Nonlinear vector control of multiphase induction motor using linear quadratic regulator and active disturbances rejection control under disturbances and parameter variations

Abstract

This paper introduces a hybrid control strategy for multiphase induction motors, specifically focusing on the dual star induction motor (DSIM) by integrating active disturbances rejection control (ADRC) and linear quadratic regulator (LQR). Problem. Conventional PI-based indirect field oriented control (IFOC) of DSIM drives exhibit 3 critical shortcomings: 1) sensitivity to parameter variations, such as rotor resistance fluctuations; 2) sluggish transient response during rapid speed and torque changes; 3) slow disturbances rejection, such as sudden load torque variations. The goal of this work is to achieve enhanced reliability, precision and robustness of DSIM drives in high-performance demand applications such as automotive. Methodology. The proposed hybrid control architecture is structured as follows: 1) IFOC decoupling. The DSIM’s stator currents are decomposed into 2 components using Park transformations, aligning the rotor flux vector to the d-axis. 2) The LQR is designed to optimize the outer speed/torque loop regulation by minimizing control efforts and state deviations. 3) ADRCs controllers are designed in the inner current loops. Each controller utilizes an extended state observer to estimate and compensate parameter variations and external disturbances in real time. Results. Simulations using MATLAB/Simulink validation on a 5 kW DSIM under multiple scenarios confirm the robustness of the proposed hybrid strategy. Scientific novelty. The contribution lies in the integration of ADRC and LQR in IFOC: The hierarchical fusion of ADRC (inner loops) and LQR (outer loop) uniquely leverages ADRC’s and the LQR’s real-time power to handle any disturbances and unmodeled dynamics. Practical value. The proposed technique demonstrates enhanced performances in speed’s response, sudden load torque demands and parameter variations. It exhibited high robustness even under degraded conditions such as phase faults, making this strategy ideal for high-performance applications like electric vehicles, where stability and adaptability are critical. У статті розглядається гібридна стратегія управління багатофазними асинхронними двигунами, зокрема з фокусом на асинхронний двигун з подвійною зіркою (DSIM),шляхом залучення активного управління придушенням збурень (ADRC) та лінійно-квадратичного регулятора (LQR). Проблема. Традиційне непряме полеорієнтоване управління (IFOC) на основі ПІ-регулятора приводів DSIM має 3 критичні недоліки: 1) чутливість до змін параметрів, таких як коливання опору ротора; 2) інерційний перехідний процес при швидких змінах швидкості та крутного моменту; 3) повільне придушення збурень, таких як різкі зміни крутного моменту навантаження. Метою роботи є підвищення надійності, точності та стійкості приводів DSIM у високопродуктивних застосуваннях, таких як автомобілебудування. Методологія. Запропонована архітектура гібридного управління структурована таким чином: 1) Розв’язування IFOC. Струми статора DSIM розкладаються на 2 складові з використанням перетворень Парка, вирівнюючи вектор потоку ротора осі d. 2) LQR призначений для оптимізації регулювання зовнішнього контуру швидкості/крутного моменту за рахунок мінімізації зусиль з управління та відхилень стану. 3) Контролери ADRC спроєктовані у внутрішніх струмових контурах. Кожен контролер використовує розширений спостерігач стану для оцінки та компенсації змін параметрів та зовнішніх збурень у реальному часі. Результати. Моделювання з використанням валідації у MATLAB/Simulink для 5 кВт DSIM у кількох сценаріях підтверджує надійність запропонованої гібридної стратегії. Наукова новизна. Внесок полягає в інтеграції ADRC і LQR в IFOC: ієрархічне злиття ADRC (внутрішніх контурів) і LQR (зовнішнього контуру) унікальним чином використовує потужність ADRC та LQR в реальному часі для обробки будь-яких збурень та немодельованої динаміки. Практична цінність. Запропонована методика демонструє покращені характеристики при реагуванні на швидкість, раптові вимоги до крутного моменту навантаження і зміни параметрів. Він показав високу надійність навіть за умов погіршення характеристик, таких як фазові замикання, що робить цю стратегію ідеальною для високопродуктивних застосувань, таких як електромобілі, де стабільність та адаптивність мають вирішальне значення.