Enhanced flux-weakening control algorithm for permanent magnet synchronous machines
Authors:   , Miguel Espinar Carlos 
Published: February 2024

(English) EspinarThis thesis presents the overall state of the art of electric vehicles in terms of the technology of the main concepts in an electric powertrain: batteries, traction inverters, electric machines, and control strategies. The torque-speed characteristic of an electric machine for electric vehicles is presented, and the penetration in the electric vehicle market of the Permanent Magnet Synchronous Machines is justified. This work also outlines the mathematical model for Permanent Magnet Synchronous Machines in the stator and rotor reference frames. Depending on the speed range, the characteristic performance of a Permanent Magnet Synchronous Machine will be described and categorised in the Low-Back Electromotive Force and Flux-Weakening zones, justifying the necessity of Flux-Weakening strategies for electric vehicles. The distinct trajectories of Permanent Magnet Synchronous Machines regarding the mechanical speed are studied, differentiating from Surface Permanent Magnet Synchronous Machines and Interior Permanent Magnet Synchronous Machines with different saliency ratios. A per-unit system based on the characteristic parameters of a Permanent Magnet Synchronous Machines is presented to simplify the mathematical model. Furthermore, a complete state of the art of Flux-Weakening strategies, focusing on the deep Flux-Weakening region is analysed. This thesis presents an enhanced control algorithm to enlarge the torque-speed characteristic of Permanent Magnet Synchronous Machines, focused on the deep Flux-Weakening region. The different control loops are analysed, focusing on the Flux-Weakening control loop, through a sensitivity analysis of the system. Besides, an analytical solution of the PID controllers is provided regarding the transient specifications and the characteristic parameters of the Permanent Magnet Synchronous Machine. Simulations and experimental results verify the effectiveness of the proposed method in a low-voltage electric powertrain. In other terms, this study presents a method to determine the electrical speed and position of the electric machine from misplaced discrete Hall-effect switch sensors. This method to determine the electrical speed and position is integrated with the Flux-Weakening strategy. Simulations and experimental results verify the effectiveness of the proposed methodology compared with other state-of-the-art algorithms.
(Català) EspinarAquesta tesi presenta l'estat general de l'art dels vehicles elèctrics pel que fa a la tecnologia dels principals conceptes d'un motor elèctric: bateries, inversors de tracció, màquines elèctriques i estratègies de control. Es presenta la característica parell-velocitat d'una màquina elèctrica per a vehicles elèctrics i es justifica la penetració al mercat de vehicles elèctrics de les màquines síncrones d'imants permanents. Aquest treball també descriu el model matemàtic de les màquines síncrones d'imants permanents en els marcs de referència de l'estator i el rotor. Depenent del rang de velocitat, es descriurà i categoritzarà el rendiment característic d'una màquina síncrona d'imants permanents en les zones de baixa força electromotriu i de debilitament del flux, justificant la necessitat d'estratègies de debilitament del flux per als vehicles elèctrics. S'estudien les diferents trajectòries de les màquines síncrones d'imants permanents pel que fa a la velocitat mecànica, diferenciant-se de les màquines síncrones d'imants permanents de superfície i les màquines sincròniques d'imants permanents interiors amb diferents ràtios de rellevància. Es presenta un sistema per unitat basat en els paràmetres característics de les màquines síncrones d'imants permanents per simplificar el model matemàtic. A més, s'analitza un estat de l'art complet de les estratègies de de debilitament de camp, centrant-se en la regió de debilitament de camp profunda. Aquesta tesi presenta un algorisme de control millorat per augmentar la característica de parell-velocitat de les màquines síncrones d'imants permanents, centrat en la regió profunda de debilitament del flux. S'analitzen els diferents llaços de control, centrant-se en el llaç de control de debilitament de camp, mitjançant una anàlisi de sensibilitat del sistema. A més, es proporciona una solució analítica dels controladors PID pel que fa a les especificacions transitòries i els paràmetres característics de la màquina síncrona d'imants permanents. Les simulacions i els resultats experimentals verifiquen l'eficàcia del mètode proposat en un motor elèctric de baixa tensió. En altres termes, aquest estudi presenta un mètode per determinar la velocitat elèctrica i la posició de la màquina elèctrica a partir de sensors de posició d'efecte Hall descol·locats. Aquest mètode per determinar la velocitat i la posició elèctrica s'integra amb l'estratègia de debilitament de camp. Les simulacions i els resultats experimentals comproven l'eficàcia de la metodologia suggerida en comparació amb altres algorismes d'última generació.