Sliding Mode Observer-Based Load Torque Identification for IM Drives

Abstract

This thesis addresses the performance degradation of induction motor (IM) drives caused by unknown load torque variations. It proposes, develops, and validates a Sliding Mode Observer-based Load Torque Identification (LTID-SMO) scheme, with a particular focus on employing a Power-Sigmoid (PS) switching function to enhance dynamic response and stability. The research includes the mathematical modeling of the IM, the design of a Field-Oriented Control (FOC) system, and the derivation and stability analysis (using Lyapunov theory) of the LTID-SMO-PS. The performance of the proposed LTID-SMO-PS was evaluated through extensive simulations and experimental validation on a 1.5 kW IM test bench. Results were compared against an uncompensated FOC system and an ideal scenario using measured load torque for feedforward compensation. Both simulation and experimental results demonstrate that the LTID-SMO-PS significantly improves rotor speed regulation under step load changes, effectively estimates the load torque for proactive compensation, and achieves performance remarkably close to the ideal case. The study concludes that the LTID-SMO with the Power-Sigmoid function provides a robust and effective solution for mitigating load torque disturbances, thereby enhancing the overall performance and stability of IM drives. يعالج هذا البحث مشكلة تدهور أداء محركات التيار المتردد التحريضية (IM) الناتج عن التغيرات غير المعروفة في عزم الحمل. يقترح البحث ويطور ويتحقق من صحة نظام لتحديد عزم الحمل يعتمد على مُراقب الانزلاق النمطي (LTID-SMO) ، مع تركيز خاص على استخدام دالة "باو ر- سيغمويد " (Power-Sigmoid) كدالة تبديل لتحسين الاستجابة الديناميكية والاستقرار. يتضمن البحث النمذجة الرياضية للمحرك التحريضي، وتصميم نظام التحكم الموجه بالمجا ل (FOC) ، بالإضافة إلى اشتقاق وتحليل استقرار )باستخدام نظرية ليابونوف( نظام LTID-SMO-PS. تم تقييم أداء نظام LTID-SMO-PS المقترح من خلال محاكاة مكثفة وتحقق تجريبي على منصة اختبار لمحرك تحريضي بقدرة 1.5 كيلوواط. قورنت النتائج مع نظام FOC غير مُعوَّض ومع سيناريو مثالي يستخدم عزم الحمل المُقاس للتعويض الأمامي. تُظهر كل من نتائج المحاكاة والتجارب أن نظام LTID-SMO-PS يُح سِّن بشكل كبير تنظيم سرعة العضو الدوار تحت تأثير التغيرات المفاجئة في الحمل، ويقوم بتقدير عزم الحمل بفعالية للتعويض الاستباقي، ويحقق أداءً قريبًا بشكل ملحوظ من الحالة المثالية. يخلص البحث إلى أن نظام LTID-SMO مع دالة "باو ر- سيغمويد" يوفر حلاً قويًا وفعالًا للتخفيف من اضطرابات عزم الحمل، وبالتالي يعزز الأداء العام واستقرار محركات التيار المتردد التحريضية .