Sensorless speed control of a brushless synchronous motor for an automotive hydrogen recirculation pump

Nowadays electric vehicles are an interesting research field. Governments and companies are investing in technologies to reduce the environmental impact of transportation systems, pollution and CO2 emissions will probably lead to the stop of fossil fuel production, so in a realistic scenario electric vehicles will take the place of internal combustion vehicles. The aim of this thesis, performed at Politecnico di Milano with the Electrical Machines, Drives and Power Electronics Research Group, consists in designing a speed sensorless control of a hydrogen recirculation pump, to be used in fuel cells electric vehicles (FCEVs). We set up a sensorless control using field oriented control (FOC) algorithm, combined with a speed observer; two different observer types were tested, Luenberger state observer and Sliding Mode Observer (SMO), leading to the conclusion that the best results are achieved with the SMO. We also exploited a Processor In the Loop (PIL) testing procedure to validate the compiled control code, simulating the complete system, where the control is compiled on a target hardware and the motor model is simulated on a host computer. Finally, a solution in which power electronics is mounted on the electric pump is considered, so we designed an inverter Printed Circuit Board aiming at reducing the device footprint.

Oggi giorno i veicoli elettrici sono un interessante campo di ricerca. Governi e società stanno investendo in tecnologie in grado di ridurre l'impatto ambientale dei mezzi di trasporto, inquinamento e emissioni di CO2 porteranno probabilmente a dismettere la produzione di combustibili fossili, quindi in un futuro scenario realistico i veicoli elettrici potrebbero sostituire i veicoli a combustione interna. Lo scopo di questa tesi, svolta al Politecnico di Milano con il Gruppo di Ricerca di Machine Elettriche, Azionamenti e Elettronica di Potenza, consiste nel progettare un controllo di velocità sensorless per una pompa di ricircolo dell'idrogeno, utilizzabile in veicoli elettrici a celle di fluido. Abbiamo progettato un controllo sensorless, basato sul controllo a orientamento di campo combinato con un osservatore di velocità; sono stati testati due osservatori differenti, un osservatore di stato Luenberger e un osservatore Sliding Mode, e si è giunti alla conclusione che i risultati migliori sono ottenibili con l'osservatore Sliding Mode. Abbiamo testato il controllo anche con una procedura di Processor In the Loop, dove il sistema completo è stato simulato compilando il controllo sull'hardware finale mentre il modello del motore viene simulato su un computer. Infine considerando una soluzione in cui l'elettronica di potenza è montata direttamente sulla pompa elettrica, abbiamo progettato il circuito stampato di un inverter con lo scopo di ridurre le dimensioni del dispositivo.