A Unified Flux Control for Minimizing Torque and Flux Error in DTC-based Induction-Motor Drives
직접토크제어기반 유도전동기 구동에서 토크 및 자속오차 최소화를 위한 합성자속제어
- 발행기관 Graduate School Ajou University
- 지도교수 Lee, Kwang Won
- 발행년도 2005
- 학위수여년월 2005. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 본문언어 영어
초록/요약
일반적인 직접토크제어방법은 고정자 자속과 전자기토크를 스위칭벡터 테이블로부터 해당되는 전압벡터를 선택함으로써 직접 제어한다. 전압벡터는 자속오차와 토크오차 를 각각의 히스테리시스 밴드 내에서 제한되도록 선택된다. 인버터의 스위칭상태는 매 샘플링 주기마다 변경되고, 인버터는 히스테리시스 제어기의 출력상태가 변할 때까지 스위칭 상태를 유지한다. 하지만, 일반적인 직접토크제어방법은 현재 자속벡터가 위치한 섹터의 정보만 고려할 뿐 정확한 위치정보를 사용하지 않기 때문에 선택된 전압벡터가 항상 최선의 벡터가 되지는 않으며, 회전에 의한 역기전력을 고려하지 않는다. 이러한 일반적인 직접토크제어방법의 단점을 극복하기 위하여, 여러 부분에서 의 해결방법들이 모색되었다. 이들 중 대부분은 자속과 토크를 계산하는 추정기의 성능을 향상시키거나, 일반적인 직접토크제어방법의 스위칭벡터 테이블을 공간벡터 변조기법으로 대체하는 방법이다. 이와 같은 방법들은 일반적인 직접토크제어방법보다 좀 더 복잡한 제어 알고리듬과 하드웨어를 필요로 한다. 본 논문은 합성자속제어라고 불리게 될 새로이 개선된 직접토크제어방법을 나타낸다. 합성자속제어방법은 자속과 토크 오차를 기하학적으로 합성하여 필요한 전압벡터를 데드비트방식으로 만들게 된다. 제안된 방법은 자속과 토크 맥동을 감소 시켰고, 일반적인 직접토크제어방법에서 무시하였던 회전에 의한 역기전력을 보상 하였다. 데드비트 제어를 위해 공간전압벡터가 계산되었고, 최소거리벡터선정 알고리듬 으로 직접벡터제어방법의 스위칭벡터 테이블을 대신하였다. 제안된 알고리듬은 고정자 전압 방정식에서 중요하지 않은 저항 전압 강하를 무시하고, 고정자 자속축을 기준으로 계산함으로써 데드비트 제어 전압을 계산하는 과정을 매우 간단히 하였다. 최소거리 벡터선정 알고리듬은 자속과 토크 오차를 추가적인 변조 없이 양자화 오차 제한 이내로 최소화 한다. 이 때문에 제안된 합성자속제어 알고리듬은 일반적인 직접토크 제어방법처럼 아주 간단하게 구현될 수 있다. 제안된 합성자속제어방법이 자속오차 전압을 일정범위 안으로 효과적으로 제어 한다는 것을 시뮬레이션 결과를 이용하여 증명하였다. 일반적인 직접토크제어방법에서 자속과 토크 히스테리시스 밴드의 크기는 전류와 토크의 맥동에 큰 영향을 미치기 때문에, 몇 가지의 히스테리시스 밴드에 대하여 제안된 합성자속제어와의 비교가 이루어졌다. 합성자속제어 방식의 특성을 보여주기 위하여, 기동과도응답, 속도응답, 그리고 부하에 대한 응답을 실험을 통하여 나타내었으며, 제안된 알고리듬의 성능을 검사하기 위하여 같은 조건하에서 일반적인 직접토크제어방법과의 비교 실험이 실행 되었다. 시뮬레이션과 실험결과는 제안된 합성제어 알고리듬이 자속과 토크 맥동을 현저히 줄였음을 보여준다.
more초록/요약
In the direct torque control(DTC) of induction motor, both the stator flux-linkage and the electromagnetic torque are controlled directly by the selection of a switching vector from a look-up table. The voltage selection is made to restrict the flux and torque errors within respective flux and torque hysteresis bands. The switching states of the inverter are updated in each sampling period and the inverter keeps the switching states until the output states of the hysteresis controller have been changed. However, the selected vector is not always the best one since only the sector is considered where the flux linkage space vector lies without considering its accurate location. In addition, the conventional DTC does not consider rotational back-emf. To overcome these shortcomings, various approaches have been reported. But, most of them are concerned with improvement of the flux and torque estimator and combined operation of the DTC with a space-vector-modulation. In general, they require more complex control scheme and hardware than the conventional DTC algorithm. This thesis presents a new improved direct torque control method, which we shall refer to as the unified flux control(UFC), where the flux and torque errors are geometrically put together to make a stator voltage vector in a deadbeat fashion. The UFC scheme reduces the flux and torque ripple simultaneously and compensates the rotational back-emf that the conventional DTC ignores. A voltage space vector is calculated for a deadbeat control and a minimum-distance vector selection scheme replaces the switching vector look-up table. This scheme calculates the stator voltage equation in the stator flux reference frame and greatly simplifies the computation of the deadbeat control voltage by neglecting insignificant resistance drops. The minimum-distance vector selection scheme minimizes the flux and torque error within quantization error limit without additional modulation. Therefore UFC scheme can be implemented as simply as a conventional DTC. Simulation results demonstrate the trajectory of flux-error voltage to show that the UFC controls the flux-error voltage effectively within the boundary. Because the magnitude of flux and torque hysteresis bands largely affect current and torque ripple, several cases of hysteresis bands are compared with the proposed UFC. In order to show the characteristics of the UFC scheme, the starting transient, speed response and response to a step load are examined. Also, to investigate the performance of the UFC controller, the experimental results from the UFC and the conventional DTC are compared under the same condition. Simulation and experimental results show that the proposed UFC algorithm noticeably reduces the flux and torque ripples.
more목차
Table of Contents
Abstract = ⅰ
Table of Contents = ⅲ
List of Figures = ⅴ
List of Tables = ⅸ
Chapter 1. Introduction = 1
Chapter 2. Induction Motor Model = 6
2.1 Equivalent Circuit = 6
2.2 Space-phasor Model = 8
2.2.1 The Space-phasor Voltage Equations in the Stationary Reference Frame = 10
2.2.2 The Space-phasor Voltage Equations in the General Reference Frame = 11
2.3 Torque Equation = 14
2.4 Voltage Source Inverter = 15
Chapter 3. Vector and Direct Torque Control = 19
3.1 Vector Control = 19
3.1.1 Field Orientation = 20
3.1.2 Direct Field Orientation = 24
3.1.3 Indirect Field Orientation = 26
3.1.4 Space Vector Modulation = 28
3.2 Direct Torque Control = 32
3.2.1 Determination of the Flux and Torque Command = 36
3.2.2 Switching Vector Look-up Table = 38
3.2.3 Sector Decision = 40
3.3 Possible Problems in DTC-based Drive = 42
Chapter 4. Unified flux control = 43
4.1 Model Simplification = 43
4.2 Deadbeat Control and Unified Flux Error = 44
4.3 Minimum-distance Vector Selection = 49
4.4 Adaptive Observer = 53
Chapter 5. Simulation and Experimental Results = 57
Chapter 6. Conclusions = 86
References = 88
Appendix A = 92
Appendix B = 93
초록 = 94
감사의 글 = 96
