In this paper, an attempt has been made to design the current and speed proportional and integral (PI) regulators of self-commutating current source inverter-fed induction motor drive having capacitors at the machine end and to investigate the transient performance of the same for step changes in reference speed. The mathematical model of the complete drive system is developed in closed loop, and the characteristic equations of the systems are derived using perturbation about steady-state operating point in order to develop the characteristic equations. The D-partition technique is used for finding the stable region in the parametric plane. Frequency scanning technique is used to confirm the stability region. Final selection of the regulator parameters is done by comparing the transient response of the current and speed loops for step variations in reference. The performance of the drive is observed analytically through MATLAB simulation.
The errors generated from current measurement paths are inevitable, and they can be divided into two categories: offset error and scaling error. The current data including these errors cause periodic speed ripples which are one and two times the stator electrical frequency respectively. Since these undesirable ripples bring about harmful influences to motor driving systems, a compensation algorithm must be introduced to the control algorithm of the motor drive. In this paper, a new compensation algorithm is proposed. The signal of the integrator output of the d-axis current regulator is chosen and processed to compensate for the current measurement errors. Usually the d-axis current command is zero or constant to acquire the maximum torque or unity power factor in the ac drive system, and the output of the d-axis current regulator is nearly zero or constant as well. If the stator currents include the offset and scaling errors, the respective motor speed produces a ripple related to one and two times the stator electrical frequency, and the signal of the integrator output of the d-axis current regulator also produces the ripple as the motor speed does. The compensation of the current measurement errors is easily implemented to smooth the signal of the integrator output of the d-axis current regulator by subtracting the DC offset value or rescaling the gain of the hall sensor. Therefore, the proposed algorithm has several features: the robustness in the variation of the mechanical parameters, the application of the steady and transient state, the ease of implementation, and less computation time. The MATLAB simulation and experimental results are shown in order to verify the validity of the proposed current compensating algorithm.
The gate current sensing structure was proposed to more effectively control the regulation of the output voltage when the LDO regulator occurs in an overshoot or undershoot situation. In a typical existing LDO regulator, the regulation voltage changes when the load current changes. However, the operation speed of the pass transistor can be further improved by supplying/discharging the gate terminal current in the pass transistor using a gate current sensing structure. The input voltage of the LDO regulator using the gate current sensing structure is 3.3 V to 4.5 V, the output voltage is 3 V, and the load current has a maximum value of 250 mA. As a result of the simulation, a voltage change value of about 12 mV was confirmed when the load current changed up to 250 mA.
In a full digital implementation of a current regulator, the voltage output is inevitably delayed due to arithmetic calculation and PWM. In case of the synchronous frame current regulator, the time delay is accompanied by the rotation of frame. In some applications in which the ratio of sampling frequency to output frequency is not high enough, such as high power drive or super high-speed drive, it is known that the effect of rotation of frame during the delay time causes phase and magnitude error in the voltage output. The error degrades the dynamic performance and can bring about the instability of current regulator at high speed. It is also intuitively known that advancing the phase of voltage output can mitigate the instability. In this paper, the instability problems are studied analytically and a compensation method for the error has been proposed. By means of computer simulation and complex root locus analysis, comparative study with conventional methods is carried out and the effectiveness of proposed method is verified.
KIEE International Transaction on Electrical Machinery and Energy Conversion Systems
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v.5B
no.2
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pp.189-195
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2005
This paper presents a new velocity estimation strategy for a non-salient permanent magnet synchronous motor drive without high frequency signal injection or special PWM pattern. This approach is based on the d-axis current regulator output voltage of the drive system, which contains the rotor position error information. The rotor velocity can be estimated through a rotor position tracking PI controller that controls the position error at zero. For zero and low speed operation, the PI gain of the rotor position tracking controller has a variable structure according to the estimated rotor velocity. Then, at zero speed, the rotor position and velocity have sluggish dynamics because the varying gains are very low in this region. In order to boost the bandwidth of the PI controller during zero speed, the loop recovery technique is applied to the control system. The PI tuning formulas are also derived by analyzing this control system by frequency domain specifications such as phase margin and bandwidth assignment.
This paper describes the implementation of the vector control schemes for a variable-speed 131kW PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) in super-high speed application. The vector control with synchronous reference frame current regulator has been implemented with the challenging requirements such as the extremely low stator inductance$(28^{\mu}H)$, the high dc link voltage(600V) and the high excitation frequency(1.2kHz). Because the conventional position sensor is not reliable in super-high speed, a vector control scheme without any position sensor has been proposed. The proposed sensorless algorithm is implemented by processing the output voltage of the PI current regulator, and hence the structure is simple and the estimated speed is robust to the measurement noise. The experimental system has been built and the proposed control has been implemented and evaluated. The test result, up to the speed of 60,000 r/min, shows the validity of the proposed control.
In this paper, a rotor polarity detection algorithm is proposed to control the single-phase permanent magnet synchronous motors(SP-PMSMs) for high speed sensorless operation. Generally, the sensorless control of a SP-PMSM is switched to the sensorless operation in a specific speed region after the open loop startup. As a result, it is necessary to detect the rotor polarity to maintain a constant rotational direction of the SP-PMSM at the starting process. There, this paper presents a novel rotor polarity detection method using a high frequency voltage signal and offset current which is generated by current regulator. The proposed algorithm verified the effectiveness and usefulness of the rotor polarity detection through several experiments.
Direct torque control (DTC) scheme provides a very quick torque response without the complex field-orientation block and inner current regulation loop. DTC is known as an appropriate scheme for high power induction motet drives because it can be used at lower switching frequency. There are two major drawbacks with the application of DTC schemes : one is large current harmonics due to flux drooping in a low speed range, the other is that the inverter switching frequency is varying according to motor parameters and operating speed. Switching devices in the power electronics drives should be supported for relatively high switching frequency. In this paper, a P-type fuzzy controller to realize the variable switching sector scheme and a PID-type fuzzy switching frequency regulator are adopted. A meaningful contribution of this paper is to propose a simple realization scheme of the fuzzy switching frequency regulator. Simulation results show the effectiveness of those propositions.
The feedback voltage detection structure is proposed to alleviate overshoot and undershoot caused by the removal of the existing external output capacitor. Conventional LDO regulators suffer from overshoot and undershoot caused by imbalances in the power supply voltage. Therefore, the proposed LDO is designed to have a more improved transient response to form a new control path while maintaining only the feedback path of the conventional LDO regulator. A new control path detects overshoot and undershoot events in the output stage. Accordingly, the operation speed of the pass element is improved by charging and discharging the current of the gate node of the pass element. LDO regulators with feedback voltage sensing architecture operate over an input voltage range of 3.3V to 4.5V and have a load current of up to 200mA at an output voltage of 3V. According to the simulation result, when the load current is 200mA, it is 73mV under the undershoot condition and 61mV under the overshoot condition.
In order to achieve high performance vector control, it is essential to measure accurate ac current. The errors generated from current path are inevitable, and they could be divided into two categories: offset error and scaling error. The current data including these errors cause periodic speed ripples which are one and two times of stator electrical frequency respectively. Since these undesirable ripples bring about bad influences to motor driving system, a compensation algorithm must be needed in the control algorithm of the motor drive. In this paper, a new compensation algorithm is proposed. The signal of the integrator output of the d-axis current regulator is chosen and processed to compensate the current measurement errors. The compensation of the current measurement errors is easily implemented to smooth the signal of the integrator output of the d-axis current regulator by subtracting the DC offset value or rescaling the gain of the hall sensor. Therefore, the proposed algorithm has several features: the robustness of the variation of the mechanical parameters, the application of the steady and transient state, the easy implementation, and less computation time.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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