Study on direct torque control technologies applied to electric vehicles

In the last years, the topic of electric vehicles has widely spread around the world due to global warming issues. Every country is pushing the car manufacturers to the development of the Electric Vehicles (EVs), and therefore, a lot of investments has been made in this direction. A suitable and reliable electric drive have to be developed for control efficiency and energy savings. The thesis deals with improving the performance of an electric vehicle using the direct torque control (DTC) strategy for control purposes. a permanent magnet synchronous motor (PMSM) is used as a propulsion system of the car. Firstly, the study starts with an introduction and an overview of the situation of electric vehicles and a comparison between the different types of electric motors. As a result, the PMSM can be considered the best option for EV applications, the mathematical model of the PMSM is explored and verified with all the electrical and mechanical equations that are indispensable for the simulation in SIMULINK. Moreover, an introduction to the theory of rotating magnetic field and Park transform is done. Secondly, the working principle of the DTC is explained with all its advantages and disadvantages, the main benefits of this type of control strategy are the simplicity and fast torque response compared to the more complicated system such as the field oriented control (FOC). These benefits are suited to the machine under analysis, the PMSM in fact, has the highest power density and the simplest mechanical structure compared to all the other motors. The main drawback is the high torque ripple at low-speed operation, and this disadvantage cannot be tolerated in some particular industrial applications. The mathematical model and working principle of the three-phase power converter is discussed and modeled to get a complete view of the final EV system. A study of different solutions to overcome the issue of high torque ripples at low-speed operation is shown, the modified three-phase inverter is introduced and implemented in SIMULINK as one possible solution. the space vector pulse width modulation (SVPWM) is another method performed and presented as a very solid solution to the matter of high torque ripples at low-speed operation. The maximum torque per ampere (MTPA) method is explored and analyzed in order to increase efficiency of the machine in case of saliency in the rotor. Finally, a comparison between the standard DTC and the variations are studied within SIMULINK enviroment. As a result, the complete model of the EV is modeled in SIMULINK with a focus on the batteries and the dynamics of the vehicles. In the end, the experimental verification is done within the laboratory, the SVPWM technique is used with the Hardware In the Loop (HIL) method, and its result is fully commented. The thesis is focused mainly on the development and explanation of the DTC and its different variations, this is just a starting point for further analysis and studies on the whole EV system.

Negli ultimi anni, il tema dei veicoli elettrici si è ampiamente diffuso in tutto il mondo a causa del problema del riscaldamento globale. Ogni paese spinge i costruttori di automobili allo sviluppo dei veicoli elettrici (EVs), e quindi sono stati fatti molti investimenti in questa direzione. È necessario sviluppare un azionamento elettrico adeguato e affidabile dal punto di vista dell'efficienza del controllo e del risparmio energetico. La tesi riguarda il miglioramento delle prestazioni di un veicolo elettrico utilizzando la strategia del direct torque control (DTC) come principale metodo di controllo. Un motore sincrono a magneti permanenti (PMSM) viene utilizzato come sistema di propulsione della macchina. In primo luogo, lo studio inizia con un'introduzione e una panoramica della situazione dei veicoli elettrici e un confronto tra i diversi tipi di motori elettrici. Di conseguenza, il PMSM può essere considerato l'opzione migliore per le applicazioni EV, il modello matematico del PMSM è studiato e ricavato con tutte le equazioni elettriche e meccaniche che sono indispensabili per la modellizzazione del sistema in ambiente SIMULINK. Inoltre, viene presentata un'introduzione alla teoria del campo magnetico rotante e alla trasformata di Park. In secondo luogo, il principio di funzionamento del DTC è spiegato con tutti i suoi vantaggi e svantaggi, i principali vantaggi di questo tipo di strategia di controllo sono la semplicità e la risposta veloce della coppia rispetto ad un sistema più complicato come il field oriented control (FOC). Questi vantaggi sono adatti alla macchina sotto analisi, il PMSM infatti, ha la più alta densità di potenza e la struttura meccanica più semplice rispetto a tutti gli altri motori. L'inconveniente principale di questo tipo di controllo è l'elevata ondulazione della coppia durante il funzionamento a bassa velocità, e questo svantaggio non può essere tollerato in alcune particolari applicazioni industriali. Il modello matematico e il principio di funzionamento del convertitore di potenza trifase sono spiegati e modellati per ottenere una visione completa del sistema finale. Viene mostrato uno studio di diverse soluzioni per superare il problema delle alte ondulazioni di coppia, l'inverter trifase a due livelli modificata viene introdotto e implementato in SIMULINK come una possibile soluzione. Lo space vector pulse width modulation (SVPWM) è un altro metodo eseguito e presentato come una soluzione molto solida alla questione delle ondulazioni di coppia elevata a bassa velocità di regime. Il maximum torque per ampere (MTPA) metodo è studiato e analizzato per migliorare l’efficienza del motore nel caso di motori anisotropi. Infine, un confronto tra il DTC tradizionale e le varinti viene studiato e analizzato all'interno dell'ambiente SIMULINK. Di conseguenza, il modello completo del veicolo elettrico è ottenuto in SIMULINK con un focus sulla teoria delle batterie e sulla dinamica dei veicoli. Alla fine, la verifica sperimentale viene eseguita all'interno del laboratorio, la tecnica SVPWM viene utilizzata con il metodo hardware in the loop (HIL) e il suo risultato è completamente analizzato. La tesi si concentra principalmente sullo sviluppo e la spiegazione del DTC e delle sue diverse varianti, questo è solo un punto di partenza per ulteriori analisi e studi sull'intero sistema EV.