Sensorless Field-Oriented Control of High-Speed Permanent Magnet Motors

Abstract

Sensorless control methods have become an important part of control strategies for permanent magnet synchronous motors (PMSMs), as well for other types of electric motors. Their use reduces the design and maintenance requirements of the machine, increasing product competitiveness. One of PMSM types are the so-called high-speed PMSMs, which operates over a wide speed range, reaching speeds over 100 000 rpm. For this reason, these machines have their specifics compared to conventional PMSM not only in design, but also in their control. Thus, the global objective of this work is focused on development of sensorless field-oriented control (FOC) of high-speed PMSM, including experimental verification. To achieve this goal, the thesis is divided into two parts with partial objectives. The first part introduces the overall concept of PMSM control. The proposed method of sensorless control of high-speed PMSM is based on a technique that is otherwise used for standard PMSMs. The conventional method is based on estimation of induced voltages (EMFs) by a state observer, followed by the use of a so-called orthogonal phase lock loop (QPLL) with constant parameters to estimate rotor speed and position. One of the common problems appear at lower motor speeds, where unfiltered harmonic components in the measured phase currents can occur. Consequently, estimated EMFs negatively affects the quality of rotor speed and position estimation, if some of adaptive filter techniques is not used. In this work, an adaptive Volterra filter is proposed, whose parallel architecture encourages the possibility of its implementation using programmable logic arrays (FPGA). Another improvement to the standard sensorless control solution is the development of an adaptive QPLL to improve estimator performance over a wide speed range, with enhanced control of the machine dynamics. High-speed PMSMs are not commercially available as conventional mass-produced PMSMs. Therefore, the second part of the thesis is devoted to the development and production of experimental high-speed PMSM, equipped with a position sensor to validate the proposed sensorless control. Additionally, a rotordynamics analysis is carried out, which helps to identify areas that can be considered as trustworthy for comparing the reality (sensor information) and the estimated rotor position. The proposed method is implemented on FPGA and the algorithm is optimized to ensure a short computing time, and therefore better stability and quality of the motor control. The first part of the thesis contains detailed results achieved on the basis of simulations, while the second part provides experimental results.

Bezsenzorové metody řízení se staly důležitou součástí strategií řízení jak synchronních motorů s permanentními magnety (PMSMs), tak i jiných typů elektrických motorů. S jejich použitím se snižují požadavky na konstrukční uspořádání stroje a jeho údržbu, a tím tak zvyšují jeho schopnost konkurovat na trhu. Jedním z typů elektrických motorů jsou tzv. vysokorychlostní PMSMs, které operují v širokém rozsahu otáček, sahající až nad 100 000 ot/min. Z tohoto důvodu mají tyto stroje svá specifika oproti běžným PMSM nejen v oblasti konstrukce, ale i ve způsobu jejich řízení. Obecný cíl této práce je tak zaměřen na vývoj bezsenzorového vektorového řízení vysokorychlostního PMSM, včetně experimentálního ověření. Pro splnění tohoto cíle je práce rozdělena do dvou částí s dílčími cíli. V první části práce je představena celková koncepce řízení motoru. Navržená metoda bezsenzorového řízení vysokorychlostního PMSM je založena na technice, která je jinak určena pro běžné PMSMs. Základem konvenční metody je estimace indukovaných napětí (EMFs) pomocí pozorovatele stavu, po kterém následuje použití tzv. ortogonálního fázového závěsu (QPLL) s konstantními parametry pro estimaci polohy a rychlosti rotoru. Jeden z běžných problémů nastává při nižších otáčkách motoru, kde se mohou objevit nefiltrované harmonické složky v měřených fázových proudech. V důsledku toho pak estimovaná EMFs negativně ovlivňují kvalitu estimace rychlosti a polohy rotoru, jestliže nejsou použity adaptivní techniky pro jejich filtraci. Za tímto účelem je v této práci navržen adaptivní Volterrův filtr, jehož paralelní architektura nabízí možnost jeho implementace za pomoci programovatelných logických polí (FPGA). Dalším vylepšením standardního bezsenzorového řešení je pak vývoj adaptivního QPLL pro zkvalitnění funkce estimátoru pracujícího v širokém rozsahu otáček, což umožňuje zkvalitnění řízení dynamiky stroje. Vysokorychlostní PMSM nejsou na trhu komerčně dostupné jako běžné sériově vyráběné PMSMs. Druhá část práce se tak věnuje vývoji a výrobě experimentálního vysokorychlostního PMSM, který je opatřen senzorem polohy za účelem validace navrženého bezsenzorového řízení. V rámci vývoje je mimo jiné provedena analýza dynamiky rotoru, která vede k definování oblastí, které lze považovat za důvěryhodné pro porovnání reality (informace ze senzoru) a estimované polohy rotoru. Navržená metoda je implementována na FPGA a je provedena optimalizace vyvinutého algoritmu k dosažení krátkého výpočetního času, a tedy i lepší stabilitě a kvalitě řízení motoru. První část práce obsahuje podrobné výsledky dosažené na základě simulací, zatímco druhá část přináší výsledky experimentální.