Smart and efficient electric drives for mecathronic applications

The call for the reduction of energy consumption has manifolds reflections on the mechatronics applications. Electric motors represent one of the biggest electric energy consumers in the world, due to their wide utilisation both in industrial and domestic applications. There is, in turn, a need of more efficient drives that implement energy efficient control techniques for all kind of electric motors. The mechanical sensor for the rotor position represents both an additional cost and a source of faults, although the position information is crucial for energy efficient controls. The removal of the position sensor is acceptable provided that a precise position information is still guaranteed, for instance by a position estimator. The research presented in this thesis concerns the development of a complete drive from the control point of view. Advanced control methodologies were considered together with new and specifically designed equipments for improving the overall performances of synchronous permanent magnet motor drives. Efficiency and applicability on mechatronics systems are the main targets of this work. The development of a complete sensorless drive for synchronous permanent magnet motors was the goal chosen to hit the latter targets. Sensorless drives, i.e. without the mechanical position sensors, increases the reliability of the drive, meanwhile reducing costs. In order to guarantee efficiency, advanced control for the minimisation of losses are implemented, though they strongly rely on the rotor position information. Great accuracy, i.e. small errors, must be guaranteed by the sensorless algorithm, which is determined by the following elements: accuracy of the electrical quantities measurements, knowledge of the motor parameters and stability of the sensorless drive. Three chapter of this thesis cope with the latter three crucial elements. While current measurements are reliable and with almost no implementation issues, voltage measurements are quite difficult to deal with. Usually, voltage references are used, provided that a proper compensation of the inverter non idealities is implemented. This thesis discusses the development and use of a new equipment for measuring the output voltage. The latter equipment was used to develop both more precise parameter estimation techniques and new sensorless algorithms. A new inverter non idealities identification was developed, too, for applications where no additional equipments are desired. The development of precise motor models has to cope with the difficulties on gathering significant informations. The improvement of the voltage acquisition increases the reliability on the obtained results. Additional informations are obtained by taking advantage of the mathematical description of the maximum torque-per-ampere MTPA control algorithm, which is widely used in synchronous permanent magnet motor applications. The latter algorithm can be obtained regardless of the motor parameter knowledge. In this thesis, a new method to obtain a parameter estimation of the motor is presented based on the MTPA informations. Finally, motors with different rotor structures, and thus with different parameter-to-current relationship, are considered for the robust design of sensorless algorithm . In certain cases, the motor observer is unstable due to particular rotor configurations combined with severe working conditions. An analytical study was carried out to describe such conditions and remedies are proposed in the second part of this work. The last chapter presents also the benefits deriving from the voltage measurement system. The latter benefits are quite considerable in all regions of work, which justify the additional costs of the equipment.

Il problema del consumo energetico ha molteplici riflessi sulle applicazioni meccatroniche ed in particolare sui motori elettrici. Quest’ultimi infatti rappresentano i maggiori consumatori di energia elettrica nel mondo, a causa del loro utilizzo sia in ambito industriale che domestico. É necessario quindi che gli azionamenti elettrici utilizzino delle tecniche di controllo avanzate che consentano un risparmio di energia elettrica. Il sensore meccanico di posizione rappresenta sia un costo addizionale che una possibile fonte di guasto, ma è tuttavia necessario poichè la posizione del rotore è indispensabile per il controllo del motore. Azionamenti privi di tale sensore, chiamati sensorless, devono perciò garantire una elevata stima della posizione. Il lavoro presentato in questa tesi riguarda lo sviluppo di un azionamento sensorless completo. Durante questo lavoro sono state applicate metodologie di controllo avanzate, congiuntamente allo sviluppo di nuove attrezzature elettroniche per migliorare l’efficienza del controllo di motori sincroni a magneti permanenti. In particolare, l’efficienza energetica e l’applicabilità ad applicazioni meccatroniche sono elementi chiave per lo studio compiuto in questo lavoro. Lo sviluppo di azionamenti sensorless va affiancato all’utilizzo di tecniche di controllo che minimizzino le perdite elettriche, le quali si basano sulla conoscenza precisa della posizione. La precisione degli algoritmi sensorless dipende pesantemente dall'accuratezza delle misure delle quantità elettriche così come dalla precisione della conoscenza dei parametri del motore. Tre capitoli verranno dedicati a questi aspetti. La misura delle correnti è universalmente implementata negli azionamenti elettrici e non è generalmente causa di problemi. Ciò non può essere detto per quel che riguarda la misura delle tensioni. Solitamente, si utilizzano i riferimenti di tensione in uscita dal controllo di corrente. Questi riferimenti vengono adeguatamente compensati per tener conto delle non idealità dell’inverter. In questa tesi, una nuova tecnica per l’identificazione delle non idealità dell’inverter viene proposta per ovviare al problema. Tuttavia, un nuovo sistema fisico di misura delle tensioni è stato sviluppato per applicazioni che richiedono elevate prestazioni per gli azionamenti sensorless. Lo stesso sistema si è rivelato molto utile anche nello sviluppo di più raffinate tecniche di stima parametrica. La misura delle tensioni consente di avere segnali di tensione più accurati. Utilizzando inoltre le informazioni addizionali che si possono ottenere quando il motore è controllato con particolari tecniche di controllo come quella che massimizza il rapporto coppia su corrente (MTPA), è possibile ricavare nuove tecniche di stima dei parametri del motore. Le tecniche di controllo MTPA basate sull’iniezione di segnali non richiedono la conoscenza dei parametri del motore, ma la condizione di lavoro è descritta da una ben precisa formulazione matematica che è funzione dei parametri stessi. Tali informazioni, dunque, possono essere intelligentemente utilizzate per ricavare una stima dei parametri. Infine, la progettazione di azionamenti sensorless dipende anche dalla tipologia di motore a magneti permanenti utilizzato. L’osservatore della posizione elettromeccanica risulta instabile in alcune condizioni operative. Tali condizioni verranno analizzate e descritte mediante uno studio analitico completo del problema che consentirà di delineare le linee guida per un progetto di un azionamento sensorless robusto, basato anche sui parametri stimati con le tecniche sviluppate in questa tesi. Verrà inoltre evidenziato come il sistema di misura delle tensioni sviluppato porti effettivi benefici in termini di prestazioni dell’algoritmo sensorless.