Direct Torque Control of IPMSM to Improve Torque ripple and Efficiency based on Fuzzy Controller

Document Type : Research Article

Authors

Department of electrical engineering, Faculty of Engineering, University of Isfahan, Isfahan, Iran

Abstract

In this paper, a stator-flux-reference frame control method is proposed in order to control the speed and torque of an Interior Permanent Magnet Synchronous Machine (IPMSM) in different loads condition. Direct Torque Control method (DTC) based on Space Vector Modulation (SVM) is used for control of IPMSM. In the proposed control method, conventional PI controller is used for controlling the stator flux, and torque of the motor. Also, a fuzzy controller is considered to improve the dynamic performance of DTC technique for speed control. In comparison to the conventional reference flux controller methods, this method, in addition, improves the torque profile of the motor drive. Moreover, it reduces copper losses. Simulation results for a 240V, 120A, 2500rpm, IPMSM confirm the appropriate performances of the method.

Keywords

Full Text

، مغناطیس دائم در این حالت تحت فشار کمتری قرار دارد، مناسبتر است. یک راه حل برای ایجاد جریان­های مناسب در DTC این است که برای گشتاور صفر داشته باشیم ( )(نقطه  در شکل(4))، که جریان صفر ( ) را برای گشتاور صفر تضمین می­کند، و سپس شار مرجع همراه با افزایش گشتاور مرجع افزایش یابد. از طرف دیگر، به منظور پاسخ‌دهی سریع گشتاور، هنگامی که ماشین زیر یک بار سنگین قرار دارد و یا در ناحیه تضعیف شار است، کنترل به سمت شار استاتور صفر در گشتاور صفر حرکت می­کند (نقطه  در شکل (4)).

 

شکل (4): منحنی گشتاور-شار  از صفر تا سرعت پایه [12]

پس:

(11)

  

 

هنگامی که ماکزیمم گشتاور بر حسب سرعت مورد نیاز باشد، خواهیم داشت:

(12)

  

(13)

  

 

که به ترتیب زیر تعیین می گردد:

(14)

  

 

 سرعت پایه،  ولتاژ استاتور در سرعت پایه است. برای گشتاور مرجع داده شده، شار مرجع محور q و جریان محور d محاسبه می­شود و از این مقادیر  و  محاسبه می­گردد.

(15)

  

(16)

  

 

ساختار شار مرجع پیشنهادی که بر اساس معادلات (11 تا 16) طراحی شده، در شکل (5) نشان داده شده است.

 

 

 

شکل (5): شار مرجع استاتور IPMSM

 

 

1-1- کنترل کننده فازی

عملکرد دینامیکی PI سرعت در روش شرح داده شده در بخش (3)، به خصوص در مواقع اعمال گشتاور بار، تا حدودی کند است؛ بنابراین به منظور بهبود عملکرد دینامیکی سرعت یک کنترل کننده فازی جایگزین PI در حلقه سرعت می­گردد.

کنترل کننده فازی دارای دو ورودی خطا  و تغییرات خطا  است. توابع عضویت برای این کنترل کننده به صورت توابع مثلثی و در فاصله 3- تا 3 در نظر گرفته شده است. این توابع عضویت برای هر سه مولفه خطا، تغییرات خطا و خروجی(u) به صورت شکل (6) در نظر گرفته شده است.

 

شکل (6):توابع عضویت فازی برای e,de,u

در این مقاله 7 تابع عضویت استفاده شده که به صورت:

NB (Negative Big), NM (Negative Medium), NS (Negative Small), Z (Zero), PS (Positive Small), PM (Positive Medium), PB (Positive Big)

نام گذاری شده اند. قوانین فازی مورد استفاده در این مقاله در جدول (1) آمده است:

جدول (1): قوانین فازی

 

PB

PM

PS

Z

NS

NM

NB

PB

Z

Z

Z

PB

PM

Z

Z

PM

Z

Z

Z

PM

Z

Z

Z

PS

Z

Z

Z

PS

Z

Z

NM

Z

PB

PM

PS

Z

NS

NM

NB

NS

PM

Z

Z

NS

Z

Z

Z

NM

Z

Z

Z

NM

Z

Z

Z

NB

Z

Z

NM

NB

Z

Z

Z

 

2- شبیه سازی

برای بررسی کارایی روش پیشنهادی و مقایسه آن با روش متداول، از نرم افزار Matlab/simulink استفاده شده است. پارامترهای IPMSM بکار رفته، در جدول شماره (2) آمده است.

جدول (2): پارامترهای ماشین IPMSM

3

تعداد جفت قطب ها                        

Ωm5/29

مقاومت استاتور                              

Wb 07/0

شار پیوندی مغناطیس دائم           

μH375

اندوکتانس محور                           

μH835

اندوکتانس محور                              

V 240

ولتاژ فاز نامی                                   

A 120

جریان فاز نامی                                 

rpm 2500

سرعت پایه                                   

Nm 30

گشتاور نامی                                    

 

با توجه به مطالب ذکر شده در بخش 5-1 و به منظور رسیدن به کنترل پایدار، مقدار شار پیوندی استاتور نامی ( ) بنابر معادله (9) به صورت زیر است:

 

در مدل شبیه سازی شده، زمان نمونه برداری SVM رویμs 5 تنظیم شده است. شکل­های (7تا12) عملکرد دینامیکی دو روش متداول و پیشنهادی را نسبت به سرعت مرجع مشخص شده در شکل(7) نشان می دهند:

 

 

شکل (7): پاسخ دینامیکی سرعت در روش متداول

 

 

شکل (8): پاسخ دینامیکی سرعت در روش پیشنهادی

 

در حالی که در ثانیه 3/0 گشتاور Nm 15 (نصف گشتاور نامی) به موتور اعمال می­شود و موتور در ثانیه 9/0 زیر گشتاور نامی (Nm 30) قرار می­گیرد. با مقایسه شکل (7) و (8) مشاهده می­شود در روش پیشنهادی، پاسخ سرعت به خصوص در لحظه‌ای که موتور زیر بار قرار می‌گیرد، با نوسان کمتری همراه است. پاسخ گشتاور دو روش در شکل­های (9) و (10) قابل مقایسه هستند.

 

 

شکل (9): پاسخ دینامیکی گشتاور در روش متداول

 

همان طور که ملاحظه می­شود، پاسخ گشتاور روش پیشنهادی با ریپل گشتاور کمتری همراه است؛ هرچند ریپل گشتاور هر دو روش در گشتاور و سرعت نامی یکسان است. شکل (12) جریان­های سه فاز استاتور را برای روش پیشنهادی نشان می­دهد. مشاهده می­شود که دامنه جریان استاتور، بویژه در بی­باری نسبت به روش متداول، (شکل(11))، کاهش درخور توجهی داشته است. جدول (3)، تلفات اهمی استاتور را برای دو روش ذکر شده در سرعت rad/sec 200 به ازای گشتاورهای مختلف نشان می­دهد.

 

شکل (10): پاسخ دینامیکی گشتاور در روش پیشنهادی

 

شکل (11): جریان های استاتور در روش متداول

 

 

شکل (12): جریان های استاتور در روش پیشنهادی

 


 

جدول (3): تلفات اهمی تحت بارهای مختلف

درصد کاهش تلفات روش پیشنهادی نسبت به روش متداول

تلفات آهن روش پیشنهادی

تلفات اهمی روش پیشنهادی

تلفات آهن روش متداول

تلفات اهمی روش متداول

گشتاور

(Nm)

7/78%

8/31W

W 37

W7/148

W 9/174

5

9/61%

2/50W

W 4/58

2/130W

W 155

10

3/25%

85/95W

W 1/114

2/129W

W 152

20

0%

5/164W

W 2/190

5/164W

W 2/190

30

 


شکل (13) پاسخ سرعت روش DTC پیشنهادی را در حالتی که از کنترل کننده PI در حلقه سرعت استفاده می­کند با حالتی که از کنترل کننده فازی استفاده می­شود، مقایسه می­کند.

 

شکل (13): مقایسه پاسخ دینامیکی سرعت با کنترل کننده PI و Fuzzy

همان طور که شکل (14) به وضوح نشان می­دهد، هنگام اعمال گشتاور بار کنترل کننده فازی توانسته است در زمان بسیار کمتری نسبت PI سرعت را به مقدار مرجع خود باز گرداند.

 

شکل (14): بزرگنمایی شکل (13) را در بازه زمانی 85/0-65/0

نتیجه‌گیری

در این مقاله، روش مناسبی برای تولید شار مرجع (به صورت تابعی از گشتاور مرجع) برای DTC-SVM ارائه شد، گشتاور و شار برای رسیدن به بهترین عملکرد دینامیکی و حالت دائمی کنترل شدند. نتایج شبیه سازی کارایی این روش را در کاهش ریپل گشتاور و به خصوص بهبود بازده در بارهای کم به وسیله کاهش تلفات استاتور نشان می دهد. همچنین، به منظور بهبود عملکرد روش DTC، یک کنترل کننده فازی طراحی و جایگزین کنترل کننده PI حلقه سرعت گردید که موجب بهبود پاسخ دیامیکی سرعت، به خصوص در هنگام اعمال گشتاور بار به موتور شد.

References

1- مراجع:

[1]  Zhong, M. F. Rahman, W. Y. Hu and K. W. Lim, “Analysis of direct torque control in permanent magnet synchronous motor drives,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 12, No. 3, pp. 528-536, May. 1997.
[2]  L. Zhong, M. F. Rahman, W. Y. Hu and K. W. Lim, “A direct torque controlled interior permanent magnet synchronous motor drive incorporating field weakening,” IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 34, No. 6, pp. 1246-1253, Nov./Dec. 1998.
[3]  C. French and P. Acarnley, “Direct torque control of permanent magnet drives,” IEEE Trans Ind. Appl., Vol. 32, No. 5, pp. 1080-1088, Sept./Oct. 1996
[4]  M. F. Rahman, L. Zhong and K. W. Lim, “A direct torque controlled interior permanent magnet synchronous motor drive incorporating field weakening,” in Conf. Rec. IEEE-IAS Annu. Meeting, Vol. 1, pp. 67-74, Sept. 1997
[5]  L. Tang, L. Zhong, M. F. Rahman and Y. Hu, “A Novel Direct Torque Control for Interior Permanent Magnet Synchronous Machine Drive System with Low Ripple in Flux and Torque and Fixed Switching Frequency,” IEEE Trans. Power Electron., Vol. 19, No. 2, pp. 346-354, Mar. 2004.
[6]  C. G. Mei, S. K. Panda, J. X. Xu and K. W. Lim, “Direct Torque Control of Induction Motor – Variable Switching Sensors,” Conf. Rec. IEEE-PEDS, Hong Kong, pp. 80-85, Jul. 1999
[7]  C. Martins, X. Roboam, T. A. Meynard and A. S. Caryalho, “Switching Frequency Imposition and Ripple Reduction in DTC Drives by Using a Multilevel Converter,” IEEE Trans. Power Electron., Vol. 17, No. 2, pp. 286-297, Mar. 2002.
[8]  C. Lascu, I. Boldea and F. Blaabjerg, “A Modified Direct Torque Control for Induction Motor Sensorless Drive,” IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 36, No. 1, pp.122-130, Jan/ Feb. 2000.
[9]  L. Tang, L. Zhong, M. F. Rahman and W. Y. Hu, “A Novel Direct Torque Controlled Interior Permanent Magnet Synchronous Machine Drive With Low Ripple in Flux and Torque and Fixed Switching Frequency,” IEEE Trans. Power Electron., Vol. 19, No. 2, pp. 1746-1756, Mar. 2004.
[10] M. Meye, T. Grote.and and J. Bocker, “Direct Torque Control for Interior Permanent Magnet Synchronous Motors with Respect to Optimal Efficiency,” Conf. Power Electron. and Applicat. European. pp. 1-9, Jan. 2007.
[11] 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, pp. 933–942, Apr. 2010.
[12] L. Tang, L. Zhong, M. F. Rahman, and Y. Hu, “A novel direct torque control for interior permanent-magnet synchronous machine drive with low ripple in torque and flux—A speed-sensorless approach,” IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 39, No. 6, pp. 1748–1756, Nov./Dec. 2003.
[13] I. Boldea, C. I. Pitic, C. Lascu, G.-D. Andreescu, L. Tutelea, F. Blaabjerg, and P. Sandholdt, “DTFC-SVM motion-sensorless control of PM-assisted reluctance synchronous machine as starter-alternator for hybrid electric vehicles,” IEEE Trans. Power Electron., Vol. 21, No. 3, pp. 711–719, May. 2006.
 

 

 
 
Computational Intelligence in Electrical Engineering
Volume 3, Issue 2
September 2012
Pages 38-31

Files

History

  • Receive Date: 14 June 2016
  • Revise Date: 06 February 2018
  • Accept Date: 14 June 2016

Share

How to cite

Statistics