ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2026-26-1-196-206ntv-578Research ArticleМАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕMODELING AND SIMULATIONСинтез регулятора напряжения автономного инвертора асинхронного электропривода с использованием ненормированных полиномовVoltage controller synthesis for an induction electric drives autonomous inverter using non-normalized polynomialshttps://orcid.org/0000-0002-7932-2744ПеревощиковФ. В.PerevoshchikovF. V.

Перевощиков Филипп Владимирович — аспирант

Томск, 634050

sc 57216875510

Filipp V. Perevoshchikov — PhD Student

Tomsk, 634050

sc 57216875510

fvp2@tpu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9861-9765БукреевВ. Г.BukreevV. G.

Букреев Виктор Григорьевич — доктор технических наук, профессор, профессор

Томск, 634050

sc 7005611043

Victor G. Bukreev — D.Sc., Full Professor

Tomsk, 634050

sc 7005611043

bukreev@tpu.ruТомский политехнический университетРоссияNational Research Tomsk Polytechnic UniversityRussian Federation202625022026261196206Copyright © Перевощиков Ф.В., Букреев В.Г., 20262026Перевощиков Ф.В., Букреев В.Г.Perevoshchikov F.V., Bukreev V.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/578

Введение. В настоящее время актуальной задачей является разработка новых подходов к регулированию асинхронных электроприводов с повышенными требованиями к виброшумовым характеристикам и спектральному составу выходных токов автономного инвертора. Основные проблемы, с которыми сталкивается разработчик данного класса электроприводов: относительно низкая результативность известных технических решений вследствие ограничений применяемых методов синтеза регуляторов; жесткие требования к энергомассогабаритным показателям. Представлен оригинальный метод генерации управляющих сигналов автономным инвертором электропривода переменного тока. Метод. Предлагается использование регулирования по отклонению величины амплитуды обобщенного вектора выходного напряжения автономного инвертора. В качестве отправной точки процедуры синтеза регулятора — формируется желаемая передаточная функция замкнутой системы. Динамические процессы в рассматриваемой системе будет определять характеристический полином, тип которого может быть произвольным. Сравниваются два вида регуляторов: на основе фильтра Баттерворда и полинома Ньютона. Предложено использовать билинейное преобразование для реализации полученных непрерывных функций в дискретной форме записи для программной реализации в MATLAB Simulink и дальнейшей микропроцессорной отработки. Основные результаты. Благодаря разработанной модели, учитывающей дискретное формирование сигналов управления, получен спектральный состав выходных токов преобразователя электропривода и вольт-частотные выходные характеристики при параметрических возмущениях, создаваемых возмущениями в объекте управления. Показано, что наибольшей эффективностью обладает регулятор, в основе которого используется фильтр Баттерворда в сравнении как с разомкнутой, так и замкнутой системой с регулятором на базе полинома Ньютона. Обсуждение. Полученные результаты могут быть использованы при разработке малошумных электроприводов, применяемых в объектах специального назначения.

Currently, the development of new control approaches for asynchronous electric drives with stringent requirements for vibration-acoustic performance and spectral composition of autonomous inverter output currents represents a highly relevant research challenge. The key challenges in designing this class of electric drives stem from the relatively low effectiveness of existing technical solutions. This limitation arises either from constraints in current controller synthesis methods or from rigorous demands regarding power-to-weight and dimensional parameters. This paper presents an original method for generating control signals in an alternating current electric drive autonomous inverter. The proposed approach utilizes regulation based on the deviation of the generalized output voltage vector amplitude in the autonomous inverter. The synthesis procedure for such a controller begins with defining the desired closed-loop system transfer function. The system dynamic processes are determined by a characteristic polynomial that can be of arbitrary type. For comparative analysis, two controller types are examined: one based on a Butterworth filter and another utilizing a Newton polynomial. The study proposes employing bilinear transformation to implement the derived continuous functions in discrete form, enabling software implementation in Simulink and subsequent microprocessor-based execution. The developed model, which accounts for discrete control signal generation, has yielded the spectral composition of the drive converter output currents and voltage-frequency characteristics under parametric disturbances introduced by the control object. Results demonstrate that the Butterworth filter-based controller shows superior efficiency compared to both open-loop systems and closed-loop systems with Newton polynomial-based controllers. The obtained results can be effectively applied in the development of low-noise electric drives for specialized applications.

асинхронный электроприводскалярное управлениемостовой силовой преобразовательширотно-импульсное регулированиефильтр Баттервордаinduction motor drivescalar controlfull-bridge power converterpulse-width modulationButterworth filterReferencesAl Rakib M.A., Rahman M.M., Hossain M.M., Rahman M.A., Samad M., Abbas F.I. Induction motor based speed and direction controller // European Journal of Engineering and Technology Research. 2022. V. 7. N 6. P. 82–86. https://doi.org/10.24018/ejeng.2022.7.6.2868Al Rakib M.A., Rahman M.M., Hossain M.M., Rahman M.A., Samad M., Abbas F.I. Induction motor based speed and direction controller. European Journal of Engineering and Technology Research, 2022, vol. 7, no. 6, pp. 82–86. https://doi.org/10.24018/ejeng.2022.7.6.2868Jumaa F.A., Aljanabi M., Duhis A.H., Abed J.K. PWM inverter with digital microcontroller for speed control applications // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021. V. 1076. N 1. P. 012003. https://doi.org/10.1088/1757-899x/1076/1/012003Jumaa F.A., Aljanabi M., Duhis A.H., Abed J.K. PWM inverter with digital microcontroller for speed control applications. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2021, vol. 1076, no. 1, pp. 012003. https://doi.org/10.1088/1757-899x/1076/1/012003Richardson M.T., Patterson V., Parchment A. Microcontroller based space vector pulse width modulation speed control of three-phase induction motor // Proc. of the SoutheastCon. 2021. P. 1–6. https://doi.org/10.1109/southeastcon45413.2021.9401922Richardson M.T., Patterson V., Parchment A. Microcontroller based space vector pulse width modulation speed control of three-phase induction motor. Proc. of the SoutheastCon, 2021, pp. 1–6. https://doi.org/10.1109/southeastcon45413.2021.9401922Pietrzak P., Pietrzak P., Wolkiewicz M. Microcontroller-based embedded system for the diagnosis of stator winding faults and unbalanced supply voltage of the induction motors // Energies. 2024. V. 17. N 2. P. 387. https://doi.org/10.3390/en17020387Pietrzak P., Pietrzak P., Wolkiewicz M. Microcontroller-based embedded system for the diagnosis of stator winding faults and unbalanced supply voltage of the induction motors. Energies, 2024, vol. 17, no. 2, pp. 387. https://doi.org/10.3390/en17020387Rajeswaran N., Thangaraj R., Mihet-Popa L., Krishna Vajjala K.V., Ozer O. FPGA implementation of AI-based inverter IGBT open circuit fault diagnosis of induction motor drives // Micromachines. 2022. V. 13. N 5. P. 663. https://doi.org/10.3390/mi13050663Rajeswaran N., Thangaraj R., Mihet-Popa L., Krishna Vajjala K.V., Ozer O. FPGA implementation of AI-based inverter IGBT open circuit fault diagnosis of induction motor drives. Micromachines, 2022, vol. 13, no. 5, pp. 663. https://doi.org/10.3390/mi13050663Zhou X., Giangrande P., Ji Y., Zhao W., Ijaz S., Galea M. Insulation for rotating low-voltage electrical machines: degradation, lifetime modeling, and accelerated aging tests // Energies. 2024. V. 17. N 9. P. 1987. https://doi.org/10.3390/en17091987Zhou X., Giangrande P., Ji Y., Zhao W., Ijaz S., Galea M. Insulation for rotating low-voltage electrical machines: degradation, lifetime modeling, and accelerated aging tests. Energies, 2024, vol. 17, no. 9, pp. 1987. https://doi.org/10.3390/en17091987Chirindo M., Mushenya J., Khan M.A., Barendse P.S. Non-intrusive efficiency estimation of inverter-fed induction motors // IEEE Transactions on Energy Conversion. 2023. V. 38. N 3. P. 1845–1854. https://doi.org/10.1109/tec.2023.3242173Chirindo M., Mushenya J., Khan M.A., Barendse P.S. Non-intrusive efficiency estimation of inverter-fed induction motors. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2023, vol. 38, no. 3, pp. 1845–1854. https://doi.org/10.1109/tec.2023.3242173Amirpour S., Soltanipour S., Thiringer T., Katta P. Adaptive determination of optimum switching frequency in SiC-PWM-based motor drives: a speed-dependent core loss correction approach // IEEE Open Journal of the Industrial Electronics Society. 2025. V. 6. P. 883–897. https://doi.org/10.1109/ojies.2025.3569349Amirpour S., Soltanipour S., Thiringer T., Katta P. Adaptive determination of optimum switching frequency in SiC-PWM-based motor drives: a speed-dependent core loss correction approach. IEEE Open Journal of the Industrial Electronics Society, 2025, vol. 6, pp. 883–897. https://doi.org/10.1109/ojies.2025.3569349Богданов А.А., Быстров Е.А. Анализ влияния алгоритма и режимов работы трехфазного инвертора на спектральный состав выходных токов // Современные проблемы машиностроения. 2021. C. 57–58.Bogdanov A.A., Bystrov E. A. Analysis of the influence of the algorithm and operating modes of a three-phase inverter on the spectral composition of output currents. Sovremennye Problemy Mashinostroeniya, 2021, pp. 57–58. (in Russian)Гарганеев А.Г., Абуэльсауд Р.С. Система электроснабжения на основе управления автономным инвертором с прогнозирующей моделью // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. 2018. Т. 21. № 1. С. 106–111. https://doi.org/10.21293/1818-0442-2018-21-1-106-111Garganeev A.G., Aboelsaud A.R. Power supply system based on the predictive model autonomous inverter control. Proceedings of the TUSUR University, 2018, vol. 21, no. 1, pp. 106–111. (in Russian). https://doi.org/10.21293/1818-0442-2018-21-1-106-111Cortes P., Rodrigues J., Quevedo D.E., Silva C. Predictive current control strategy with imposed load current spectrum // IEEE Transactions on Power Electronics. 2008. V. 23. N 2. P. 612–618. https://doi.org/10.1109/tpel.2007.915605Cortes P., Rodrigues J., Quevedo D.E., Silva C. Predictive current control strategy with imposed load current spectrum. IEEE Transactions on Power Electronics, 2008, vol. 23, no. 2, pp. 612–618. https://doi.org/10.1109/tpel.2007.915605Shilin A.A., Bukreev V.G., Perevoshchikov F.V. Synthesis and implementation of λ-approach of slide control in heat-consumption system // Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. 2022. V. 22. N 3. P. 501–508. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2022-22-3-501-508Shilin A.A., Bukreev V.G., Perevoshchikov F.V. Synthesis and implementation of λ-approach of slide control in heat-consumption system. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2022, vol. 22, no. 3, pp. 501–508. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2022-22-3-501-508Utkin V.I. Sliding Modes in Control and Optimization. Springer, 1992. 286 p.Utkin V.I. Sliding Modes in Control and Optimization. Springer, 1992, 286 p.Анучин А.С., Кульманов В.И., Стжелецки Р., Демидова Г.Л. Силовой преобразователь с активным подавлением высших гармоник для систем электроснабжения летательных аппаратов // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2020. Т. 63. № 5. С. 417–428. https://doi.org/10.17586/0021-3454-2020-63-5-417-428Anuchin A.S., Kulmanov V.I., Strzelecki R., Demidova G.L. Power converter with active suppression of higher harmonics for aircraft power supply systems. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Priborostroenie, 2022, vol. 63, no. 5, pp. 417–428. (in Russian). https://doi.org/10.17586/0021-3454-2020-63-5-417-428Swami R.K., Kumar V., Joshi R.R. FPGA-based Implementation of Fuzzy Logic DTC for induction motor drive fed by matrix converter // IETE Journal of Research. 2022. V. 68. N 2. P. 1418–1426. https://doi.org/10.1080/03772063.2019.1649212Swami R.K., Kumar V., Joshi R.R. FPGA-based Implementation of Fuzzy Logic DTC for induction motor drive fed by matrix converter. IETE Journal of Research, 2022, vol. 68, no. 2, pp. 1418–1426. https://doi.org/10.1080/03772063.2019.1649212Аббас M.Х.А., Косарева-Володько О.В. Обзор исследований надежности электропитания за счет использования контроллеров на основе алгоритмов искусственного интеллекта // Горное оборудование и электромеханика. 2023. № 3 (167). С. 29–34. https://doi.org/10.26730/1816-4528-2023-3-29-34Abbas M.H.A., Kosareva-Volodko O.V. Review of studies on reliability of power supply through the use of controllers based on artificial intelligence algorithms. Mining Equipment and Electromechanics, 2023, no. 3 (167), pp. 29–34. (in Russian). https://doi.org/10.26730/1816-4528-2023-3-29-34Самойлов Л.К., Денисенко Д.Ю., Титов А.Е. Максимальные динамические погрешности фильтров лежандра в системах контроля и управления // Известия ЮФУ. Технические науки. 2024. № 2 (238). C. 164–175. https://doi.org/10.18522/2311-3103-2024-2-164-175Samoilov L.K., Denisenko D.Y., Titov A. E. Maximum dynamic errors of legendre filters in control and control systems. Izvestiya SFedU. Engineering Sciences, 2024, no. 2 (238), pp. 164–175. (in Russian). https://doi.org/10.18522/2311-3103-2024-2-164-175Анучин А.С. Системы управления электроприводов: учебник для вузов. М.: Издательский дом МЭИ, 2015. 373 с.Anuchin A.S. Control Systems for Electric Drives. Moscow, MEI Publ., 2015, 373 p. (in Russian)Малёв Н.А. Исследование цифровых моделей чувствительности следящего электропривода // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2024. Т. 16. № 1 (61). С. 52–69.Maliev N.A. Research of digital sensitivity models of a servo drive. Kazan State Power Engineering University Bulletin, 2024, vol. 16, no. 1 (61), pp. 52–69. (in Russian)Стрижнев А.Г., Русакович А.Н. Автоматизированный синтез цифровых регуляторов на основе дискретных передаточных функций объектов управления // Информатика. 2013. № 3 (39). С. 105–114.Stryzhniou A.G., Rusakovich A.N. Computer-aided syntesis of digital controllers based on the discrete transfer function of the control objects. Informatics, 2013, no. 3 (39), pp. 105–114. (in Russian)Пиляев С.Н., Труфанов В.В., Афоничева Д.Д. Повышение энергоэффективности технологических установок на основе скалярного управления асинхронным электроприводом // Тенденции развития технических средств и технологий в АПК. 2021. Т. 2. С. 127–132.Pilyaev S.N., Trufanov V.V., Afonicheva D.D. Improving energy efficiency of process units based on scalar control of induction motor drives. Trends in Development of Technical Means and Technologies in Agriculture, 2021, vol, 2, pp. 127–132. (in Russian)Анучин А.С. Широтно-импульсная модуляция методом реализации мгновенных фазных потенциалов для трехфазных инверторов напряжения // Труды V Международной (16 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП2007. 2007. С. 263–265.Anuchin A. S. Pulse-width modulation by implementation of instantaneous phase potentials for three-phase voltage inverters. Proc. of the 5th International (16th All-Russian) Conference on Automated Electric Drive AEP-2007. 2007, pp. 263–265 (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.