Interior permanent magnet motors : sensorless control

The aim of this work is to analyze and implement techniques which allow to run a sensorless control over an Interior Permanent Magnet (IPM) synchronous motor These methods have to be robust and precise enough to be applied to both industrial and traction applications, saving the space and fault possibility of rotational transducers and therefore saving weight and cost. After an accurate study of the electrical machine considered, the sensorless methods for identifying the rotor position and speed available in literature will be review and analyzed, together with their strengths and weaknesses. Overall, the sensorless control can be sub-divided into two speed ranges: one including standstill and very low rotational speeds and one concerning high velocities. Methods which exploit the saliency of the IPM by means of a continuous high frequency voltage injection and those that make use of a virtual stator flux observer are considered the most suitable for each speed range, respectively. These techniques will be implemented in a simulation environment, which will show that good results can be obtained, with a position estimation error in the range of 1-5 degrees for low speeds and of 0-2 degrees for high speeds. The methods will also be merged by means of transition algorithms to obtain a wide-speed range sensorless control until the base speed (and presumably even above). Finally, the developed methods will be experimentally implemented and validated to assess the feasibility of a sensorless control over an IPM motor. The test conducted will show that this is possible, at least in no load conditions, with a position estimation error in the range of 5-10 degrees. This error, together with its noisiness, of course reflect on the estimated speed, anyway not hindering too much the robustness of the control itself, which, with several further improvement, can be used without any doubt in industrial applications.

L’obbiettivo di questo lavoro è quello di analizzare ed implementare tecniche che permettano di eseguire il controllo senza sensori di un motore sincrono a magneti permanenti affogati (IPM). Questi metodi devono essere abbastanza robusti e precisi da poter essere applicati sia in ambito industriale che di trazione, risparmiando spazio ed evitando i guasti relativi all’usura dei sensori, quindi alleggerendo il peso degli azionamenti ed il loro costo. Dopo un accurato studio della macchina elettrica considerata, i metodi sensorless per l’identificazione di posizione e velocità rotorica esistenti in letteratura saranno riassunti ed analizzati nei loro punti di forza e debolezze. In generale, i controlli sensorless possono essere suddivisi, rispetto alla velocità di rotazione, in due macro-categorie: quelli che operano a rotore fermo o a basse velocità e quelli che funzionano ad alte velocità. I metodi che sfruttano la salienza rotorica del motore IPM tramite l’iniezione di un segnale ad alta frequenza e le tecniche che fanno uso di osservatori di un flusso rotorico virtuale sono considerate le più promettenti e adatte alle due categorie, rispettivamente. Queste tecniche verranno implementate in un ambiente di simulazione, in quale mostrerà che buoni risultati possono essere ottenuti, quali un errore di posizione di 1-5 gradi a basse velocità e di 0-2 ad alte velocità. I metodi verranno inoltre interconnessi per ottenere un controllo capace di operare su tutto il range di velocità fino alla velocità di base (e prevedibilmente oltre). Infine, i metodi sviluppati saranno implementati sperimentalmente e validati per verificare l’applicabilità del controllo sensorless su di un motore IPM. I test condotti mostreranno che tutto ciò è possibile, con un errore di stima della posizione nel range di 5-10 gradi. Questo errore, insieme alla sua varianza dovuta al rumore, certamente si riflette sulla stima vi velocità, senza però intaccare fortemente la robustezza del controllo che, certamente con alcune migliorie, potrà essere utilizzato in ambito industriale.