گیری فازی [13] و غیره . اگرچه این طرح ها در مواجهه با مشکلات تنظیم فاکتور وزن موثر بوده اند اما آنها معمولا پیچیده هستند. در درایو موتور های القایی دو سطح اینورتور تغذیه ، کنترل مشکلات معمولا  فقط برای متغیر های دو کنترله از جمله گشتاور و شار تنظیم و فرموله شده است.از این رو ممانعت از استفاده فاکتور وزن با بررسی رابطه ذاتی بین گشتاور و شار استاتور ممکن شده است که باید ساده تر از متد های پیشین باشد[8] ,[9] ,[13].

          در MPTC  رایج ، فقط یک جهت بردار انتخاب می شود و آن کاربردی نیست تا دوره کنترل بعدی ناشی از مکانیسم میکروپروسسور پیشرفته به روز رسانی شود. تک بردار یا جهت مبتنی بر  MPTC  وضعی را به وجود آورده که دستیابی به بعضی از عملکرد ها را محدود کرده است. برای رسیدن به عملکرد حالت پایدار بهتر  اخیرا ایده کنترل چرخه در MPTC  که بازه زمانی کنترل را  به دو فاصله تقسیم می کند: اولی برای بردار غیر صفر انتخابی از MPTC  و دیگری مناسب بردار صفر ، معرفی شده بود [9] , [14] . این متد دو تغییر در بردار ولتاژ ایجاد می کند ـ اولی در شروع دوره کنترل و دیگری در لحظه اعمال صفر بردار ، که نتیجه قابل توجهی در افزایش فرکانس سوئیچینگ دارد. در حقیقت اگر ما بردار ولتاژ انتخابی را به عنوان یک آزادی اضفی به سرعت اعمال کنیم این امکان هنوز وجود دارد که عملکرد حالت پایدار بهتر بشود اما تغییر بردار در ابتدای دوره کنترل می تواند لغو شده باشد از این رو میانگین فرکانس سوئیچینگ را زیاد افزایش نمی دهد . همانطور که گشتاور و شار استاتور هردو در تابع هزینه استفاده می شوند متد در [15]  هنوز از تنظیم فاکتور وزن برای شار استاتور رنج می برد.

          برای از بین بردن فاکتور وزن در MPTC  رایج این مقاله یک مدل پیش بینی کنترل شار (MPFC) ارئه می کند که منابع گشتاور و شار استاتور را به یک معادل بردار شار استاتور جدید تبدیل می کند. هر دو مولفه ی این بردار شار جدید همان واحد های قبلی را دارا میباشند و این بدیهی است که دیگر به فاکتور وزن نیازی نیست از این رو طراحی روش MPFC  در دستگاه و اپلیکیشن های واقعی بسیار ساده تر از MPTC می باشد [6] . متد های متنوعی برای رسیدن به ردیابی شار استاتور ارائه شدند از جمله [16] ,[17]  ، که خطلای شار به صورت همزمان و بدون فاصله با اصلاح فوری سویچینگ از پیش محاسبه شده توسط الگوی پالس بهینه هم زمان جبران می شود. روش  های در [16] و  [17]  بسیار پیچیده و دارای محسبات فشرده هستند و اساسا برای درایو های قدرت بالا با عملکرد در فرکانس پایین توسعه داده شده اند . در این مقاله MPFC  ارائه شده اساسا برای درایو های موتور القای دو سطح پایین و متوسط با پیچیدگی نسبتا کم کنترل توسعه داده شده است. در نوع اول فقط یک بردار ولتاژ در طول یک دوره کنترل اعمال شد در حالی که در نوع دوم تعدا آزادی از لحظه سویچینگ بردار ولتاژ برای دسترسی به عملکرد حالت پایدار به کار گرفته شد. تفاوت میان روش ارائه شده در [15]  ، که لحظه سوئیچینگ و انتخاب بردار بر اساس به اصل به حداقل رسانی ریپل گشتاور بهینه کرده و هنوز هم نیازمند فاکتور وزن برای شار استاتور می باشد ، MPFC ار ئه شده سعی در به حداقل رساندن ردیابی خطای شار استاتور دارد . به عنوان منبع جدید شار استاتور که مشتق شده از منابع گشتاور و شار استاتور است دقت و سرعت گشتاور هنوز هم در حالی که استفاده از فکتور وزن حذف شده است ضمین شده است. موثر بودن متد پیشنهادی توسط تست های تجربی به وسیله درایو های دوسطح موتو القایی اینورتور تغذیه تائید شده است.

2. مدل دینامیکی از موتور القایی (IM)

         با انتخاب شار استاتور s جریاان استاتور  به عنوان متغیر های حالت ، مدل موتور القایی میتواند در قاب ثابتی با استفاده از بردار های پیچیده همانند [14] ,[15] بیان شوند.   x˙ = Ax + Bu

       به هر حال دقت رابطه (1) به [19] محدود شده است . برای دسترسی به دقت بالاتر قضیه کایلی – همیلتون در [6]  برای محاسبه ماتریس نمایی محاسبه شده است که محاسباتی فشرده و پیچیده است . در این مقاله برای دست پیدا کردن به دقت پیش بینی شده در جریان استاتور و شار استاتور بدون افزایش زیاد بار محاسباتی از گسسته سازی مرتبه دوم اویلر که برای توصیف و تشخیص رابطه (1) که در [14],[20] هم ابراز شده ، استفاده شده است.

Abstract

         Conventional model-predictive torque control (MPTC) requires tedious and time-consuming tuning work for stator flux weighting factor, and presents relatively high torque ripples. To solve these problems, this paper proposes a modelpredictive flux control (MPFC) for two-level inverter-fed induction motor (IM) drives. The references of stator flux magnitude and torque in conventional MPTC are converted into an equivalent reference of stator flux vector in the proposed MPFC. As only the tracking error of stator flux vector is required in the cost function, the use of weighting factor is eliminated. The optimal voltage vector is selected based on the principle of stator flux error minimization and its switching instant is optimized rather than being in the beginning of each control period. The proposed MPFC with and without switching instant optimization are both implemented in a 32-bit floating digital signal processor, and they are compared in detail in terms of torque ripple, current harmonics, and average switching frequency. Both digital simulations and experimental tests were carried out on a two-level inverter-fed IM drive, and the obtained results validate the effectiveness of the proposed method.

I. INTRODUCTION

        FOR HIGH-PERFORMANCE control of induction motor (IM) drives, field-oriented control (FOC) and direct torque control (DTC) are two well-established methods [1]–[3]. In FOC, the stator currents are decomposed into torque component and flux component in synchronous frame, and they are regulated separately using proportional-integral (PI) controllers. A modulation block is subsequently utilized to generate the final gating pulses. Good performance of torque and flux control can be achieved, but it requires fine tuning work for the inner current loops [4]. In DTC, a voltage vector is directly selected based on a predefined switching table and two hysteresis comparators. It features very quick dynamic response and simple structure, but exhibits high steady-state torque ripple and variable switching frequency [2], [3], [5].

       Recently, model-predictive torque control (MPTC) has gained increasing attention in both academic and industrial communities due to its intuitive concept, high flexibility, and easy incorporation of constraints [6], [7]. The development of powerful and fast microprocessors makes MPTC a reality in the control of IM drives, and it has been considered as an effective alternative to conventional FOC and DTC [6], [8]–[12]. In MPTC, the evolutions of torque and stator flux are predicted based on system model, and they are evaluated to obtain optimal output of the controller according to a predefined optimization criterion [7]. A high-bandwidth explicit model-predictive controller in [11] is developed, exhibiting high dynamic performance at various operating points. In [12], a hysteresis-based MPTC is investigated for the control of a three-level inverter-fed IM drive, reducing the average switching frequency up to 50% compared to that of standard DTC. To obtain accurate prediction of the state variable, a precise discrete-time model with time-varying components is developed in [6], and a cost function consists of torque and stator flux error is evaluated to determine the optimal voltage vector.

         In spite of the intuitive concept and quick response featured by MPTC, as the control variables of torque and stator flux have different units and amplitudes, a proper weighting factor for stator flux must be designed in order to achieve satisfactory performance [6]–[9]. Unfortunately, currently, the tuning of weighting factor is still an open problem, and mostly, it is designed based on empirical procedures, which is time-consuming and tedious. To cope with this problem, several methods have been proposed, including multiobjective optimization based on a ranking approach [8], optimizing weighting factor based on minimization of torque ripple [9], fuzzy decision-making strategy [13], etc. Although these schemes are effective in tackling with the problem of weighting factor tuning, they are usually complicated. In two-level inverter-fed IM drives, the control problems are usually formulated only for two control variables, namely torque and flux. Hence, it is possible to eliminate the use of weighting factor by investigating the inherent relationship between torque and stator flux, which should be simpler than prior methods [8], [9], [13].

         In conventional MPTC, only one voltage vector is selected and it is not applied until the next control period due to the updating mechanism of modern microprocessors. The single-vectorbased MPTC poses some limitations on the achievable performance. To obtain better steady-state performance, recently, the concept of duty cycle control was introduced in MPTC by dividing the control period into two intervals: one for the nonzero vector selected from MPTC and another for an appropriate zero vector [9], [14]. This method produces two changes of voltage vectors: one at the beginning of control period and the other at the instant of applying zero vector, resulting significant increase in the switching frequency. In fact, if we take the instant applying the selected voltage vector as an extra freedom, it is still possible to improve the steady state performance [15], but the vector change at the beginning of control period can be abolished, hence not increasing the average switching frequency too much. As both torque and stator flux are used in the cost function, the method in [15] still suffers from the weighting factor tuning for stator flux.

         To eliminate the weighting factor in conventional MPTC, this paper proposes a model-predictive flux control (MPFC) which translates the references of torque and stator flux into an equivalent new stator flux vector. As both components of this new flux vector have the same unit, it is evident that the weighting factor is no longer required; hence, the design procedure of MPFC in real applications is much simpler than that of MPTC [6]. Various methods have been proposed to achieve stator flux tracking, such as [16], [17], where the flux error is compensated in real time by modifying the precalculated switching instants of the optimal synchronous pulse pattern. The methods in [16] and [17] are very complicated and computational intensive, and they are mainly developed for high-power drives operating at very low switching frequency. In this paper, the proposed MPFC is mainly developed for low and medium two-level IM drives with relatively low control complexity. Two variants of MPFC are investigated in this paper. In the first variant, only one voltage vector is applied during one control period, while in the second variant, the freedom of switching instant of the selected voltage vector is employed to achieve better steady-state performance. Different from the scheme proposed in [15], which optimizes the switching instant and vector selection based on the principle of torque ripple minimization and stills requires the weighing factor for stator flux, the proposed MPFC tries to minimizing the tracking error of stator flux vector. As the new stator flux reference is equivalently converted from both torque and stator flux references, accurate and fast torque control can still be ensured while eliminating the use of weighting factors. The effectiveness of the proposed method is confirmed by experimental tests carried out on two-level inverter-fed IM drives.

II. DYNAMIC MODEL OF IM

        By choosing stator flux ψs and stator current is as state variables, the model of IM can be expressed in stationary frame using complex vectors as [14], [18]   x˙ = Ax + Bu

        The value of stator current and stator flux at the next control instant can be predicted using (1). The most simple and popular method to discretize (1) is the first-order Euler method. However, its accuracy is relatively limited [19]. To achieve higher accuracy, the Cayley–Hamilton theorem is utilized in [6] to calculate the matrix exponential, which is computational intensive and complicated. In this paper, to achieve accurate prediction of stator current and stator flux while not increasing the computational burden too much, second-order Euler discretization is selected to discretize (1), which is expressed as [14], [20]

چکیده

1. مقدمه

2. مدل دینامیکی از موتور القایی (IM)

3. MPTC مرسوم 

.A ارزیابی حالت 

.B انتخاب بردار 

4. MPFC پیشنهادی 

.A اصل عمومی MPFC

.B MPFC  بهبود یافته توسط بهینه سازی سوئیچینگ لحظه ای 

5. نتایج شبیه سازی و آزمایش تجربی

.A نتایج شبیه سازی

.B نتایج تجربی 

6. نتیجه

منابع

Abstract

1. INTRODUCTION

2. DYNAMIC MODEL OF IM

3. CONVENTIONAL MPTC

A. State Estimation

B. Vector Selection

4. PROPOSED MPFC

A. Principle of Basic MPFC

B. Improved MPFC With Switching Instant Optimization

5. SIMULATION AND EXPERIMENTAL RESULTS

A. Simulation Results

B. Experimental Results

6. CONCLUSION

REFERENCES