Performance enhancement of direct torque control induction motor drive using space vector modulation strategy

Abstract

The main objective of this work is to demonstrate the advantages brought by the use of space vector modulation technique in the direct torque control of the induction motor. To achieve this purpose, two different direct torque control approaches (with space vector modulation) are proposed and studied from a comparative aspect with each other and with the conventional direct torque control. The novelty of this work consists in the employment of an Integral-Proportional (IP) speed controller in the two proposed direct torque control approaches and a more in-depth evaluation for their performance mainly the switching frequency of inverter semiconductor components and motor torque ripples. Methods. Two different direct torque control approaches that use the space vector modulation strategy and/or fuzzy-logic control, are described in detail and simulated with IP speed controller. The simulation experiments are carried out using Matlab/Simulink software and/or fuzzy-logic tools. Results. Practical value. Comparison results show that the two proposed direct torque control structures (with space vector modulation) exhibit a large reduction in torque ripples and can also avoid random variation problem of switching frequency (over a wide range of speed or torque control). On the other hand, the use of IP speed regulator ensured good dynamic performance for the drive system as well as considerably minimized peak overshoot in the speed response. Practically all of these benefits are achieved while retaining the simplicity and the best dynamic characteristics of the classical direct torque control, especially with the modified direct torque control approach in which the design or implementation requires minimal computational effort.

Основна мета даної роботи – продемонструвати переваги використання методу модуляції просторового вектора при прямому регулюванні крутного моменту асинхронного двигуна. Для досягнення цієї мети запропоновано два різних підходи до прямого управління крутним моментом (з модуляцією просторового вектора), які досліджуються з порівняльної точки зору одного з іншим, а також зі звичайним прямим керуванням крутним моментом. Новизна роботи полягає у використанні інтегрально-пропорційного (IП) регулятора швидкості в двох запропонованих підходах до прямого регулювання крутного моменту та більш поглибленій оцінці їх ефективності, головним чином, частоти перемикань напівпровідникових компонентів інвертора та пульсації крутного моменту двигуна. Методи. Два різних підходи до прямого керування крутним моментом, які використовують стратегію модуляції просторового вектора та/або керування нечіткою логікою, детально описані та змодельовані за допомогою ІП-регулятора швидкості. Обчислювальні експерименти проводяться з використанням програмного забезпечення Matlab/Simulink та/або інструментів нечіткої логіки. Результати. Практична цінність. Результати порівняння показують, що дві запропоновані структури прямого керування крутним моментом (з модуляцією просторового вектора) демонструють значне зниження пульсації крутного моменту, а також можуть уникнути проблеми випадкових змін частоти перемикання (у широкому діапазоні регулювання швидкості або крутного моменту). З іншого боку, використання ІП-регулятора швидкості забезпечило хороші динамічні характеристики для приводної системи, а також значно знизило пікове перевищення швидкості. Практично всі ці переваги досягаються при збереженні простоти та найкращих динамічних характеристик класичного прямого керування крутним моментом, особливо з модифікованим підходом прямого керування крутним моментом, при якому проектування або впровадження вимагає мінімальних обчислювальних витрат.