Vector Control of Interior Permanent Magnet Synchronous Motor Using Terminal Sliding Mode Control and Model Predictive Control

Abstract

Recently, with the development of a high-performance microprocessor, a lot of research is being conducted on an interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) capable of high power density and high-speed operation. In the case of a general IPMSM control system, a classical PI controller is mainly used, but in an actual IPMSM system, it is designed to have a large salient polarity for high-speed operation, which can increase parameter uncertainty due to magnetic flux saturation. Therefore, in order to secure the robustness of the controller, a control method such as sliding mode control (SMC) is being studied. In studies applying existing SMC, various types of SMC such as terminal SMC (TSMC), non-singular terminal SMC (NTSMC), and super-twisting SMC (STSMC) are being studied to ensure finite time reachability. In this paper, a speed controller was designed to ensure finite time reachability of the sliding surface and state using TSMC. In the process of designing the speed controller, the robustness of the system could not be guaranteed due to the uncertainty about the disturbance. Therefore, to ensure the robustness of the system, a disturbance observer was designed to ensure the robustness of the system. In addition, the current vector control algorithm for IPMSM for torque improvement and high-speed operation is also applied. Based on the torque command obtained from TSMC, an algorithm for selecting a current vector according to the speed command of IPMSM was implemented. In addition, due to the development of microprocessors, the system was considered as a model for discrete time rather than continuous time, and predictive current control was performed using MPC to improve torque response. In addition, TSMC also proposed a discretization model for use in the discrete time domain and designed it as an attainment law usable in the discrete domain. Finally, to verify the control system (DTSMC + disturbance observer + current vector algorithm + MPC) proposed in this paper, the control system was implemented using MATLAB/Simulink. The effectivness of the proposed control system was verified by comparing the control performance of the existing PI controller and SMC.|최근 고성능의 마이크로 프로세스의 개발로 출력밀도가 높고 고속 운전이 가능한 매입형 영구자석 동기전동기(interior permanent magnet synchronous motor : IPMSM)의 연구가 많이 이뤄지고 있다. 일반적인 IPMSM의 제어 시스템의 경우 고전적인 PI제어기를 주로 사용하지만 실제 IPMSM의 시스템에서는 고속 운전을 위해 큰 돌극성을 가지도록 설계가 되며 이는 자속 포화에 의해 파라미터의 불확실성이 커질 수 있다. 따라서 제어기의 강인성을 확보하기 위하여 sliding mode control (SMC)과 같은 제어기법이 연구되고 있다. 기존 SMC를 적용하는 연구에서는 finite time reachability를 보장하기 위하여 terminal SMC (TSMC), non-singular terminal SMC (NTSMC), super-twisting SMC (STSMC) 등과 같은 여러가지 형태의 SMC가 연구되고 있다. 본 논문에서는 TSMC를 활용하여 sliding surface와 state의 finite time reachability를 보장하도록 속도제어기를 설계하였다. 속도제어기를 설계하는 과정에서 외란에 대한 불확실성으로 시스템의 robustness를 보장할 수 없었다. 따라서 시스템의 robustness를 보장하기 위해 disturbance observer를 설계하여 시스템의 robustness를 보장하였다. 또한, 토크 향상과 고속 운전을 위한 IPMSM에 대한 전류벡터제어 알고리즘도 적용하였다. TSMC로부터 얻은 토크 지령을 기반으로 IPMSM의 속도 지령에 따른 전류벡터를 선정하는 알고리즘을 구현하였다. 또한 마이크로 프로세서의 발달로 인하여 시스템을 연속시간이 아닌 이산시간에 대한 모델로 고려하였으며, 토크의 응답성을 개선하기 위하여 MPC를 사용하여 예측전류 제어를 하였다. 또한 TSMC 역시 이산시간 영역에서 사용하기 위하여 이산화 하여 모델을 제안 하였고 이산영역에서 사용 가능한 도달법칙으로 디자인 하였다. 마지막으로 본 논문에서 제안한 제어 시스템 (DTSMC + disturbance observer + current vector algorithm+MPC)을 검증하기 위하여 MATLAB/Simulink를 이용하여 제어 시스템을 구현하였다. 기존 PI제어기와 SMC의 제어 성능 비교를 통해 제안한 제어 시스템의 effectivness를 검증하였다.