Control of Permanent Magnet Synchronous Motors for drones

Abstract

Forskningen på ‘fixed wing’ vertikale start- og landingsdroner (VTOL) vokser raskt, med økende fokus på smidige kontrollsystemer og kostnadsreduserende tiltak. Denne oppgaven har som mål å bidra til denne forskningen ved å presentere ulike sensorløse kontrollmetoder som gir muligheten til å låse propellene til en ‘fixed wing’ drone for å forhindre at de blir skadet under start og landinger og for å oppnå bedre aerodynamiske egenskaper under flyging for å redusere energiforbruket.

Med sikte på å utvikle et sensorløst kontrollsystem for å låse drone propellene i en fast posisjon, ble det laget et simuleringsmiljø ved bruk av MATLABs Simulink hvor en permanent magnet synkronmotor designet av Alva Industries kunne simuleres. Ved å bruke et styringssystem som først ble utviklet i fordypningsprosjektet, ble ulike estimeringsmetoder implementert i simuleringsmiljøet for å få det sensorløse kontrollsystemet til å oppfylle kravene definert i oppgaven. De implementerte estimeringsmetodene var basert på ikke-lineære observatører, høyfrekvente strøminjeksjoner, stator monterte Hall-sensorer og Kalman-filtre som ble brukt som feedback til kontrollsystemet i et forsøk på å erstatte behovet for enkodere og på den måten bidra til reduksjon av systemkostnader.

Etter simulering og optimalisering av kontrollsystemet ved bruk av ulike estimeringsmetoder, ble det funnet at kun to av dem ga tilfredsstillende resultater. Dette var de som var basert på de ikke-lineære observatørene og det utvidede Kalman-filteret kombinert med Hall-sensorer. Ved å bruke de ikke-lineære observatørene som feedback, som yter dårlig ved lave hastigheter, ble propellen magnetisk låst i posisjon ved å påføre en fast spenning til statorviklingene. Denne metoden har sine begrensninger da den er basert på åpen sløyfekontroll og kan derfor ikke garantere at propellen er låst i ønsket posisjon. På den andre siden, er metoden som involverer det utvidede Kalman-filteret kombinert med Hall-sensorer basert på lukket sløyfekontroll og kan i større grad sikre at propellen låses i ønsket posisjon. I tillegg ble en typisk metode for å estimere rotorposisjonen ved lave hastigheter ved bruk av høyfrekvente strøminjeksjoner funnet uegnet for motoren designet av Alva på grunn av små motorinduktanser.

Avslutningsvis ble det funnet to ulike metoder som kan låse propellen i fast posisjon uten bruk av enkoder. Likevel kan bare én av dem garantere at propellen er låst og forblir låst i riktig posisjon. For videre forskning foreslås det å verifisere de simulerte resultatene praktisk, og gjennomføre en energianalyse av de ulike kontrollmetodene.

The research on fixed-wing vertical take-off and landing drones (VTOL) is growing rapidly, with an increasing focus on agile control systems and cost-reducing measures. This thesis aims to contribute to this research by presenting various sensorless control schemes that makes it possible to lock the propellers of a fixed-wing drone in order to prevent them from being damaged during takeoff and landings and to achieve better aerodynamic properties during flight to reduce energy expenditure.

With the aim of developing a sensorless control system to lock the drone propellers into a fixed position, a simulation environment was created using MATLAB's Simulink where a permanent magnet synchronous motor designed by Alva Industries could be simulated. By using a control system that was first developed in the specialization project, various estimation methods were implemented in the simulation environment to make the sensorless control system meet the requirements defined in the thesis. The implemented estimation methods were based on nonlinear observers, high frequency current injections, stator mounted Hall sensors and Kalman filters which was used as feedback to the control system in an effort to replace the need of encoders and in that way contribute to reduction of system costs.

After simulating and optimizing the control system using different estimation methods, it was found that only two of them gave satisfactory results. These were the ones based on the nonlinear observers and the Extended Kalman filter coupled with Hall sensors. By using the nonlinear observers as feedback, which performs poorly at low speeds, the propeller was magnetically locked into position by applying a fixed voltage to the stator windings. This method has its limitations as it is based on open loop control and therefore cannot guarantee that the propeller is locked into the desired position. On the other hand, the method involving the Extended Kalman filter coupled with Hall sensors is based on closed loop control and can to a greater extent ensure that the propeller is locked into the desired position. In addition, a commonly used method for estimating the rotor position at low speeds using high frequency current injections was found unsuitable for the motor designed by Alva due to small motor inductances.

In conclusion, two different methods were found that can lock the propeller into a fixed position without the use of an encoder. Nevertheless, only one of them can guarantee that the propeller is locked and remains locked in the correct position. For further research, it is proposed to verify the simulated results practically and conduct an energy analysis of the different control methods.