Control and parameter estimation of a Claw-Pole PMSM using a rapid prototyping platform

This thesis presents the control and estimation of electrical parameters of a two-phase Claw-Pole surface-mounted permanent magnet transverse flux machine in a collaboration with the company Rheinmetall automotive. The transverse flux machine is present inside the Proportional Cooling Valve (PCV) produced by them. According to the literature, a transverse flux machine can be modelled as a Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM), which is the reason why in this work it is renamed Claw-Pole PMSM. The goal of this work is the development of a control algorithm and an electrical parameter estimation algorithm that can be implemented in a microcontroller. The estimation is necessary because external disturbance, such as increased temperature, cause changes in the electrical parameters of the Claw-Pole PMSM and consequently affect the performance of the control system. The Field-Oriented Control (FOC) with a dynamic decoupling current controllers and Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM) are used as control algorithm. The Recursive Least Square with forgetting factor (RLS-FF) and the step-pulse injection in d-axis, to fulfil the rank of the system, are used as the parameter estimation algorithm for the electrical parameters of stator resistance (R), dq inductance and the permanent magnet (PM) flux linkage. The implementation of both algorithms was carried out in simulation environment (Simulink) and in a control prototyping platform called Prototyping Unit for Model-based Applications (PUMA) from adcos that simulates a real microcontroller. The results reveal that in Simulink, where the temperature of the system cannot be changed, the speed and current control system manages to reach the desired setpoints and the parameter estimation system manages to estimate the electrical parameters with a precision such that the difference between the nominal values and the estimated parameters can be considered negligible. In PUMA, the real electrical signals of the Claw-Pole PMSM are used for the estimation and the results reveal that the estimation of electrical parameters, between the temperature range of 30°C to 80°C and at 3 different speeds (100rpm, 300rpm and 500rpm), are as expected, that is, R increases linearly and the PM flux linkage decreases as the temperature increases and dq inductance value reduces as the saturation of the iron core increases.

Questa tesi presenta il controllo e la stima dei parametri elettrici di una macchina a flusso trasversale a magneti permanenti bifase con polo ad artiglio montata su superficie in una collaborazione con la azienda Rheinmetall Automotive. La macchina a flusso trasverso è presente all'interno della valvola di raffreddamento proporzionale (PCV) da loro prodotta. Secondo la letteratura, una macchina a flusso trasverso può essere modellata come una macchina sincrona a magneti permanenti (PMSM), motivo per cui in questo lavoro viene ribattezzata a PMSM ad artiglio. L'obiettivo di questo lavoro è lo sviluppo di un algoritmo di controllo e di un algoritmo di stima dei parametri elettrici che possano essere implementati in un microcontrollore. La stima è necessaria perché disturbi esterni, come l'aumento della temperatura, causano cambiamenti nei parametri elettrici del PMSM ad artiglio e di conseguenza influenzano le prestazioni del sistema di controllo. Come algoritmo di controllo viene utilizzato il controllo ad orientamento di campo (FOC) con regolatori di corrente a disaccoppiamento dinamico e la modulazione di larghezza di impulso sinusoidale (SPWM). I minimi quadrati ricorsivi con fattore di dimenticanza (RLS-FF) e l'iniezione a impulsi nell'asse d, per soddisfare il rango del sistema, vengono utilizzati come algoritmo di stima dei parametri per i parametri elettrici della resistenza statorica (R), l'induttanza dq e il flusso concatenato a magnete permanente (PM). L'implementazione di entrambi gli algoritmi è stata effettuata in un ambiente di simulazione (Simulink) e in una piattaforma di prototipazione di controllo chiamata Prototyping Unit for Model-based Applications (PUMA) di \adcos che simula un vero microcontrollore. I risultati rivelano che in Simulink, dove la temperatura del sistema non può essere modificata, il sistema di controllo di velocità e corrente riesce a raggiungere i setpoint desiderati e il sistema di stima dei parametri riesce a stimare i parametri elettrici con una precisione tale che la differenza tra i valori nominali ed i parametri stimati può considerarsi trascurabile. In PUMA, per la stima vengono utilizzati i segnali elettrici reali del PMSM ad artiglio e i risultati rivelano che la stima dei parametri elettrici, nell'intervallo di temperatura compreso tra 30°C e 80°C e a 3 diverse velocità (100rpm, 300rpm e 500rpm), sono come previsto, ovvero R aumenta linearmente e il collegamento del flusso PM diminuisce all'aumentare della temperatura e il valore di induttanza dq si riduce all'aumentare della saturazione del nucleo di ferro.