Model predictive control: an effective control approach for high performance induction machine drives

Induction machine drives with various configurations are getting a lot of attention in several industrial applications. Due to this increasing demand in industrial applications, the significance of developing effective control approaches for obtaining a high dynamic performance from the induction machine drives became essential. Up to the present time, the control of induction machine drives using power converters has been based on the principle of mean value, using pulse width modulation with linear controllers in a cascaded structure. Recent research works have demonstrated that it is possible to use Predictive Control to control induction machine drives with the use of power converters, without using modulators and linear controllers. This new approach will have a strong impact on control in power electronics in coming decades. The advantages of Predictive Control are noticed through the ability to consider a multi-objective case within the model, easy inclusion of non-linearities within the model, simple treatment of system constraints, easy of digital implementation, and flexibility of including modifications and extension of control horizons according to the required applications. Upon this, the research presented in this thesis concerns with developing different control topologies for various configurations of induction machine drives based on finite control set model predictive control (FCS-MPC) principle, which actuates directly the switch states of the voltage source inverter (VSI). In addition, for enhancing the robustness of the induction machine drives, different sensorless approaches are utilized and tested for validations. The first topology of induction machine drives that has been studied is the induction motor (IM) drive. An effective model predictive direct torque control (MP DTC) approach is used to control the torque and stator flux of the motor through the utilization of an effective cost function, through which the understanding and comparing implementation variants and studying convergence and stability issues can be easily investigated. The speed sample effect on the control variants and overall performance of the proposed MP DTC is analyzed, which enables the understanding of the real base principle of DTC, as well as why and when it works well. Two different sensorless procedures for estimating the speed and rotor position are used by the proposed MP DTC approach; the first utilizes a model reference adaptive system (MRAS) observer, while the other exploits the prediction step during the implementation of proposed MP DTC to get the speed information through performing a linear extrapolation of the speed values starting from the last two estimated samples. Extensive simulation and experimental tests have been carried out to validate the effectiveness of both sensorless approaches in achieving precise tracking of speed commands for a wide range of variations. For enhancing the robustness of proposed MP DTC, the stator flux as a control variable is replaced with controlling the flow of the reactive power through the induction motor drive. As the reactive power is a measured quantity compared with the estimated value of stator flux, thus, the sensitivity of the control against parameters variation is limited, and this confirmed through the obtained results from both simulation and experimental tests. In addition, an effective alternative approach to the MP DTC is presented, which based on controlling the instantaneous values of the active and reactive powers of the IM drive based on model predictive principle, instead of controlling the torque and flux as in MP DTC. This technique has the advantage that all controlled variables are became measured quantities (active and reactive powers), thus the estimation problems that commonly present in classic DTC schemes are effectively limited. For the last two control approaches (MP DTC reactive power control, and MP IPCactive and reactive power control), the sensorless that utilizes the predictive feature is also adopted. Obtained results via simulation and experiments confirm the feasibility of the two alternatives control procedures in obtaining a robust dynamic response of IM drive. To limit the accompanied ripple contents in the controlled values of electromagnetic torque and stator flux of induction motor, an effective ripple reduction technique has been presented. The technique is based on the derivation of the optimal value for the weighting factor (w_f) used in the cost function. A detailed mathematical derivation of the optimal value of w_f is introduced based on the analysis of torque and flux ripples behaviors. The proposed ripple reduction technique has been validated via simulation utilizing Matlab/Simulink software, and experimentally tested using a fast control prototyping dSpace 1104 board. In addition, the prediction step based sensorless approach is adopted during implementation. The performance of the IM drive using the proposed approach is compared with the results obtained from MP DTC approach that uses an arbitrary value of w_f. The comparison confirms the validity of the proposed ripple reduction procedure in reducing the ripple contents in the controlled variables while preserving the permissible computation burdens during the implementation. The FCS-MPC principle is also utilized to control the current of induction motor as an alternative to classic field oriented control (FOC), the proposed model predictive current control (MPCC) approach belongs to the class of the hysteresis predictive control (for limiting the switching frequency) as the MPCC is triggered by the exceeding of the error of a given threshold. In addition, a sensorless drive is achieved by including an effective Luenberger observer (LO) for precise estimation of rotor flux vector together with stator current, speed and load torque. The stator currents are estimated to eliminate the accompanied noise in their values when they are directly measured, thus the currents noise during prediction is limited. An effective pole placement procedure for the selection of observer gains has been adopted. The procedure is based on shifting the poles of the observer to the left of the motor poles in the complex (s-plane) with low imaginary part, so that the stability of the observer is enhanced for wide speed range. The feasibility of the sensorless MPCC for IM drive is confirmed through the obtained simulation and experimental results. The second topology of induction machine drives that has been studied is the doubly fed induction motor (DFIM) drive. An effective model predictive direct torque control (MP DTC) algorithm is developed for controlling the torque and rotor flux of DFIM drive. In addition, an effective sensorless approach is presented, which estimates the speed and rotor position in an explicit way without the need for involving the flux in the estimation process, thus the effect of parameters variation on the overall performance of the sensorless observer is effectively limited, this has been approved through the obtained results that are performed for a wide speed range from sub-synchronous to super-synchronous speed operation. During the operation, the stator resistance and magnetizing inductance values are changed from their original values to study the variation effect on the observer performance. Matlab/Simulink software and a prototyping dSpace 1104 control board are used to validate the effectiveness of proposed sensorless MP DTC approach through simulation and experiments, respectively. The results proof the robustness of the proposed sensorless approach and its ability to achieve precise estimation of the speed and rotor position. The third topology of induction machine drives that has been studied is the doubly fed induction generator (DFIG). A detailed analytical derivation for the proposed model predictive direct power control (MP DPC) approach for DFIG is presented, which as a sequence considered as a transposed control approach from the MP DTC used before for doubly fed induction motor (DFIM). A sensorless approach based on model reference adaptive system (MRAS) observer is adopted for estimating the speed and rotor position. Both simulation using Matlab/Simulink software and experimental test using a prototyping dSpace 1104 control board have tested the dynamic performance of the drive. Obtained results affirm the feasibility of the proposed MP DPC approach in achieving a decoupled control of active and reactive powers for DFIG. In summary, it can be said that the proposed model predictive control approaches have proved their ability in achieving high dynamic performance for different topologies of induction machine drives. In addition, the proposed sensorless techniques have confirmed their effectiveness for a wide range of speed variations. All of this are approved and validated through extensive simulation and experimental tests.

Gli azionamenti con machine ad induzione (macchine asincrone nelle loro varie configurazioni), stanno riacquistando molta attenzione in diverse applicazioni industriali. A causa di questo crescente interesse applicativo, è diventato di essenziale importanza lo sviluppo di efficaci tecniche di controllo per ottenere dagli azionamenti in questione elevate prestazioni dinamiche. Fino ad oggi, il controllo degli azionamenti con macchina a induzione alimentati da convertitori di potenza è basato sul “principio del valore medio” delle grandezze in commutazione, utilizzando la modulazione di larghezza di impulsi con controllori lineari in una struttura a cascata. Recenti ricerche hanno dimostrato che è possibile utilizzare il Controllo Predittivo per controllare gli azionamenti con macchina a induzione, con l'utilizzo di convertitori di potenza senza utilizzare modulatori e controllori lineari. Questo nuovo approccio avrà un forte impatto sul controllo dell'elettronica di potenza nei prossimi decenni. I vantaggi del Controllo Predittivo derivano dalla possibilità di perseguire problemi multi-obiettivo, di includere facile le non linearità all'interno del modello, di trattare in modo semplice i vincoli di sistema, nonché dalla facilità di implementazione digitale e dalla flessibilità di includere modifiche ed estensioni al controllo secondo le applicazioni richieste. Inlinea con tutto ciò, la ricerca presentata in questa tesi riguarda lo sviluppo di diverse topologie di controllo per varie configurazioni di azionamenti con macchine a induzione, basate sul principio di Controllo Predittivo a modello con insieme finito degli stati di controllo (Finite Control Set Model Predictive Control - FCS-MPC), che definisce direttamente l’assetto dell'inverter di tensione (VSI). Inoltre, per aumentare la robustezza degli azionamenti, vengono proposti e sperimentati diversi approcci senza sensori elettromeccanici (sensorless). La prima topologia studiata di azionamenti con macchina a induzione (IM) è l'azionamento con motore a gabbia. Il controllo diretto di coppia (DTC) è aggiornato in termini di controllo predittivo a modello (MP DTC) e usato per controllare la coppia e il flusso statorico attraverso l'utilizzo di una efficace funzione di costo attraverso la quale è anche possibile facilmente comprendere e confrontare le varianti di implementazione e studiare i problemi di convergenza e di stabilità. Viene analizzato l'effetto della velocità sulle diverse versioni di controllo e sulle prestazioni complessive del MP DTC proposto; ciò consente di comprendere appieno il principio del DTC, nonché perché e quando esso funzioni bene. Vengono utilizzate due diverse procedure di stima della posizione e della velocità del rotore nel MP DTC proposto; il primo utilizza uno stimatore adattivo con modello di riferimento (MRAS), mentre l'altro sfrutta la stessa fase di predizione del MP DTC proposto per ottenere le informazioni sulla velocità effettuando infine un'estrapolazione lineare dei valori di velocità a partire dagli ultimi due campioni stimati. Sono state eseguite numerose prove in simulazione e sperimentali per convalidare l'efficacia di entrambi gli approcci sensorless nell’ottenere un preciso inseguimento del comando di velocità per una vasta gamma di situazioni. Per migliorare la robustezza del MP DTC proposto rispetto alle variazioni parametriche, il controllo del flusso dello statore viene sostituito con quello della potenza reattiva assorbita dal motore ad induzione; di conseguenza la sensibilità del controllo alle variazioni dei parametri è limitata e ciò è confermato attraverso i risultati ottenuti sia dalla simulazione che dalle prove sperimentali. Inoltre, viene presentato un ulteriore efficace approccio alternativo per il MP DTC, basato sul principio del controllo predittivo a modello dei valori istantanei delle potenze attive e reattive dell'azionamento, invece di controllare la coppia e il flusso come nell’usuale MP DTC. Questa variante ha il vantaggio che tutte le variabili controllate sono divenute quantità misurate (potenze attive e reattive) e quindi i problemi di stima comunemente presenti nei classici schemi DTC sono efficacemente limitati. Per gli ultimi due approcci di controllo (controllo di coppia e di potenza reattiva e controllo di potenza attiva e reattiva) viene anche adottato la stima della velocità rotorica che sfrutta la funzione predittiva del controllo. I risultati ottenuti attraverso la simulazione e la sperimentazione confermano la fattibilità delle due procedure alternative di controllo per ottenere una risposta dinamica robusta dell’azionamento con IM. Per limitare il ripple che accompagna gli andamenti controllati della coppia e del flusso statorico del motore, è stata presentata una tecnica efficace di riduzione della sua ampiezza. La tecnica è basata sull’impiego di un valore ottimale per il fattore di ponderazione w_f utilizzato nella funzione di costo per sommare i due contributi che la definiscono. Viene introdotta una derivazione matematica dettagliata del valore ottimale di w_f attraverso l'analisi dei comportamenti dell’ondulazione di coppia e del flusso. La tecnica di riduzione del ripple proposta è stata verificata tramite la simulazione usando il software Matlab/Simulink e sperimentalmente utilizzando la scheda di rapida prototipazione del controllo dSpace 1104. Ancora, l'implementazione adotta l'approccio sensorless basato sulla fase di predizione. Le prestazioni dell’azionamento con IM utilizzando quest’ultimo approccio proposto sono confrontate con i risultati ottenuti con l'approccio MP DTC che utilizza invece un valore arbitrario di w_f. Il confronto conferma la validità della procedura di riduzione del ripple nelle variabili controllate mantenendo nel contempo gli oneri di calcolo entro i limiti consentiti per l'implementazione. Il principio FCS-MPC è anche utilizzato per controllare la corrente del motore di induzione come alternativa al controllo classico ad orientamento di campo (Field Oriented Control -FOC). L'approccio proposto di controllo di corrente di tipo predittivo (Model Predictive Current Control - MPCC) appartiene alla classe del controllo predittivo ad isteresi (per limitare il frequenza di commutazione) in quanto il MPCC viene attivato dal raggiungimento dell’errore di corrente di una determinata soglia. In questo caso, la caratteristica sensorless dell’azionamento è ottenuta includendo un efficace osservatore Luenberger (LO) per una precisa stima del vettore del flusso del rotore insieme alla coppia di carico e alla velocità. È stata adottata una efficace procedura di allocazione dei poli per la selezione dei guadagni dell'osservatore; la procedura si basa sul posizionamento dei poli dell'osservatore a sinistra di quelli del motore nel complesso (piano di s) con una ridotta parte immaginaria, in modo che la stabilità dell'osservatore sia migliorata in un'ampia gamma di velocità. La fattibilità dell'azionamento sensorless con MPCC è ancora confermata attraverso la simulazione e i risultati sperimentali. La seconda topologia degli azionamenti con macchina a induzione che è stata studiata è l'azionamento con motore ad anelli con rotore alimentato da invertitore e statore da rete (Doubly Fed Induction Motor DFIM). È stato sviluppato un efficace algoritmo predittivo a modello (MP DTC) per il controllo dinamico della coppia e del flusso di rotore dell'azionamento DFIM. Inoltre, viene presentato un approccio efficace di soluzione sensorless che valuta la velocità e la posizione del rotore in modo esplicito senza la necessità di coinvolgere la stima del flusso nel processo di predizione; di conseguenza l'effetto delle variazioni dei parametri sulle prestazioni complessive dell'osservatore di posizione e velocità è sensibilmente limitato. Questo è stato provato attraverso i risultati ottenuti con test eseguiti in un'ampia gamma di velocità, dal sub-sincronismo a velocità super-sincrona. Durante l'operazione, la resistenza dello statore e i valori di induttanza di magnetizzazione sono stati modificati rispetto ai valori reali per studiare l'effetto di variazioni parametriche sulle prestazioni dell'osservatore. Anche in questo caso, il software Matlab/Simulink e una scheda di controllo dSpace 1104 sono stati utilizzati per convalidare l'efficacia dell'approccio sensorless del MP DTC per l’azionamento. I risultati dimostrano la robustezza del controllo sensorless proposto e la sua capacità di ottenere una precisa stima della posizione e della velocità del rotore. La terza topologia di azionamenti con macchina a induzione che è stata studiata è quella del generatore ad induzione con rotore avvolto (DFIG) e invertitore sul rotore. Viene presentata una derivazione analitica dettagliata del controllo predittivo diretto di potenza (MP DPC) per DFIG, che trasferisce ed estende l’approccio di controllo del MP DTC citato prima per il motore a induzione a doppia alimentazione (DFIM). Una soluzione sensorless ancora basata sull'osservatore adattivo a modello di riferimento (MRAS) è adottato per stimare la velocità e la posizione del rotore. Sia le simulazioni usando il software Matlab/Simulink che i test sperimentali utilizzando la scheda dSpace 1104 hanno mostrato le elevate prestazioni dinamiche dell'azionamento. I risultati ottenuti confermano la fattibilità del metodo MP DPC proposto per ottenere un controllo disaccoppiato di potenze attive e reattive per DFIG. In sintesi, si può dire che l'utilizzo proposto del controllo predittivo a modello ha dimostrato la sua capacità di ottenere elevate prestazioni dinamiche per le diverse topologie degli azionamenti con macchina ad induzione considerati. Inoltre, le tecniche sensorless proposte hanno confermato la loro efficacia per una vasta gamma di velocità. Tutto questo è stato verificato e validato attraverso una vasta attività analisi simulativa e di sperimentazione in laboratorio.