SPMSM-Based electrical drives at/about torsional resonance : analytical modelling and carrier-shift damping method

Understanding and preventing torsional vibrations is essential in any modern electrical drive. The main objective of this research is to investigate torsional vibrations originating from the discrete operation of a switch-mode power converter. Initially, all the mechanical aspects of a 2-Degree-Of-Freedom rotating system are explained, focusing on the shaft torque and a suitable frequency response method for identifying the mechanical characteristic of an electrical drive under study. As an example, a Surface-Mounted Permanent-Magnet-based drive is used. The operation of a voltage-driven system at/around torsional resonance is analysed: an analytical model is developed, which can predict the electromagnetic and the shaft torque harmonics from a voltage harmonic input. The drive control part is added as a next step, leading to a more complex yet all-inclusive mathematical model that predicts torque harmonic amplitudes at/around resonance. The further analysis deals with the line current harmonics at/about resonance: a comprehensive analysis of their amplitude trend is provided. Special sections are dedicated to identifying the drive's overall natural frequency and predicting critical operating points. A method for damping torsional vibrations is proposed based on a phase change of the inverter carrier signal. Furthermore, a Nonlinear Extended-State Observer is proposed for estimating the shaft torque in a Multi-Input Multi-Output system: observer definition and design aspects are discussed. All the concepts presented in the thesis are validated through extensive simulations in Matlab/Simulink. Additionally, two laboratory setups are used for experimental verification.

Comprendere e prevenire le vibrazioni torsionali è essenziale in qualsiasi azionamento elettrico moderno. L'obiettivo principale di questa ricerca è quello di studiare le vibrazioni torsionali originate dal funzionamento di un convertitore switch-mode. Inizialmente, vengono spiegati tutti gli aspetti meccanici di un sistema rotante a due gradi di libertà, concentrandosi sulla coppia dell'albero e un metodo di risposta in frequenza adatto per identificare la caratteristica meccanica di un azionamento elettrico in esame. Ad esempio, viene utilizzata un'unità basata su magnete permanente montata in superficie. Viene analizzato il funzionamento di un sistema guidato dalla tensione alla/intorno alla risonanza torsionale: viene sviluppato un modello analitico, in grado di prevedere le armoniche elettromagnetiche e di coppia dell'albero da un ingresso armonico di tensione. La parte di controllo dell'azionamento viene aggiunta come passaggio successivo, portando a un modello matematico più complesso ma onnicomprensivo che prevede le ampiezze armoniche della coppia alla/intorno alla risonanza. L'ulteriore analisi riguarda le armoniche di corrente di linea alla/circa risonanza: viene fornita un'analisi completa del loro andamento in ampiezza. Sezioni speciali sono dedicate all'identificazione della frequenza naturale complessiva dell'azionamento e alla previsione dei punti operativi critici. Viene proposto un metodo per smorzare le vibrazioni torsionali basato su un cambiamento di fase del segnale portante dell'inverter. Inoltre, viene proposto un osservatore a stato esteso non lineare per la stima della coppia dell'albero in un sistema a uscita singola multi-ingresso: vengono discussi la definizione dell'osservatore e gli aspetti di progettazione. Tutti i concetti presentati nella tesi sono validati attraverso ampie simulazioni in Matlab/Simulink. Inoltre, vengono utilizzate due configurazioni di laboratorio per la verifica sperimentale.