Permanent Magnet Synchronous Motor Control System for an Electric Formula

No Thumbnail Available
Files
Rauha_Teemu_2024.pdf (773.68 KB)
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Date
2024-01-19
Department
Major/Subject
Mcode
ELEC3013
Degree programme
Elektroniikka ja sähkötekniikka EST
Language
en
Pages
18
Series
Abstract
This thesis covers Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) control from the perspective of a high-performance Electric Vehicle (EV). The need for both steady state and dynamic performance with complex and dynamic control is established. Different strategies and design considerations are then compared and evaluated based on that background. Field Oriented Control (FOC) is chosen as baseline for simulation as it is considered the most proven and reliable out of the conventional PMSM control methods. The proposed FOC method uses the conventional approach of minimizing d-axis current with direct torque angle control to exploit the unequal inductances in Internal PMSMs (IPMSM). This approach is implemented by modifying Park transform reference angle and is extended into field weakening region. Speed control is not used as torque angle and q-axis current reference is set by torque reference. Simulation results show the proposed version of FOC on the target motor has accurate current tracking and functional field weakening for a relatively unpolished control system that has room for optimization.

Moottoriohjaus on pitkään tutkittu säätötekniikan osa-alue, joka edellyttää tietämystä myös muista aloista kuten tehoelektroniikka, ohjelmointi ja signaalinkäsittely. Käytännön sovellukset alalla olivat pitkään erittäin yksinkertaisia. Mikroprosessorien sekä erityisten signaalinkäsittelyprosessorien kehityksen myötä monimutkaisempia ja kehittyneempiä menetelmiä on toteutettu myös käytännössä. Viimeisin suunta alalla on malliprediktiivisiin menetelmiin, joita on käytetty esimerkiksi prosessitekniikassa jo 1980-luvulta lähtien. Malliprediktiivistä säätöä oli kuitenkin pitkään hankala käyttää moottoriohjauksen sovelluksiin, sillä aikavakiot olivat liian pieniä prosessorien käsiteltäviksi. Tässä työssä käsitellään moottoriohjausta erityisesti sähköajoneuvojen moottorien näkökulmasta, jossa on omanlaisensa suunnittelukysymykset. Yleisesti sähköautojen moottorit tarvitsevat 3-vaiheista vaihtovirtaa, mutta jännitelähde eli akku toimii tasavirralla. Väliin tarvitaan siis invertteri eli vaihtosuuntain (engl. traction inverter), joka muuntaa virtaa tasavirrasta vaihtovirtaan sekä ohjaa moottoreita. Tämä työ keskittyy kuitenkin pääosin säätöjärjestelmään muuntimen arkkitehtuurin sijaan, ja erityisesti säätöalgoritmien vertailuun sekä valintaan. Säätöalgoritmeistä esitellään suora momenttisäätö (engl. Direct Torque Control, DTC) ja kenttäpainotteinen säätö (engl. Field Oriented Control, FOC) sekä erilaisia versioita ja muunnelmia näistä perinteisistä säätöalgoritmeistä. Erilaisia moottorirakenteita esitellään niiden ohjaamiseen vaikuttavien ominaisuuksien kannalta. Säätöalgoritmin valintaa pohditaan aiemman tutkimuksen pohjalta kiinnittämällä huomiota yhteensopivuuteen kohdemoottorin kanssa. Vertailun pohjalta yksi säätöalgoritmi valittiin simuloitavaksi Matlab/Simulink ympäristössä. Kohdemoottorina toimii upotettu kestomagnetoitu tahtimoottori (engl. Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM). Algoritmien vertailuun asetettiin pääkriteereiksi yksinkertaisuus, dynaaminen suorituskyky ja hyötysuhde. Painoarvoa ominaisuuksille ja optimoinnille annetaan erityisesti toiminta-alueen loppupäässä. Tämä lähestymistapa on vähemmän tarkasteltu, sillä alan tutkimus keskittyy enimmäkseen moottoreiden toiminta-alueella alku- tai keskikohdan ominaissuuksiin. Vertailun perusteella lupaavimmiksi säätöalgoritmeiksi muodostui kenttäpainotteinen säätö ja malliprediktiiviset menetelmät (engl. Model Predictive Control, MPC). Näistä kenttäpainotteinen säätö valittiin simuloitavaksi erityisesti sen vakiintuneisuuden ja yksinkertaisuuden perusteella. Simuloitavassa algoritmissa käytetään perinteistä d-akselin virran minimointia vääntöohjauksella sekä virran dynaamisella erotuksella (engl. dynamic decoupling). Kentänheikennys on toteutettu epätavanomaisesti sähköisen kulman vaihesiirtoa säätämällä. Tätä vaihesiirtoa säädetään Park-muunnoksen vertailukulmaa muokkaamalla. Muunnin mallinnettiin kaksitasoisena jännitelähdevaihtosuuntaajana (engl. two-level Voltage Source Inverter, VSI). Simulaatiotulokset ovat lupaavia varsinkin säätöalgoritmin yksinkertaisuuteen nähden, mutta optimoitavaa ja tutkittavaa on vielä paljon. Jatkotutkimuksen kohteiksi nostetaan erityisesti analyyttinen PI-säätimien parametrien valinta sekä vääntökulman optimointi myös kentänheikennysalueen ulkopuolella. Malliprediktiivisen säädön integrointi säätöjärjestelmään havaitaan lupaavana mahdollisuutena. Säätöalgoritmin lisäksi jännitemodulaation toteutusta tulee tutkia enemmän ennen varsinaista käytännön testausta.
Description
Supervisor
Turunen, Markus
Thesis advisor
Pouresmaeil, Edris
Keywords
traction inverter, PMSM, motor control, simulink, FOC
Other note
Citation