Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie électrique et électronique, Institut de production et robotique IPR (Laboratoire d'actionneurs intégrés LAI)

Innovative standstill position detection combined with sensorless control of synchronous motors

Persson, Jan ; Perriard, Yves (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3221.

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    Summary
    Sensorless control of PMSM's (Permanent Magnet Synchronous Motors) has occupied scientists for a long time. The result of this research is becoming widely accepted by the industry due to its low cost and reliability. However, the majority of today's motor drives are still equipped with some kind of position sensor. The reason is that sensorless control still have several limitations and is usually more complex than a traditional motor control. A new method to estimate the standstill position of PMSM's is presented. The method is based on the anisotropic properties of permanent magnets and is therefore referred to as MAM (Magnetic Anisotropy Method). The proposed method is independent of any ferromagnetic material and can therefore be used in many types of ironless PMSM's where standard methods fail. The MAM method is tested on a linear ironless motor, and measurement results from a "stripped" rotative motor without any supporting ferromagnetic material are also presented. Furthermore, it is shown in this thesis how Extended Kalman filters can be used to estimate the rotor position, and especially how the robustness and dynamic response of the overall control algorithm can be improved by using identification experiments and optimization algorithms. Some basic modelling of PMSM's are also presented. The modelling process is focused on techniques which are suitable for observers such as Extended Kalman filters. To show the versatility of the method, experimental results from two different motor types are presented. The first is a linear ironless motor while the second is a Hybrid Stepper Motor (HSM). Amongst other things it will be shown how the HSM can be transformed into a highly dynamic brushless DC motor without the drawbacks that is usually associated with HSM's. The linear ironless motor is used to demonstrate that it is possible to achieve good and robust position control without using a direct position sensor. Many different simulation and experimental results are presented for both the HSM and the linear ironless motor. The experiments are deliberately chosen to show both steady-state and dynamic operation of the proposed algorithm. The robustness of the overall algorithm is also analysed, considering unknown external load torque and motor parameters.
    Résumé
    La commande sans capteur de PMSM (moteurs synchrones à aimants permanents) a occupé pendant longtemps des scientifiques. Les résultats de cette recherche sont largement acceptés par l'industrie, ceci est dû à son faible coût et une bonne fiabilité. Cependant, la majorité des commandes de moteur d'aujourd'hui sont encore équipées d'un capteur de position. La raison en est que la commande "sensorless" a toujours plusieurs limitations et est habituellement plus complexe qu'une commande traditionnelle. Une nouvelle méthode pour estimer la position à l'arrêt du PMSM est présentée. La méthode est basée sur les propriétés anisotropes des aimants permanents et désignée donc sous le nom de MAM (méthode d'anisotropie magnétique). La méthode proposée est indépendante de n'importe quel matériau ferromagnétique et peut donc être employée dans beaucoup de types de PMSM sans fer où les méthodes standards échouent. La méthode MAM est également examinée sur le moteur linéaire et des résultats de mesure d'un moteur rotatif sans matériel ferromagnétique de support sont également présentés. En outre, dans cette thèse, des observateurs tels que le filtre de Kalman étendu sont utilisés pour estimer la position du rotor, et plus précisément comment la robustesse de l'algorithme peut être améliorée en employant des expériences d'identification et des algorithmes d'optimisation. Quelques modèles de base de PMSM sont également présentés. Le processus de modélisation est concentré sur les techniques qui conviennent aux observateurs tels que le filtre de Kalman étendu. Pour montrer la polyvalence de la méthode, des résultats expérimentaux de deux types de moteurs différents sont présentés. Le premier est un moteur sans fer linéaire alors que le second est un moteur pas à pas hybride (HSM). Entre autre, les expériences montrent comment le HSM peut être transformé en moteur DC classique avec une grande capacité dynamique sans les inconvénients qui sont habituellement associés au HSM. Le moteur sans fer linéaire est utilisé pour démontrer qu'il est possible de réaliser une commande de position robuste sans utiliser un capteur de position directe. Beaucoup de simulations et de résultats expérimentaux différents sont présentés pour le HSM et le moteur linéaire. Les expériences sont délibérément choisies pour montrer les performances en vitesse constante et en dynamique de l'algorithme proposé. La robustesse de l'algorithme est également analysée, considérant un couple externe inconnu et des paramètres du moteur.