Automotive Drive for a Formula Student Racecar

Abstract

Den knappe mengden tilgjengelige drivsystemer for Formula Student-racerbiler gir mulighet til å øke bilens ytelse med innføring av spesialbyggede, egenutviklede systemer. For 2019-sesongen ønsket Revolve NTNU å implementere sitt eget drivsystem, og dermed erstatte en hylleløsning med fire omformere, motorstyrere og motorer. Basert på karakteristikkene til de nye motorene presenterer denne oppgaven et foreslått design av en omformer og motorkontroller, samt prosessen med testing og validering av disse systemene. En innledende vurdering ble utført for å produsere systemkravene basert på tidligere konkurransedata, med analytiske tilnærminger av virkningene av å skifte til en indre permanentmagnet-synkronmotor med et mye bredere feltsvekkingsområde enn den tidligere brukte motoren. De utviklede kravene spesifiserer en lastprofil for omformeren, og kontrollkrav for kontrolleren relatert til oppnåelig hastighet gitt motorens begrensninger.

Det endelige omformerdesignet bruker parallelkoblede SiC MOSFETer for å håndtere de ohmske tapene på den enkelte komponent, noe som resulterte i en vellykket gjennomføring av lastprofilen, fra den innledende vurderingen, med en temperaturøkning på kun 12 grader under den mest krevende transiente belastningen ved en svitsjefrekvens på 12 kHz.

Simulering av kontrollsystemet i Simulink som en vurdering av kontrolldesignet viste tilfredsstillende resultater. Den valgte tilnærmingen har en strømreferanse-kalkulator som benytter maksimal dreiemoment per ampere (MTPA)-strategi med tanke på ohmske tap, og en maksimal dreiemoment per fluks (MTPF)-strategi som analytisk estimerer virkningen av spenningsgrensen og løser for statorfluks-vinkelen ved Newtons metode. Simuleringsresultater viser en moment-kurve som omfatter de teoretiske databladverdiene, med et feltsvekkingsområde tilsvarende 33.75 % av motorens maksimale hastighet.

Denne tilnærmingen ble implementert på en eksisterende maskinvareplattform i C, og ble testet både på testbenk og på det tiltenkte kjøretøyet sammen med omformeren. Selv om testbenkfasilitetene begrenset forsyningsspenningen under belastning, ble egenskapene til feltsvekkingsalgoritmen ansett som tilfredsstillende når man tok hensyn til spenningsavhengigheten relativt den maksimale oppnåelige hastigheten. Videre viste kjøretøyimplementeringen tilfredsstillende oppførsel når systemet byttet mellom strategier, fra MTPA til MTPF, både under akselerasjon og regenererende bremsing.

The scarce amount of available drive systems for Formula Student racecars creates an opportunity to increase vehicle performance with the introduction of purpose-built, in-house systems. For the 2019 season, Revolve NTNU wanted to implement its very own drive system, thus replacing an off-the-shelf solution featuring four inverters, motor controllers and motors. Based on the characteristics of the new motors, this thesis presents the proposed solution of an inverter and motor controller design, as well as the process of testing and validating these systems. An initial assessment was undertaken to produce the system requirements based on previous competition data, with analytical approximations of the effects of changing to an interior permanent magnet synchronous motor with a much wider field weakening range than the previous motor. The requirements developed specifies current handling capabilities for the inverter, and control requirements for the controller relating to the obtainable speed under current constraints.

The final inverter design features SiC MOSFETs in parallel to handle the on-state ohmic losses of the individual component, resulting in a successful current handling test, from the initial assessment, with a temperature rise of only 12 degrees under the harshest transient load at a switching frequency of 12 kHz.

Simulating the control system in a Simulink environment as an assessment of the viability of the controller designs showed satisfactory results. The chosen approach features a current reference calculator employing maximum torque per ampere (MTPA) strategy considering ohmic losses, and a maximum torque per flux (MTPF) strategy analytically estimating the effects of the voltage contraint and solving for stator flux angle by the Newton-Raphson method. Simulation results show a torque-speed curve encompassing the theoretical datasheet values, with a field weakening range of 33.75 % of the motor maximum speed.

This approach was implemented on an existing hardware platform in C, and was tested both on test bench and on the intended vehicle with the inverter. Even though test bench facilities limited the DC-link output voltage under load, the capabilities of the field weakening algorithm were deemed satisfactory when relating the voltage dependency to the maximum attainable speed, thus isolating the capabilities of the algorithm. Furthermore, the vehicle implementation showed satisfactory behaviour when moving between strategies, from MTPA to MTPF, both during acceleration and regenerative braking.