Algorithms and Rotor Designs for the Position Estimation of PM Synchronous motors at Zero and Nonzero Speed

This thesis deals with the estimation algorithms, reassuming in detail the principles commons techniques and testing them in simulation and by experimentation. The following estimator typologies are discussed: MRAS estimator in the high speed region, estimator based on the high frequency injection signals in the low and zero speed region. As regards the MRAS estimator, after its description, a particular application that exploits this estimation solution is presented. Then, a sensorless control of a Permanent Magnet synchronous motor drive for a hybrid electric catamaran is reported. A Surface mounted Permanent Magnet motor has been chosen and a distinctive sensorless control of this machine is deeply described. Control performance is validated by simulation and experimental results. Start–up mode, reversal of speed and synchronization lost occurrence will be specifically treated. Moreover the estimator sensitivity is studied. The dependence on the stator inductance and the independence of the resistance of the estimation error is demonstrated and verified by means of experimental tests. After that, a high frequency injected voltage for estimating the electrical angular position of the rotor is used for the sensorless control of salient–pole Permanent Magnet (PM) synchronous motor drives. A high frequency speed–dependent ellipse rotating voltage vector is injected to the motor. It generates a high frequency current vector in the estimated synchronous reference frame, that contains information on actual rotor position. This type of estimation technique exploits the anisotropy of the rotor and gives an estimation that is not affected by rotor speed. A recent aspect of the topic intensively investigated is the behaviour of different rotor geometries when subjected to high frequency rotor position estimations and, consequently, the design of sensorless oriented configurations. The reasons of these studies arise from the iron saturation which occurs in the rotor and that modifies and can even cancel rotor saliency and introduces a cross coupling (cross-aturation) between d– and q–axis. This paper experiments the behaviour of two of the principal sensorless oriented rotor configurations (IPM and Inset) and compare the experimental results with those predicted by the finite element simulations carried out during the motor design, in order to validate prediction tools and find out new design hints. In addition, the estimation error dependence on the mutual inductance is demonstrated. Estimation error quantities calculated by means of FEM simulations and measured with experimental tests are compared for both the machines. Main contribution of this thesis consists in introducing a new configuration of SPM motor, in which a turn has been wound around each pole in order to modify the direct axes flux linkage dynamics while preserving the quadrature axis one, thus creating a rotor dynamic anisotropy (ringed–pole rotor). Consequently, the motor can be used in a position sensorless control which exploits the anisotropic rotor features by high frequency injected signals. The model of the machine is described in the paper, and the main equations describing the motor dynamics are reported. Simulations, design hints and experimental results are reported so as to validate the proposed new rotor structure. With this solution, the novel machine can be used in a position sensorless control drive which exploits the anisotropic rotor features by high frequency injected signals. A Ringed-pole motor has been tested with two different estimator: a two states observer and a three states observer. Expected drive performance is validated by simulation and experimental results. Finally the thesis investigates successfully the possibility of extract rotor position information of Interior Permanent Magnet Motors from PWM current harmonic contents. To this aim, a general description of PWM voltage harmonics is at first given. Current harmonics are then derived assuming an anisotropic rotor. It is proved that rotor position information can be derived if single edge PWM is adopted. A speed and position estimation scheme is illustrated and the new rotor position estimation technique is then validated by simulations.

I convenzionali azionamenti elettrici per il controllo dei motori a Magneti Permanenti (PM) richiedo la conoscenza della posizione rotorica per poter applicare le trasformazioni dal sistema di riferimento stazionario a quello rotorico e viceversa. La posizione viene di norma determinata con un trasduttore di posizione che può essere un resolver, sonde ad effetto Hall o encoder. La presenza di questo trasduttore aumenta i costi, la grandezza e la complessità circuitale degli azionamenti e dei motori. Inoltre la loro manutenzione o sostituzione diventa difficoltosa in particolari applicazione, per es. pompe sommerse, macchine per l’eolico, ecc. L’eliminazione di questi trasduttori, quindi, risulta essere un gran vantaggio in termini di costi, affidabilità e riduzione della grandezza fisica del motore o anche dello stesso azionamento. E’ chiaro che questa eliminazione comporta che l’azionamento includa una tecnica alternativa in grado di stimare la posizione e la velocità rotoriche: questi azionamenti vengono definiti azionamenti sensorless. Negli ultimi anni la ricerca ha proposto diverse soluzioni di tipo sensorless che permettono la stima della posizione, diversificando per`o le tecniche per la regione di funzionamento in alta velocità da quelle in bassa velocità o a rotore fermo. Al giorno d’oggi, stimatori basati sulla ricostruzione del vettore di flusso o della fem (stimatori MRAS) vengono utilizzati per il primo caso, mentre nel secondo caso vengono utilizzati stimatori basati sulla iniezione di tensione ad alta frequenza. Mentre nel primo caso la tipologia di stimatore può essere applicata sia ai motori di tipo isotropi che con quelli anisotropi, la seconda tipologia di stimatore può essere applicata solo a motori anisotropi, visto che sfrutta la salienza magnetica per estrarre la posizione elettrica. Questa tesi verte appunto su queste due tipologie di stimatori, riassumendo in dettaglio i principali algoritmi utilizzati oggigiorno e implementandoli sia a livello simulativo che a livello sperimentale. Per una trattazione completa di questo argomento, vengono anche studiate le tre più comuni configurazioni rotoriche (a PM Interni, a PM a montaggio Superficiale ed Inset (incassati)) con una particolare attenzione verso quello che è il comportamento anisotropo o isotropo della macchina stessa e la possibilità di applicare uno o l’altro degli algoritmi sensorless descritti. Entrando in maggior dettaglio, per quanto riguarda lo stimatore MRAS, dopo una sua descrizione, viene presentato in una particolare applicazione che si riferisce ad un catamarano ibrido. Vengono quindi affrontate e discusse le problematiche legate alla strategia di partenza del motore tramite rampa di velocità, dell’aggancio sulla posizione stimata, dell’inversione di marcia. Inoltre viene studiata la sensitività dello stimatore che si dimostra dipendere dall’induttanza di statore e non dalla resistenza. Invece per quanto riguarda lo stimatore basato sull’iniezione di segnali ad alta frequenza è stato per prima cosa descritto sia nel caso con iniezione nel sistema di riferimento statorico sia in quello rotorico. Lo studio è stato effettuato con una formulazione di tipo generale, adattata poi per il tipo di iniezione di segnale effettuata. La trattazione tiene conto anche della induttanza differenziale mutua e questo ha permesso di ricavare un legame tra l’errore di stima la induttanza mutua stessa. Vengono presentati inoltre tre diversi schemi per l’estrazione della posizione elettrica: mediante regolatore PI, osservatore a due stati ed osservatore a tre stati. Dopo di che, lo stimatore con iniezione nel sistema di riferimento rotorico è stato testato sia in simulazione che su banco prova. La bontà dell’algoritmo di stima è stata provata su motori con due diverse configurazioni rotoriche: a PM Interni e di tipo Inset. L’induttanze diretta, in quadratura e mutua sono state studiate in dettaglio con il supporto di simulazioni agli elementi finiti (FEM). Grazie a questo studio è possibile prevedere l’errore di stima che verrà poi confrontato con quello ottenuto dalle prove sperimentali. Come detto in precedenza lo stimatore ad iniezione di segnale può essere utilizzato solo con quei motori che presentano una salienza magnetica. Da questa categoria quindi sono esclusi i motori SPM che, salvo alcune eccezioni come l’Inset, sono isotropi. Si è quindi pensato a come indurre in questi motori un comportamento anisotropo solo alle alte frequenze, cioè alle frequenze del segnale iniettato per la stima. In questa tesi viene presentata questa nuova configurazione rotorica definita "Ringed-pole". Questa consiste nella realizzazione di una gabbia di rotore inserendo degli anelli di rame cortocircuitato attorno a ciascun magnete permanente. La soluzione permette di andare a modificare alle alte frequenze il comportamento magnetico dell'asse diretto, mantenendo invariato quello di quadratura. In questo modo si viene a creare un comportamento anisotropo appunto alle alte frequenze, mantenendo però il comportamento isotropo della macchina per le basse frequenze. Questa caratteristica permette quindi di sfruttare lo stimatore basato sull'iniezione di tensioni alle alte frequenze, per la stima di posizione anche nel caso di motori SPM isotropi. Sono state eseguite simulazioni FEM e prove sperimentali per validare l’idea di base e provare l'effettiva possibilità della stima di posizione. Un secondo contributo riguarda la presentazione di un nuovo stimatore basato sulle armoniche di corrente causate dalla modulazione PWM. L'idea di base consiste nel pensare che la modulazione PWM effettui una intrinseca iniezione di tensione ad alta frequenza, più precisamente alla frequenza di switching. Queste tensioni inducono delle armoniche di corrente alla stessa frequenza che contiene l'informazione sulla posizione elettrica. L'informazione può essere estratta mediante uno schema di stima simile a quello che viene utilizzato nella normale iniezione di tensione. E' stata quindi effettuata una trattazione matematica per ricavare le espressioni delle componenti di tensione e di correnti alla frequenza di switching. Sono state eseguite delle simulazioni preliminari per confermare la correttezza dell’idea di base.