Predictive torque control applied on an induction machine

Conversion and control of electrical energy by mean of power electronics is a topic that nowadays is undergoing an important evolution. In the past, the control of electrical drives was mainly concerned with keeping the controlled quantities as near as possible to a reference value; classical strategies were born with this idea and were developed on analog electronics. Instead at the present time, other targets need to be taken into account, considering the new requirements in terms of power quality, efficiency, technical specifications and constraints given by the authority. Of course, all these additional objectives require controllers with an increased capacity of calculation, which have been provided by the recent evolution of industrial informatics. Nevertheless, the adaptation of classical strategies to respect these new requests has taken to their denaturalization, with as result a control that not always is the optimal one. Therefore, new control methods are born, as the ones based on Model Predictive Control. Thanks to the fast and powerful microprocessors available today, it is in fact possible to apply MPC to power electronics and drives, which allows achieving simple and flexible controllers able to fulfil at the same time more targets, like losses minimization and reactive power control, other than keeping the controlled variables within suitable limits. MPC control action consists in selecting between all the possible states, calculated in a discrete-time predictive model, the one that minimizes a cost function. Therefore, by appropriate cost function formulation it is possible to reach all the control objectives required by a certain application. The topic of this thesis is an MPC-based control strategy, named Predictive Torque Control; the aim is to compare it with a classical control strategy as the Direct Torque Control and to show all the improvements and advantages introduced by PTC on the control of an induction motor fed by a two-level inverter. In details, the first chapter reports a detailed explanation of the DTC method and underlines its pros and cons, proposes the predictive approach to overcome DTC limits and introduces the MPC strategy. The PTC strategy and its application on the induction motor appear in the second chapter, together with an accurate report on the cost function choice and an introduction to other MPC-based controllers. Third chapter focuses on the definition and creation of the MATLAB / Simulink models needed for the comparison between DTC and PTC, which is reported in the fourth chapter. Finally, chapter five includes an experimental activity aimed to verify if PTC is a viable control strategy not only in theory but in practice also; therefore some parts of the Simulink model previously created are substituted with real hardware components.

La conversione e il controllo dell'energia elettrica per mezzo dell'elettronica di potenza è un tema che oggi sta attraversando un'importante evoluzione. In passato, il controllo degli azionamenti elettrici era principalmente rivolto a mantenere le variabili controllate il più vicino possibile ad un valore di riferimento; le strategie classiche sono nate con questa idea e sono state sviluppate su elettronica analogica. Invece, attualmente anche altri obiettivi devono essere presi in considerazione, tenendo conto delle nuove richieste in termini di qualità dell’energia, efficienza, specifiche tecniche e vincoli forniti dall'autorità. Naturalmente tutti questi obiettivi supplementari richiedono dei controllori con una maggiore capacità di calcolo, che sono stati forniti dal recente sviluppo dell'informatica industriale. Tuttavia, adattare le strategie classiche per rispettare queste nuove richieste ha portato alla loro denaturalizzazione, e di conseguenza ad un controllo che non sempre è quello ottimale. Perciò sono stati studiati nuovi metodi di controllo, come ad esempio quelli basati sul Model Predictive Control. Grazie ai moderni e potenti microprocessori disponibili oggi è infatti possibile applicare l’MPC all'elettronica di potenza e agli azionamenti, il che consente di ottenere controllori semplici e flessibili in grado di soddisfare contemporaneamente più obiettivi, come la riduzione delle perdite e il controllo della potenza reattiva, oltre che mantenere le variabili controllate entro limiti adeguati. L'azione di controllo del MPC consiste nel selezionare tra tutti gli stati possibili, calcolati con un modello predittivo a tempo discreto del sistema studiato, quello che minimizza una funzione di costo. Pertanto, con una appropriata formulazione della funzione di costo è possibile raggiungere tutti gli obiettivi di controllo richiesti da una determinata applicazione. L'argomento di questa tesi è una strategia di controllo basata sul MPC, denominata Predictive Torque Control; lo scopo è quello di confrontarla con una strategia di controllo classica come il DTC e mostrare tutti i miglioramenti ed i vantaggi introdotti dal PTC sul controllo di un motore a induzione alimentato da un inverter a due livelli. In dettaglio, il primo capitolo contiene una spiegazione dettagliata del metodo DTC e ne sottolinea pro e contro, propone l'approccio predittivo per superare i limiti del DTC e introduce la strategia MPC. La strategia PTC e la sua applicazione sul motore a induzione sono riportati nel secondo capitolo, insieme ad un resoconto accurato riguardante la scelta della funzione di costo e ad un'introduzione ad altre tipologie di controllori basati sul MPC. Il terzo capitolo riguarda la definizione e la creazione dei modelli MATLAB / Simulink necessari per il confronto tra DTC e PTC, riportato nel quarto capitolo. Infine, il capitolo cinque include un'attività sperimentale volta a verificare se il PTC sia una strategia di controllo utilizzabile non solo teoricamente ma anche in pratica; quindi si sostituiscono con dei componenti hardware reali alcune parti del modello Simulink precedentemente creato.