Torsional vibrations suppression by disturbance-observer-based control approach

The problem of torsional vibrations appears when at least two rotational masses are interconnected by elastic shaft. These vibrations can amplify if the electromagnetic torque frequency of the motor coincides with the torsional natural frequency (TNF). Large vibrations can damage the machine and reduce the level of reliability. In this thesis, the origin of these mechanical torsional vibrations is explained in detail, starting by describing the mechanical system with Newton’s equation of motion and then analysing its characteristics through transfer functions and bode plots response of the motor and load transfer functions. The sources of TNF excitors are presented, and electrical harmonic excitors are in the focus of this work. A review of several methods of torsional vibration suppression is conducted by explaining their main idea and listing the advantages and disadvantage of each approach. One of the systems that is susceptible to the torsional vibrations are the axial flux permanent magnet machines due to its modular configuration. The machine concept is presented, and the electrical model is prepared. The electromagnetic torque harmonic spectrum is briefly described for synchronous machine that is supplied from a typical variable-frequency drive. After the TNF has been specified for the system and the order of electromagnetic torque harmonics is identified, a useful tool referred to as Campbell diagram is used to link both the electrical and mechanical system together and pinpoint the resonance intersections. The main work of this thesis starts by designing a conventional speed/torque and current/voltage PI regulators for a one-mass machine model, then the motivation of the disturbance observer-based control (DOBC) is explained via frequency domain and time domain formulations. Since DOBC methods have the patch feature where the original control scheme of the system is unaffected by it, the original tuning of the PI regulators is left unchanged. Two types of observers are introduced, the first kind is referred to as linear Luenberger observer which is designed for our particular system, and then used to test the effectiveness of the DOBC approach. The nonlinear extended state observer is the second type of observer, which shows some design advantages over the former in terms of robustness against system model uncertainties. The effectiveness of observers with the implementation of DOBC method was tested under the system passing through the resonance intersections and under the steady-state resonance condition. All the simulated tests showed positive results for the suppression of torsional vibrations.

Il problema delle vibrazioni torsionali si presenta quando almeno due masse rotazionali sono interconnesse da albero elastico. Queste vibrazioni possono amplificarsi se la frequenza di coppia elettromagnetica del motore coincide con la frequenza naturale torsionale (TNF). Grandi vibrazioni possono danneggiare la macchina e ridurre il livello di affidabilità. In questa tesi viene spiegata in dettaglio l'origine di queste vibrazioni torsionali meccaniche, iniziando descrivendo il sistema meccanico con l'equazione del moto di Newton e poi analizzandone le caratteristiche attraverso funzioni di trasferimento e tracciati di bode risposta del motore e funzioni di trasferimento del carico. Vengono presentate le sorgenti degli eccitatori TNF e gli eccitatori armonici elettrici sono al centro di questo lavoro. Viene condotta una revisione di diversi metodi di soppressione delle vibrazioni torsionali spiegandone l'idea principale ed elencando i vantaggi e gli svantaggi di ciascun approccio. Uno dei sistemi che è suscettibile alle vibrazioni torsionali sono le macchine a magneti permanenti a flusso assiale grazie alla sua configurazione modulare. Viene presentato il concetto della macchina e viene preparato il modello elettrico. Lo spettro armonico della coppia elettromagnetica è descritto brevemente per la macchina sincrona alimentata da un tipico azionamento a frequenza variabile. Dopo che il TNF è stato specificato per il sistema e l'ordine delle armoniche di coppia elettromagnetica è stato identificato, un utile strumento denominato diagramma di Campbell viene utilizzato per collegare sia il sistema elettrico che quello meccanico e individuare le intersezioni di risonanza. Il lavoro principale di questa tesi inizia progettando un regolatore PI convenzionale di velocità / coppia e corrente / tensione per un modello di macchina a massa unica, quindi la motivazione del controllo basato sull'osservatore di disturbo (DOBC) viene spiegata tramite le formulazioni nel dominio della frequenza e nel dominio del tempo . Poiché i metodi DOBC hanno la funzione patch in cui lo schema di controllo originale del sistema non ne è influenzato, la messa a punto originale dei regolatori PI rimane invariata. Vengono introdotti due tipi di osservatori, il primo tipo viene indicato come osservatore Luenberger lineare, progettato per il nostro particolare sistema e quindi utilizzato per testare l'efficacia dell'approccio DOBC. L'osservatore di stato esteso non lineare è il secondo tipo di osservatore, che mostra alcuni vantaggi di progettazione rispetto al primo in termini di robustezza contro le incertezze del modello di sistema. L'efficacia degli osservatori con l'implementazione del metodo DOBC è stata testata sotto il sistema che passa attraverso le intersezioni di risonanza e in condizione di risonanza di stato stazionario. Tutti i test simulati hanno mostrato risultati positivi per la soppressione delle vibrazioni torsionali.