Finite Control-Set Model Predictive Torque Control of Nonsinusoidal PMSM: a Generalized Approach for Torque Ripple Mitigation and MTPA Operation

Abstract

Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSMs) may present spatial harmonics depending on the design guidelines or imprecisions on the manufacturing process. The interaction of conventional sinusoidal current feeding strategies with these spatial harmonics can produce a considerable torque ripple. This paper deals with a modified Finite Control-Set Model Predictive Torque Control (FCS-MPTC) loop as an active torque ripple minimization solution for PMSMs with spatial harmonics. The proposed approach designs a novel cost function, based on the cross product reactive instantaneous power theory. The benefits of the proposed generalized approach include providing smooth torque production and the Maximum Torque per Ampère (MTPA) operation on PMSMs with a number of spatial harmonic sources, including those on zero-sequence. The effectiveness of the presented control strategy is demonstrated comparatively to conventional sinusoidal current feeding strategy on a PMSM drive employing a three-phase four-leg two level voltage source inverter under both steady and transient state.

Contribuições à mitigação ativa de ondulações de torque em acionamentos com máquinas síncronas de ímã permanente não senoidais

“…Nesta categoria de fontes elétricas internas agrupam-se essencialmente as causas relacionadas ao fluxo do rotor e indutâncias da MSIP. [19,20,25,26,33,[65][66][67][68][69][70][71][72][73] Em uma MSIP senoidal ideal a forma de onda do fluxo magnético dos ímãs do rotor, abraçados pelos enrolamentos do estator, é idealmente senoidal em função da posição rotórica. No entanto, considerações de projeto da máquina, tolerâncias mecânicas no processo de manufatura ou mesmo o ponto de operação da máquina podem resultar em um comportamento não senoidal do fluxo do rotor.…”

“…-Soluções subótimas/aproximadas [85,133,137]; -Multiplicador de Lagrange [126,131,[138][139][140][141]; -Análise de gradiente de torque [75,142]; -Teoria da potência instantânea [19,25,26,29,129,[143][144][145][146][147][148]; -Análise geométrica [32,91]; -Expansão em série de Fourier do modelo de torque [14,33,124,[149][150][151][152]; -Alternativos referenciais de orientação do modelo da máquina e torque [135,142,148,[153][154][155][156][157].…”

“…O fato desta propriedade alinhar-se ao conceito de operação MTPA em MSIPs motivou autores a empregá-la no problema de estratégias de controle de MSIPs não senoidais [25,26,29,30,118,129,135,142,157]. As seções seguintes analisam a condição MTPA de MSIPs não senoidais e sua relação com a teoria do produto cruzado da potência reativa instantânea.…”

“…Como apresentado, a utilização das componentes de eixo zero reduziram o valor da corrente eficaz do Método 2 em relação ao Método 1. Isso porque as componentes de fluxo do rotor de eixo zero contribuem na produção de torque útil [19,26,29].…”

“…Os Métodos 3 e 4 requerem maior corrente eficaz quando comparados ao Método 1 para compensação das ondulações de torque. No entanto, similarmente à comparação entre Método 2 e 1, o Método 4 considera a participação das componentes de eixo 0 de FCEMCN na produção de torque e isso representa um benefício ao torque médio, fazendo com que seja necessário menor valor eficaz de corrente de fase para atender um torque de referência [19,26,29]. Além da redução das ondulações de torque, no Método 4 é possível notar claramente que as componentes de torque reativo são mantidas proximamente a zero durante o transitório de referência de torque ativo, indicando que a alimentação da MSIPSR é também apropriadamente adaptada de forma a mantê-la em condição MTPA durante a dinâmica do Teste 2.…”