[論文レビュー] Nonlinear PI current control of reluctance synchronous machines

Christoph M. Hackl, Kamper, M. J.+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2015

Electric Motor Design and Analysis参考文献 29被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、既知の磁鎖マップを用いて、リラクタンス同期モーター（RSM）の非線形PI電流制御戦略を提案する。PIコントローラーのパラメータをマグニチュード最適基準に基づきチューニングし、補間された微分インダクタンスおよび磁鎖マップに基づくリアルタイムの外部からくる力の補償を実装することで、全運転範囲にわたりほぼ同一の電流ダイナミクスを達成する。シミュレーションおよび実測により、高い追従精度と逆起電圧変動に対するロバスト性が検証された。

ABSTRACT

This paper discusses nonlinear proportional-integral (PI) current control with anti-windup of reluctance synchronous machines (RSMs) for which the flux linkage maps are known. The nonlinear controller design is based on the tuning rule "Magnitude Optimum criterion" [1]. Due to the nonlinear flux linkage, the current dynamics of RSMs are highly nonlinear and, so, the parameters of the PI controllers and the disturbance compensation feedforward control must be adjusted online (e.g., for each sampling instant). The theoretical results are illustrated and validated by simulation and measurement results.

研究の動機と目的

• 非線形磁鎖および相互磁化効果による高非線形性を示すRSMの制御の難しさに対処すること。
• PIコントローラーのパrameterのオンライン調整および外部からの力の補償を可能にすることで、RSMにおける電流制御性能を向上させること。
• 非線形ダイナミクスにもかかわらず、全運転範囲にわたり一貫した過渡応答（立ち上がり時間および安定化時間）を確保すること。
• ラボの試験ベンチ上でシミュレーションおよび実測による、提案された制御戦略の検証を行うこと。
• 予測可能で一様な閉ループ電流ダイナミクスを保証することで、外ループ制御設計（例：速度または位置制御）を信頼性高く可能にすること。

提案手法

• 過渡応答を最適化するために、マグニチュード最適基準を用いて非線形PIコントローラーを設計する。
• 各サンプリングインスタンスで、微分インダクタンスのリアルタイム推定値に基づき、PIコントローラーのパrameter（比例ゲインおよび積分ゲイン）をオンラインで更新する。
• 微分インダクタンスは、FEMデータから導出された既知の磁鎖マップを数値微分することで算出され、2次元ルックアップテーブルとして保存される。
• 直接軸および直交軸のダイナミクスを分離するために、リアルタイムでの磁鎖マップおよび微分インダクタンス推定値を用いた非線形外部からくる力補償（フィードフォワード）制御を実装する。
• 大規模な参照変更や飽和状態において積分器のウィンドアップを防ぐために、アンチウィンディング機構を制御構造に組み込む。
• コントローラーはMATLAB/Simulinkで実装され、実際のRSM試験ベンチ上でリアルタイム測定により検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オンラインパrameter調整を伴う非線形PI制御は、RSMの全運転範囲にわたり一貫した電流ダイナミクスを達成できるか？
• RQ2 補間された磁鎖およびインダクタンスデータに基づくリアルタイムの外部からくる力補償は、電流追従精度およびクロスカップリングにどのように影響するか？
• RQ3 マグニチュード最適基準は、非線形RSM電流制御における過渡応答をどの程度改善するか？
• RQ4 トルクおよび回転速度が変化する条件下でも、シミュレーション結果と実測値の一致度はどの程度か？
• RQ5 提案された制御構造は、高速運転に伴う急激に変化する逆起電圧に対しても、安定的かつ正確な電流追従を保証できるか？

主な発見

• 閉ループ電流ダイナミクスは、全運転範囲（‖ik_s‖ ≤ 5 A）において、直接電流および直交電流の両方でほぼ同一の立ち上がり時間および安定化時間を示した。
• シミュレーションと測定結果は良好に一致しており、全テスト条件下でも追従誤差が最小限に抑えられていた。
• オンラインPIチューニングおよび外部からくる力補償の実装により、特にクロスカップリング効果に敏感な直交電流の追従精度が顕著に向上した。
• 高速域における急激に変化する逆起電圧に対しても、コントローラーは正確な電圧リファレンス生成を維持し、低解像度のルックアップテーブルに起因する数値ノイズに対しても正常に機能した。
• 磁鎖およびインダクタンスの補間に25×25のルックアップテーブルを用いたが、わずかな偏差しか生じず、これはモデル化されていない鉄損およびヒステリシス効果に起因するとされた。
• 提案された制御戦略により、一貫性があり予測可能な電流ダイナミクスに基づき、外ループ制御（例：速度または位置制御）の信頼性ある設計が可能になった。