An improved speed controller for PMSM drive with unbalanced load using load torque observer

Abstract

In order to overcome disturbance effects as load torque variations in Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM), an improved controller with feed forward compensation is presented in this study. Washing machines which are a good application area of both variable loads and low-high speed operations is chosen to examine the effectiveness of the proposed method. Firstly, a mathematical model of permanent magnet synchronous motor and torque expressions of washing machine is reviewed. The Field Oriented Control is introduced with the Clarke and Park Transformations. Implementing the Field Oriented Control algorithm requires motor speed and rotor position information. In order to obtain these parameters, sensorless observer approach is used. Then for using in feedforward compensation of PMSM control system, load torque observer techniques have been studied. The observed torque is used as feedforward in q axis current PI controller to compensate the output of speed PI controller caused by unbalanced load profile of the washing machine. Motor speed information is required in both sensorless motor control alghorithm and in proposed feedforward compensation with load torque observer. In order to get best improvement by compensation, Extended Luenberger Observer, Direct Integration and Sliding Mode Observer methods are introduced with improvements for obtaining the motor speed. Simulation and experimental results are showed that in an operating system with disturbances as washing machines, PI controller response time can be improved by adopting an accurate feedforward scheme. Thus, energy efficiency performance, acoustical noise level and vibration performance of the washingmachine can be improved by this method.

Bu çalışmada çamaşır makinelerinin SabitMıknatıslı SenkronMotor (SMSM)’larında değişken yük torkları gibi bozucu etkilerin önüne geçilmesi için ileribeslemeli komponzasyon metodu içeren geliştirilmiş bir motor kontrolör sunulmuştur. Çamaşır Makineleri hem değişken yüklerin hemde düşük-yüksek hız profillerinin olması sebebiyle önerilen metodun etkisinin inceleneceği uygulama alanı olarak seçilmiştir. İlk olarak sabit mıknatıslı senkron motorun matematiksel modeli ve çamaşır makinesinin tork denklemleri çalışılmıştır. Daha sonra clarke ve park dönüşümleriyle vektör kontrolü uygulanmıştır. Vektör kontrol algoritması motor hızı ve rotor pozisyon bilgisini gerektirmektedir. Bu parametrelerin elde edilmesinde sensörsüz gözlemleyici yöntemi tercih edilmiştir. SMSM kontrol sisteminin ileribeslemeli komponzasyonunda kullanılması için yük torku gözlemleyici teknikleri çalışılmıştır. Çamaşır makinelerinde dengesiz yük profilinden gelen etkilerin kompanzasyonunda hız PI kontrolünden gelen kontrol parametresinin kompanzasyonu için gözlemciden elde edilen yük torku bilgisi q ekseni PI kontrolüne ileribesleme olarak eklenmiştir. Motor hızı bilgisi hem sensörsüz motor kontrol algoritmasında hem de önerilen yük torku gözlemleyicili ileribesleme kompanzasyonunda gerekmektedir. Motor hız bilgisini elde etmek için ve kompanzasyon ile en iyi gelişmeyi sağlamak için Genişletilmiş Luenberger Gözlemleyicisi, Doğrudan İntegrasyon ve Kayma Kipli Gözlemleyici yöntemleri sunulmuştur. Simülasyon ve deneysel çalışmaların sonucuna göre bozucu etkilerle çalışan çamaşır makineleri gibi uygulama alanlarında uygun bir ileri besleme kompanzasyon metodu kullanılarak PI kontrolörün tepki zamanı iyileştirilebilir. Bu sayede çamaşır makinelerinin enerji verimliliği performansı, akustik gürültü seviyesi ve titreşim performansı iyileştirilebilir.