Predictive Load Angle and Stator Flux Control of SynRM Drives for the Full Speed Range

Abstract

Nowadays, several types of electric motors are utilized in industrial applications, namely induction motors (IMs), permanent magnet synchronous motors (PMSMs) and synchronous reluctance motors (SynRMs). Owing to the high cost of PMSMs and due to the rotor losses of IMs, SynRMs can be considered an ideal choice for some applications. These motors have a simple structure, are robust, and have a low cost due to the absence of permanent magnets or windings in the rotor.

To exploit the advantages of SynRM drives, an adequate control strategy is essential. In recent times, due to the development of fast and cheap microprocessors and FPGAs, the category of control strategies known as finite control set model predictive control (FCS-MPC) has attracted significant attention in both academia and industry. FCS-MPC has as main advantages, an intuitive and simple implementation, very fast dynamic response and the ability to tackle several constraints in a straightforward manner. Due to these advantages, it can be considered an ideal alternative to field-oriented control (FOC) and direct torque control (DTC) in high performance motor drives. In spite of its advantages, FCS-MPC has been barely proposed for the control of SynRM drives, especially if we consider that some applications require the drive system to operate in the full speed range.

This thesis proposes three different FCS-MPC control strategies for high-performance SynRM drives. The first two control strategies combine the concepts of active flux and torque control in order to operate the SynRM in the constant torque region. The first control strategy, baptized as predictive active flux and torque control (PAFTC), regulates the active flux and the electromagnetic torque of the SynRM in an independent manner. It follows the standard implementation steps of FCS-MPC, namely by predicting the values of the state variables for all possible switching states of the inverter, and by using a cost function with a weighting factor which needs to be tuned. A second control approach, known as simplified PAFTC (S-PAFTC), is a simplified version of the PAFTC in the sense that the predictions of the state variables are replaced by the calculation of an equivalent reference voltage, performed only once in a sampling period. This procedure leads to a smaller computational time, when the control strategy is implemented in a digital control platform, and to the use of a cost function without any weighting factor, overcoming one of the challenging tasks in classical FCS-MPC strategies which is the choice of the optimal value(s) for the weighting factor(s). The simulation and experimental results obtained with these control strategies demonstrate the very good steady-state and dynamic response of the SynRM drive in the constant torque region.

With the aim to safely operate the SynRM drive in the full speed range, while ensuring at the same time the exploitation of all its potentialities and limits, including its operation with optimal efficiency, a third control strategy, known as predictive load angle and stator flux control (PLASFC), is proposed for SynRM drives.

The PLASFC, implemented in a stator flux reference frame, regulates the stator flux and the load angle of the SynRM in an independent manner. While the stator flux regulation is straightforward, the torque is regulated indirectly by controlling the load angle, bringing benefits in terms of a smooth transition between the different motor operating regions. Similarly to the S-PAFTC strategy, an equivalent reference voltage is calculated instead of predicting the values of the motor state variables for all possible switching states of the inverter, and the cost function does not include any weighting factor.

In the PLASFC strategy, the SynRM is easily operated in the full speed range: constant torque region (including zero speed), constant power region and constant load angle region, the last two being part of what is usually known as field-weakening (FW) region. With this control strategy, the voltage, current and load angle limits are easily exploited by simple mathematical relations and saturation blocks. In addition, a loss minimization algorithm is developed and incorporated in this control strategy thus allowing to operate the SynRM with minimum copper losses for a given load torque. Furthermore, to improve the performance of the control system, some parameters namely the motor apparent inductances, are estimated online. Several simulation and experimental results presented demonstrate the excellent steady-state and dynamic performance of the SynRM drive when operating with the PLASFC strategy, thus clearly demonstrating the benefits of using FCS-MPC strategies in the field of electric drives in general and SynRM drives in particular.

Atualmente, diversos tipos de motores elétricos são utilizados em aplicações industriais, nomeadamente os motores de indução (IMs), os motores síncronos de ímanes permanentes (PMSMs) e os motores síncronos de relutância (SynRMs). Devido ao elevado custo dos PMSMs e às elevadas perdas no rotor dos motores de indução, os SynRMs podem ser considerados a escolha ideal para algumas aplicações. Estes motores possuem uma estrutura simples, são robustos e têm um baixo custo de fabrico devido à ausência de ímanes permanentes ou enrolamentos no rotor.

De modo a explorar toda as vantagens dos acionamentos baseados em SynRMs, é essencial uma estratégia de controlo adequada. Recentemente, em virtude do desenvolvimento de microprocessadores e FPGAs mais rápidos e económicos, a categoria de controlo conhecida como controlo preditivo baseado em modelos de estados finitos (FCS-MPC) tem despertado um especial interesse no mundo académico e na indústria. O FCS-MPC tem várias vantagens, tais como uma implementação simples e intuitiva, uma rápida resposta dinâmica e a possibilidade de considerar várias restrições de uma forma direta. Devido a estas vantagens, o FCS-MPC pode ser considerado uma alternativa ideal ao controlo por orientação de campo (FOC) e ao controlo direto de binário (DTC) em acionamentos de alto desempenho. Apesar das suas vantagens, o FCS-MPC ainda tem sido pouco utilizado no controlo de acionamentos baseados em SynRMs, especialmente se considerar que algumas aplicações necessitam que o acionamento opere em toda a gama de velocidades.

Esta dissertação propõe três estratégias de controlo FCS-MPC para acionamentos de alto desempenho baseados num SynRM. As duas primeiras estratégias de controlo combinam os conceitos do fluxo ativo e do controlo de binário, de modo a operar o SynRM na região de binário constante. A primeira estratégia, denominada controlo preditivo do fluxo ativo e de binário (PAFTC), regula o fluxo ativo e o binário eletromagnético do SynRM de forma independente. A estratégia PAFTC segue a estrutura padrão do FCS-MPC, uma vez que prevê os valores futuros das variáveis de estado para todos os estados de comutação possíveis do inversor, e utiliza uma função de custo com um peso que necessita de ser sintonizado. Uma segunda abordagem de controlo, denominada PAFTC simplificado (S-PAFTC), é uma versão simplificada do PAFTC uma vez que o cálculo das predições das variáveis de estado é substituído pelo cálculo das tensões de referência equivalentes, realizado apenas uma vez num período de amostragem. Esta estratégia de controlo possui um tempo de execução menor, quando implementada numa plataforma de controlo digital e, faz uso de uma função custo sem qualquer peso, ultrapassando um grande desafio das estratégias FCS-MPC clássicas, que é a escolha do(s) valor(es) ótimo(s) para o(s) peso(s). Os resultados de simulação e experimentais obtidos com estas estratégias de controlo mostram excelente desempenho do acionamento baseado no SynRM na região de binário constante, tanto em regime permanente como em regime dinâmico.

Com o objetivo de operar o acionamento baseado no SynRM de forma segura em toda a gama de velocidades, e ao mesmo tempo assegurar que todas as suas potencialidades e limites são explorados, incluindo uma operação com eficiência ótima, uma terceira estratégia de controlo, conhecida como controlo preditivo do ângulo de carga e fluxo estatórico (PLASFC), é proposta para acionamentos baseados em SynRMs.

A estratégia de controlo PLASFC, implementada no referencial do fluxo estatórico, controla o fluxo estatórico e o ângulo de carga do SynRM de forma independente. Enquanto que a regulação do fluxo estatórico é direta, a regulação do binário é realizado de forma indireta através do controlo do ângulo de carga, o que conduz a uma transição suave entre as diferentes regiões de operação do motor. Tal como na estratégia S-PAFTC, as tensões de referência equivalentes são calculadas ao invés de prever os valores futuros das variáveis de estado do motor para todas os estados de comutação do inversor possíveis, e a função custo não inclui qualquer peso.

Na estratégia PLASFC, o SynRM é facilmente operado em toda a gama de velocidades: região de binário constante (incluindo a velocidade zero), região de potência constante e região de ângulo de carga constante, sendo que as últimas duas regiões pertencem à região normalmente designada por região de campo enfraquecido (FW). Com esta estratégia de controlo, os limites de tensão, corrente e ângulo de carga são facilmente explorados através de relações matemáticas simples e blocos de saturação. Adicionalmente, um algoritmo de minimização de perdas é desenvolvido e incorporado nesta estratégia de controlo, permitindo que o SynRM opere com perdas no cobre mínimas para um dado binário de carga. Além disso, para melhorar o desempenho do sistema de controlo, alguns parâmetros tais como as indutâncias aparentes do motor são estimadas em tempo real. Por fim, são apresentados múltiplos resultados de simulação e experimentais que demonstram um excelente desempenho do acionamento baseado no SynRM quando operado através da estratégia PLASFC tanto em regime permanente quanto em regime dinâmico, demonstrando claramente os benefícios da utilização das estratégias FCS-MPC no campo dos acionamentos elétricos em geral e, particularmente, nos acionamentos baseados em SynRMs.