Modelování a simulace bezsenzorového řízení asynchronního motoru s využitím MRAS pozorovatelů

Mikuláš Jandák

Master's thesis

Modeling and Simulation of Sensorless Induction Motor Drive Using MRAS Observers

Abstract:

Tato práce se zabývá implementací vektorového bezsenzorového řízení asynchronního motoru na principu MRAS. Po důkladné rešerši možných variant bezsenzorového přístupu je pro vlastní realizace zvolen X-MRAS. V odborné literatuře je tento poměrně nový typ MRASu, který je založený na bezrozměrné veličině X, považován za velmi robustní a umožňuje řízení ve všech 4 kvadrantech. Za účelem ověření těchto vlastností je v programu Matlab-simulink vytvořen model vektorového řízení na principu nepřímého výpočtu toku tzv. Indirect Field Oriented Control (IFOC), model trojfázového asynchronního motoru a model vlastní X-MRAS struktury. Nejdříve je kompletně otestován model vektorového regulátoru a asynchronního motoru s čidlem otáček. Poté se systematicky otestuje několik možných implementací bezsenzorové struktury v otevřené a uzavřené smyčce a jsou sledovány důležité parametry. Jak je v této práci ukázáno, tak X-MRAS struktura implementovaná tak, jak je popsáno v odborné literatuře, nezaručuje regulaci pohonu v orientovaných souřadnicích, které umožňují regulaci asynchronních motorů obdobné té, která se používá u regulace motorů stejnosměrných s cizím buzením. Simulace dále ukazují, že bezsenzorové řízení na principu X-MRAS není vhodné pro vysoké rychlosti, časově dlouhé rozběhy a nominální zatěžovací momenty, kde dochází k větší odchylce od řízení v orientovaných souřadnicích oproti nižším rychlostem, kratším rozběhům a menším zatěžovacím momentům. Dále je v práci ukázáno, že v případě kdy je pohon provozován mimo orientované souřadnice, není schopný dodat požadovaný nominální moment a dochází k poruše regulace pohonu. V důsledku identifikovaných problémů je v této práci navrženo a porovnáno několik možných postupů, jak vylepšit v literatuře popsanou variantu X-MRASu a docílit regulaci pohonu v souřadnicích blízkých orientovaných popř. přímo orientovaných. Pomocí simulací je ukázáno, že zvýšené nabuzení motoru, DFOC struktura pro výpočet toku, dynamické nastavení rotorové časové konstanty v adaptivním modelu a přídavný regulátor toku, dokáží zlepšit parametry regulace. Z těchto variant je nejvhodnější doplnění struktury X-MRAS o proudový model motoru a přídavný regulátor toku. Tato implementace v ustálených jevech zaručuje řízení motoru v orientovaných souřadnicích. Závěrečné simulace testují tuto konfiguraci a ukazují, že je možné motor bezsenzorově regulovat jak při velmi nízkých otáčkách, tak i vysokých až do nominálního zatěžovacího momentu včetně generátorického režimu. Poslední část práce se zabývá jednoduchou citlivostní analýzou, kde je ukázána značná závislost na rotorové časové konstantě jak pro vlastní vektorové řízení, tak pro estimaci otáček. Dále práce ověřila použití střídače na principu pulzně šířkové modulace (SVPWM), který nahrazuje abstraktní harmonický střídač, který je prakticky používaný v celé části práce.

Abstract:

The main objective of this work was to implement sensorless control of an induction motor based on Model Reference Adaptive System (MRAS). After in-depth literature survey of MRAS approaches, MRAS based on fictitious quantity X was selected as a suitable candidate for further implementation. As presented in the literature such relatively novel approach is said to be robust and enables motor to be controlled in all four quadrants. In order to verify parameters of such MRAS, time based model was created in Matlab-simulink which included indirect field oriented control (IFOC) controller, three-phase induction motor and X-MRAS estimation structure. After verification of IFOC controller and induction motor, several implementations of X-MRAS sensorless model were tested in both open and close loop and various parameters were monitored. Results have shown that implementation as presented in state-of-the-art literature does not always guarantee field oriented control which enables induction motors to be controlled like DC counterparts. Moreover, simulations have shown that high speed, long start-up time and large up to nominal load torques are rather problematic due to the loss of oriented coordinates as opposed to low speed, short start-up time and light load torques which performed relatively satisfactory. The results of the simulations also proved that the more the control is from the oriented coordinates, the less torque the motor is capable of delivering. Based on the findings several approaches capable of increasing the range of operation have been proposed and compared. DFOC based control scheme, increase of magnetic excitation, dynamic adjustment of rotor constant within adaptive MRAS model or auxiliary magnetic flux controller are all capable of increasing the range of operation for X-MRAS. Nonetheless, it has been proven that the best approach is to incorporate within the X-MRAS structure the auxiliary magnetic flux controller with current model of induction machine. Such approach is well capable of controlling the motor in oriented coordinates in steady state. The final simulations investigated performance of this adjusted X-MRAS in both low and high speed simulations including nominal load torque applied and all 4 quadrant operation. Last part of the work evaluated sensitivity of different parameters when those parameters differ from nominal ones. It has been demonstrated that rotor time constant plays important role in precise estimation for both IFOC and X-MRAS. Lastly, the non-viable harmonic inverter was replaced by Space Vector Pulse Width Modulator and performance verified.

Keywords

Modelování, Matlab-simulink, bezsenzorové řízení, X-MRAS, asynchronní motor, IFOC, přídavný regulátor toku

Keywords

Modeling, Matlab-simulink, sensorless control, X-MRAS, induction motor, IFOC, auxiliary magnetic flux controller

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 4. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 29. 5. 2023
• Supervisor: Martin Kuchař
• Reader: Petr Palacký

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta elektrotechniky a informatiky

Master programme:
Aplikovaná elektronika