Sensorless solutions for a flywheel PMSM for aerospace applications

Flywheel applications based on permanent magnet synchronous motors (PMSMs) play an important role in the aerospace field, such as in spacecraft attitude control. The flywheel must rotate at a high constant speed and exploit its inertia to produce the desired vectorial angular momentum, which can then be tilted to produce the torque that rotates the satellite. The high efficiency and power density of this type of motor make it the preferred solution to guarantee extremely good performance in terms of accuracy. Over the course of the last decades, many researchers have proposed sensorless control strategies to reduce the total cost and enhance both reliability and safety aspects. These solutions appear quite promising since they could reduce the total mass and complexity onboard the satellite, potentially reducing the need for maintenance (so longer effective operation in orbit) and avoiding potential electromagnetic compatibility problems that could arise in small space chambers. The goal of this thesis is to study and analyze the possible sensorless control families and select the most suitable one for a high-speed flywheel motor. We then compare some sensorless strategies in terms of accuracy, robustness, development effort, and parameter sensitivity. In this regard, the sliding mode observer (SMO), the Luenberger observer, the model reference adaptive system (MRAS) observer, and the extended Kalman filter (EKF) are analyzed. The simulations are conducted using the MATLAB/Simulink environment to simulate the operation of the 200 W flywheel motor of a micro control momentum gyroscope (CMG) from Thales Alenia Space. The results show that the SMO produces excellent dynamic performance and good accuracy while demonstrating superior robustness to external temperature variations and resistant load changes, which is a mandatory requirement in orbit.

Le applicazioni che utilizzano volani (flywheel) con motori sincroni a magneti permanenti (PMSM) sono molto diffuse nel campo aerospaziale, come nel controllo dell’assetto dei satelliti. Il volano viene fatto ruotare a velocià elevata per sfruttare al meglio la sua inerzia e produrre valore di momento angolare desiderato che, a seguito di rotazioni imposte sul proprio asse, produce la coppia necessaria a ruotare il satellite. L’alta efficienza e densità di potenza di questo tipo di motore, lo rendono la soluzione migliore per garantire alte prestazioni in termini di precisione. Nel corso degli ultimi decenni, molti ricercatori hanno proposto strategie di controllo sensorless per ridurre il costo totale e migliorare sia l’affidabilità che la sicurezza delle apparecchiature. Queste soluzioni sembrano molto promettenti in ambito spazio, in quanto la riduzione della massa totale e della complessità a bordo del satellite potrebbe ridurre la necessità di manutenzione (e quindi la durata effettiva del satellite in orbita) ed evitare problemi di compatibilità elettromgnetica che potrebbero sorgere all’interno delle limitate camere spaziali. L’obiettivo di questa tesi è di studiare e analizzare le famiglie di controllori sensorless e selezionare la più adatta per la nostra applicazione ad alte velocità di rotazione. I vari osservatori verranno confrontati in termini di precisione, robustezza, sforzo di implementazione e sviluppo oltre che sensibilità ai parametri. A tal fine, vengono analizzati lo sliding mode observer (SMO), il Luenberger observer, il model reference adaptive system (MRAS) e l’extended Kalman filter (EKF). I risultati ottenuti in ambiente MATLAB/Simulink sono riportati per simulare l’operazioni del motore flywheel da 200 W utilizzato per il micro control momentum gyro (CMG) prodotto da Thales Alenia Space. I risultati mostrano che lo SMO produce prestazioni dinamiche eccellenti e buona precisione oltre a dimostrarsi migliore rispetto ad altri osservatori in termini di robustezza alle variazioni di temperatura esterna e ai cambiamenti di carico, che sono un requisito fondamentale per questa applicazione in orbita.