The Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM, also known as the servo motor) is a crucial component within robotic servo systems. To optimally respond to the torque demands sent from the high-level motion controller, the PMSM current controller must track the reference with speed and precision. Nevertheless, the operation of servo motors could be compromised due to the nonlinearity of flux linkage and inaccuracies in parameters induced by unpredictable fluctuations in temperature. This Master’s thesis proposes a novel Robust Nonlinear Deadbeat Predictive Current Control (RN-DPCC) scheme to counter these challenges effectively. The nonlinear mappings between flux linkage and current on the dq-axis are established using polynomial fitting based on experimental data. Furthermore, the Nonlinear Deadbeat Predictive Current Control (N-DPCC) is derived using nonlinear feedforward. Meanwhile, Delayed Integral Action (DIA) is introduced as a robustness-enhancing measure for N-DPCC, thus evolving it into the Robust N-DPCC (RN-DPCC). Compared to conventional Integral Action (IA), DIA effectively curtails overshoot triggered by integral error and accelerates the current transient without incorporating additional tunable parameters. Numerical simulations that leverage the mathematical modeling of the converter and nonlinear PMSM are implemented using fundamental blocks in Simulink, which replicates the actual experimental setup employed within the Motor Control Lab at ABB Corporate Research. The effectiveness of employing nonlinear feedforward compensation is confirmed through a comparative analysis of the simulation results from N-DPCC and conventional Deadbeat Predictive Current Control (DPCC). The enhancements in transient response brought about by DIA are demonstrated through a comparison of RNDPCC and N-DPCC with IA. The robustness of RN-DPCC is demonstrated by comparing it with N-DPCC under conditions where parameter inaccuracies are present. / Den permanenta magnet-synkronmotorn (PMSM, även känd som servomotorn) är en avgörande komponent inom robotiserade servosystem. För att optimalt kunna reagera på momentkraven som skickas från högnivårörelsekontrollern måste PMSM-strömregulatorn följa referensen med hastighet och precision. Trots detta kan driften av servomotorer påverkas av ickelinjäriteter i flödeslänkningen och felaktigheter i parametrar som orsakas av oförutsägbara temperaturfluktuationer. Denna magisteravhandling föreslår en ny robust icke-linjär deadbeat-prediktiv strömreglering (RN-DPCC) för att effektivt hantera dessa utmaningar. De icke-linjära avbildningarna mellan flödeslänkning och ström på dq-axeln etableras med hjälp av polynomisk anpassning baserat på experimentella data. Dessutom härleds den ickelinjära deadbeat-prediktiva strömregleringen (N-DPCC) med hjälp av Ickelinjär feedforward. Samtidigt introduceras fördröjd integralåtgärd (DIA) som en robusthetsförbättrande åtgärd för N-DPCC, vilket förvandlar den till Robust N-DPCC (RN-DPCC). Jämfört med konventionell integralåtgärd (IA) minskar DIA effektivt överhäng som utlöses av integralfel och accelererar strömövergången utan att införa ytterligare justerbara parametrar. Numeriska simuleringar som utnyttjar den matematiska modelleringen av omvandlaren och den icke-linjära PMSM implementeras med hjälp av grundläggande block i Simulink, vilket återskapar den faktiska experimentella uppställningen som används i Motor Control Lab vid ABB Corporate Research. Effektiviteten i att använda icke-linjär framåtmatningskompensation bekräftas genom en jämförande analys av simulationsresultaten från N-DPCC och konventionell deadbeat-prediktiv strömreglering (DPCC). Förbättringarna i transientrespons som DIA medför demonstreras genom en jämförelse av RN-DPCC och NDPCC med IA. Robustheten hos RN-DPCC demonstreras genom att jämföra den med N-DPCC under förhållanden där parameterfel förekommer.

This report summarizes the thesis study carried out at Scania CV AB. The study presents design optimization of an interior permanent magnetic (IPM) synchronous machine. A parameterised Matlab tool was developed in order to serve the optimization routine. In this routine, multiple IPM geometries are dynamically generated and analyzed using the finite element method (FEM) software Flux 2D. Using the Secant method, algorithms to estimate the optimum current and control angle throughout the speed range both below and above base speed, were developed and integrated with the Matlab tool to perform design optimization towards the drive cycle. The genetic algorithm available in the Matlab’s global optimization toolbox has been utilised for the multi-objective optimization setup. / Denna rapport sammanfattar examensarbetet som genomförts på Scania CV AB. Studien presenterar en designoptimering av en permanentmagnetiserad (IPM) synkronmaskin. Ett parametriserat Matlab-verktyg för optimeringar utvecklades for att dynamiskt generera geometrier för att utföra simuleringar med hjälp av FEM-programvara (Flux2D®). Med hjälp av Sekant-metoden utvecklades och integrerades algoritmer för att estimera den optimala strömmen och styrvinkeln i hela varvtalssområdet, både under basvarvtal och i fältförsvagningsområdet. Med hjälp av Matlab-verktyget kunde sedan designoptimering för en given k¨orcykel utföras. Den genetiska algoritmen som finns tillgänglig i Matlabs globala optimeringsverktygslåda har använts för det multi-objektiva optimeringsprogrammet.

Model predictive control is a popular research focus in electric motor control as it allows designers to specify optimization goals and exhibits fast transient response. Availability of faster and more affordable computers makes it possible to implement these algorithms in real-time. Real-time implementation is not without challenges however as these algorithms exhibit high computational complexity. Field-programmable gate arrays are a potential solution to the high computational requirements. However, they can be time-consuming to develop for. In this thesis, we present a methodology that reduces the size and development time of field-programmable gate array based fixed-point model predictive motor controllers using automated numerical analysis, optimization and code generation. The methods can be applied to other domains where model predictive control is used. Here, we demonstrate the benefits of our methodology by using it to build a motor controller at various sampling rates for an interior permanent magnet synchronous motor, tested in simulation at up to 125 kHz. Performance is then evaluated on a physical test bench with sampling rates up to 35 kHz, limited by the inverter. Our results show that the low latency achievable in our design allows for the exclusion of delay compensation common in other implementations and that automated reduction of numerical precision can allow the controller design to be compacted. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και τη μοντελοποίηση ενός αιολικού συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας βασισμένο σε σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη (PMSG). Ειδικότερα, παρουσιάζονται και αναλύονται όλα τα τμήματα που αποτελούν το αιολικό σύστημα καθώς και οι λογικές ελέγχου που ακολουθήθηκαν για την αποτελεσματική λειτουργία του. Επιπλέον, μελετάται και μοντελοποιείται μια διάταξη αποθήκευσης ενέργειας από την οποία πλαισιώνεται το αιολικό σύστημα κατά την αυτόνομη λειτουργία του. Τέλος, παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης της λειτουργίας του συστήματος, σε σύνδεση με το δίκτυο και κατά την αυτόνομη λειτουργία του. Για την ανάπτυξη του μοντέλου και την προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα Simulink/Matlab. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται αναφορά στο ενεργειακό πρόβλημα και μια γενική εισαγωγή στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Επιπλέον, δίνονται διάφορες πληροφορίες γύρω από την αιολική ενέργεια και αναλύονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της χρήσης ανεμογεννητριών. Επίσης, παρουσιάζεται η δομή μιας ανεμογεννήτριας και παραθέτονται διάφοροι τύποι ανεμογεννητριών, ενώ δίνονται και οι βασικές σχέσεις μετατροπής της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται ανάλυση κάθε τμήματος της ανεμογεννήτριας (πτερωτή, σύστημα μετάδοσης κίνησης, γεννήτρια) και παρατίθενται οι εξισώσεις που περιγράφουν τη λειτουργία τους. Επιπρόσθετα, παρουσιάζεται ο τρόπος μοντελοποίησης του κάθε τμήματος στο περιβάλλον του Simulink. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη μελέτη της σύγχρονης γεννήτριας μόνιμου μαγνήτη καθώς παρουσιάζεται με λεπτομέρεια η δομή της καθώς και οι αρχές που διέπουν τη λειτουργία της. Τέλος, δίνονται όλα τα χαρακτηριστικά μεγέθη της ανεμογεννήτρια που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία. Στο Κεφάλαιο 3 αρχικά, γίνεται μια γενική παρουσίαση των στοιχείων που αποτελούν τους μετατροπείς, ενώ στη συνέχεια παρουσιάζονται οι βασικές κατηγορίες μετατροπέων που υπάρχουν και αναφέρονται μερικοί βασικοί τύποι μετατροπέων που βρίσκουν εφαρμογή σε αιολικά συστήματα γενικότερα. Έπειτα, το κεφάλαιο επικεντρώνεται στους μετατροπείς που χρησιμοποιήθηκαν στο αιολικό σύστημα της παρούσας εργασίας καθώς εξηγείται ο τρόπος λειτουργίας τους και παρουσιάζεται ο τρόπος μοντελοποίησης τους στο Simulink. Έμφαση δόθηκε στον dc/dc μετατροπέα ανύψωσης τάσης που χρησιμοποιήθηκε, όπου γίνεται διαστασιολόγηση και παρουσιάζεται μια μικρή προσομοίωση της λειτουργίας του. Τέλος, παρουσιάζεται, επίσης, το φίλτρο που τοποθετείται στην έξοδο του αντιστροφέα. Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφονται αναλυτικά η τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM) και η τεχνική της ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών (SPWM), οι οποίες και εφαρμόστηκαν για την παλμοδότηση των μετατροπέων. Στη συνέχεια, περιγράφονται αναλυτικά οι μηχανισμοί ελέγχου που εφαρμόστηκαν με τη βοήθεια PI ελεγκτών, τόσο στην πλευρά της μηχανής (dc/dc μετατροπέας ανύψωσης τάσης) όσο και στον αντιστροφέα του αιολικού συστήματος. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του αιολικού συστήματος σε σύνδεση με το δίκτυο. Το σύστημα προσομοιώνεται για δύο περιπτώσεις, σε πρώτη φάση γίνεται προσομοίωση του συστήματος υπό σταθερή ταχύτητα ανέμου ίση με 12 m/s και σε δεύτερη φάση προσομοιώνεται η λειτουργία του συστήματος για βηματικές μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου. Στο Κεφάλαιο 6 μελετάται η αυτόνομη λειτουργία του αιολικού συστήματος το οποίο, πλέον, πλαισιώνεται με μια διάταξη αποθήκευσης ενέργειας. Αρχικά, παρουσιάζεται το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας που χρησιμοποιήθηκε. Συγκεκριμένα η συστοιχία μπαταριών της οποίας δίνονται τα χαρακτηριστικά μεγέθη, καθώς και το μοντέλο της στο Simulink. Επίσης, παρουσιάζεται και μοντελοποιείται ο dc/dc μετατροπέας δύο κατευθύνσεων ο οποίος συνδέει τη συστοιχία με το υπόλοιπο σύστημα. Στη συνέχεια, περιγράφεται αναλυτικά ο μηχανισμός ελέγχου που εφαρμόζεται στη διάταξη αποθήκευσης ενέργειας για τον έλεγχο της φόρτισης/εκφόρτισης. Στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του αυτόνομου αιολικού συστήματος για σταθερή ταχύτητα ανέμου-μεταβαλλόμενο φορτίο και για μεταβαλλόμενο άνεμο-σταθερό φορτίο. / In this thesis, a wind energy conversion system (WECS) based on a permanent magnet synchronous generator (PMSG) was studied and simulated. All parts of the WECS are presented and discussed in detail. Furthermore, control strategies for the generator-side converter and the voltage source inverter are developed. The WECS is simulated both in grid connected and stand-alone mode. In the stand-alone mode, the WECS is supplied with an energy storage system for which a bi-directional buck/boost converter and control strategy was designed. Finally, simulation results are presented and performance of the system in various modes of operation is evaluated. Simulink/Matlab is used for modeling and simulating the WECS. At the beginning of Chapter 1, a discussion of energy crisis and renewable energy sources is held. Furthermore, information about wind energy has been reviewed and its benefits and drawbacks are examined. In addition, the structure of a wind turbine and the principles of converting wind energy into electricity are presented. In Chapter 2 all parts of the wind turbine are studied and its characteristics are specified. Even more, the model of every part in Simulink is presented. Theoretical background, structure and operation principles of PMSG are presented in detail. In Chapter 3, firstly a general presentation of converters components takes place. Then the major existing categories of converter are presented and some basic types of converters, which are generally used in WECS, are mentioned. Moreover, the chapter focuses on the converters that are used in this thesis, explaining the way they operate. After all, their models in Simulink are shown. Emphasis was given to the dc/dc boost converter whose parameters are calculated and its operation is simulated. Finally, there is a presentation of the filter which was placed at the output of the inverter. In Chapter 4, Pulse-width Modulation (PWM) and Sinusoidal Pulse-width Modulation (SPWM) techniques that are used in this thesis are described. Moreover, the control strategy for the generator-side converter with maximum power extraction is presented. The control strategy of the voltage sourced inverter is shown as well. In Chapter 5 simulation results of the grid connected WECS are presented and evaluated. On the first part of the presentation, the WECS is simulated for constant wind speed (12m/s), and in the second part for step-changed wind speed. In Chapter 6 the stand-alone operation of the WECS is studied and supplied with an energy storage system. Initially, there is an analysis of the energy storage system, which was used, and in particular the battery bank, whose characteristics are given. Moreover, a Bi-directional dc/dc Buck-Boost converter which is used to interconnect the battery bank to the dc-link is presented and modeled. Afterwards, there is a detailed description of the control strategy used in order to control charging / discharging of the battery bank. At the end of this chapter, simulation results of two different stand-alone operation modes are presented, one with constant wind speed and variable load and the other one with step-changing wind speed and constant load.

When developing three-phase drives for Electric Vehicles (EVs), it is essential to verify the controller design. This will help in understanding how fast and accurately the torque of the motor can be controlled. In order to do this, it is always better to test the controller using the software version of the motor or vehicle drivetrain than using actual hardware as it could lead to component damage when replicating extreme physical behavior. In this thesis, plant modelling of Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM) and vehicle drivetrain in MATLAB/Simulink for Model Based Design (MBD) is presented. MBD is an effective method for controller design that, if adopted can lead to cost savings of 25%-30% and time savings of 35%-40% (according to a global study by Altran Technologies, the chair of software and systems engineering and the chair of Information Management of the University of Technology in Munich) [1]. The PMSM plant models take effects like magnetic saturation, cross- coupling, spatial harmonics and temperature into account. Two PMSM models in d-q frame based on flux and inductance principles were implemented. Flux, torque maps from Finite Element Analysis (FEA) and apparent inductance from datasheets were used as inputs to the flux- and inductance-based models, respectively. The FEA of PMSM was done using COMSOL Multiphysics. The PMSM model results were compared with corresponding FEA simulated results for verification. A comparison of these PMSM models with conventional low fidelity models has also been done to highlight the impact of inclusion of temperature and spatial harmonics. These motor models can be combined with an inverter plant model and a controller can be developed for the complete model. Low frequency oscillations of drivetrain in EVs lead to vibrations which can cause discomfort and torsional stresses. In order to control these oscillations, an active oscillation damping controller can be implemented. For implementation of this control, a three-mass mechanical plant model of drivetrain with an ABS (Anti-lock Braking System) wheel speed sensor has been developed in this thesis. Analysis of the model transfer function to obtain the pole zero maps was performed. This was used to observe and verify presence of low frequency oscillations in the drivetrain. In order to include the effects of ABS wheel speed sensor and CAN communication, a model was developed for the sensor. / Testning av regulatorernas inställningar med hänsyn till snabbhet och noggrannhet i momentreglering är avgörande i trefasiga drivsystem för elektriska fordon. Oftast är det bättre att simulera i stället för att utföra experimentella tester där komponenter kan skadas på grund av fysisk stress. Detta kallas för Model Based Design (MBD). MBD är an effektiv metod för utformningen av styrningen som kan leda till kostnadsbesparingar på 25%-30% och tidsbesparingar på 35%-40% enligt en studie från Altran Technologies i samarbete med Tekniska universitet i München, TUM. Detta examensarbete behandlar en modell för en synkronmaskin med permanentmagneter (PMSM) samt en modell för drivlinan utvecklad i Matlab/Simulink för MBD. PMSMs modellen inkluderar magnetisk mättnad och tvärkoppling, MMF övervågor och temperatur. Två PMSM modeller har utvecklats. Den första baseras på magnetiskt flöde som erhålls från finita element beräkningar i COMSOL Multiphysics medan den andra bygger på induktanser givna från datablad. En jämförelse av dessa PMSM-modeller med konventionella low fidelity-modeller har också gjorts för att illustrera påverkan temperaturberoende och MMF övervågor. Modellerna kan kombineras med en växelriktarmodell för att utveckla en hel styrenhet. Lågfrekventa oscillationer i drivlinan leder till vibrationer som kan orsaka vridspänningar och försämra komforten i elfordonet. En aktiv dämpningsregulator kan implementeras för att kontrollera spänningarna men en mekanisk drivlinemodell med tre massor och en ABS (anti-lock braking system) hastighetssensor behövs. Den mekaniska modellen har implementerats och analyserats även beaktande en modell för en CAN kommunikationskanal. Oscillationer med låg frekvens kunde observeras i modellen.

Je jasné, že nejúspěšnější konstrukce zahrnuje postup vícefázového řízení, ve kterém každá fáze může být považována za samostatný modul. Provoz kterékoliv z jednotek musí mít minimální vliv na ostatní, a to tak, že v případě selhání jedné jednotky ostatní mohou být v provozu neovlivněny. Modulární řešení vyžaduje minimální elektrické, magnetické a tepelné ovlivnění mezi fázemi řízení (měniče). Synchronní stroje s pulzním tokem a permanentními magnety se jeví jako atraktivní typ stroje, jejíž přednostmi jsou vysoký kroutící moment, jednoduchá a robustní konstrukce rotoru a skutečnost, že permanentní magnety i cívky jsou umístěny společně na statoru. FS-PMSM jsou poměrně nové typy střídavého stroje stator-permanentní magnet, které představují významné přednosti na rozdíl od konvenčních rotorů - velký kroutící moment, vysoký točivý moment, v podstatě sinusové zpětné EMF křivky, zároveň kompaktní a robustní konstrukce díky umístění magnetů a vinutí kotvy na statoru. Srovnání výsledků mezi FS-PMSM a klasickými motory na povrchu upevněnými PM (SPM) se stejnými parametry ukazuje, že FS-PMSM vykazuje větší vzduchové mezery hustoty toku, vyšší točivý moment na ztráty v mědi, ale také vyšší pulzaci díky reluktančnímu momentu. Pro stroje buzené permanentními magnety se jedná o tradiční rozpor mezi požadavkem na vysoký kroutící moment pod základní rychlostí (oblast konstantního momentu) a provozem nad základní rychlostí (oblast konstantního výkonu), zejména pro aplikace v hybridních vozidlech. Je předložena nová topologie synchronního stroje s permanentními magnety a spínaným tokem odolného proti poruchám, která je schopná provozu během vinutí naprázdno a zkratovaného vinutí i poruchách měniče. Schéma je založeno na dvojitě vinutém motoru napájeném ze dvou oddělených vektorově řízených napěťových zdrojů. Vinutí jsou uspořádána takovým způsobem, aby tvořila dvě nezávislé a oddělené sady. Simulace a experimentální výzkum zpřesní výkon během obou scénářů jak za normálního provozu, tak za poruch včetně zkratových závad a ukáží robustnost pohonu za těchto podmínek. Tato práce byla publikována v deseti konferenčních příspěvcích, dvou časopisech a knižní kapitole, kde byly představeny jak topologie pohonu a aplikovaná řídící schémata, tak analýzy jeho schopnosti odolávat poruchám.