Modeling of Saturation and Cross-coupling in a 6-phase IPMSM

Abstract

Nøyaktig modellering av forholdet mellom stator strømmer og flux i en Permanent Magnet Synkronmotor er avgjørende for å oppnå best mulig motorstyring. Presise motormodeller og -parametre er spesielt verdifullt i konteksten av sensorløs styring, hvor flere algoritmer baserer seg på modell-likninger for å estimere rotorposisjonen. Her må ulineariteten forråsaket av magnetiske metning- of krysskoplingsfenomener være inkludert. Denne oppgaven har mål om å analysere og modellere magnetisk metning og krysskopling i en 6-fase IPMSM. Et annet mål er å utvikle ulineære modeller av flux som funksjon av stator strømmer, gjennom å studere en artikkel som har resultater fra sammenliknbare tester.

Tester med konstant hastighet av en 6-fase IPMSM blir gjort, hvor strømreferansene på d- og q-aksen settes manuelt, og på den måten blir flux kartlagt for en rekke statorstrømmer. Resultatene viser lite magnetisk metning, men det er noe krysskopling på d-aksen, selv om det er vanskelig å observere en trend i krysskoplingen. Det er også litt krysskopling på q-aksen, men minimalt. Resultatene fra lab blir også kurvetilpasset til flere ulineære polynomer. Deretter blir dataene fra en eldre artikkel ananlysert med tanke på magnetisk metning og krysskopling, og de blir brukt til å utvikle nye ulineære flux-modeller som fanger tendensene i de differensielle induktansene i dataene i artikkelen. Dataene fra lab blir så kruvetilpasset de nye modellene, som gir gode resultater og viser at det kan være en god fremgangsmåte for videre arbeid å basere modellene på differensielle induktanser. Jevnt over klarer modellene å modellere flux bedre på q-aksen enn på d-aksen. Det kan være at variasjoner i permanent mangetenes flux, på grunn av magnetisk metning og krysskopling, har påvirket resultatene på d-aksen. Flux variasjoner fra permanent magnetene er et relevant spørsmål som med fordel kan modellers i videre arbeid. En begrensning i studien var at spekteret at statorstrømmer i lab var relativt lite, på grunn av begrensninger i spenning fra inverterne.

Accurate modeling of the relation between stator currents and flux linkages in Permanent Manget Synchronous Motors is essential to achieve the best possible control systems. Precise motor models and parameters are especially valuable in the context of sensorless control, where certain algorithms rely on model equations to estimate rotor position. Here, the nonlinearity caused by saturation and cross-coupling phenomena must be included. This project aims to analyze and model the saturation and cross-coupling in a 6-phase IPMSM. Another objective is to further develop nonlinear models of the flux linkages as function of stator currents, by studying a paper with results from comparable tests.

Constant-speed tests of a 6-phase IPMSM are done, applying d- and q-axis current references manually, and this way mapping flux linkages to a range of stator currents in the dq-reference frame. There is not much saturation in the results, but there is some cross-coupling on the d-axis flux, though it is difficult to discern any trends here. There is also some cross-coupling on the q-axis, but very small. The lab results are also curve fitted to several nonlinear polynomial models deduced in previous thesises. A study is then done of the data of a previously conducted paper, analyzing saturation phenomena and developing new more detailed nonlinear flux linkage models that capture the differential inductances. These are fitted to the conducted lab data, which results in a good fit, and it is found that basing the models on curve fits to differential inductances could be a promising approach for future work. Generally, the functions model the flux linkage on the q-axis more precisely than the d-axis. It is discussed that there possibly has been variations on the PM flux on the d-axis, because of saturation and cross-coupling effect, affecting the results. It is recommended that the PM flux variation should be modeled in further work. A limitation to the study is the narrow range of applied currents in the conducted lab tests, due to limitations on the inverter output voltages.