O presente trabalho apresenta uma transformação dq não senoidal e sua aplicação em máquinas síncronas com ímã permanente na superfície do rotor (MSIP) e forma de onda de FEM não senoidal. O modelo resultante da aplicação dessa transformação permite o controle direto do torque eletromagnético, permitindo reduzir as ondulações do torque produzido nesse tipo de máquina. A redução dessas ondulações em MSIPs não senoidais possibilita que esse tipo de máquina seja empregado em aplicações onde somente MSIPs senoidais, que possuem custo mais elevado, poderiam ser usadas. Simulações e resultados práticos, obtidos pela implementação do sistema de controle vetorial não senoidal desenvolvido, são apresentados no trabalho. Pelos resultados obtidos, pode-se verificar que o método proposto é eficaz na redução das ondulações do torque eletromagnético em MSIPs não senoidais. / This work presents a non-sinusoidal dq transformation and its application in permanent- magnet synchronous machines (PMSM) with a non-sinusoidal back-EMF waveform. The resulting model of the application of such transformation permits direct control of machine electromagnetic torque, which achieves the reduction of torque ripple. The reduction of torque ripple in non-sinusoidal PMSMs makes possible the use of this kind of PMSM instead of sinusoidal PMSMs, which are more expensive. Simulation and practical results, obtained by the implementation of such non-sinusoidal vectorial control system, are shown in this work. Those results show that the method presented is efficacious in the torque ripple reduction in non-sinusoidal PM synchronous machines.

La machine à collecteur mécanique reste, dans de nombreuses applications, une alternative crédible par rapport aux autres types de moteurs électriques. Dans le domaine automobile, ce sont les coûts de fabrication et surtout la fiabilité dû à l'absence d'électronique de puissance qui rendent cette solution si intéressante. Cela est également son point faible : l'absence de dispositif de régulation fragilise l'électronique de bord en cas d'appel de courant trop important au démarrage. L'usure du système balai-collecteur est également un point clé pour un démarreur d'autant plus que, pour assurer un fonctionnement « Stop-Start » en plus du fonctionnement traditionnel, le nouveau cahier des charges impose jusqu'à 450 000 cycles de démarrage (contre 30 000 auparavant). Ceci justifie la recherche actuelle sur ces dispositifs. En effet, une partie importante de cette thèse traite de la modélisation et de la mesure de la commutation dans le démarreur pour mieux évaluer les phénomènes qui y interagissent. L'arc électrique en fin de commutation joue un rôle important dans l'usure du système balais-collecteur. Une meilleure connaissance des facteurs influents permet, par la suite, de concevoir des appareils plus robustes. Dans une deuxième partie de la thèse, on s'intéresse au dimensionnement optimal d'un démarreur. Après avoir passé en revue les différentes méthodes d'optimisation pour traiter un tel problème et avoir sélectionné les plus adaptées, on traite un cas pratique de dimensionnement optimal. Cette problématique est fondamentale pour Valeo au vue des quantités d'appareils fabriqués et des futurs marchés offerts par le développement du « micro-hybride » qui se généralise / Nowadays, brushed DC motors are still used in many applications. In automotive industry, manufacturing cost and reliability are the two most important key indicators. That's why DC motors are preferred to others solutions requiring power electronics supply. But, there are also some drawbacks ; when the inrush current occurs (when the power-contact is switched on) the DC voltage of the battery decrease and can damage electronic components of the car. The wear of the brush-segments system is also a key issue for the life time of the starter. The new specifications for a « Stop-Start » starter use lead to a significant increase of the number of re-start cycles to be done by the device. We consider that a car achieve more than 450000 stop-and-start cycles during its lifetime whereas this number is only 30000 for the standard vehicles. These specifications justify the research work lead by Valeo on such device. An important part of the thesis concerns the modeling and the measurement of the commutation phenomena. The electric arc occurring at the brush trailing edges (when the physical contact ends) causes the wear of the brush-commutator system. A better knowledge of influent factors can lead to more robust device development. In a second part, we study the optimal design of a car starter regarding specifications. After a review of different optimization methods for dealing with such a problem, we select the most relevant ones and solve different practical problem around the starter. This issue is very important regarding the quantities of device manufactured and the market of micro-hybrid which is growing up very fast

O objetivo desse trabalho é o estudo e a análise do desempenho de máquinas brushless com ímã permanente no rotor, com fluxo de entreferro não senoidal. São consideradas máquinas brushless com ímã permanente na superfície do rotor. Três modelos matemáticos são considerados: o modelo por fase de estator, o modelo vetorial e o modelo velocidade-tensão de segunda ordem. Máquinas com diferentes tipos de enrolamento de estator são comparadas, incluindo as máquinas síncronas com ímã permanente no rotor (com a densidade dos enrolamentos distribuída de forma senoidal no estator). Os resultados para o torque eletromagnético das máquinas foram obtidos considerando-se dois tipos de acionamentos em malha aberta: um acionamento de seis pulsos e um acionamento senoidal. Por fim, um método de controle é apresentado para máquinas não senoidais. As ondulações no torque e o desempenho das máquinas não senoidais. As ondulações no torque e o desempenho das máquinas não senoidais, utilizando controle vetorial, são comparados aos das máquinas senoidais. / The aim of this work is to analyse the torque performance of brushless machines with non-sinusoidal distributed magnetic fluxes. The machine type considered is a surface mount permanent magnet brushless machine. Three mathematical models for the machine are considered: the per stator phase, the vectorial and the linear second order speed-voltage models. Machines with different stator windings are compared including the permanent magnet synchronous machines with sinusoidal distributed stator windings. The torque outputs of these machines are obtained considering two kinds of open loop driving systems: one with a six-pulse waveform and other with a sinusoidal waveform. Finally, a vectorial control is proposed for the non-sinusoidal machines. The torque ripple as well the overall performance of non-sinusoidal machines with vectorial control is compared to that of sinusoidal machines.

This work presents the direct torque control (DTC) techniques, implemented in four- and six-switch inverter, for brushless dc (BLDC) motors with non-sinusoidal back- EMF using two and three-phase conduction modes. First of all, the classical direct torque control of permanent magnet synchronous motor (PMSM) with sinusoidal back-EMF is discussed in detail. Secondly, the proposed two-phase conduction mode for DTC of BLDC motors is introduced in the constant torque region. In this control scheme, only two phases conduct at any instant of time using a six-switch inverter. By properly selecting the inverter voltage space vectors of the two-phase conduction mode from a simple look-up table the desired quasi-square wave current is obtained. Therefore, it is possible to achieve DTC of a BLDC motor drive with faster torque response while the stator flux linkage amplitude is deliberately kept almost constant by ignoring the flux control in the constant torque region. Third, the avarege current controlled boost power factor correction (PFC) method is applied to the previously discussed proposed DTC of BLDC motor drive in the constant torque region. The test results verify that the proposed PFC for DTC of BLDC motor drive improves the power factor from 0.77 to about 0.9997 irrespective of the load. Fourth, the DTC technique for BLDC motor using four-switch inverter in the constant torque region is studied. For effective torque control in two phase conduction mode, a novel switching pattern incorporating the voltage vector look-up table is designed and implemented for four-switch inverter to produce the desired torque characteristics. As a result, it is possible to achieve two-phase conduction DTC of a BLDC motor drive using four-switch inverter with faster torque response due to the fact that the voltage space vectors are directly controlled.. Finally, the position sensorless direct torque and indirect flux control (DTIFC) of BLDC motor with non-sinusoidal back-EMF has been extensively investigated using three-phase conduction scheme with six-switch inverter. In this work, a novel and simple approach to achieve a low-frequency torque ripple-free direct torque control with maximum efficiency based on dq reference frame similar to permanent magnet synchronous motor (PMSM) drives is presented.

Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη των βασικών τμημάτων που απαρτίζουν ένα ηλεκτρικό όχημα, με άμεσο στόχο τη μέγιστη δυνατή εξοικονόμηση ενέργειας. Προς την κατεύθυνση αυτή μελετάται αρχικά η βαθμίδα φόρτισης των συσσωρευτών. Παρουσιάζονται οι προδιαγραφές και προτείνεται ως βέλτιστη τοπολογία αυτή του Flyback η οποία αντιμετωπίζει λειτουργικές δυσκολίες. Έτσι προτείνεται μια ειδική μεθοδολογία σχεδιασμού βασιζόμενη στην επιλογή του λόγου του Μ/Τ. Επίσης προτείνεται ένα νέο κύκλωμα καταστολής των υπερτάσεων λόγω σκέδασης. Η αποτελεσματική λειτουργία επιβεβαιώνεται μέσω εξομοιώσεων και πειραματικών δοκιμών. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζεται ένα νέο κύκλωμα τροφοδοσίας. Πρόκειται για μετατροπέα μονής βαθμίδας με ένα τρανζίστορ κα αποτελεσματική καταστολή υπερτάσεων. Παράλληλα πραγματοποιεί βελτίωση του συντελεστή ισχύος του κυκλώματος. Στο τρίτο μέρος μελετάται το κινητήριο σύστημα και προτείνεται μια μέθοδος ελέγχου της μαγνητικής ροής και του λόγου μετάδοσης του κιβωτίου ταχυτήτων ώστε να επιτυγχάνεται η ελάχιστη δυνατή ενεργειακή κατανάλωση του οχήματος. Τα αποτελέσματα εξομοίωσης επιβεβαιώνουν την αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης μεθόδου. / Basic aim of the present work is the analytical study of the basic part of an EV, in order to be obtained a good energy saving. For this purpose the charging unit of an EV is studied. The specifications which must fulfill this device are exhibited and the Flyback topology is suggested as the optimal. However it appears some important problems. For this purpose, a new strategy of design based on the transformer.

O presente trabalho apresenta uma transformação dq não senoidal e sua aplicação em máquinas síncronas com ímã permanente na superfície do rotor (MSIP) e forma de onda de FEM não senoidal. O modelo resultante da aplicação dessa transformação permite o controle direto do torque eletromagnético, permitindo reduzir as ondulações do torque produzido nesse tipo de máquina. A redução dessas ondulações em MSIPs não senoidais possibilita que esse tipo de máquina seja empregado em aplicações onde somente MSIPs senoidais, que possuem custo mais elevado, poderiam ser usadas. Simulações e resultados práticos, obtidos pela implementação do sistema de controle vetorial não senoidal desenvolvido, são apresentados no trabalho. Pelos resultados obtidos, pode-se verificar que o método proposto é eficaz na redução das ondulações do torque eletromagnético em MSIPs não senoidais. / This work presents a non-sinusoidal dq transformation and its application in permanent- magnet synchronous machines (PMSM) with a non-sinusoidal back-EMF waveform. The resulting model of the application of such transformation permits direct control of machine electromagnetic torque, which achieves the reduction of torque ripple. The reduction of torque ripple in non-sinusoidal PMSMs makes possible the use of this kind of PMSM instead of sinusoidal PMSMs, which are more expensive. Simulation and practical results, obtained by the implementation of such non-sinusoidal vectorial control system, are shown in this work. Those results show that the method presented is efficacious in the torque ripple reduction in non-sinusoidal PM synchronous machines.

Made available in DSpace on 2016-08-17T14:53:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pedro Turibe.pdf: 1407215 bytes, checksum: 1301d5c29a7bdde34bd0b2385be26a03 (MD5) Previous issue date: 2006-10-30 / The conception, design and synthesis of a platform to evaluate the performance of the in real time control algorithms is the main focuses of this Master Thesis. For conception purpose, the platform is classi¯ed in structural and functional parts, the structural one is composed of the hardware that are sensors, actuators, controllers and related devices. The functional part is formed by algorithms to manager the platform resources and real time control strategies. The platform is dedicated to the speed control of a direct current motor and the temperature control of an electric furnace. These plants are used to develop methods for real time control, parameter estimation and controller tuning. The parameter estima- tion of the motor and furnace is performed in the platform, the obtained models are used to design the PID controller optimal gains. / Apresenta-se uma metodologia para o projeto de uma plataforma para avaliar o desempenho de algoritmos de controle em tempo real. O sistema é organizado em partes estrutural e funcional; a estrutural é constituída pelos elementos de hardware que são as plantas, sensores, atuadores e controladores; a parte funcional é constituída pelos algoritmos para o gerenciamento dos recursos da plataforma e para controle de sistemas dinâmicos. A plataforma é dedicada ao controle de velocidade de um motor de corrente continua e controle de temperatura de um forno elétrico, estas plantas são utilizadas para o desenvolvimento de métodos e verificação de aplicações de controle em tempo real, estimação de parâmetros e sintonia de ganhos dos controladores. A plataforma é utilizada para o levantamento dos parâmetros do motor e forno. Os modelos das plantas são utilizados para o projeto de controladores do tipo PID que são sintonizados por métodos de otimização.

O objetivo desse trabalho é o estudo e a análise do desempenho de máquinas brushless com ímã permanente no rotor, com fluxo de entreferro não senoidal. São consideradas máquinas brushless com ímã permanente na superfície do rotor. Três modelos matemáticos são considerados: o modelo por fase de estator, o modelo vetorial e o modelo velocidade-tensão de segunda ordem. Máquinas com diferentes tipos de enrolamento de estator são comparadas, incluindo as máquinas síncronas com ímã permanente no rotor (com a densidade dos enrolamentos distribuída de forma senoidal no estator). Os resultados para o torque eletromagnético das máquinas foram obtidos considerando-se dois tipos de acionamentos em malha aberta: um acionamento de seis pulsos e um acionamento senoidal. Por fim, um método de controle é apresentado para máquinas não senoidais. As ondulações no torque e o desempenho das máquinas não senoidais. As ondulações no torque e o desempenho das máquinas não senoidais, utilizando controle vetorial, são comparados aos das máquinas senoidais. / The aim of this work is to analyse the torque performance of brushless machines with non-sinusoidal distributed magnetic fluxes. The machine type considered is a surface mount permanent magnet brushless machine. Three mathematical models for the machine are considered: the per stator phase, the vectorial and the linear second order speed-voltage models. Machines with different stator windings are compared including the permanent magnet synchronous machines with sinusoidal distributed stator windings. The torque outputs of these machines are obtained considering two kinds of open loop driving systems: one with a six-pulse waveform and other with a sinusoidal waveform. Finally, a vectorial control is proposed for the non-sinusoidal machines. The torque ripple as well the overall performance of non-sinusoidal machines with vectorial control is compared to that of sinusoidal machines.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-04-18T15:37:21Z No. of bitstreams: 1 rodolfolacerdavalle.pdf: 15632691 bytes, checksum: 70a89dc2e4e38eb468aa2013be66ab1f (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-04-19T11:31:54Z (GMT) No. of bitstreams: 1 rodolfolacerdavalle.pdf: 15632691 bytes, checksum: 70a89dc2e4e38eb468aa2013be66ab1f (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-19T11:31:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 rodolfolacerdavalle.pdf: 15632691 bytes, checksum: 70a89dc2e4e38eb468aa2013be66ab1f (MD5) Previous issue date: 2017-02-02 / Esta tese apresenta as etapas de projeto e de implementação de um controlador digital preditivo para regular as correntes de um motor CC de ímãs permanentes sem escovas (do inglês, Permanent Magnets Brushless DC motor) (BLDC) de baixa indutância, trifásico a três fios. Estes tipos de motores são usualmente acionados por conversores eletrônicos de potência com múltiplos estágios, comutados em altas frequências, ou usam filtros adicionais para limitar as ondulações de corrente. As formas de onda da força contra eletromotriz induzida e das correntes retangulares dificulta o projeto e sintonia de controladores lineares. A complexidade desta tarefa aumenta quando se considera a ampla faixa de velocidade de operação do motor. Controladores digitais preditivos são facilmente implementados em processadores digitais de sinais, tendo sido usados com sucesso para regular correntes de diferentes tipos de conversores eletrônicos de potência. Três estratégias de comutação (bipolar, unipolar síncrona e unipolar) são usadas para obter três controladores PWM preditivos para regular as correntes retangulares do motor BLDC, sem a necessidade de filtros ou conversores adicionais. O fato das correntes fluírem por apenas duas das fases do motor em cada intervalo de π/3 rad permite operar o inversor fonte de tensão trifásico (Voltage Source Inverter) (VSI) como um conversor CC-CC em ponte completa. Esta característica simplifica o algoritmo de controle sendo necessário apenas um controlador para as correntes trifásicas. Parcelas para compensar o erro em regime permanente devido ao tempo morto, queda de tensão nos interruptores e atrasos de amostragem e de disparo dos interruptores são incorporadas à lei de controle modificada. Resultados experimentais e de simulação para um motor BLDC trifásico de 5 kW/48 V são apresentados para demonstrar a viabilidade da proposta. O algoritmo de controle do sistema de acionamento do motor BLDC foi implementado usando o controlador digital de sinais TMS320F28335. / This thesis presents the design and implementation steps of a digital predictive controller to regulate a low–inductance, three–phase, three–wire permanent magnet brushless DC (BLDC) motor currents. These types of motors are usually driven by multi-stage converters, switched at high frequencies, or use additional inductances to limit the current ripple. The motor’s trapezoidal back electromotive force and rectangular currents waveforms make the design and the tuning process of linear controllers difficult. This task complexity increases when a wide speed range is considered. Digital predictive controllers are easily implemented using digital signal processors (DSP), as successfully used for different types of power electronic converters currents regulation. Three switching strategies (bipolar, synchronous unipolar e unipolar) are used to obtain three PWM predictive controllers to regulate the rectangular currents of a brushless DC motor, without the need for any additional filters or converter. Due the fact that the currents flow only between two phases of the motor at every π/3 rad period makes possible to operate the three-phase voltage source inverter as a full-bridge DC–DC converter. This feature simplify the control algorithm which requires only one controller to synthesize the three-phase currents. A methodology to eliminate the steady-state error due to blanking time, switches voltage drop, sampling delay and pulse driver delay were incorporated in the modified predictive control law. Experimental and simulation results using a 5 kW/48 V three–phase BLDC motor are presented to demonstrate the feasibility of this proposal. The control algorithm was implemented in a digital signal controller TMS320F28335.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-04-24T18:25:05Z No. of bitstreams: 1 rodolfolacerdavalle.pdf: 17326163 bytes, checksum: b5bfc03806c064bdf98c9890ed322936 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-04-25T12:14:13Z (GMT) No. of bitstreams: 1 rodolfolacerdavalle.pdf: 17326163 bytes, checksum: b5bfc03806c064bdf98c9890ed322936 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-25T12:14:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 rodolfolacerdavalle.pdf: 17326163 bytes, checksum: b5bfc03806c064bdf98c9890ed322936 (MD5) Previous issue date: 2013-03-07 / Esta dissertação apresenta as etapas de desenvolvimento de um sistema de acionamento de um motor CC de ímãs permanentes sem escovas para aplicação em veículos elétricos de pequeno porte. O motor é acionado por um inversor fonte de tensão trifásico (VSI, Voltage Source Inverter) baseado em interruptores IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Os sinais de comutação dos interruptores são gerados por uma estratégia de modulação vetorial. Sinais gerados por três sensores de efeito Hall são usados para detectar a posição angular do rotor. O motor é controlado a partir de duas malhas. Uma malha externa controla a velocidade enquanto a malha interna controla as correntes de fase do motor. O desempenho de dois tipos de controladores foram investigados para o controle das correntes sintetizadas pelo VSI: (i) controlador proporcional– integral no sistema de coordenadas síncrono e (ii) controlador proporcional–integral com integradores em múltiplos sistemas de coordenadas rotativas. Além das malhas de controle, o sistema de acionamento foi projetado com uma estratégia de desacoplamento das correntes de controle e uma ação preditiva para compensar o efeito das tensões contra–eletromotriz trapezoidais geradas por fase pelo motor. Um protótipo experimental do sistema de 5 kW foi montado em laboratório. Os algoritmos de controle do motor e do VSI, juntamente com o algoritmo de deteção de posição do rotor foi implementado em um controlador digital de sinais TMS320F28335. Resultados experimentais são apresentados, discutidos e utilizados para validar as estratégias de controle. / This dissertation presents the development of a permanent magnet brushless DC motor drive (PMBLDC) for small electric vehicles applications. A three–phase voltage source inverter (VSI) based on IGBT (insulated gate bipolar transistor) is used to drive the electric motor. The semiconductor switches are controlled by space vector modulation (SVM). Signals from three Hall effect sensors are used to detect the rotor angular position. Two closed–loops are used to control the PMBLDC motor. The outer loop controls the rotor velocity while the inner loop controls the motor phase currents. Two types of controllers were investigated to synthesize the currents: (i) proportional– integral controller in synchronous reference frame and (ii) proportional–integral controller with multiple rotating synchronous reference frame integrators. Besides the current control loops, the drive system was designed considering the decoupling of the synthesized phase currents and a feed-forward electromotive force waveform compensation. An experimental prototype of 5 kW was built in laboratory. The motor and VSI control algorithms and the algorithm used to detect the rotor position were implemented in a TMS320F28335, digital signal controller. Experimental results are presented, discussed along with the validation of the control strategy.