Control of Non-conventional Synchronous Motors

428 Pages·2012·14.471 MB·English

by  Jean-Paul Louis

Control ofNon-conventionalSynchronousMotors
Control of Non-conventional
Synchronous Motors
Edited by
Jean-Paul Louis
Firstpublished2012inGreatBritainandtheUnitedStatesbyISTELtdandJohnWiley&Sons,Inc.
Apart from any fair dealing for the purposes of research or private study, or criticism or review, as
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©ISTELtd2012
TherightsofJean-PaulLouistobeidentifiedastheauthorofthisworkhavebeenassertedbyhimin
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____________________________________________________________________________________
LibraryofCongressCataloging-in-PublicationData
Controlofnon-conventionalsynchronousmotors/editedbyJean-PaulLouis.
p.cm.
Includesbibliographicalreferencesandindex.
ISBN978-1-84821-331-9
1. Electricmotors,Synchronous--Automaticcontrol. I.Louis,Jean-Paul,1945-
TK2787.C662011
621.46--dc23
2011041315
BritishLibraryCataloguing-in-PublicationData
ACIPrecordforthisbookisavailablefromtheBritishLibrary
ISBN:978-1-84821-331-9
PrintedandboundinGreatBritainbyCPIGroup(UK)Ltd.,Croydon,SurreyCR04YY
Table of Contents
Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
Jean-PaulLOUIS
Chapter1.Self-controlledSynchronousMotor:Principles
ofFunctionandSimplifiedControlModel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
FrancisLABRIQUEandFrançoisBAUDART
1.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2.Designaspectsspecifictotheself-controlled
synchronousmachine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3.Simplifiedmodelforthestudyofsteadystateoperation . . . . . . . . . 3
1.4.Studyofsteady-stateoperation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5.Operationatnominalspeed,voltageandcurrent. . . . . . . . . . . . . . 12
1.6.Operationwithatorquesmallerthanthenominaltorque. . . . . . . . . 15
1.7.Operationwithaspeedbelowthenominalspeed . . . . . . . . . . . . . 15
1.8.Runningasagenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.9.Equivalenceofamachinewithacommutatorandbrushes. . . . . . . . 17
1.10.Equationsinferredfromthetheoryofcircuits
withslidingcontacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.11.Evaluationofalternatingcurrentscirculatinginsteadystate
inthedamperwindings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.12.Transpositionofthestudytothecaseof
anegativerotationalspeed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.13.Variantofthebaseassembly. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.14.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.15.Listofthemainsymbolsused . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.16.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
vi ControlofNon-conventionalSynchronousMotors
Chapter2.Self-controlledSynchronousMotor:DynamicModelIncluding
theBehaviorofDamperWindingsandCommutationOverlap. . . . . . . . 33
ErnestMATAGNE
2.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.ChoiceoftheexpressionofNk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.Expressionoffluxes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4.Generalpropertiesofcoefficients<X>,<Y>and<Z>. . . . . . . . . . . 46
2.5.Electricaldynamicequations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.6.Expressionofelectromechanicalvariables . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.7.Expressionoftorque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.8.Writingofequationsintermsofcoenergy . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.9.Applicationtocontrol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.10.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.11.Appendix1:valueofcoefficients<X>,<Y>and<Z> . . . . . . . . . . 60
2.12.Appendix2:derivativesofcoefficients<X>,<Y>and<Z>. . . . . . . 61
2.13.Appendix3:simplificationsforsmallμ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.14.Appendix4:ListofthemainsymbolsusedinChapters1and2. . . . 63
2.15.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Chapter3.SynchronousMachinesinDegradedMode. . . . . . . . . . . . . 67
DamienFLIELLER,NgacKyNGUYEN,HervéSCHWABandGuySTURTZER
3.1.Generalintroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.1.1.Analysisoffailuresofthesetconverter-machine:converters
withMOSFETtransistors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.Analysisofthemaincausesoffailure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.1.Failureoftheinverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.2.Otherfailures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3.Reliabilityofapermanentmagnetsynchronousmotorsdrive . . . . . . 72
3.3.1.Environmentalconditionsinthemotorindustry. . . . . . . . . . . . 72
3.3.2.Thetworeliabilityreports:MIL-HdbK-217andRDF2000 . . . . . 73
3.3.3.Failurerateofpermanentmagnetsynchronous
motorsactuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.4.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.5.Optimalsuppliesofpermanentmagnetsynchronousmachines
inthepresenceoffaults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.5.1.Introduction:theproblemofa-b-ccontrols. . . . . . . . . . . . . . . 77
3.6.Suppliesoffaultysynchronousmachineswithnon-sinusoidal
backelectromagneticforce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.6.1.Generalizationofthemodeling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.6.2.Aheuristicapproachtothesolution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.6.3.Firstoptimizationofohmiclosseswithoutconstraint
onthehomopolarcurrent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
TableofContents vii
3.6.4.Secondoptimizationofohmiclosseswiththesum
ofcurrentsofnon-faultyphasesbeingzero . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.6.5.Thirdoptimizationofohmiclosseswithahomopolar
currentofzero(inallphases). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.6.6.Globalformulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.7.Experimentallearningstrategyinclosedlooptoobtain
optimalcurrentsinallcases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.8.Simulationresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.9.Generalconclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.10.Glossary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.11.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Chapter4.ControloftheDouble-starSynchronousMachine
SuppliedbyPWMInverters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
MohamedFouadBENKHORIS
4.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.2.Descriptionoftheelectricalactuator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.3.Basicequations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.3.1.Voltageequations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.3.2.Equationoftheelectromagnetictorque. . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.4.Dynamicmodelsofthedouble-starsynchronousmachine. . . . . . . . 131
4.4.1.Dynamicmodelinreferentiald q d q . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
1 1 2 2
4.4.2.Dynamicmodelinreferentialdqz z z z . . . . . . . . . . . . . . . . 136
1 2 3 4
4.5.Controlofthedouble-starsynchronousmachine. . . . . . . . . . . . . . 146
4.5.1.Controlinreferentiald q d q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
1 1 2 2
4.5.2.Controlinreferentialdqz z z z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
1 2 3 4
4.6.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Chapter5.VectorialModelingandControlofMultiphaseMachines
withNon-salientPolesSuppliedbyanInverter . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
XavierKESTELYNandÉricSEMAIL
5.1.Introductionandpresentationoftheelectricalmachines . . . . . . . . . 161
5.2.Controlmodelofinverter-fedpermanent
magnetsynchronousmachines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.2.1.Characteristicspacesandgeneralizationofthenotion
ofanequivalenttwo-phasemachine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.2.2.Theinverterseenfromthemachine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
5.3.Torquecontrolofmultiphasemachines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
5.3.1.Controlofcurrentsinthenaturalbasis . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
5.3.2.Controlofcurrentsinadecouplingbasis. . . . . . . . . . . . . . . . 193
5.4.Modelingandtorquecontrolofmultiphasemachines
indegradedsupplymode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
viii ControlofNon-conventionalSynchronousMotors
5.4.1.Modelingofamachinewithasupplydefect. . . . . . . . . . . . . . 203
5.4.2.Torquecontrolofafaultymachine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
5.5.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
Chapter6.HybridExcitationSynchronousMachines . . . . . . . . . . . . . 207
NicolasPATINandLionelVIDO
6.1.Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
6.1.1.Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
6.1.2.Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
6.2.Modelingwiththeaimofcontrol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
6.2.1.Settingupequations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
6.2.2.Formulationincomponents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
6.2.3.Completemodel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
6.3.Controlbymodelinversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
6.3.1.Aimsofthetorquecontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
6.3.2.Currentcontrolofthemachine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
6.3.3.Optimizationandcurrentinputs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
6.4.Overspeedandfluxweakeningofsynchronousmachines . . . . . . . . 235
6.4.1.Generalities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
6.4.2.Fluxweakeningofsynchronousmachines
withclassicalmagnets. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
6.4.3.Theunifiedapproachtofluxweakening
using“optimalinputs”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
6.4.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
6.5.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
Chapter7.AdvancedControloftheLinearSynchronousMotor . . . . . . 241
GhislainREMYandPierre-JeanBARRE
7.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
7.1.1.Historicalreviewandapplicationsinthefieldoflinearmotors. . . 241
7.1.2.Presentationoflinearsynchronousmotors. . . . . . . . . . . . . . . 243
7.1.3.Technologyoflinearsynchronousmotors . . . . . . . . . . . . . . . 245
7.1.4.Linearmotormodelsusingsinusoidal
magneto-motiveforceassumption. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
7.1.5.Causalorderinggraphrepresentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
7.1.6.Advancedmodelingoflinearsynchronousmotors . . . . . . . . . . 249
7.2.Classicalcontroloflinearmotors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
7.2.1.State-of-the-artinlinearmotorcontrols. . . . . . . . . . . . . . . . . 253
7.2.2.ControlstructuredesignusingtheCOGinversionprinciples. . . . 255
7.2.3.Closed-loopcontrol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
7.3.Advancedcontroloflinearmotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
7.3.1.Multipleresonantcontrollersinatwo-phasereferenceframe. . . . 265
TableofContents ix
7.3.2.Feed-forwardcontrolforthecompensationofdetentforces . . . . 271
7.3.3.Commandsbythenthderivativeforsensorlesscontrol. . . . . . . . 273
7.4.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
7.5.Nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
7.6.Acknowledgment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
7.7.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
7.8.Appendix:LMD10-050DatasheetofETEL . . . . . . . . . . . . . . . . 285
Chapter8.VariableReluctanceMachines:ModelingandControl . . . . . 287
MickaelHILAIRET,ThierryLUBINandAbdelmounaïmTOUNZI
8.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
8.2.Synchronousreluctancemachines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
8.2.1.Descriptionandoperatingprinciple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
8.2.2.HypothesesandmodelofaSynchrelmachine. . . . . . . . . . . . . 291
8.2.3.ControloftheSynchrelmachine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
8.2.4.Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
8.3.Switchedreluctancemachines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
8.3.1.Descriptionandprincipleofoperation . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
8.3.2.HypothesesanddirectmodeloftheSRM . . . . . . . . . . . . . . . 307
8.3.3.Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
8.3.4.Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
8.4.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
8.5.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
Chapter9.ControloftheSteppingMotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
BrunoROBERTandMoezFEKI
9.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
9.2.Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
9.2.1.Maintechnologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
9.2.2.Themodelinghypotheses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
9.2.3.Themodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
9.3.Controlinopenloop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
9.3.1.Thetypesofsupply. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
9.3.2.Thesupplymodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
9.3.3.Caseofslowmovement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
9.3.4.Caseofquickmovement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
9.4.Controlsinclosedloop. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
9.4.1.Linearmodels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
9.4.2.Servo-controlofspeed. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
9.5.Advancedcontrol:thecontrolofchaos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
9.5.1.Chaoticbehavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
9.5.2.Themodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
x ControlofNon-conventionalSynchronousMotors
9.5.3.Orbitstabilization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
9.5.4.Absolutestability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
9.5.5.Synthesisofthecontroller. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
9.5.6.Examples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
9.6.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
Chapter10.ControlofPiezoelectricActuators. . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
FrédéricGIRAUDandBettyLEMAIRE-SEMAIL
10.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
10.1.1.Travelingwaveultrasonicmotors:technologyandusage . . . . . 375
10.1.2.Functioningfeatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
10.1.3.Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
10.2.Causalmodelinthesuppliedvoltagereferential . . . . . . . . . . . . . 380
10.2.1.Hypothesesandnotations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
10.2.2.Kinematicsoftheidealrotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
10.2.3.Generationofthemotortorque. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
10.2.4.Stator’sresonance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
10.2.5.Calculationofmodalreactionforces. . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
10.2.6.Completemodel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
10.3.Causalmodelinthereferentialofthetravelingwave . . . . . . . . . . 389
10.3.1.Parktransformappliedtothetravelingwavemotor. . . . . . . . . 389
10.3.2.Transformedmodel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
10.3.3.Studyofthemotorstall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
10.3.4.Validationofthemodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
10.3.5.Torqueestimator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
10.4.Controlbasedonabehavioralmodel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
10.5.Controlsbasedonaknowledgemodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
10.5.1.Inversionprinciple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
10.5.2.Controlstructureinferredfromthecausalmodel:
emphasisonself-control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
10.5.3.Practicalcarryingoutofself-control. . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
10.6.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
10.7.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
ListofAuthors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
Introduction
For the countless operations of its machine tools, its robots and its “special
machines”,modernindustrialproductionisindireneedofelectricalmotorsthatcan
be used as “actuators”: these machines must impose a torque, speed or position on
objectsinmovement(mostofteninrotation),allofwhicharedeterminedbyahigh
level decisional element. Execution speed and accuracy are necessary for high-
qualityproductivity.Electricalmotorshavethustakenadominantplaceinthe“axis
control”thatwefindeverywhereinmodernindustrialproduction.Wealsofindsuch
motorsin several“consumerproduct”applications,even if wewillconsidermainly
professional applications in this book. Electrical motors are also present in the
motorization of several modes of transport: terrestrial vehicles, free or guided, and
ships. The present work specifically covers the “non-conventional” controls of
synchronousactuators,andthecontrolof“non-conventional”synchronousmotors.
This book is part of a series published by ISTE-Wiley and Hermes-Lavoisier.
The first book, devoted to the Control of Synchronous Motors [LOU11], which
studies “conventional” synchronous motors, has already been published in English.
Let us add that another volume has been devoted to the identification and to the
observation of electrical machines [FOR 10]. A further volume has presented
general methods regarding the control of electrical machines [HUS 09], and still
another has focused on technological problems [LOR03]. The control of electrical
actuators goes with the control of static converters (here, inverters); it has been the
topic of a volume [MON11] that deals with modulations and current controls.
Finally,aworkhasbeenpublishedonthedesignofelectricaldrives[JUF10]anda
bookonthediagnosticsofelectricalmachines[TRI11].
In the previous book, entitled Control of Synchronous Motors [LOU 11], we
presented the main advantages of electrical actuators, referred to as “synchronous
IntroductionwrittenbyJean-PaulLOUIS.