Sensorless control of PMSM with sinusoidal filter

Abstract

Bruken av Permanente Magnet Synkronmaskiner (PMSM) har økte de siste årene på grunn av deres egenskaper som høy virkningsgrad, høyt forhold mellom kraft og vekt, dreiemoment og vekt, pålitelighet, holdbarhet, gode hastighets-dreiemoment egenskaper, og presis kontroll. PMSM-produsenter pålegger bruken av sinus LC-filtre når disse maskinene brukes i drivapplikasjoner. Et LC-filter tilbyr flere fordeler, inkludert forbedret effektfaktor, redusert elektromagnetisk forstyrrelser, utvidet motorlevetid, redusert kabelstress, og redusert støy. Imidlertid bringer integreringen av et LC-filter egne utfordringer, som økte tap, effekter på systemdynamikken, mulige resonansproblemer, og behovet for ekstra beskyttelse.

Denne oppgaven har som mål å designe et kontrollsystem for en PMSM koblet til et sinusfilter for marine applikasjoner. I utgangspunktet var målet å implementere sensor løs kontroll for rotorens posisjonssensor. Imidlertid, på grunn av tidsbegrensninger, ble fokus skiftet til en mer detaljert undersøkelse av LC-filteret. I denne avhandlingen ble det utført en omfattende litteraturstudie om LC-filterdesign, etterfulgt av forslaget om to forskjellige designmetoder. Disse designene ble deretter sammenlignet med et industri-standard filterdesign. Kontrollsystemdesignen hadde en tredobbelt kaskadestruktur, med Maksimalt Dreiemoment Per Ampere (MTPA) som kontrollstrategi, og ytterligere aktiv demping ble introdusert for forbedret demping og harmonisk reduksjon. I tillegg ble det foreslått en innstillingsmetode for kontrollsystemet, som deretter ble brukt på alle tre filterdesignene.

Simuleringer ble utført for å undersøke effekten av forskjellige filterdesign, samplingfrekvenser, og aktive dempe forsterkninger på den dynamiske responsen. Det ble observert at systemets dynamiske respons varierer betydelig basert på filterdesign, samplingfrekvens, og aktiv dempe forsterkning. Det er spesielt verdt å merke seg at systemet kunne overgå fra stabilt til å vise betydelige svingninger og ustabilitet når hastigheten økte, avhengig av filterdesign og samplingfrekvenser.

Hovedkonklusjonen er at det foreslåtte kontrollsystemdesignet og innstillingsmetoden gir tilstrekkelig dreiemomentkontroll. Videre demper økning av den aktive dempe forsterkningen svingninger forårsaket av resonans indusert av filteret eller, potensielt, kontrolleren. Økning av den aktive dempe forsterkningen muliggjorde at alle filterdesignene kunne operere ved en lavere samplingfrekvens uten betydelige svingninger eller å bli ustabile. Reduksjon av samplingfrekvensen resulterte i en økt overshoot og en lengre konvergeringstid. Videre ble en teori utviklet som antyder at et filter kan designes som enten induktor- eller kondensatordominant. Et induktordominant design resulterer i mindre overshoot, færre svingninger, og tregere konvergens, mens et kondensatordominant design fører til høyere overshoot, flere svingninger, og raskere konvergens.

The emergence of Permanent Magnet Synchronous Machines (PMSM) has been notable in recent years due to their high efficiency, excellent power-to-weight, torque-to-weight ratios, reliability, durability, superior speed-torque characteristics, and precise control. PMSM manufacturers stipulate the use of sine LC filters when these machines are utilized in drive applications. An LC filter offers several benefits, including improved power quality, reduced electromagnetic interference, extended motor life, decreased cable stress, and reduced noise. However, integrating an LC filter brings its own challenges, such as increased losses, effects on system dynamics, potential resonance issues, and the need for additional protection.

This thesis aims to design a control system for a PMSM connected to a sine filter for marine applications. Initially, the goal was to implement sensorless control for the rotor position sensor. However, due to time constraints, the focus shifted to a more detailed investigation of the LC filter. In this thesis, a comprehensive literature study on LC filter design was conducted, followed by the proposal of two distinct design approaches. These designs were then compared with an industry-standard filter design. The control system design featured a triple cascade structure, with Maximum Torque Per Ampere (MTPA) as the control strategy, further active damping was introduced for enhanced damping and harmonic reduction. Additionally, a tuning technique was proposed for the control system, which was subsequently applied to all three filter designs.

Simulations were conducted to examine the impact of different filter designs, sampling frequencies, and active damping gains on the dynamic response. It was observed that the system's dynamic response varies significantly based on the filter design, sampling frequency, and active damping gain. Notably, the system could transition from stable to exhibiting significant oscillations and instability when the speed increased, depending on the filter design and sampling frequencies.

The primary conclusion is that the suggested control system design and tuning method results in sufficient torque control. Further, increasing the active damping gain mitigates oscillations caused by the resonance induced by the filter or, potentially, the controller. Increasing the active damping gain enabled all filter designs to operate at a lower sampling frequency without significant oscillations or becoming unstable. Lowering the sampling frequency resulted in an increased overshoot and a longer settling time. Furthermore, a theory was developed suggesting that a filter could be designed as either inductor or capacitor dominant. An inductor-dominant design results in less overshoot, fewer oscillations, and slower convergence, while a capacitor-dominant design leads to higher overshoot, more oscillations, and faster convergence.