"DTC လို႔ေခါါတဲ႔၊ direct torque control"

( "သေဘ္ာ က VFD ဆိုတဲ႔ Variable frequency drive" အေႀကာင္း၊ post တင္တဲ႔အခါ၊ DTC လို႔ေခါါတဲ႔၊ direct torque control ကို၊ သေဘ္ာေတြမွာ၊ အသံုးၿပဳတာ၊ မေတြ႔ရေသးတဲ႔ အတြက္၊ ထည္႔သြင္းေဖာ္ၿပၿခင္း၊ မၿပဳေတာ႔ပဲ၊ ခၽန္ထားခဲ႔ပါတယ္။ ဒါေပမယ္႔၊ drives ေတြ၊ အေႀကာင္းေၿပာတဲ႔အခါ၊ DTC  ပါမွ၊  ၿပည္႔စံုမွာ၊ ၿဖစ္သမို႔၊ (၂၀၁၄) January တုန္းက၊ ေရးခဲ႔ဖူးတဲ႔၊ post ကို၊ ဆက္လက္၊ ေဖာ္ၿပလိုက္ပါတယ္။)

Reference, thanks and image credit to : (1) Bartos, Frank J. (Sep. 1, 2004). "AC Drives Stay Vital for the 21st Century". Control Engineering (Reed Business Information)., (2) Cleaveland, Peter (Nov. 1, 2007). "AC Adjustable Speed Drives". Control Engineering (Reed Business Information)., (3) "Power Electronics and Motor Drives" : Advances and Trends. Amsterdam: Academic. ISBN 978-0-12-088405-6., Bartos, Frank J. (Sep. 1, 2004). (4) "AC Drives Stay Vital for the 21st Century". Control Engineering (Reed Business Information)., Eisenbrown, Robert E. (May 18, 2008). (5) "AC Drives, Historical and Future Perspective of Innovation and Growth". Keynote Presentation for the 25th Anniversary of The Wisconsin Electric Machines and Power Electronics Consortium (WEMPEC). University of Wisconsin, Madison, WI, USA.

Remark : All references and images herein this page are for use of educational purpose only. The owner of this page is not responsible for the consequences in case of violation to copyright, trademark, patent, criminal trust of breach or other intellectual property rights of any third party.

three-phase AC induction motors ေတြကို၊ VFD ၿဖင္႔၊ ေမာင္းနွင္္ရာမွာ၊ 'torque' ဆိုတဲ႔႔ motor စတင္၊ လည္ပတ္ေစမယ္႔၊ 'ရုုန္းအား' မွတဆင္႔ 'လည္ပတ္္မွဳအရိွန္' 'speed' ရရိိွလာေစရန္၊ DTC လို႔ေခါါတဲ႔၊ 'direct torque control method' အသံုးၿပဳၿပီး၊ ထိန္းေႀကာင္္းေပးနိဳင္တာကိုလည္း၊ ေတြ႔ရပါတယ္။  တနည္းအားၿဖင္႔၊ DTC ဟာ၊ induction motor လည္ပတ္ေနစဥ္၊ ေပါါေပါက္လာမယ္႔၊ voltage နဲ႔ current တိုု႔ကို၊ space vector အယူအဆၿဖင္႔၊ တိုင္းတာၿပီး၊  magnetic flux နဲ႔ torque အေနနဲ႔၊ ခန္႔မွန္းတြက္ခၽက္ကာ၊ ထိန္္းေႀကာင္းေပးၿခင္းရယ္လို႔၊ ဆိုနိဳင္ပါတယ္။

DTC ဟာ၊ ‘stationary coordinate system’ အသံုးၿပဳထားတဲ႔၊ CCV VFD  လည္း၊ ၿဖစ္ပါတယ္။ DTC method မွာ၊ stator voltage ကို၊ 'integral time action' ၿဖင္႔ stator flux linkage အေနနဲ႔၊ ခန္႔႔မွန္း တြြက္္ယူပါတယ္။ torque ကိုေတာ႔၊ motor ရဲဲ႕၊ current vector မွ တဆင္႔၊ stator ရဲ႕ flux linkage vector တန္ဖိုး အေနနဲ႔၊ ခန္႔႔မွန္းတြြက္္ယူကာ၊ 'cross product' ဆိုတဲ႔၊ 'two vectors in three-dimensional Euclidean space' အၿဖစ္၊ ေၿပာင္းလဲယူပါတယ္။

ရရိွလာတဲ႔ flux magnitude နဲ႔ torque တန္ဖိုးတို႔ကို၊ သတ္မွတ္ထားတဲ႔႔ reference values ေတြနဲ႔ နိွွဳင္းယွဥ္ပါတယ္။ အကယ္၍၊ flux သို႔မဟုတ္၊ torque တန္ဖိုးဟာ၊ reference values tolerance ထက္၊ ပိုမိုၿပီး၊ deviates အၿဖစ္၊ ေသြဖီသြားပါက၊ VFD cotollers ေတြရဲ႕၊ switching transistors ေတြမွ၊ turned off အေနနဲ႔၊ ရပ္္တန္႔႔မွာ၊ ၿဖစ္သလို၊ flux နဲ႔ torque errors တို႔ဟာလည္း၊ မူလ tolerant bands ေတြအတြင္းသို႔၊ အၿမန္ဆံုး ၿပန္လည္၊ ေရာက္ရိွသြြားမွာ၊ ၿဖစ္ပါတယ္။ DTC ဆိုတဲ႔၊  direct torque control ကို၊ 'hysteresis controller' ေတြ၊ အသံုးၿပဳကာ၊ ‘on - off control’ ေဆာင္ရြက္ေပးမယ္႔၊ 'bang – bang control' ရယ္လို႔၊ ယူဆနိဳင္ပါတယ္။ Fig. (1) မွာ၊ 'DTC control platform' ဆိုၿပီး၊ ဥပမာအၿဖစ္၊ ေဖာ္ၿပထားပါတယ္။

Fig. (1) - DTC control platform

DTC မွာ၊ ‘on - off control’ ေဆာင္ရြက္ေပးမယ္႔၊ 'hysteresis controller' (၂) ခု၊ အသံုးၿပဳထားပါတယ္။ DTC control platform မွာ၊  အဓိက၊ ပါဝင္မယ္႔၊ အစိတ္အပိုင္းေတြကေတာ႔၊ (i) flux and torque estimating unit, (ii) flux  hysteresis controller, (iii) torque hysteresis controller နဲ႔၊ (iv) lockup table unit တို႔၊ ၿဖစ္ပါတယ္။

DTC ဆိုတဲ႔၊ direct torque control ဟာ၊ flux နဲ႔ torque ကို၊ လၽွင္ၿမန္စြာ၊ ေၿပာင္းလဲေပးနိဳင္ပါတယ္။ transistors ေတြ၊ အသံုးၿပဳထားတဲ႔အတြက္၊ switching losses ကလည္း၊ အနည္းဆံုး minimized ပမာဏၿဖင္႔သာ၊ ေပါါေပါက္ေနမွာ၊ ၿဖစ္သလို၊ speed ေၿပာင္းလဲစဥ္၊ 'overshoot' မပါဝင္တဲ႔၊ step response အေနနဲ႔၊ induction motor ကို၊ ထိန္းေႀကာင္းေပးမွာလည္း၊ ၿဖစ္ပါတယ္။

DTC ဟာ၊ ‘stationary coordinate system’ အသံုးၿပဳထားတဲ႔အတြက္၊ ရရိွလာမယ္႔၊႔ vectors တန္ဖိုးေတြကို၊ ‘coordinate transforms’ ေတြအၿဖစ္၊  PWM field - oriented control ကဲ႔သို႔၊ ထပ္မံ၊ ေၿပာင္းလဲရန္၊ 'မလိုအပ္' ေတာ႔သလို၊ ‘hysteresis control’ အၿဖစ္၊ switch control signals အသံုးၿပဳထားတဲ႔အတြက္၊ သီးၿခား separate modulator ေတြ၊ တတ္ဆင္၊ အသံုးၿပဳရန္၊ 'မလိုအပ္' ေတာ႔တာကိုလည္း၊ ေတြ႔ရပါတယ္။ ဒါ႔အၿပင္၊ ‘PI current controllers’ ေတြ၊ အသံုးၿပဳထားၿခင္း၊ 'မရိွ' တဲ႔အတြက္ ‘tuning of control’ ေဆာင္ရြက္ေပးရန္လည္း၊ 'မလိုအပ္' ေတာ႔တာ၊ ေတြ႔ရပါတယ္။

flux hysteresis controller နဲ႔၊ torque hysteresis controller တို႔ရဲ႕၊ transistors ေတြမွတဆင္႔၊ ေပးပို႔မယ္႔ switching frequencies ေတြ၊ တနည္းအားၿဖင္႔ induction motor သို႔၊ ေပးသြင္းမယ္႔၊ transistor control signals ေတြဟာ၊ constant အေနနဲ႔ တသမတ္တည္း၊ 'မရိွ' ေပမယ္႔၊ ပၽွဥ္းမၽွ average switching frequency အၿဖစ္၊ ယူဆႀကည္႔႔တဲ႔အခါ၊ tolerance bands width အတြင္းမွာသာ၊ stator flux နဲ႔႔ torque တို႔ကို၊ ထိန္းေႀကာင္းေပးထားနိဳင္တာ၊ ေတြ႔ရသလို၊ vector controlled drives ဆိုတဲ႔၊ PWM field - oriented control ေတြကဲ႔သို႔၊ 'current ripple' နဲ႔ 'torque ripple' ေတြရဲ႕၊ magnitude ေတြအတိုင္း၊ ေပါါေပါက္ေနတယ္လို႔၊ ဆိုနိဳင္ပါတယ္။

‘hysteresis control’ အသံုးၿပဳထားတဲ႔႔အတြက္၊ induction motor ပံုမွန္၊ လည္ပတ္ေနစဥ္၊ switching process ဟာ၊ အလိုက္သင္႔ random by nature အေနအထားၿဖင္႔သာ၊ ရိွေနမွာ၊ ၿဖစ္ပါတယ္။ အလားတူ၊  အရိွန္ေနွးေနွး low speed ၿဖင္႔၊ induction motor လည္ပတ္ေနစဥ္၊ 'current spectrum' အတြင္း၊ 'peak current' ေတြ၊ ေပါါေပါက္ၿခင္း၊ 'မရိွ' တဲ႔အတြက္၊ noise ထြက္ေပါါၿခင္း၊ မရိွတာကိုလည္း၊ ေတြ႔ရပါတယ္။

induction motor ရဲ႕၊ stator voltage ကို၊ 'integral time action' ၿဖင္႔၊ voltage integration ေဆာင္ရြက္စဥ္မွေတာ႔၊ intermediate DC circuit's voltage variations ေတြ၊ ေပါါေပါက္တတ္ပါတယ္။ ဒါ႔အၿပင္၊ dc voltage transients လို႔ေခါါတဲ႔၊ dc voltage ripple တနည္းအားၿဖင္႔ မေသၿခာ၊ မေရရာတဲ႔၊ 'aliasing' အေၿခအေနေတြလည္း၊ ရိွတတ္ပါတယ္။

လည္ပတ္ေနတဲ႔ rotating machines ေတြကို၊ တခုနဲ႔ တခု၊ ခၽိန္ညိွ၊ ယွဥ္တြဲေမာင္းနွင္ၿခင္း 'synchronization' ေဆာင္ရြက္ရာမွာ၊ ဝင္ေရာက္၊ လာမယ္႔ incoming motor မွ၊  torque hysteresis controller ဟာ၊ မူလလည္ပတ္ေနတဲ႔၊ induction motor ရဲ႕၊  torque တန္ဖိုးကို၊ reference "0" အေနနဲ႔၊ ယူဆၿပီး၊ အေစာဆံုး ေပါါေပါက္လာမယ္႔၊ current pulse မွတဆင္႔၊ flux ကို၊ ခန္႔မွန္းတြက္ခၽက္ကာ၊ လၽွင္ၿမန္တဲ႔ fast control အေနအထားၿဖင္႔၊ အလြယ္တကူ၊ ခၽိတ္ဆက္နိဳင္ပါတယ္။

တကယ္ေတာ႔၊ DTC ဟာ၊ 'digital control equipment' ၿဖစ္ပါတယ္။ control algorithm အေနနဲ႔၊ tolerance bands အတြင္းမွ၊ ေသြဖီသြားမယ္႔၊ flux and torque deviating ေတြကို၊  10 - 30 microseconds အခၽိန္၊ အတိုင္းအတာအတြင္းမွာ၊ လၽွင္ၿမန္စြာ၊ ထိမ္းေႀကာင္း၊ ခၽိန္ညိွေပးနိဳင္ပါတယ္။ digital control equipment ၿဖစ္တဲ႔အတြက္၊  low - pass filtering ထည္႔သြင္း အသံုးၿပဳပါက၊ ‘filtering’ ေႀကာင္႔၊ hysteresis controllers  ေတြမွာ၊ အေနွာက္အယွက္၊ ၿဖစ္ေပါါနိဳင္သလို၊ DTC အတြက္၊ အသံုးၿပဳမယ္႔၊ ‘current measuring devices’ ဟာ၊ ‘noise’ ထြက္ေပါါၿခင္း၊ 'မရိွ' တဲ႔၊ အမၽိဳးအစားၿဖစ္ရန္လည္း၊ လိုအပ္ပါတယ္။

 

stator voltage measurements ေဆာင္ရြက္ရာမွာ၊ offset error နည္းနိွဳင္သမ၊ၽွ 'နည္း' မွသာ၊ flux estimation error ကင္းစင္နိိဳင္မွာ၊ ၿဖစ္ပါတယ္။  offset error ေလၽွာ႔႔နည္္းေစရန္၊ DC intermediate circuit voltage နဲ႔၊ transistor control signals တို႔မွတဆင္၊႔ stator voltages ကို၊ ခန္႔မွန္းတြက္ခၽက္ၿပီး၊ တိုင္းတာ၊ ရယူထားပါတယ္။

flux and torque estimation unit ဟာ၊ လွၽင္ၿမန္တဲ႔ higher speeds ၿဖင္႔၊ လည္ပတ္ေနစဥ္၊ motor parameters ေတြကို၊ တိုင္းတာရယူၿပီး၊ ခန္႔မွန္းတြက္ခၽက္တဲ႔အခါ၊ အခက္အခဲ 'မရိွ' ေပမယ္႔၊ အရိွန္ေနွးေနွး low speeds ၿဖင္႔၊ လည္ပတ္ေနစဥ္ stator resistance မွတဆင္႔၊ ေပါါေပါက္လာမယ္႔၊ error ေတြေႀကာင္႔ stator flux estimation မွာ၊ အေနွာက္အယွက္ ၿဖစ္ေပါါတတ္တာ ေတြ႔ရပါတယ္။

DTC ေခါါ direct torque method ဟာ၊ speed sensors ေတြ၊ တတ္ဆင္ထားၿခင္းမရိွတဲ႔ VFD control system ၿဖစ္ပါတယ္။ flux and torque estimation ကို၊ motor phase voltages 'အလိိုုက္ေၿပာင္းၿခင္း' ဆိိုုတဲဲ႔ 'integrating' နည္းလမ္းၿဖင္႔၊ ေဆာင္ရြက္တဲ႔အတြက္၊ VFD ရဲ႕ output frequency "0" ၿဖစ္ေနစဥ္၊ control အေနနဲ႔၊ ထိမ္းေႀကာင္းနိဳင္ၿခင္း 'မရိွ' သလို၊ induction motor စတင္လည္ပတ္တဲ႔အခါ၊ VFD မွ၊ 0.5 Hz to 1 Hz ပမာဏခန္႔၊ output frequency ထုတ္ေပးရန္၊ လိုအပ္ပါတယ္။ 

induction motor ရဲ႕၊ လည္ပတ္မွဳလားရာ rotation direction အား၊ ေၿပာင္းၿပန္ reversal အေနအထားၿဖင္႔၊ လည္ပတ္ေစရာမွာေတာ႔၊ 'excessive flux estimate deviation' ကို၊ ေရွာင္လြဲနိဳင္ေစရန္၊ "0" အထိ၊ VFD ရဲ႕ output frequency ေလၽွာ႔ခၽၿပီးမွသာ၊ ၿပန္လည္၊ ထိမ္းေႀကာင္းေပးမွာ၊ ၿဖစ္ပါတယ္။ အကယ္၍၊ အရိွန္ေနွေနွး low speed အေနအထား၊ သို႔မဟုတ္ zero frequency operation အေၿခအေနတို႔ၿဖင္႔၊ ေမာင္းနွင္အသံုးၿပဳရန္၊ လိုအပ္ပါက၊ DTC မွာ၊ speed သို႔မဟုတ္ position sensor ေတြ၊ ထည္႔သြင္း၊ အသံုးၿပဳသင္႔ ပါတယ္။

DTC ကို၊ မူပိုင္ခြင္႔ patented အေနနဲ႔ Professor Dr. Manfred Depenbrock ဆိုသူက၊ US နဲ႔ Germany မွာ၊ ေလၽွာက္ထားခဲ႔ေပမယ္႔၊ ေအာက္တိုဘာလ၊ (၂၀) ရက္၊ (၁၉၈၄) ခုနွစ္မွာ၊ DTC အစား၊ direct self-control (DSC) အမည္နဲ႔သာ၊ ခြင္႔ၿပဳခဲ႔ပါတယ္။ Takahashi နဲ႔ Toshihiko Noguchi ဆိုတဲ႔ ဂၽပန္လၽွပ္စစ္ အင္ဂၽင္နီယာ၊ နွစ္ဦးကေတာ႔ DTC အမည္နဲ႔ ပံုစံတူ၊ similar control technique နည္းပညာတခုကို၊ စက္တင္ဘာလ၊ September (၁၉၈၄) ခုနွစ္ထုတ္၊ 'IEEJ' စာေစာင္မွာ၊ ေဖာ္ၿပခဲ႔ၿပီး၊ ‘လၽွပ္စစ္နွင္႔အီလက္ထေရာနစ္ အင္ဂၽင္နီယာ အသင္း’ Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) ကလည္း၊ (၁၉၈၆) ခုနွစ္ေနာက္ပိုင္းမွာ DTC အမည္ၿဖင္႔သာ၊ သံုးနံွဳးခဲ႔ပါတယ္။ DTC နဲ႔၊ DSC တို႔ကို၊ flux vector controlled နည္းလမ္း ေဆာင္ရြက္ရာမွာ၊ အနည္းငယ္၊ ကြာၿခားမွဳရိွတဲ႔ ‘control platform’ ေတြအၿဖစ္၊ ေတြ႔ရပါတယ္။ ပထမဆံုး commercial DTC products အၿဖစ္ Asea Brown Boveri (ABB) ဟာ၊ Germany မွ ဒီဇယ္လၽွပ္စစ္ရထား diesel-electric locomotives ေတြမွာ (၁၉၈၀) ခုနွစ္အလြန္ကာလ၊ ကတည္းက စတင္၊ အသံုးၿပဳခဲ႔ပါတယ္။

DTC ကို three-phase grid side converter control အၿဖစ္လည္း၊ အသံုးၿပဳႀကပါတယ္။ 'grid side converter' ဆိုတာကေတာ႔ 'transistor inverter controlling' နည္းလမ္းရဲ႕ structure ၿဖစ္ပါတယ္။ AC မွ DC သို႔ ေၿပာင္းလဲေပးမယ္႔၊ rectifying အေနနဲ႔၊ ေဆာင္ရြက္ေပးသလို၊ DC မွ ရရိွလာတဲ႔ feedback energy ကို၊ AC grid သို႔၊ ၿပန္လည္ေပးသြင္းၿပီး၊ energy efficient အၿဖစ္၊ စြမ္းအင္ ထိေရာက္စြာ၊ အသံုးၿပဳေစတဲ႔၊ နည္းလမ္းလည္း၊ ၿဖစ္ပါတယ္။

phase currents ရဲ႕၊ လိွဳင္းပံုသ႑န္ waveform ကို၊ ညီညြတ္ေနတဲ႔ sinusoidal   အေနအထား၊ ၿဖစ္ေပါါေစၿပီး၊ power factor ကိုလည္း၊ လိုအပ္သလို adjusted အေနနဲ႔ ခၽိန္ညိွနိဳင္တဲ႔၊အတြက္၊ အရြယ္အစားႀကီးမားမယ္႔၊ electrical machines ေတြမွာ၊ DTC တတ္ဆင္၊ အသံုးၿပဳႀကပါတယ္။ (၁၉၉၀) ခုနွစ္ေနာက္ပိုင္းမွာေတာ႔ DTC techniques ဟာ၊ permanent magnet synchronous machines 'PMSM' ေတြရဲ႕၊ အတြင္းအစိတ္အပိုင္း interior parts ၿဖစ္လာၿပီး၊ (၂၀၁၀) ခုနွစ္ ေနာက္ပိုင္းမွာေတာ႔၊ synchronous reluctance motors 'SynRM' ေတြရဲ႕၊ control platform ၿဖစ္လာတဲ႔အေႀကာင္း၊ post အၿဖစ္၊ ၿပန္လည္၊ ေဖာ္ၿပလိုက္ပါတယ္။