Trakční pohon nové generace

Ing. Zdeněk SUTNAR

Disertační práce

Robust Flux Estimators for Induction Motor Drive with Direct Torque Control

Anotace:

Tato disertační práce se zabývá řízením pohonu s asynchronním motorem, který je napájen z napěťového střídače. V první části práce jsou rozpracovány algoritmy přímého řízení momentu (DTFC) vycházející z Takahashi-Noguchiho metody, které umožňují provoz asynchronního motoru v celém otáčkovém rozsahu. Dále je v práci stručně popsán vyvinutý simulátor pohonu, který byl realizován v jazyce C a v prostředí Matlab/Simulink. Hlavní těžiště práce spočívá ve výzkumu robustních estimátorů magnetického toku a bezsenzorových technik založených na matematickém modelu asynchronního motoru. V práci jsou prezentovány a detailně porovnány dva perspektivní estimátory, které jsou schopny zajistit kvalitní identifikaci magnetického toku a případně rotorové rychlosti i v oblasti velmi malých otáček, což je složitý problém. První z navržených estimátorů vychází z teorie pozorovatele pracujícího v tzv. klouzavém režimu (sliding -mode estimátor). Navržený sliding-mode estimátor statorového toku byl doplněn jednoduchým algoritmem identifikace rychlosti rotoru, čímž bylo získáno kompletní bezsenzorové řízení asynchronního motoru. Výhoda navrženého estimátoru spočívá v jeho relativně malé závislosti na změnách parametrů pozorovaného systému a zejména v jeho malé výpočetní náročnosti. Navržené bezsenzorové řízení je jednoduché, kvalita estimace je zaručena existencí zpětné vazby korigující prováděný odhad stavu systému. Druhé navržené řešení pro bezsenzorové řízení pohonu je založeno na rozšířeném Kalmanově filtru (EKF). EKF estimuje složky vektoru rotorového magnetického toku ve stojícím souřadném systému a rotorovou rychlost. Navržené bezsenzorové řízení je robustní, poskytuje velmi kvalitní a přesný odhad stavových veličin a pracuje ve velmi širokém rozsahu otáček. Nevýhodou je vyšší výpočetní náročnost EKF. Teoretické závěry uvedené v této disertační práci jsou simulačně a experimentálně ověřeny na postaveném laboratorním prototypu pohonu s asynchronním motorem.

Abstract:

This dissertation thesis deals with the control of an induction motor drive which is supplied by a voltage inverter. In first part, the algorithms of direct torque control (DTFC) based on Takahashi-Noguchi principle are described. This principle allows induction motor to operate in the whole speed range. The thesis also briefly describes a developed simulator of the drive, which was implemented in C language and Matlab / Simulink. The aim of this work was to investigate robust flux estimators and sensorless control techniques based on a mathematical model of induction motor. The paper presents a detailed comparison of two prospective estimators that are able to provide proper identification of the flux or rotor speed in the low-speed area, which is a complex problem. First of the proposed estimators is based on the theory of observers working in the so-called sliding mode (sliding-mode estimator). The proposed sliding-mode estimator of the stator flux has been completed by a simple algorithm for the identification of rotor speed, and thus we have obtained a complete sensorless control of induction motor. The advantage of the proposed estimator is its relatively low dependence on the parameters of the observed changes in the system and in particular its low computational complexity. Consequently, the proposed sensorless control is simple, the estimation quality is guaranteed by the presence of a feedback correcting the system state estimation. Second solution proposed for sensorless drive control is based on the extended Kalman filter (EKF). EKF estimates both the components of the rotor flux vector in stationary coordinate system and the rotor speed. The resulting sensorless control is robust, it provides a high quality and accurate estimation of state variables and it works in a very wide speed range. The main disadvantage of the EKF is its relatively high computational complexity. Theoretical conclusions of this thesis have been verified besides simulations also by experiments performed on a laboratory prototype (PWM inverter with induction motor).

Klíčová slova

Sliding mode observer, Rozšířený Kalmanův filtr, Přímé řízení momentu a statorového toku, Asynchronní motor, Bezsenzorové řízení

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 14. 4. 2011

Identifikátor: 32226

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 25. 5. 2011
• Vedoucí: Doc. Ing. Zdeněk Peroutka, Ph.D.

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI

Fakulta elektrotechnická

Doktorský studijní program / obor:
Elektrotechnika a informatika / Elektronika