Design and implementation of a driver For in-wheel brushless motors for unmanned vehicles

The purpose of this thesis is to study the architecture of a brushless motor driving circuit proposed by Texas Instruments and implemented as an electronic speed board in an open-source project available online, analysing the advantages and disadvantages of such design regarding the implementation of trapezoidal and sinusoidal motor driving and speed and current control techniques for an unmanned vehicle designed for robotic agriculture. After this, the implementation of such driving and control techniques was physically carried out and tested. This thesis explains in details the most important parts regarding the physical implementation of a motor driving system in such a way that it can be fully replicated. Chapter 1 contains some initial information regarding the electric motor history and the motivation to realize this work. In Chapter 2, we explain more in detail the different reasons why this work was developed and the focus points that were stressed out. In Chapter 3, a simple but sufficient explanation about the theory behind the electric motor is given, explaining also the different existing technologies and their particular driving methods. In Chapter 4 we explain the case study of ROBI', a prototype mobile manipulator for agricultural applications, which uses the in-wheel motor for which the motor driver of this work was developed. In Chapter 5 we explain in deep detail all the work developed around the implementation of the motor driver, both in the software and the hardware fields. In Chapter 6 we explain the final results of the work, showing and comparing graphs and waveforms of the behavior of the in-wheel motor driven by the system developed. Finally, on Chapter 7, we discuss the results of the work realized and propose changes to the design of the driver, based on the implementation of the researched architecture and the problems encountered while working on the project.

Lo scopo di questa tesi è quello di studiare l'architettura di un driver per motori brushless commerciale proposto da Texas Instruments e implementato come un circuito per il controllo di velocità come un progetto open-source disponibile online, analizzando i vantaggi e gli svantaggi di tale progetto per quanto riguarda l'implementazione di eccitazione a motore trapezoidale e sinusoidale e tecniche di controllo di velocità e corrente per un veicolo senza pilota progettato per l'agricoltura robotica. Successivamente, l'implementazione di tali tecniche di eccitazione e controllo è stata effettuata e testata fisicamente. Questa tesi spiega in dettaglio le parti più importanti riguardanti l'implementazione di un sistema di eccitazione del motore in modo tale da poter essere completamente replicato. Il capitolo 1 contiene alcune informazioni iniziali sulla storia del motore elettrico e la motivazione per realizzare questo lavoro. Nel capitolo 2, spieghiamo più in dettaglio i diversi motivi per cui questo lavoro è stato sviluppato e gli aspetti principali che sono stati evidenziati. Nel capitolo 3 viene fornita una spiegazione semplice ma sufficiente sulla teoria alla base del motore elettrico, che spiega anche le diverse tecnologie esistenti e i loro particolari metodi di eccitazione. Nel capitolo 4 spieghiamo il caso di studio di ROBI', un prototipo di manipolatore mobile per applicazioni agricole, che utilizza il motore in-wheel per il quale è stato sviluppato il driver motorio di questo lavoro. Nel capitolo 5 spieghiamo dettagliatamente tutto il lavoro sviluppato attorno all'implementazione del driver del motore, sia nel campo del software che in quello dell'hardware. Nel capitolo 6 spieghiamo i risultati finali del lavoro, mostrando e confrontando grafici e forme d'onda del comportamento del motore a ruote motrici guidato dal sistema sviluppato. Infine, nel capitolo 7, discutiamo i risultati del lavoro svolto e proponiamo modifiche al design del driver, basate sull'implementazione dell'architettura ricercata e sui problemi incontrati durante il lavoro sul progetto.