Maximum torque-per-Amp control for traction IM drives: theory and experimental results

A novel maximum torque per Ampere (MTPA) controller for induction motor (IM) drives is presented. It is shown to be highly suited to applications that do not demand an extremely fast dynamic response, for example electric vehicle drives. The proposed MTPA field oriented controller guarantees asymptotic torque (speed) tracking of smooth reference trajectories and maximises the torque per Ampere ratio when the developed torque is constant or slow varying. An output-feedback linearizing concept is employed for the design of torque and flux subsystems to compensate for the torque-dependent flux variations required to satisfy the MTPA condition. As a first step, a linear approximation of the IM magnetic system is considered. Then, based on a standard saturated IM model, the nonlinear static MTPA relationships for the rotor flux are derived as a function of the desired torque, and a modified torque-flux controller for the saturated machine is developed. The flux reference calculation method to achieve simultaneously an asymptotic field orientation, torque-flux decoupling and MTPA optimization in steady state is proposed. The method guarantees singularity-free operation and can be used as means to improve stator current transients. Experimental tests prove the accuracy of the control over a full torque range and show successful compensation of the magnetizing inductance variations caused by saturation. The proposed MTPA control algorithm also demonstrates a decoupling of the torque (speed) and flux dynamics to ensure asymptotic torque tracking. In addition, a higher torque per Ampere ratio is achieved together with an improved efficiency of electromechanical energy conversion

Maximum torque-per-amp tracking control of saturated induction motors

An improved maximum torque per Ampere (MTPA) controller for induction motor (IM) drives is presented. The proposed MTPA field oriented controller guarantees asymptotic torque tracking of smooth reference trajectories and maximises the torque per Ampere ratio when the developed torque is constant or slow varying. Due to use closed loop flux observer and high-gain PI controllers for both stator current components the proposed solution provides improved robustness with respect to parameters variations and inverter non-idealities. Experimental tests prove the accuracy of the proposed control over a full torque range. In addition, a higher torque per Ampere ratio is achieved together with an improved efficiency of electromechanical energy conversion

Dynamic output feedback linearizing control of saturated induction motors with torque per ampere ratio maximization

The paper presents a novel maximum torque per Ampere (MTA) controller for induction motor (IM) drives. The proposed controller exploits the concept of direct (observer based) field orientation and guarantees asymptotic torque tracking of smooth reference trajectories and maximizes the torque per Ampere ratio when the developed torque is constant or slowly varying. A dynamic output-feedback linearizing technique is employed for the torque subsystem design. In order to improve torque tracking accuracy a motor magnetizing curve is taken into account during MTA optimization and controller design. The achieved steady-state system efficiency have been compared experimentally for three types of controllers, namely: standard vector control with constant flux operation, controller based on classic maximization of torque per Ampere ratio for linear magnetic circuit and controller based on MTA strategy for saturated induction motor. It is shown experimentally that the controller designed for saturated induction motor provides not only higher torque per Ampere ratio but also increases power factor and reduces active power consumption hence improving the drive efficiency. Operation with slowly varying torque references has also been analysed. It is shown that the proposed controller is suitable for applications that do not demand an extremely fast dynamic response, for example for electric vehicle drives

Indirect field-oriented torque control of induction motors with maximum torque per ampere ratio

В даній статті представлено нові теоретичні та експериментальні результати в галузі векторного керування асинхронними двигунами. Розроблено новий алгоритм непрямого струмового векторного керування моментом асинхронного двигуна, який гарантує максимальне співвідношення момент-струм в усталених режимах роботи. Запро-понований алгоритм забезпечує достатньо високі динамічні показники регулювання моменту, що підтверджено результатами математичного моделювання та експериментальних досліджень.The paper reports new theoretical and experimental results in vector control of induction motors. A novel indirect field-oriented torque tracking controller is designed for current fed induction machine, which guarantees maximal torque per Ampere ratio during steady state. The proposed controller assures quite fast dynamics in the torque response. Results of simulation and experimental tests illustrate important features of the control proposed.В этой статье представлены новые теоретические и экспериментальные результаты в области векторного управления асинхронными двигателями. Разработан новый алгоритм непрямого токового векторного управления моментом асинхронного двигателя, который гарантирует максимум соотношения момент-ток в установившихся режимах работы. Предложенный алгоритм обеспечивает достаточно высокие показатели качества регулирования момента, что подтверждено результатами математического моделирования и экспериментальными исследованиями

Robust indirect field oriented control of induction generator

The paper presents a novel robust field oriented vector control for induction generators. The proposed controller exploits the concept of indirect field orientation and guarantees asymptotic DC-link voltage regulations when DC-load is constant or slowly varying. An output-feedback linearizing Lyapunov’s based technique is employed for the voltage controller design. Flux subsystem design provides robustness with respect to rotor resistance variations. Decomposition of the voltage and current-flux subsystems, based on the two-time scale separation, allows to use a simple controllers tuning procedure. Results of comparative experimental study with standard indirect field oriented control are presented. It is shown that in contrast to existing solutions designed controller provides system performances stabilization when speed and flux are varying. Experimentally shown that robust field oriented controller ensures robust flux regulation and robust stabilization of the torque current dynamics leading to improved energy efficiency of the electromechanical conversion process. Proposed controller is suitable for energy generation systems with variable speed operation

Dynamic performances of the shunt active power filter control system

Гармонічні спотворення в електричних мережах є добре відомими та достатньо вивченими явищами. Силовий активний фільтр визнано ефективним засобом для задоволення вимог нормативних документів, що регулюють якість електроенергії. Незважаючи на цей факт, їхня практична реалізація досі пов’язана зі значними складностями. Зокрема, в існуючих системах для оцінювання гармонічного складу струму мережі, як правило, використовуються методи на основі швидкого перетворення Фур’є або методи на основі теорії миттєвої потужності. Проте використання швидкого перетворення Фур’є вимагає високої обчислювальної здатності системи керування з однієї сторони, а застосування теорії миттєвої потужності значно підвищує вимоги до силової частини активного фільтра. Застосування іншого підходу – селективної компенсації гармонік, дає можливість зменшити вимоги до обчислювальної потужності та значно спростити технічну реалізацію активного фільтра і при цьому досягти прийнятного рівня компенсації спотворень. В статті представлено результати розробки та дослідження системи керування силовим активним фільтром. Запропонована система керування складається із селективного спостерігача гармонік, лінеаризуючого зворотним зв’язком регулятора струмів, регулятора напруги ланки постійного струму фільтра та спостерігача напруги мережі. Спостерігач гармонік, який налаштовано відповідно до спрощеної процедури, забезпечує селективне виявлення вищих гармонік струму мережі та формує завдання на струм компенсації, яке відпрацьовується регуляторами струмів. Нелінійний регулятор напруги забезпечує асимптотичне регулювання середнього значення напруги ланки постійного струму САФ, розв’язане з процесом компенсації струмів. Адаптивний спостерігач напруги мережі надає інформацію про амплітуду, частоту обертання та положення вектора напруги мережі. Запропоновану систему керування реалізовано на цифровому сигнальному процесорі TMS320F28335 та досліджено експериментально. Результати експериментальних досліджень разом із результатами моделювання підтверджують ефективність запропонованого рішення. Розроблена система керування може бути використаною для реалізації силових активних фільтрів.Harmonic pollution of the electrical mains is well known and well-studied phenomena. Active power filter being a powerful tool to meet the requirements of regulatory documents regulating the electricity quality. Despite this fact, practical implementation of the active power filter is still connected with significant difficulties. In particular, existing systems typically use fast Fourier transform methods or instantaneous power theory to estimate the harmonic composition of the mains current. However, the use of fast Fourier transform requires high computing power of the control system, and the implementation of the theory of instantaneous power significantly increases the requirements for the power part of the active filter. The application of another approach - selective compensation of harmonics, makes it possible to reduce computational requirements and significantly simplify the technical implementation of the active filter and at the same time to achieve an acceptable level of distortion compensation. In this paper, the shunt active power filter control system is designed and investigated. Proposed control system consist of selective harmonics observer, feedback-linearizing current controller, dc-link controller and mains voltage observer. Harmonics observer is tuned according to simplified approach, provides selective estimation of the load current harmonics and produce the compensation current reference for the current controller. Nonlinear dc-link voltage controller guarantees decoupled from current compensation process asymptotic regulation of the average dc-link voltage. Mains voltage vector adaptive observer provides magnitude, angular position and frequency estimation. Proposed control system is implemented on digital signal processor TMS320F28335 end verified experimentally. Results of experimental investigations together with results of simulations confirm effectiveness of proposed solution. Developed control system can be used for shunt active filters implementation.Гармонические искажения в электрических сетях – хорошо известные и достаточно изученные явления. Силовой активный фильтр признано эффективным средством для удовлетворения требований нормативных документов, регулирующих качество электроэнергии. Несмотря на этот факт, их практическая реализация все еще связана со значительными сложностями. В частности, в существующих системах для оценки гармонического состава тока сети, как правило, используются методы на основе быстрого преобразования Фурье или методы на основе теории мгновенной мощности. Однако использование быстрого преобразования Фурье требует высокой вычислительной способности системы управления с одной стороны, а применение теории мгновенной мощности значительно повышает требования к силовой части активного фильтра. Применение другого подхода - селективной компенсации гармоник, дает возможность уменьшить требования к вычислительной мощности и значительно упростить техническую реализацию активного фильтра и при этом достичь приемлемого уровня компенсации искажений. В статье представлены результаты разработки и исследования системы управления силовым активным фильтром. Предложенная система управления состоит из селективного наблюдателя гармоник, линеаризующего обратной связью регулятора токов, регулятора напряжения звена постоянного тока фильтра и наблюдателя напряжения. Наблюдатель гармоник, который настроен в соответствии с упрощенной процедурой, обеспечивает селективное обнаружение высших гармоник тока сети и формирует задания на ток компенсации, которое отрабатывается регуляторами токов. Нелинейный регулятор напряжения обеспечивает асимптотическое регулирования среднего значения напряжения звена постоянного тока САФ, развязанное от процесса компенсации токов. Адаптивный наблюдатель напряжения сети предоставляет информацию об амплитуде, частоте вращения и положении вектора напряжения. Предложенную систему управления реализовано на цифровом сигнальном процессоре TMS320F28335 и исследовано экспериментально. Результаты экспериментальных исследований вместе с результатами моделирования подтверждают эффективность предложенного решения. Разработанная система управления может быть использована для реализации силовых активных фильтров

Dynamic output feedback linearizing control of saturated induction motors with torque per ampere ratio maximization

The paper presents a novel maximum torque per Ampere (MTA) controller for induction motor (IM) drives. The proposed controller exploits the concept of direct (observer based) field orientation and guarantees asymptotic torque tracking of smooth reference trajectories and maximizes the torque per Ampere ratio when the developed torque is constant or slowly varying. A dynamic output-feedback linearizing technique is employed for the torque subsystem design. In order to improve torque tracking accuracy a motor magnetizing curve is taken into account during MTA optimization and controller design. The achieved steady-state system efficiency have been compared experimentally for three types of controllers, namely: standard vector control with constant flux operation, controller based on classic maximization of torque per Ampere ratio for linear magnetic circuit and controller based on MTA strategy for saturated induction motor. It is shown experimentally that the controller designed for saturated induction motor provides not only higher torque per Ampere ratio but also increases power factor and reduces active power consumption hence improving the drive efficiency. Operation with slowly varying torque references has also been analysed. It is shown that the proposed controller is suitable for applications that do not demand an extremely fast dynamic response, for example for electric vehicle drives

Vector control of induction motor drives using matrix converter

A new development of vector control for induction motor drives using matrix converter is presented. The proposed new direct field-oriented controller permits to achieve asymptotic speed and flux tracking in presence of unknown load torque. A new combined SVPWM and matrix converter switches communication strategy is proposed. The results of simulation and experimental tests confirm the high dynamic performance of the induction motor drive