In order to improve the transient and steady-state torque response of a direct torque controlled induction motor drive, a deadbeat controller has been introduced in this study. A deadbeat controller can exhibit the deadbeat response and zero steady-state error even with a very low switching frequency and can be easily designed and implemented according to the choice of the overall closed-loop pulse transfer function in z-plane.
In this paper, deadbeat flux and torque controllers have been designed with only the stator dynamics to take advantage of the direct torque control strategy. Whereas the flux controller has been easily designed by employing high controller gain, the torque controller has not been easily designed because of the speed voltage. Consequently, the effect of the speed voltage has been compensated at the command side in this torque control system.
Although a deadbeat control scheme has been applied, large torque overshoot has been caused while the torque command has been well followed in the steady-state with the aid of constant flux magnitude. This is why controllers have been designed with only the stator dynamics like in conventional controllers. Thus, another controller gain has been added to the proposed torque controller, so that a deadbeat torque response could be established by considering the rotor dynamics.
Furthermore, characteristics and performance of the proposed control system has been analyzed with approximated full-order model of an induction motor. That is, the stability condition of the proposed control system, pole positions of the closed-loop pulse transfer function, and the final value of the steady-state error have been examined in the z-plane. Also, the influences of the internal and external disturbances such as the slip frequency, load torque, and the mechanical friction have been investigated.
In accordance with the results of analysis, controller and compensation gains for a deadbeat torque response have been determined. The estimated results with the closed- loop pulse transfer function in z-plane have been verified through the simulation and experiments. The proposed control system has exhibited fast transient response without any overshoot and very small steady-state error even with a low switching frequency. Comparing with conventional controllers, the proposed system has shown better steady- state performance even with a lower switching frequency.
본 연구에서는, 직접토크제어되는 유도전동기 드라이브의 과도 및 정상상태 응답특성을 개선하기 위하여 데드빗 제어기를 도입하였다. 데드빗 제어기는 스위칭 주파수가 낮아도 정상상태 오차가 없는 데드빗 응답특성을 보일 수 있을 뿐만 아니라 폐루프 전달함수의 선택에 따라서는 쉽게 설계할 수 있다는 장점이 있다.
본 연구에서는 직접토크제어의 장점을 취한다는 면에서, 고정자의 동특성만을 이용해 데드빗 자속 및 토크제어기를 설계하였다. 자속제어기는 큰 값의 제어이득을 채용함으로써 쉽게 설계되었으나, 토크제어기는 속도전압(speed voltage)의 영향으로 설계에 어려움이 있었다. 결국, 본 연구의 토크제어 시스템에서는, 속도전압의 영향을 명령단(command side)에서 보상해 주었다.
자속이 일정하게 유지됨에 따라 정상상태의 토크 명령값은 제대로 추종되는 반면, 데드빗 제어기법이 적용되었음에도 불구하고 과도상태에서는 커다란 토크 오버슛(overshoot)이 발생하였다. 이는 기존의 제어방법과 같이, 제어기가 고정자의 동특성만을 고려하여 설계되었기 때문이다. 이에 따라, 제안된 토크 제어기에 또 다른 이득을 추가함으로써 회전자의 동특성을 반영하여 데드빗 응답특성을 얻을 수 있도록 하였다.
그리고, 제안된 제어시스템의 특성과 성능을 유도전동기의 근사모델을 이용하여 분석하였다. 즉, 제안된 시스템의 안정도 조건, 폐루프 전달함수의 극위치 및 정상상태 오차의 최후값을 z평면에서 점검하였다. 또, 슬립주파수나 부하 토크 및 기계적 마찰 등과 같은 내외부 외란에 의한 영향도 조사하였다.
이러한 분석 결과에 따라, 데드빗 토크 응답특성을 보이는 제어이득과 보상이득을 결정할 수 있었다. 그리고, z평면에서의 폐루프 전달함수를 통해 분석된 결과를 시뮬레이션과 실험을 통해 다시 확인하였다. 제안된 시스템은 스위칭 주파수가 낮아도, 과도상태에서 오버슛이 전혀 없이 빠른 토크 응답특성을 보였으며, 정상상태에서도 매우 작은 오차를 보여 주었다. 기존의 제어기들과 비교해 볼 때, 제안된 시스템은 스위칭 주파수가 더 낮아도 더 우수한 정상상태 성능을 보여주었다.
