Comparison of incremental encoder digital signal processing techniques for the induction motor flux-torque vector control systems

Abstract

The article presents the results of a study on the effectiveness of various techniques for synchronous reference frame angular position numerical calculation in flux-torque vector control system of induction motor. Investigation was caried out taking into account the discrete nature of the angular speed signal obtained using an incremental encoder. In this work for investigation by simulation used a direct torque vector control system, which, in the presence of an ideal rotor angular speed signal, ensures direct asymptotic field orientation, asymptotic tracking of torque-flux reference trajectories, as well as asymptotic decoupling torque and flux subsystems. The parameters of the induction motor and encoder used in the study correspond to those existing in traction electromechanical systems of city trolleybuses. It is shown that the discrete nature of the angular speed signal, which used in synchronous reference frame position equation of flux-torque vector control systems, introduces field orientation errors and leads to current and torque ripples, which in a real system increase acoustic noise and can cause mechanical vibrations and resonance phenomena. An analysis of possible ways to reduce the influence of the speed signal discreteness on flux-torque control is performed, and a method for practical implementation of the synchronous reference frame angular position numerical calculation is proposed. This method allows ensuring conditions for more precise field orientation and, by using an additional filter for the angular speed signal, reducing the level of current and torque ripples to negligibly small values without affecting the field orientation processes. The proposed solution can be used in the development of high dynamic flux-torque vector control systems for induction motors using incremental encoders, including for electric vehicles.

В роботі представлено результати дослідження ефективності різних способів практичної реалізації рівняння динаміки кутового положення синхронної системи координат векторно-керованого асинхронного електроприводу із врахуванням дискретного характеру сигналу кутової швидкості, отриманого з використанням інкрементального енкодера. Дослідження виконано методом математичного моделювання для системи прямого векторного керування моментом, яка, за наявності ідеального сигналу про кутову швидкість ротора, забезпечує пряме асимптотичне полеорієнтування, асимптотичне відпрацювання заданих траєкторій моменту та модуля вектора потокозчеплення ротора, а також асимптотичну розв’язку процесів керування моментом та потоком. Параметри асинхронного двигуна та енкодера, які використовуються в дослідженні, відповідають параметрам, що існують в тягових електромеханічних системах тролейбусів. Показано, що дискретний характер сигналу кутової швидкості, який має місце в системах векторного керування координатами асинхронних двигунів, вносить похибки полеорієнтування, а також призводить до виникнення пульсацій струму і моменту, які в реальній системі підвищують акустичний шум та можуть викликати механічні вібрації і резонансні явища. Виконано аналіз можливих шляхів зменшення впливу дискретності сигналу кутової швидкості на процеси керування, та запропоновано метод практичної реалізації рівняння динаміки кутового положення синхронної системи координат, який дозволяє забезпечити умови якісного полеорієнтування та, за рахунок застосування додаткового фільтра сигналу кутової швидкості, зменшити рівень пульсацій струму і моменту до нехтувано малих значень без впливу на процеси полеорієнтування. Запропоноване рішення може використовуватися при створенні високодинамічних систем векторного керування моментом асинхронних двигунів з використанням інкрементальних енкодерів, в тому числі для електричного транспорту