An Experimental Assessment of Open-Phase Fault-Tolerant Virtual-Vector-Based Direct Torque Control in Five-Phase Induction Motor Drives

Abstract

Direct torque control (DTC) has been recently used for the development of high performance five-phase induction motor (IM) drives, where normal operation of the system has been usually considered and the ability of DTC to manage the situation has been analyzed in comparison with different rotor field-oriented control (RFOC) strategies. The exploitation of fault-tolerant capabilities is also an interesting issue in multiphase machines, where the utility of RFOC controllers has been stated when the open-phase fault operation is considered. In this paper, the performance of DTC and RFOC controllers based on proportional resonant regulators and predictive control techniques is compared when an open-phase fault appears in a five-phase IM drive. Experimental tests are provided to compare the performance of the system using these control alternatives. Index Terms-Direct torque control, multiphase induction motor drives, rotor field-oriented control, open-phase fault operation. NOMENCLATURE DSP Digital Signal Processor. DTC Direct torque control. EMF Electromotive force. IM Induction machine. MCL Minimum copper loss. MMF Magnetomotive force. PCC Predictive current control. PI Proportional integral. PR Proportional resonant. PWM Pulse width modulation. RFOC Rotor field-oriented control. THD Total harmonic distortion. VSD Vector space decomposition. VSI Voltage source inverter. VV-DTC Virtual vector based DTC ed,q Direct and quadrature feedforward terms. In Nominal stator current value. iα,βr Rotor currents in the α-β subspace. ia,b,c,d,es Stator phase currents. id,qs Direct and quadrature stator currents. iα,βs Stator currents in the α-β subspace. ix,ys Stator currents in the x-y subspace. izs Stator current in the z subspace. i * α,βs,max Maximum reference currents in the α-β subspace. J Cost function for PCC. Llr Rotor leakage inductance. Lls Stator leakage inductance. Lm Magnetizing inductance. Lr Rotor inductance. Ls Stator inductance. p Number of pole pairs. Rr Rotor resistance. Rs Stator resistance. Si Switching signals of every VSI leg. Te Electrical torque. TL Load torque. Tn Nominal torque. T0 Generalized Clarke transformation matrix. TPOST Modified VSD transformation matrix. Vdc DC-link voltage. VVi Virtual voltage vectors. va,b,c,d,es Stator phase voltages. vd,qs Direct and quadrature stator voltages. vα,βs Stator voltages in the α-β subspace. vx,ys Stator voltages in the x-y subspace. ϑ Fixed spatial displacement between windings. λα,βs Stator fluxes in the α-β subspace. ωe Electrical speed. ωm Mechanical speed. ωr Rotor electrical speed (defined as p•ωm). * (superscript) Reference variables. ^ (superscript) Estimated variables.

Efficient Model Predictive Control with Natural Fault-Tolerance in Asymmetrical Six-Phase Induction Machines

“…From the efficiency point of view, the most widely selected approach is to adapt the flux to reduce the stator copper losses. Focusing on these losses, they can be expressed as the product of stator resistance and the squared RMS (Root Mean Square) value of phase currents: This natural fault tolerance concept has introduced a new paradigm in the field of fault-tolerant multiphase drives, where a mandatory post-fault reconfiguration of the healthy control scheme has been historically used in the event of an OPF [22][23][24][25]. Conventional post-fault strategies reconfigure the control scheme according to the fault localization in order to avoid the controllers' conflicts.…”

Tolerancia al Fallo en Control Directo de Par con Vectores Virtuales de Tensión

“…Una vez calculados los vectores virtuales de tensión y los sectores que comprenden a los mismos, se define la tabla de selección de vectores virtuales en función de la acción de control de par (HTe) y flujo (Hλs) que se desee tomar en cada punto de operación. El criterio de selección es el seguido en (Bermúdez et al, 2017;Gao, Fletcher, Zheng, 2011), donde se considera que el flujo magnético se encuentra directamente relacionado con la componente radial de los vectores de tensión, mientras que el par electromagnético está relacionado con la componente tangencial de los mismos. En el caso del par se toma como sentido positivo del mismo el contrario al de las agujas del reloj.…”

“…Este es el caso de los sistemas eléctricos multifásicos (sistemas constituidos por más de tres fases), que se posicionan como una alternativa real frente a los sistemas trifásicos convencionales debido a las ventajas que estos presentan Levi, 2016). Entre éstas cabe destacar su redundancia inherente, lo que les permite un cierto grado de tolerancia ante una falta sin necesidad de emplear ningún tipo hardware adicional (Alcharea et al, 2009;Alcharea et al, 2008;Asadzadeh, Dastfan, Darabi, 2017;Belgacem, Salem, Abdelkrim, 2015;Bermúdez et al, 2017;Bermúdez et al, 2016;Che et al, 2013;Freire, Marques Cardoso, 2013;González-Prieto et al, 2017b;González-Prieto et al, 2015;González-Prieto et al, 2014;González-Prieto et al, 2013;Guzmán et al, 2015;Guzmán et al, 2013;Hoang, Zhu, Foster, 2013;Jiang et al, 2016;Kianinezhad et al, 2008;Lu, Corzine, 2005;Lu et al, 2017;Lu et al, 2016;Munim et al, 2016;Ríos-García et al, 2017;Riveros, 2016;Simoes, Vieira, 2002;Sudhoff et al, 1997;Tani et al, 2011;Wang et al, 2016;Wang et al, 2017;Xu et al, 2017;Zhou, Lin, Cheng, 2015), una mejor distribución de la potencia por fase, una disminución en el rizado del par y un mayor aprovechamiento de la tensión dc-link entre otras. La mayor tolerancia al fallo proporcionada por los sistemas multifásicos se traduce en un aumento de su fiabilidad que, como anteriormente se expuso, resulta una condición altamente necesaria en aquellos sistemas que requieren una gran seguridad, como es el caso de los vehículos eléctricos o de las aplicaciones aeronáuticas y navales Simoes, Vieira, 2002;Smith, 2002;…”

“…Las más estudiadas son las dedicadas a la reconfiguración del control, donde resaltan las basadas en la aplicación de un control vectorial de campo orientado (Che et al, 2013;González-Prieto et al, 2015;González-Prieto et al, 2014;Kianinezhad et al, 2008;Munim et al, 2016;Rolak, Malinowski, 2015), el control predictivo basado en modelos (Asadzadeh, Dastfan, Darabi, 2017; Guzmán et al, 2015;Guzmán et al, 2013;Lu et al, 2017;Lu et al, 2016) y el control directo de par (DTC por sus siglas en inglés) (Alcharea et al, 2009;Alcharea et al, 2008;Belgacem, Salem, Abdelkrim, 2015;Bermúdez et al, 2017;Bermúdez et al, 2016;Jiang et al, 2016;Kianinezhad et al, 2008;Wang et al, 2016;Wang et al, 2017;Zhou, Lin, Cheng, 2015). Más recientemente, el concepto denominado "vectores virtuales de tensión", introducido en ( Gao, Fletcher, Zheng, 2011;Zheng et al, 2011), es empleado para mejorar el control post-falta de una máquina de inducción de cinco fases en (Bermúdez et al, 2017;Bermúdez et al, 2016), donde se estudian las prestaciones de un controlador de tipo DTC basado en vectores virtuales en situación de fallo debido a una fase abierta. Tal y como se muestra en (González-Prieto et al, 2017a), la aplicación de los vectores virtuales de tensión limita las corrientes secundarias x-y que aparecen en los sistemas multifásicos cuando un único estado de conmutación es aplicado en cada periodo de muestreo.…”

An Optimization Algorithm for Direct Torque Control of Industrial Robot Servo Motors

“…Ref [4] proposed a direct torque control (DTC) scheme based on vector space decomposition for T-type neutral point clamp (T-NPC) three-level inverter feeding double stator winding permanent magnet synchronous motor (PMSM) driving, an efficient solution is provided for high power and high reliability applications. DTC speed control system does not need to make the control model of the AC motor to DC by rotating coordinate transformation, which simplifies the control algorithm and structure of the controller and realizes the speed regulation of high dynamic performance [5][6]. However, the conventional DTC employs the torque and magnetic chain hysteresis comparator to directly control the motor torque and flux linkage by selecting a suitable voltage space vector from the pre-made switch table according to certain rules.…”