Advanced algorithms for flux-weakening and sensorless control of interior PM and reluctance synchronous motor drives

Everyone is noting that Permanent Magnet Synchronous Machines (PMSMs) are more and more invading home, commercial and industrial applications thanks to their superior performance and efficiency, high torque and power density. Due to these features, this kind of machines is widely employed in several fields of technology. In the transportation branch, electric traction based on PMSM is becoming a strong competitor with conventional propulsion systems based on either combustion engines or induction machines. Clear examples are pure and hybrid electric vehicles, trains etc... Due to the always more pressing energy label constraints, PMSM are conquering the market of large home appliances, e.g. washing machines and dryers, refrigerators and air conditioner. Finally, robotics and high precision systems, machine tool and industrial applications are always more employing PMSM for high performance and efficiency devices. In recent years there has been a growing interest in Synchronous Reluctance Machines (SyRMs) since they feature superior reliability and are cost effective due to the absence of permanent magnets in the rotor. Due to these relevant characteristics, the possibility of replacing PMSM with SyRMs in existing applications is very attractive for people working in all the aforementioned fields. The motivations of this thesis are driven by industrial needs. In particular, the topics of this research have been developed according to specific requirements provided by E.E.I. S.p.a. (Equipaggiamenti Elettronici Industriali - Vicenza, Italy), the industrial partner that has been supporting the scholarship of my PhD. Two main research themes have been determined regarding the control of synchronous machines, in particular IPMSMs and SyRMs. First, the possibility to develop a control algorithm able to exploit the wide speed range operation capability of the machine. This is a crucial aspect in the design of an electric drive that allows avoiding the oversizing of both the power converter and the motor, which in turn brings to space and money savings. The second topic consists in the analysis of open research topics regarding the sensorless control of PMSM. Position estimation algorithms allow avoiding the use of position sensors leading to advantages in term of cost and reliability of the drive. For these reasons sensorless applications are very attractive from an industrial point of view. However, the performances of conventional algorithms for the position estimation at zero or low speed degrade in case of heavy saturation condition and they could be prone to instability.

Le macchine sincrone a magneti permanenti (PMSM) sono sempre più utilizzate in applicazioni domestiche, commerciali e industriali per via della loro superiore efficienza, coppia elevata e alta densità di potenza. Grazie a queste caratteristiche, questo tipo di macchine viene ampiamente utilizzato in diversi campi. Nel settore dei trasporti, la trazione elettrica basata su PMSM sta diventando un forte concorrente dei sistemi di propulsione convenzionali basati su motori a combustione o macchine a induzione. Chiari esempi sono i veicoli elettrici puri e ibridi, i treni, ecc. A causa dei vincoli sempre più stringenti delle classi energetiche, le macchine PMSM stanno conquistando il mercato dei grandi elettrodomestici, ad es. lavatrici e asciugatrici, frigoriferi e condizionatori. Infine, la robotica e i sistemi di alta precisione, le macchine utensili e le applicazioni industriali impiegano sempre più macchine a magneti permanenti per dispositivi ad alte prestazioni ed efficienza. Negli ultimi anni c'è stato un crescente interesse per le macchine a riluttanza sincrona (SyRMs) poiché presentano una superiore affidabilità e sono economicamente vantaggiose a causa dell'assenza di magneti permanenti nel rotore. Per questo la possibilità di sostituire i motori a magneti permanenti presenti nelle esistenti applicazioni con macchine sincrone a riluttanza è di grande interesse per chi lavora nei campi precedentemente citati. Esigenze industriali hanno determinato le attività descritta in questa tesi. In particolare, gli argomenti di ricerca sono stati scelti e sviluppati in base alle specifiche esigenze di E.E.I. S.p.a. (Equipaggiamenti Elettronici Industriali - Vicenza, Italia), il partner industriale che ha finanziato la mia borsa di studio. Due principali temi di ricerca riguardanti il controllo delle macchine sincrone, in particolare IPMSM e SyRM, sono stati individuati. Innanzitutto, la possibilità di sviluppare un algoritmo di controllo in grado di sfruttare la capacità di questi motori di lavorare in un ampio intervallo di velocità. Questo è un aspetto cruciale nella progettazione di un azionamento elettrico poichè consente di evitare il sovradimensionamento del convertitore di potenza e del motore, che a sua volta porta a risparmi di spazio e denaro. Il secondo argomento riguarda l'analisi del controllo sensorless dei motori sincroni. Gli algoritmi di stima della posizione consentono di evitare l'uso di sensori che portando vantaggi in termini di costi e affidabilità dell'azionamento. Per queste ragioni le applicazioni sensorless sono molto interessanti da un punto di vista industriale. Tuttavia, le prestazioni degli algoritmi convenzionali per la stima della posizione a velocità bassa o nulla peggiorano in caso di condizioni di forte saturazione e potrebbero portare perfino all’instabilità dell’algoritmo.