Control predictive de velocidad y corriente en cascada en accionamientos

Abstract

This work presents and experimentally validates a new control scheme for electrical drive systems, named cascaded predictive speed and current control (PSCC). This new strategy uses the model predictive control concept. It has a cascaded structure like that found in field-oriented control or direct torque control. Therefore the control strategy has two loops, external and internal, both implemented with model predictive control. The external loop controls the speed, while the inner loop controls the stator currents. The inner control loop is based on Finite Control Set Model Predictive Control (FS-MPC), and the external loop uses MPC deadbeat, making full use of the inner loop's highly dynamic response. Experimental results show that the proposed strategy is overshoot-free and has a high dynamic response.

On the other hand, FS-MPC has many advantages, such as fast dynamic response and intuitive implementation. For these reasons it has been thoroughly researched in the last decade. However, the spread switching frequency spectrum of FS-MPC remains a major disadvantage of the strategy. The second part of this research discusses a modulated model predictive control that guarantees a fixed spectrum switching frequency in the linear modulation range and extend its optimized response to the over-modulation region. Due to the equivalent high gain of the predictive control, and due to the limit on the voltage actuation of the power converter, it is expected for the actuation voltage to enter into the over-modulation region during large reference change or in response to load impacts. For this situation an optimized over-modulation strategy, that converges to FS-MPC response for large tracking errors, is proposed. This technique seamlessly combines the good steady-state switching performance of PWM with the high dynamic response of FS-MPC during large transients. Experimental results that show the good steady-state switching performance, the FS-MPC like transient response and the seamless transition between modes of operation are presented for a permanent magnet synchronous machine drive to test the proposed modulated predictive control strategy.

Este trabajo presenta la validación de un nuevo esquema de control para accionamientos eléctricos, llamado control predictivo de velocidad y corriente en cascada (PSCC). Esta nueva estrategia usa el concepto de control predictivo basado en modelos. En una estructura en cascada como la utilizada en control orientado por flujo y control directo de torque. Por lo tanto, la estrategia de control tiene dos lazos, externo e interno, ambos implementados con control predictivo basado en modelos. El lazo externo controla la velocidad, mientras el lazo interno controla la corriente de estator. El lazo interno de control se basa en control predictivo de estados finitos (FS-MPC), y el lazo externo usa \textit{dead-beat} MPC, haciendo un completo uso de la alta respuesta dinámica que posee el lazo interno. Resultados experimentales demuestran que la estrategia propuesta no posee \textit{overshoot} y tiene una respuesta dinámica muy alta.

Como ha sido ampliamente en la literatura reciente FS-MPC tiene algunas características muy atractivas, principalmente su rápida respuesta dinámica y una implentación intuitiva. Por estas razones ha sido fuertemente investigado en las últimas décadas. Sin embargo, el espectro distribuido de los armónicos de conmutación debido a su frecuencia de conmutación variable, es una desventaja de la estrategia. La segunda parte de esta investigación propone un control predictivo modulado que garantiza un espectro de frecuencia de conmutación fijo en el rango de modulación lineal y posee una respuesta óptima en zona de sobre-modulación. Debido a la alta ganancia equivalente de control predictivo, y debido a la limitación en la actuación del convertidor de potencia, se espera que la actuación de voltaje en la zona de sobre-modulación durante un gran cambio en la referencia o en la respuesta a un impacto de carga. Por esta situación una estrategia de optimización en zona de sobre-modulación, que converge a una respuesta FS-MPC cuando el error de seguimiento es grande, es propuesto. Esta técnica combina el buen desempeño del estado estacionario de la conmutación PWM con la alta respuesta dinámica de FS-MPC durante los transientes. Resultados experimentales que muestran el buen desempeño de conmutación en estado estacionario, la respuesta transiente de FS-MPC y la suave transición entre ambos modos son presentados para un banco de prueba de máquina sincrónica de imanes permanente para validar la estrategia de control predictivo modulado propuesto.