Fault tolerant vector control of five-phase permanent magnet motors (2014)

Equipped with appropriate control strategies, permanent magnet (PM) machines are becoming one of the most flexible types of actuators for many industrial applications. Among different types of PM machines, five-phase BLDC machines are very interesting in fault tolerant applications of PM drives. Torque improvement in five-phase BLDC machines can be accomplished by optimizing their mechanical structure or by enhancing their controlling methods. New current controllers are proposed in this thesis to improve the quality of generated torque under normal operations of five-phase BLDC machines. Proposed current controllers are based on combination of predictive deadbeat controlling strategy and Extended Kalman Filter estimation. These controllers will be the basis for accurate faulty operation of the motor. Operation of five-phase BLDC machines under faulty conditions has also been considered in this study. To improve the generated torque under faulty conditions, both amplitude and phase angle of fundamental and third current harmonics are globally optimized for the remaining healthy phases. Under faulty conditions, appropriate reference currents of a five-phase BLDC machine have oscillating dynamics both in phase and rotating reference frames. As a result, the implemented current controllers under these conditions should be robust and fast. Predictive deadbeat controllers are also proposed for faulty conditions of five-phase BLDC machines. Fault tolerant five-phase BLDC machines are very interesting in automotive applications such as electrical vehicles and more electric aircraft. In addition, these devices are gaining more importance in other fields such as power generation in wind turbines. In all of these applications, the efficiency of PM machine is of most importance. The efficiency of a typical five-phase BLDC machine is evaluated in this thesis for normal and different faulty conditions. Experimental evaluations are always conducted to verify the theoretical developments. These developments include proposed controlling methods, optimized reference currents, and simulated efficiency of five-phase BLDC machine under different operational conditions. Equipados con las estrategias de control adecuadas, los motores de imanes permanentes (PM motors) son de los tipos más flexibles de actuadores en muchas aplicaciones industriales. Entre diferentes tipos de estas máquinas, las maquinas BLDC con cinco fases son muy interesantes para aplicaciones tolerantes a fallos. En estas máquinas, la mejora del par puede llevarse a cabo mediante la optimización del diseño de la máquina o mediante la mejora de métodos de control. En esta tesis, se proponen nuevos controladores de corriente para mejorar la calidad del par generado en las condiciones normales de un BLDC pentafásico. Controladores propuestos se basan en una combinación de controladores predictivos (Model Predictie Control), y estimadores avanzados como 'Extended Kalman Filter'. Estos controladores serán una base para funcionamiento del motor bajo condiciones defectuosas. En este estudio, también se ha considerado el funcionamiento de máquinas BLDC pentafásicas en condiciones defectuosas. Para mejorar el par generado bajo condiciones defectuosas, la amplitud y ángulo del primer y tercer harmónicos de corrientes se han optimizado para las fases sanas. En condiciones defectuosas, las consignas de corriente apropiadas tienen dinámicas oscilantes y periódicas. Como resultado, en estas condiciones, los controladores implementados deben ser robustos y rápidos. En este estudio, también se proponen controladores predictivos para las condiciones defectuosas de la maquina BLDC de cinco fases. Las máquinas BLDC pentafásicas son muy interesantes para aplicaciones de automoción como vehículos eléctricos y aviones más eléctricos. En todas estas aplicaciones, la eficiencia de la máquina es muy importante. En esta tesis, la eficiencia de una máquina BLDC pentafásica se evalúa para condiciones normales, y también para condiciones defectuosas. Para verificar las teorías desarrolladas, siempre evaluaciones experimentales se llevan a cabo. Estas teorías incluyen métodos propuestos para controlar las corrientes, y la eficiencia simulada de la maquina bajo diferentes condiciones de operación