Model-Based Position Estimation for Synchronous Reluctance Motor Drives

Abstract

This thesis deals with model-based position-estimation methods for synchronous reluctance motor drives. The position estimation methods should be robust against modeling uncertainties, and reliable position information should be obtained at all speeds, including standstill. Since the considered position-estimation methods are model based, methods to obtain the model parameters under normal operation of the drive are proposed. Three observer structures are studied: a first-order observer, a reduced-order observer and a speed-adaptive full-order observer. The stability of the observers is studied via small-signal linearization under erroneous model parameters. Based on the analysis, robust gain selections are proposed with maximal tolerance for model parameter uncertainties. For improved performance, the observers are augmented with parameter adaptation laws. The first-order observer and the reduced-order observer are augmented with resistance adaptation laws at low speeds, using information from the back-electromotive force. The speed-adaptive full-order observer is augmented with inductance adaptation law at high speed, using information from the back-electromotive force. At low speeds, the speed-adaptive full-order observer is augmented with resistance adaptation law, using information from high-frequency signal injection. The stability of the augmented observers are studied via small-signal linearization under erroneous model parameters. Based on the analysis, stabilizing gain selections are proposed. The observers are experimentally evaluated using a 6.7-kW synchronous reluctance motor drive. The first-order observer seems unsuitable for these. The behaviour of the reduced-order observer is closely related to the behaviour of the speed-adaptive full-order observer, but the speed-adaptive full-order observer can be made less sensitive to parameter variations and measurement noise due to the additional degrees of freedom. When the speed-adaptive full-order observer is augmented with parameter-adaptation laws, small position-estimation error is obtained at all speeds, including standstill.

Tämä väitöskirja käsittelee mallipohjaisia menetelmiä reluktanssitahtimoottorikäyttöjen roottorin asennon estimointiin. Estimointimenetelmien tulee olla robusteja mallin parametrivirheille, ja asentotiedon on oltava luotettava kaikilla nopeuksilla. Koska työssä tutkittavat estimointimenetelmät ovat mallipohjaisia, menetelmiä mallien parametrien ajonaikaiselle estimoinnille on ehdotettu. Työssä on tutkittu kolmea havaitsijarakennetta: ensimmäisen kertaluvun havaitsijaa, vähennetyn kertaluvun havaitsijaa ja adaptiivista täyden kertaluvun havaitsijaa. Havaitsijoiden stabiiliutta on tarkasteltu linearisoidulla piensignaalimallilla mallin parametrien ollessa virheellisiä. Analyysin pohjalta on johdettu havaitsijoiden vahvistuksille ehdot, jotka maksimoivat havaitsijoiden toleranssin parametrivirheille. Suorituskyvyn parantamiseksi havaitsijoita on laajennettu parametrien adaptointimekanismeilla. Pienillä nopeuksilla ensimmäisen kertaluvun havaitsijaa ja vähennetyn kertaluvun havaitsijaa laajennetaan resistanssin adaptointimekanismilla, joka pohjautuu vastasähkömotoriseen voimaan. Suurilla nopeuksilla täyden kertaluvun havaitsijaa laajennetaan vastasähkömotoriseen voimaan perustuvalla induktanssien adaptoinnilla. Pienillä nopeuksilla täyden kertaluvun havaitsijaa laajennetaan signaali-injektioon perustuvalla resistanssin adaptoinnilla. Laajennettujen havaitsijoiden stabiiliutta on tarkasteltu linearisoidulla piensignaalimallilla mallin parametrien ollessa virheellisiä. Analyysin pohjalta on johdettu havaitsijoiden vahvistuksille stabiilin toiminnan ehdot. Havaitsijoiden suorituskykyä on arvioitu kokeellisesti 6,7 kW:n reluktanssitahtimoottorikäytöllä. Tulosten perusteella ensimmäisen kertaluvun havaitsija soveltuu huonosti reluktanssitahtimoottoreille. Vähennetyn kertaluvun havaitsija on ominaisuuksiltaan lähellä adaptiivista täyden kertaluvun havaitsijaa, mutta ylimääräisten vapausasteiden vuoksi adaptiivinen täyden kertaluvun havaitsija on vähemmän herkkä parametrivirheille ja mittauskohinalle. Parametrien adaptointimekanismeilla laajennetulla adaptiivisella täyden kertaluvun havaitsijalla saavutetaan pieni estimointivirhe kaikilla nopeuksilla, myös nollanopeudella.