Mode decomposed passivity-based speed control of DC drive with bidirectional Zeta-SEPIC DC-DC converter for light electric vehicles

Abstract

Currently, light electric vehicles are rapidly developing in various kinds. To power these vehicles with batteries, the simplest electric drive system is a DC motor controlled by a DC-DC converter. This work utilizes a bidirectional Zeta-SEPIC DC-DC converter with an integrated DC motor. This implementation enables control of motor speed and torque in traction and regenerative braking modes. Additionally, it allows for the use of a lower voltage battery compared to the motor's rated voltage, reducing battery weight and increasing safety. In this work, a decomposition approach is applied. Two separate port-controlled Hamiltonian subsystems are obtained to adjust the motor angular velocity in the traction (Zeta) and braking (SEPIC) modes of the DC-DC converter. The Passivity-Based Control (PBC) method is used to synthesize the drive control subsystems in these modes. This method is based on the energy laws of processes in systems and provides asymptotic stability of nonlinear systems, in this case, two fourth-order subsystems for speed control. Two third-order current control subsystems synthesized by the PBC were used to limit the motor current at a given level. The synthesis resulted in sets of possible structures of control influence formers (CIFs) for all PBC subsystems using Zeta and SEPIC DC-DC converters. The study analyzed the operation of the obtained structures of the CIFs, selected the most effective ones, and determined the laws of adaptation of their parameters to the value of the motor angular velocity through computer simulation in Matlab/Simulink. The results of the simulation showed that the drive operated well in both static and dynamic modes.

На даний час електричні транспортні засоби малої потужності стрімко розвиваються, набираючи різних форм. Для реалізації електропривода таких засобів, які живляться від акумуляторних батарей, найпростішою системою електропривода є двигун постійного струму, керований DC-DC перетворювачем. У цій роботі застосовано двонаправлений Zeta-SEPIC DC-DC перетворювач, в який інтегровано двигун постійного струму. Така реалізація забезпечує керування швидкістю та моментом двигуна в режимах тяги та рекуперативного гальмування, а також дає змогу застосувати батарею нижчої напруги порівняно з номінальною напругою двигуна, що зменшує масу батареї та підвищує безпечність експлуатації привода. В роботі застосовано декомпозиційний підхід, зокрема синтезовано дві окремі підсистеми керування кутовою швидкістю двигуна окремо для тягового (Zeta) та гальмівного (SEPIC) режимів роботи привода. Для синтезу підсистем в цих режимах використано метод пасивного керування, який базується на енергетичних закономірностях протікання процесів у системах та забезпечує асимптотичну стійкість нелінійних систем, у даному випадку підсистем четвертого порядку для регулювання швидкості. Окрім того, було реалізовано обмеження струму двигуна на заданому рівні з використанням синтезованих пасивних підсистем регулювання струму третього порядку. В результаті синтезу отримано набори можливих структур формувачів керуючих впливів (ФКВ) для усіх підсистем пасивного керування роботою двигуна за допомогою Zeta та SEPIC DC-DC перетворювачів. Проведено дослідження роботи отриманих структур ФКВ, відібрано найбільш дієві з них та шляхом імітаційного комп’ютерного моделювання в середовищі Matlab/Simulink визначено закони адаптації їх параметрів до величини кутової швидкості двигуна. Результати комп’ютерного симулювання показали добрі результати роботи привода в статичних та динамічних режимах роботи.