Sensorless Control of Six-Phase Permanent Magnet Synchronous Machines
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3082414Utgivelsesdato
2023Metadata
Vis full innførselSamlinger
- Institutt for elkraftteknikk [2503]
Beskrivelse
Full text not available
Sammendrag
Denne avhandlingen foreslår en grundig studie av kryskoblingseffekten mellom d- og -q-aksene for seksfasede IPMSM-er (interiør permanente magnet-synkronmaskiner), og bruker denne studien til å utvikle en sanntids-FPGA-basert emulator som tar hensyn til systemets ikke-linearitet. Hovedmålet med dette arbeidet er å forbedre ytelsen til eksisterende senso-rløse drivsystemer for Dual Three-phase (DTP) interiør permanente magnet-synkronm-askiner. Denne studien og implementasjonen vil definitivt bidra til å forbedre effektiviteten til systemet, øke effektnivået opptil 10 MW og systemets redundans. I tillegg vil en fullsten-dig og robust sanntids-emulator på laboratoriet i stor grad hjelpe i undervisningsprosessen og i fremtidige forskningsprosjekter, da kostnadene og tidsforbruket ved å utføre eksperim-enter med fysiske systemer vil reduseres hvis de erstattes med sanntids-emulatoren.
Metodene for kontroll av strøm som tilstandsstørrelse og fluks som tilstandsstørrelse vil bli brukt for å undersøke effekten av d- og -q-aksens strømmer på flukskoblingene i q- og -d-aksen. Videre vil en polynommodell bli utviklet og kurvetilpasset for å etablere variabelsa-mmenhengen mellom strømmene og flukskoblingene til d- og -q-aksen. Denne modellen vil hjelpe til med å beregne strømmene som en funksjon av flukskoblingene og omvendt. Neste steg etter forbedringen av modellen i Simulink er å endre modellen for sanntids-emulatoren, og dette vil oppnås ved å endre IP-Core-emulatoren i Simulink og eksportere den til IP-kat-alogen i VIVADO. Den nye IP-Core-blokken blir lagt til FPGA-designet med formål å synt-etisere, implementere og generere en bitstrømsfil. Det siste steget er å programmere den ikke-lineære modellen i Xilinx SDK og laste opp de nye filene til sanntids-emulatoren i pico-zed-brettet.
Resultatene viser at systemresponsen i ideelle og ikke-lineære modeller i Simulink, samt de lineære og ikke-lineære emulatorene, har omtrent samme atferd fra et kontrollperspektiv. Imidlertid blir det observert i ikke-lineære modeller at flukskoblingen i q-aksen påvirkes betydelig av d-aksens strøm når verdien øker fra .38 pu til .62 pu, og dette viser hvor mye q-aksen er mettet på grunn av kryskoblingseffekten. I tillegg er svingninger og oversky-tende verdier større i ikke-lineære modeller sammenlignet med lineære modeller, spesielt i tilfelle fluks som tilstandsstørrelse, noe som understre
Nøkkelord__Seksfasemaskiner, IPMSM-er, FPGA, Kryskoblingseffekt, Sensorløs kontroll, Sanntids-emulatorer, VIVADO- og SDK-programmering. This thesis proposes a complete study of cross-coupling effect between d- and -q axis for six-phase IPMSMs, and harnesses this study to develop a real-time FPGA-based emulator considering the nonlinearity of the system. The main aim of this work is to improve the perf-ormance of existed sensorless Dual Three-phase (DTP) interior Permanent Magnet Synchr-onous Machine (IPMSMs) Drives. This study and implementation will definitely help in impro-ving the efficiency of the system to increase the power rating up to 10 MW and the system redundancy. Additionally, having complete and robust real-time emulator in the lab will drastically help in the educational process and in future researches as the cost and cons-umed-time in doing experiments using physical systems will reduce if it is replaced with the real-time emulator.
The current as state variable and flux as state variable methods will be used in investigating the effect of d- and -q axis currents on the flux linkages in q- and -d axis. Furthermore, a polynomial model will be developed and curve fitted to establish variables relationship between the currents and flux linkages of d-and -q axis. This model will help in calculating the currents as a function of flux linkages and vice versa. The next step after improving the model in Simulink is to modify the real-time emulator model, and this will be achieved by modifying the IP-Core emulator in Simulink and export it to IP-catalog in VIVADO. The new IP-Core block is added to the FPGA design for the purpose of synthesizing, implementation and bitstream file generation. The last step is programming the nonlinear model in Xilinx SDK and upload the real time emulator’s new files in pico-zed board.
The results show that, the system responses in ideal and nonlinear models in Simulink, and the linear and nonlinear emulators have approximately the same behavior in the control point of view. But it is noted in nonlinear models that the flux linkage in q-axis is greatly affected by d-axis current as its value increased from .38 pu to .62 pu, and this show how much the q-axis have been saturated due to the cross-coupling effect. Also, the oscillation and overshoots in nonlinear model is greater than what in the linear model specially in flux as state variable case, which highlight that these oscillation and overshoots should be tuned very well. One more important notice is the electrical torque, which its value slightly reduced in nonlinear model from .93 to .88 pu. Finally, the emulator results justify its efficiency and robustness against Simulink environment results, where the control behavior is rugged, and the oscillations and overshoots are minimum. Besides, the saving time in executing is greater in emulator, where in Simulink to run the model for one second it consumes around two to three minutes, while in the other side in emulator the results are updated second by second in real time.
Index Terms__Six-phase, IPMSMs, FPGA, Cross-coupling effect, sensorless control, Real-time emulators, VIVAD and SDK programming.