Journal of IKEEE (전기전자학회논문지)

Institute of Korean Electrical and Electronics Engineers (한국전기전자학회)
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Improvement of Dynamic Response for IPMSM based on DTC-CFTC Using Sliding Mode Control

일정 스위칭 주파수를 가지는 DTC 기반 IPMSM의 슬라이딩 모드 제어를 이용한 속응성 향상

  • Han, Byeol (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University) ;
  • Bak, Yeongsu (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University) ;
  • Lee, Kyo-Beum (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University)
  • Received : 2019.06.04
  • Accepted : 2019.06.27
  • Published : 2019.06.30
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Abstract

This paper proposes sliding mode control (SMC) method for improvement of dynamic response for IPMSM based on DTC with constant switching frequency. DTC with constant switching frequency method consists of PI torque controller and triangular comparator for constant torque error status. It has the poor dynamic response compared to conventional DTC. This paper proposes improvement method of dynamic response of DTC with constant switching frequency by using SMC. Simulation results confirm the effectiveness of the proposed method.

본 논문에서는 일정 스위칭 주파수를 가지는 직접 토크 제어(Direct Torque Control, DTC) 기반의 매입형 영구자석 동기 전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)에서 속응성 향상을 위한 슬라이딩 모드 제어(Sliding Mode Control, SMC) 기법을 제안한다. 일정 스위칭 주파수를 가지는 DTC 기법은 비례-적분(Proportional-Integral, PI) 토크 제어기와 삼각파 비교기로 구성되어 토크 오차 상태를 일정하게 제어한다. 이는 일반적인 히스테리시스 기반의 DTC 기법에 비해 속응성이 좋지 않다. 본 논문에서는 SMC 기법을 이용하여 일정 스위칭 주파수를 가지는 DTC 기법의 속응성을 향상시키는 방법을 제안한다. 제안하는 기법의 타당성을 시뮬레이션을 통하여 검증한다.

Keywords

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Fig. 1. Rotor section of IPMSM. 그림 1. IPMSM의 회전자 단면도

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Fig. 2. Vector diagram of IPMSM. 그림 2. IPMSM의 벡터도

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Fig. 3. Control amplitude of stator flux and sector of stator flux. 그림 3. 고정자 쇄교 자속의 크기 제어와 자속 영역

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Fig. 4. Block diagram of conventional DTC method. 그림 4. 일반적인 DTC 기법의 블록도

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Fig. 5. Block diagram of CFTC method. 그림 5. 일정 스위칭 주파수를 가지는 DTC 기법의 블록도

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Fig. 7. Control block diagram of IPMSM based on CFTC using SMC. 그림 7. SMC를 이용한 CFTC 기반의 IPMSM 제어 블록도

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Fig. 6. Torque error status using torque regulator. 그림 6. 토크 레귤레이터에 의한 토크 오차 상태

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Fig. 8. Block diagram of SMC. 그림 8. SMC 블록도

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Fig. 9. Simulation result about IPMSM torque control using conventional CFTC. 그림 9. 일반적인 CFTC에서의 IPMSM 토크 제어 시뮬레이션 결과

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Fig. 10. Simulation result about IPMSM torque control using proposed method with SMC CFTC. 그림 10. 제안하는 SMC를 이용한 CFTC에서의 IPMSM 토크 제어 시뮬레이션 결과

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Fig. 11. Simulation result about dynamic response of torque control using conventional CFTC. 그림 11. 지령 토크 가변에 따른 일반적인 CFTC에서의 속응성 시뮬레이션 결과

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Fig. 12. Simulation result about dynamic response of torque control using proposed method with SMC CFTC. 그림 12. 지령 토크 가변에 따른 제안하는 SMC를 이용한 CFTC에서의 속응성 시뮬레이션 결과

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Fig. 13. Simulation result about IPMSM speed control using conventional CFTC. 그림 13. 일반적인 CFTC에서의 IPMSM 속도 제어 시뮬레이션 결과

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Fig. 14. Simulation result about IPMSM speed control using proposed method with SMC CFTC. 그림 14. 제안하는 SMC를 이용한 CFTC에서의 IPMSM 속도 제어 시뮬레이션 결과

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Fig. 15. Simulation result about dynamic response of speed control using conventional CFTC. 그림 15. 제안하는 SMC를 이용한 CFTC에서의 IPMSM 속도 제어 시뮬레이션 결과

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Fig. 16. Simulation result about dynamic response of speed control using proposed method with SMC CFTC. 그림 16. 제안하는 SMC를 이용한 CFTC에서의 IPMSM 속도 제어 시뮬레이션 결과

Table 1. Switching table of conventional DTC method. 표 1. 일반적인 DTC 기법의 스위칭 테이블

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Table 2. Simulation parameters. 표 2. 시뮬레이션 파라미터

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References

  1. K.-B. Lee, Advanced Power Electronics Engineering, Munundang, 2019.
  2. L. Zhong, M. F. Rahman, W. Y. Hu, K. W. Lim, and M. A. Rahman, "A Direct Torque Controller for Permanent Magnet Synchronous Motor Drives," IEEE Trans. Energy Convers., vol.14, no.3, pp.637-642, 1999. DOI: 10.1109/60.790928
  3. 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. 2003. DOI: 10.1109/IAS.2002.1044074
  4. Y. Cho, Y. Bak, and K.-B. Lee, "Torque-Ripple Reduction and Fast Torque Response Strategy for Predictive Torque Control of Induction Motors," IEEE Trans. Power Electron., vol.33, no.3, pp.2458-2470, 2018. DOI: 10.1109/TPEL.2017.2699187
  5. Y. Zhang, X. Jian, L. Cai, and L. Ni, "Sliding Mode Control Design in Traction Motor Direct Torque Control," in Proc. VPPC, pp.1-6, 2016. DOI: 10.1109/VPPC.2016.7791777
  6. L. Meng and X. Yang, "Comparative Analysis of Direct Torque Control and DTC based on Sliding Mode Control for PMSM Drive," in Proc. CCDC, pp.736-741, 2017. DOI: 10.1109/CCDC.2017.7978529
  7. I. M. Alsofyani, J.-H. Lee, B.-M. Han, and K.-B. Lee, "Improved Performance of CFTC-based Direct Torque Control of Induction Machines by Increasing Torque Loop Bandwidth," in Proc. IPEC, pp.466-470, 2018. DOI: 10.23919/ipec.2018.8507989
  8. I. M. Alsofyani and K.-B. Lee, "Modified Frequency Carriers for Improving DTC with Constant Frequency Torque Controller of Induction Machines," in Proc. CENCON, pp.128-132, 2017. DOI: 10.1109/CENCON.2017.8262471
  9. D. Mohan, X. Zhang, and G. H. Foo, "Three-Level Inverter-Fed Direct Torque Control of IPMSM With Constant Switching Frequency and Torque Ripple Reduction," IEEE Trans. Ind. Electron., vol.63, no.12, pp.7908-7918, 2016. DOI: 10.1109/TIE.2016.2547907
  10. I. M. Alsofyani and K.-B. Lee, "Improved Overmodulation Strategy in DTC with Constant Frequency Torque Controller of PMSM for Quick Torque Control at Different Dynamic Condition," in Proc. ECCE, pp.3394-3399, 2018. DOI: 10.1109/ECCE.2018.8557694
  11. X. Zhang and G. Foo, "A Constant Switching Frequency-Based Direct Torque Control Method for Interior Permanent-Magnet Synchronous Motor Drives," IEEE Trans. Mechatron., vol.21, no.3, pp.1445-1456, 2016. DOI: 10.1109/TMECH.2015.2480782