FPGA based motor controller with sensorless control, used for electrical fuel pumps with high rotational frequency
Description
Full text not available
Abstract
Det overordnede målet for denne masteroppgaven har vært utviklingen av en motorstyring for en høy hastighets permanent magnet motor. Motoren vil bli brukt i drivstoffpumpen til små kommersielle bæreraketter. Systemet under utvikling er designet for bruk med motorer og pumper designet av det Trondheim-baserte selskapet Orbital Machines. Det er for tiden ingen kommersielt tilgjengelige kontrollere som oppfyller de unike spesifikasjonene for vekt og rotasjonshastigheter som stilles for denne applikasjonen.
Denne oppgaven brukes til å undersøke utviklingen av en sensorløs kontroller basert på feltorientert kontroll, med en maksimal svitsjefrekvens på minst 100 kHz. Det fokuseres også på å gi et pålitelig testrammeverk for robust utvikling. Designet er skrevet i VHDL, ved hjelp av selvsjekkende testbenker og "kontinuerlig integrasjon" for å oppfylle disse kriteriene og sikre pålitelig drift gjennom hele utviklingssyklusen. Systemet er optimalisert for implementasjon på en Zynq-7000 SoC, og er begrenset til tilgjengelige primitiver som digital signalprosessorer og analog-til-digital omformere. Simuleringer og implementeringshensyn for den sensorløse tilnærmingen presenteres i rapporten, sammen med en kvadraturdekoder for fremtidig validering. Bruk av sensorløs kontroll er nødvendig for å unngå rotasjonssensorer i høyhastighetsapplikasjoner. Det anslås at det komplette systemet kan kjøre med svitsjefrekvenser på opp til 230 kHz, noe som gir en frekvensmodulasjonsindeks (m_f) på 98.6. Den sensorløse kontrollen oppnås ved bruk av to parallelle "Sliding Mode Observers (SMOs)" for estimering av Back Electro-Motive Force (BEMF). Estimatet er gitt i en statorfast referanse.
Resultatene fra denne studien viser at en FPGA-basert motorstyring er i stand til å oppfylle kravene i applikasjonen mens den etterlater nok klaring til å manipulere svitsjefrekvensen for å optimalisere systemeffektiviteten. Størrelsen på designet er lite nok til å kontrollere flere par pumper i en enkelt kontroller, noe som gir lavere vekt for elektroniske komponenter. Modulariteten til designet vil gjøre det mulig for Orbital Machines å bruke det samme basedesignen for alternative pumpesystemer i fremtiden. Det presenterte arbeidet forventes å bidra til deres unike konkuransefordel og, på et høyere nivå, den nåværende revolusjonen i demokratisering av verdensrommet. The overall objective of this master's thesis has been the development of a motor controller for a high speed Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM). The motor will be used in the fuel pump of small commercial launch vehicles. The system under development is designed for use with the motors and pumps designed by the Trondheim-based company Orbital Machines. There are currently no commercially available controllers that meet the unique specifications for weight and rotational speeds presented by this application.
This thesis is used to investigate the development of a sensorless Field Oriented Control (FOC) based controller with a maximum switching frequency of at least 100 kHz. A focus is also kept on providing a reliable test framework for robust development. The design is written in VHSIC Hardware Description Language (VHDL), using self-checking testbenches and Continous Integration (CI) to meet these criteria and ensure reliable operation throughout the development cycle. The system is optimized for implementation on a Zynq-7000 System on Chip (SoC), and is limited to the available primitives such as Digital Signal Processors (DSPs) and Analog to Digital Converters (ADCs). Simulations and implementation considerations for the sensorless approach are presented in the report, together with a quadrature decoder for future validation. The use of sensorless control is required to avoid rotational sensors in high-speed applications. The complete system is estimated to run at switching frequencies of up to 230 kHz, giving a frequency modulation index (m_f) of 98.6. The sensorless control is achieved through the use of two parallel Sliding Mode Observers (SMOs) estimating the Back Electro-Motive Force (BEMF). The estimate is given in a stator-fixed reference frame.
The results from this study show that an FPGA-based motor controller is capable of meeting the requirements of the application while leaving enough overhead for manipulating the switching frequency to optimize the system efficiency. The design footprint is small enough to control several pairs of pumps in a single controller, allowing for lower weight for electronic components. The modularity of the design will enable Orbital Machines to use the same base design for alternative pump systems in the future. The work presented is expected to contribute to their unique selling point and, at a higher level, the current revolution in the democratization of space.