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Performance improvements on rotor position sensored and sensorless FOC of PMSM intented for EV propulsion applications

Lara Cardoso, Jorge (2017). Performance improvements on rotor position sensored and sensorless FOC of PMSM intented for EV propulsion applications. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The research work reported in this thesis addresses the improvement of both rotor position sensored and sensorless Field Oriented Control (FOC) of Permanent Magnet Synchronous Machines (PMSM) intended for Electric Vehicle (EV) propulsion applications. Three main contributions have been done on this subject. The details of each of them are given below.

The first contribution is the development of a novel algorithm based on polynomial approximations (PA) for an efficient position error compensation of magnetic analog encoders (MAE) used in PMSMs for EV traction. The proposed PA algorithm requires a negligible memory space compared to a very high-resolution look-up table (LUT). The use of polynomials allows compensating every possible input rotor position without carrying out an interpolation or a rounding to the nearest quantized value. Advantageously, the polynomial coefficients are deduced from a calibration procedure that does not require an accurate and high-resolution position sensor for comparison and error-calculation purposes. The PA algorithm has been implemented to work in real time on a TM4 EV drive controlling an 80 kW PMSM. The performance of the algorithm has been validated at 6000 and 9000 r/min under +85 and ±55 Nm of torque, respectively. The electromagnetic interference (EMI) effects have been minimized using a type-2 phase-locked loop (PLL). The proposed PA algorithm assisted with the PLL is capable of reducing the total position error to a range as small as ±0.2 mechanical degrees. This error has been measured under steady state conditions. However, the transients from the PMSM operation do not deteriorate the achieved compensation given that the only parameters input to the PA algorithm are the voltage samples of the sine and cosine signals from the uncompensated encoder and they are independent of the operating point of the machine. The combination of the PA algorithm and the type-2 PLL is a promising solution for compensating the position error from low-cost MAEs, thus allowing to achieve high-performance field-oriented control of PMSMs in EV applications. The characteristics of this high-performance PMSM-drive are the development of 1) Average torque with a small plausibility range for reducing the torque variation 2) Maximum torque with optimal stator currents to avoid wasting the energy from the battery and thereby extending the vehicle autonomy and 3) Small torque ripple generation for maximizing the torque-speed curve. By reducing the torque oscillations, the voltage ripple produced in the DC bus becomes smaller and the defluxing current variations are reduced, thus the DC bus voltage percentage utilization is increased and the based speed as well as the maximum operating speed are also extended. The higher the accuracy of the rotor position sensor, the lower the voltage, current and torque ripples and hence the closer to the full capacity and optimal operation of the machine-drive.

The second contribution is the modeling and the analysis of the effects from the rotor position error in the performance of FOC-PMSMs for EV applications. A special focus is given to the torque ripple generated along the characteristic trajectories in the different operating regions of the PMSM. An extended and generalized model of the torque ripple produced by the PMSM as a function of the rotor position error has been analytically deduced. An infinite-speed interior-(I) PMSM drive and a finite-speed surface-mounted (SM)-PMSM drive are considered for the simulations carried out in MATLABSimPowerSystems. The experimental results have been validated with a TM4 EV drive controlling an 80 kW SM-PMSM. The torque ripple has been evaluated for both motoring and regenerative braking operation modes under maximum torque conditions varying from 100 Nm at 1000 r/min up to 55 Nm at 9000 r/min. The obtained simulation and experimental results demonstrate the good accuracy of the proposed model for evaluating the torque ripple produced in PMSMs due to the error from the rotor position sensor. The simulation and experimental results obtained from the time- and frequency- domain analysis show that the influence of the rotor position error in the torque ripple generation is much significant than other causes such as the current sensor inaccuracy, the finite word-length (FWL) effect, the finite PWM resolution, the PWM switching, the inverter dead-time, the asymmetric stator phase resistance, the cogging effect, and the nonsinusoidal air-gap flux density. The compensation of the error from the rotary position sensor mounted on the 80 kW SMPMSM from TM4 allowed reducing the equivalent torque ripple percentage to an interval between 1% and 3% for the entire operating speed range of the machine working under the maximum symmetrical motoring and generating torque. Thanks to the torque ripple modeling and the rotor position error compensation algorithm based on PA, the maximum limit condition of 5% demanded in high-performance EV PMSM-drives has been successfully evaluated and fulfilled.

The third contribution is the investigation of the performance of two novel Half Switching Frequency Voltage Injection (HSFVI) demodulation algorithms for encoderless FOC of PMSMs intended for EV propulsion. The proposed rotating and pulsating HSFVI demodulation algorithms do not require voltage measurements or approximations for estimating the rotor position angle. The proposed HSFVI algorithms based on Pulse Width Modulation (PWM) have been quantitatively and qualitatively compared by MATLAB-SimPowerSystems simulations as well as experimentally against the two equivalent classical High Frequency Signal Injection (HFSI) approaches based on Space Vector Modulation (SVM). A 2.5 kW PMSM with radially inset rotor magnets has been used for experimentally evaluating and validating the performance analysis and the comparison of the four algorithms fully implemented to work in real-time on a TI C2000 Digital Signal Processor (DSP). The results obtained with an 80 kW Interior (I)-PMSM intended for EV propulsion also show that the proposed algorithms allow a better machine control performance in terms of a smaller torque ripple generation and a faster current control loop. The use of the proposed pulsating and rotating HSFPWM sensorless techniques for estimating the rotor position in the low speed range and the standstill condition can thereby positively contribute to the fault-tolerant and reliability enhancement in Light and Heavy-Duty Electric Vehicle (LHDEV) PMSMtraction drives.

The proposed compensation algorithm based on polynomial approximations, the devised calibration procedure, the extended and generalized model developed for evaluating the torque ripple produced by the machine as a function of the rotor position error as well as the performance investigation carried out for the two novel HSFVI demodulation algorithms proposed for the encoderless FOC of the machine constitute an important step-forward in the domain of PMSM-drives. The development of the theory and equations that support the proposed algorithms as well as the simulation and experimental results obtained at ÉTS and TM4 with the 400 W, 2.5 kW and 80 kW PMSMs are a valuable archive for future works on this subject.

Titre traduit

Amélioration de la performance de la CFO avec et sans capteur de position du rotor dans les MSAP destinée aux applications de propulsion de VÉ

Résumé traduit

Les travaux de recherche divulgués dans cette thèse portent sur l'amélioration de la commande à flux orienté (CFO) avec et sans capteur de position du rotor dans les Machines Synchrones à Aimants Permanents (MSAP) destinées aux applications de propulsion de Véhicules Électriques (VÉ). Trois contributions principales ont été faites à ce sujet. Les détails de ces contributions sont les suivantes.

La première contribution est le développement d'un nouvel algorithme basé sur des approximations polynomiales (AP) pour une compensation efficace de l’erreur de position dans des encodeurs analogiques magnétiques (EAM) utilisés dans les MSAP pour la traction des VÉ. L'algorithme AP proposé a besoin d’un espace négligeable de mémoire par rapport à une Table de Consultation (TC) à très haute résolution. L'utilisation de polynômes permet de compenser toutes les positions d'entrée possibles du rotor sans effectuer une interpolation ou un arrondissement à la valeur quantifiée la plus proche. De plus le fait de déduire les coefficients polynomiaux à partir d'une procédure de calibration est un avantage, car cela évite d'utiliser un capteur de position précis et à haute résolution pour des fins de comparaison et de calcul de l’erreur. L'algorithme AP a été implanté pour fonctionner en temps réel dans un système d'asservissement de TM4 de VÉ en asservissant un MSAP de 80 kW. La performance de l'algorithme a été validée à 6000 et 9000 tr/min sous un couple de +85 et ±55 Nm, respectivement. Les effets d'interférence électromagnétique (IEM) ont été minimisés en utilisant une boucle à verrouillage de phase (BVP) de type 2. L'algorithme AP proposé assisté par la BVP est capable de réduire l'erreur totale de position à une plage aussi petite que ±0.2 degrés mécaniques. Cette erreur a été mesurée en régime permanent. Cependant, les transitoires de l'opération de la MSAP ne détériorent pas la compensation obtenue étant donné que les seuls paramètres entrés dans l'algorithme AP sont les échantillons de tension des signaux sinus et cosinus provenant de l’encodeur non compensé et ils sont indépendants du point de fonctionnement de la machine. La combinaison de l’algorithme AP et le BVP de type 2 est une solution prometteuse pour compenser l'erreur de position des EAM à faible coût, donc permettant d’accomplir une commande à flux orienté de haute-performance dans les MSAP pour des applications de VÉ. Les caractéristiques de haute-performance de ce système d'asservissement pour la MSAP sont la production de : 1) Un couple moyen avec une petite plage de plausibilité pour réduire la variation de couple 2) Un couple maximal avec des courants statoriques optimaux afin d'éviter de gaspiller l'énergie de la batterie et ainsi étendre l'autonomie du véhicule et 3) Une petite génération des ondulations de couple pour maximiser la courbe couple-vitesse. En réduisant les oscillations de couple, les ondulations de tension produites dans le bus de CC deviennent plus petites et les variations du courant de défluxage sont réduites, de sorte que le pourcentage d'utilisation de la tension du bus de CC augmente et la vitesse de base ainsi que la vitesse de fonctionnement maximale sont également étendues. Plus la précision du capteur de position du rotor est élevée, plus les ondulations de tension, de courant et de couple sont faibles et donc plus proche à la capacité totale et fonctionnement optimal de la machine et du système d'asservissement.

La deuxième contribution est la modélisation et l'analyse des effets de l'erreur de position du rotor dans la performance de la commande à flux orienté des MSAP pour des applications de VÉ. Un accent particulier est mis sur les ondulations de couple qui sont générées tout au long des trajectoires caractéristiques dans les différentes régions d’opération de la MSAP. Un modèle étendu et généralisé pour les ondulations de couple produites par la MSAP en fonction de l'erreur de position du rotor a été déduit analytiquement. Un système d'asservissement pour une MSAP – montés à l'intérieur (MI) à vitesse infinie et un système d'asservissement pour une MSAP – montés en surface (MS) à vitesse finie ont été considérés pour les simulations réalisées dans MATLAB-SimPowerSystems. Les résultats expérimentaux ont été validés avec un système d'asservissement de TM4 pour VÉ en asservissant un MSAP de 80 kW. Les ondulations de couple ont été évaluées pour les modes de fonctionnement de moteur et de freinage régénérative sous des conditions de couple maximal variant de 100 Nm à 1000 tr/min jusqu’au 55 Nm à 9000 tr/min. Les résultats de simulation et expérimentaux obtenus démontrent la bonne précision du modèle proposé pour l'évaluation des ondulations de couple produites dans les MSAP à cause de l'erreur du capteur de position du rotor. Les résultats de simulation ainsi qu’expérimentaux obtenus à partir de l’analyse dans les domaines du temps et de la fréquence montrent que l'influence de l'erreur de position du rotor est beaucoup plus significative dans la génération des ondulations de couple que d'autres causes telles que l'imprécision du capteur de courant, l’effet FWL, la résolution limitée de la MLI, la commutation MLI, le temps mort de l'onduleur, la résistance asymétrique des phases statoriques, l'effet d’encochage et la densité non sinusoïdal du flux d’entrefer. La compensation de l'erreur du capteur de position rotative monté sur la MSAPMS de 80 kW de TM4 a également permis de réduire le pourcentage équivalent des ondulations de couple à un intervalle compris entre 1% et 3% pour toute la plage opérationnelle de vitesse de la machine travaillant sous un couple maximal symétrique en tant que moteur ainsi que comme génératrice. Grâce à la modélisation des ondulations de couple et à l'algorithme de compensation de l'erreur de position du rotor basé sur les AP, la condition de limite maximale de 5% exigée pour les systèmes d'asservissement des MSAP de VÉ à haute performance a été évaluée et accomplie avec succès.

La troisième contribution est la mise en place de deux nouveaux algorithmes basés sur l’injection d’une signal de tension avec une fréquence de la moitié de celle de commutation (ITMFC) pour effectuer la commande à flux orienté (CFO) sans capteur de position du rotor dans les MSAP destinées à la propulsion de VÉ. Les algorithmes de démodulation ITMFC rotative et pulsative proposés n’ont pas besoin de mesures ou d'approximations de tension pour estimer l'angle de position du rotor. Les algorithmes proposés ITMFC basés sur la modulation de largeur d'impulsion (MLI) ont été comparés quantitativement et qualitativement par des simulations en MATLAB-SimPowerSystems ainsi qu'expérimentalement par rapport aux deux approches classiques d'injection de signal de haute fréquence (ISHF) basées sur la modulation vectorielle spatiale (MVS). Une MSAP de 2.5 kW avec les aimants insérés radialement dans le rotor a été utilisée pour évaluer et valider expérimentalement l'analyse de la performance ainsi que la comparaison des quatre algorithmes complètement implantés pour fonctionner en temps réel dans un processeur numérique de signaux (PNS) TI C2000. Les résultats obtenus avec une MSAPMI de 80 kW destinée à la propulsion de VÉ montrent également que les algorithmes proposés permettent une meilleure performance du contrôle de la machine en termes d’une génération plus faible des ondulations de couple et d'une boucle de régulation de courant plus rapide. L'utilisation des techniques ITMFC rotative et pulsative proposées pour estimer la position du rotor dans la plage de basse vitesse et à la condition d'arrêt peut ainsi contribuer positivement à l'amélioration de la tolérance-aux-pannes et de la fiabilité dans les systèmes d'asservissement des MSAP de traction pour des véhicules électriques légers et lourds (VELL).

L'algorithme de compensation proposé basé sur des approximations polynomiales, la procédure de calibration conçue, le modèle étendu et généralisé développé pour évaluer les ondulations de couple produites par la MSAP en fonction de l'erreur de position du rotor ainsi que l'étude réalisé sur la performance de deux nouveaux algorithmes de démodulation ITMFC proposés pour effectuer la CFO de la machine sans capteur de position du rotor constituent un important pas en avant dans le domaine des systèmes d'asservissement des MSAP. Le développement de la théorie et des équations qui soutiennent les algorithmes proposés ainsi que les résultats de simulation et expérimentaux obtenus à l'ÉTS et à TM4 avec les MSAP de 400 W, 2.5 kW et 80 kW constituent une archive précieuse pour les futurs travaux dans ce sujet.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 129-139.
Mots-clés libres: Orientation du flux (Génie électrique) Modèles mathématiques. Capteurs de déplacement. Machines synchrones. Moteurs à aimants permanents. Véhicules électriques. Systèmes de propulsion. algorithme, encodeur analogique magnétique, approximations polynomiales, compensation de l’erreur de position du rotor, ondulations de couple, commande à flux orienté, injection de signal de haute fréquence
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Chandra, Ambrish
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 26 avr. 2017 18:16
Dernière modification: 26 avr. 2017 18:16
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1879

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