Sensorless Control of a PM motor Drive for Drones based on STMicroelectronics STM32 microprocessor series
Master thesis
Date
2022Metadata
Show full item recordCollections
- Institutt for elkraftteknikk [2474]
Abstract
Alva Industries ønsker å utvikle som egen kontrollplattform for deres tannløse permanent magnet synkronmaskin for droner. STMIcroelectronics STM32 mikroprosessor serie er utforsket og dokumentert med hjelp av Nucleo STM32G431RB kontroll brett and X-Nucleo IHM08M1 kraftelektronikk brett som et første steg for å oppnå dette. STM32 utviklings miljøet inneholder nyttige verktøy gjennom sitt Motor Control Software Development Kit (MCSDK) med Motor Control Workbench for å rask implementering av motor kontroll og Motor Pilot som kan styre motoren og logge data. STMCubeMX genererer initialiseringskode for system klokken, timere med mer. Programmene tilbyr også høy fleksibilitet. Disse verktøyene genererer kildekode til STM32 IDE. Kildekoden kan endres direkte i STM32 IDE. STM32 serien tilbyr fleksibilitet og nyttige verktøy som gjør det enklere å utvikle og tilpasse en kontrollplattform til sitt behov.
Strøm målings kretsen på kraftelektronikkbrettet er ikke optimal. Knekkfrekvensen er 333 kHz og forsterkningen stabiliserer seg på -17 dB for høye frekvenser. Dette fører til unødvendig støy i strømmålingene. Inngangsfilterets kondensatorer C_3, C_5 og C_7, er foreslått endret til 3.5 nF tilpasset en fremtidig PWM-frekvens på 60 kHz. Dette fører til en knekkfrekvens på 70 kHz og forsterkningen ved høye frekvenser går mot null.
For farts og strøm regulatorene er henholdsvis symmetrical optimum og modulus optimum metodene implementert. Resultatet er en demningsfaktor på 1/sqrt(64) og fører til at strømmen stiger fra 10-90% av referansen på $0.47ms. Mangelen på et filter i estimeringen av rotasjonshastigheten førte til pulsasjoner på rotasjonshastighet estimatet som utgangen av hastighetsregulatoren prøver å kompensere. For å unngå denne kompensasjonen øktes beta verdien til 10 og proporsjonal forsterkningen ble senket med en faktor på 10. Det førte til en overdempet fartsregulator. Ette er ikke optimalt og et filter for estimeringen av rotasjonshastigheten bør implementeres.
I/f oppstarts metode er implementert. Når rotor retter seg etter det magnetiske feltet førte det til svingninger rundt den magnetiske aksen satt opp av stator. Dette gjorde oppstarten upålitelig. Oppstarten var vellykket og pålitelig etter en ytre friksjonskraft ble påført rotor i denne fasen. Alva Industries wants to develop a control platform for their slotless permanent magnet synchronous machine (sl-PMSM) for drones. STMicroelectronics STM32 microprocessor series is explored and documented with the help of Nucleo STM32G431RB control board and X-Nucleo IHM08M1 power board as a first step to achieving this. The STM32 environment provides useful tools through its Motor Control Software Development Kit (MCSDK) with the Motor Control Workbench for fast set up of the motor control and Motor Pilot as an interface for steering and logging. The STMCubeMX generates initializationcode for the system clock, timers, pins, etc. At the same time, it offers high flexibility for low-level configuration. These tools generate source code for the STM32 IDE, which can be customized. The STM32-series is a flexible system and provides the tools which simplify further development and customization on this platform.
The current sensing circuit of the powerboard is found not to be optimal. The cut-off frequency is 333 kHz, and the gain stabilizes at -17 dB for higher frequencies. This leads to unnecessary noise in the current measurement. The input filter capacitators C_3, C_5 and C_7 are suggested to have a capacitance of 3.5 nF for a future switching frequency. This choice will set the cut-off frequency to 70 kHz, and the high-frequency gain tends to zero.
Implementing modulus optimum for the current regulator and symmetrical optimum for the speed regulator is done successfully. The results suggest a dampening factor of zeta= 1/sqrt(64), which results in a rise time of 0.47 ms. The lack of a filter in the speed estimation caused large speed estimation ripples resulting in a current reference output of the speed regulator reacting to the ripple. To avoid the reaction, the symmetrical optimum beta-value was increased to 10, and the calculated proportional gain was reduced by a factor of 10. This led to an over-damped speed regulator, which is not optimal. A filter for the speed estimation should be implemented.
I/f startup routine was implemented. The alignment stage of the startup routine resulted in oscillations around the magnetic axes causing the startup to be unreliable. The startup was successful and reliable by adding an external friction force in this stage.