Ensuring service continuity in electric vehicles with vector control and linear quadratic regulator for dual star induction motors

Abstract

In this paper, the use of a Linear Quadratic Regulator (LQR) to control a Dual Star Induction Motor (DSIM) powered by dual three-level neutral point clamped inverters in electric vehicle (EV) propulsion systems is explored. Purpose. Ensuring both high performance against parameter sensitivity and service continuity in the event of faults is challenging in EV propulsion systems. The aim is to maximize both system performance and service continuity through the optimal design of the controller. Methods. DSIM is controlled by a LQR, which is replaced the traditional PI controller in the field-oriented control (FOC) system for speed regulation. Starting with FOC the optimal regulator is designed by introducing a minimization criterion into the Ricatti equation. The LQR control law is then employed as a speed regulator to ensure precise regulation and optimize DSIM operation under various load and speed conditions. The avoidance of linearization of the DSIM facilitates the exploitation of its true nonlinear dynamics. Novelty. Three tests are conducted to evaluate system performance. A precision test by varying the reference speed and analyzing speed response, settling time, precision and overshoot, a robustness test against parameter variations, assessing system robustness against changes in stator and rotor resistances and moment of inertia, and a fault robustness test evaluating system robustness against faults such as phase faults while maintaining load torque. The results show that this approach can keep the motor running smoothly even under parameter variations or degraded conditions. The precision and adaptability of the LQR technique enhance the overall efficiency and stability of the DSIM, making it a highly viable solution for modern EVs. This robust performance against parameter variations and loads is essential in ensuring the reliability and longevity of EV propulsion systems. Practical value. This approach holds significant potential for advancing EV technology, promising improved performance and reliability in real-world applications.

У цій статті досліджується використання лінійного квадратичного регулятора (LQR) для керування асинхронним двигуном із подвійною зіркою (DSIM), що живиться від подвійних трирівневих інверторів із закріпленням нейтральної точки в силових системах електромобілів. Призначення. Забезпечення як високої продуктивності щодо чутливості до параметрів, так і безперервності роботи в разі несправностей є складним завданням для силових систем електромобілів. Метою є максимізація як продуктивності системи, так і безперервності обслуговування за допомогою оптимальної конструкції контролера. Методи. DSIM керується LQR, який замінює традиційний PI-контролер у системі орієнтованого на поле керування (FOC) для регулювання швидкості. Починаючи з FOC, оптимальний регулятор розробляється шляхом введення критерію мінімізації в рівняння Рікатті. Потім закон керування LQR використовується як регулятор швидкості для забезпечення точного регулювання та оптимізації роботи DSIM за різних умов навантаження та швидкості. Уникнення лінеаризації DSIM полегшує використання його справжньої нелінійної динаміки. Новизна. Для оцінки продуктивності системи проводяться три тести. Випробування на точність шляхом зміни еталонної швидкості та аналізу відповіді на швидкість, часу встановлення, точності та перерегулювання, випробування на стійкість щодо варіацій параметрів, оцінювання стійкості системи щодо змін опору статора та ротора та моменту інерції, а також тест на стійкість до несправностей, що оцінює стійкість системи проти несправностей, таких як замикання фаз, зберігаючи момент навантаження. Результати показують, що цей підхід може підтримувати безперебійну роботу двигуна навіть за коливань параметрів або погіршених умов. Точність і адаптивність техніки LQR підвищують загальну ефективність і стабільність DSIM, що робить його дуже життєздатним рішенням для сучасних електромобілів. Ця надійна робота проти коливань параметрів і навантажень є важливою для забезпечення надійності та довговічності силових систем електромобілів. Практична цінність. Цей підхід має значний потенціал для вдосконалення технології електромобілів з точки зору покращеної продуктивності і надійності у реальних прикладах.