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.

In this thesis, shaft transducerless vector control of Interior Permanent Magnet (IPM) motor with speed and position estimation using saliency based high frequency signal injection and fundamental model based flux observer methods will be investigated. The magnetic saliency characteristic of a 2.2-kW IPM motor will be experimentally extracted by means of high frequency signal injection. High frequency signal injection method will be used to estimate the speed and position at zero and low speed based on the magnetic saliency of the IPM motor. At high speed, fundamental model based flux observer method will be utilized for speed and position estimation. Seamless transition between the two estimation methods will be provided. Using the estimated speed and position information, the motor will be closed loop vector controlled and the drive motion performance over wide speed and load range will be investigated. The IPM motor drive and the estimation/control algorithms will be modeled and their performance will be demonstrated by detailed computer simulations. A three-phase voltage source inverter and a motor test bench will be built, and the estimation/control algorithms will be implemented on a DSP based motor control platform. The IPM motor drive system will be tested in the laboratory and the theory and simulation results will be verified by the experiments.

Le travail présenté dans cette thèse a pour objectif d'apporter une contribution aux méthodes de commande et d'observation des machines asynchrones destinées à la traction électrique. Dans ce contexte, plusieurs algorithmes ont été développés et implémentés. Après une présentation rapide de la commande vectorielle classique, de nouvelles approches de commande non linéaire sont proposées : il s'agit plus précisément de la commande backstepping classique et sa variante avec action intégrale. Une deuxième partie est consacrée à l'observation et à l'estimation des paramètres et des états de la machine, basée sur des structures MRAS-modes glissants d'une part et sur des structures de filtrage synchrone d'autre part. Une analyse détaillée du problème de fonctionnement à basse vitesse nous a conduit à proposer une solution originale dans le cadre d'une commande sans capteur mécanique. Le problème de la dégradation du couple en survitesse a été traité par un algorithme de défluxage basé sur la conception d'un contrôleur de tension. Enfin, nous avons proposé un algorithme d'optimisation afin de minimiser les pertes dans l'ensemble Onduleur-Machine / The work presented in this thesis aims to contribute to the control and observation of the induction machines for electric traction. Several algorithms have been developed and implemented. After a fast presentation of the classical vector control, new approaches of non-linear control are proposed : the classical backstepping and integral backstepping. A second part deals with the observation and the estimation of parameters and states of the machine, based on MRAS-Sliding Mode structures on one hand and on synchronous filtering structures on the other hand. A detailed analysis of the operation at low speed led us to propose an original solution for a Sensorless control. The torque degradation in field weakening zone was treated by a voltage regulation controller. Finally, we proposed losses minimization algorithm for the Inverter-Machine set

The awareness of the human responsibility in global warming has led to various private and public initiatives to reduce the emission of greenhouse gases, up to international level. In this context the development of renewable technologies in two sectors having an important ecological footprint, i.e. production of electricity and transportation, is targeted.In the firstly mentioned sector, the progression of wind energy is at present the most rapid among all renewable energies. But wind turbines still suffer from a global lack of reliability and accessibility compared to classical power plants, leading to potentially important production losses and repair costs. The first part of the present work focuses on the improvement of the electrical chain reliability by the combination of an estimator and a fault-detection algorithm to achieve sensor-fault tolerance, taking benefit from the already available measurement redundancies on doubly-fed-induction-machine (DFIG) drives.Estimators and sensor-fault detection and isolation (FDI) in DFIGs have been the object of many research papers. However, most of them only consider one unique type of measurement and only a few works consider magnetic saturation. A new combination of a closed-loop observer with a cumulative-sum-based FDI technique, considering magnetic saturation and using limited computational resources is proposed here to estimate electromagnetic torque, rotor currents and position for sensor-fault detection and tolerance. This algorithm is then validated in steady state and in case of moderate transients, unbalanced conditions and misestimation of DFIG parameters. The estimator can also start on the fly during the start-up process of the generator.In the transportation sector, new hybrid and full-electric vehicles start to be visible on the roads, but still need important technological improvements in terms of autonomy, performances, but also produced noise and vibrations. The objectives of the second part of this doctoral thesis are related to this last challenge and consist of the experimental investigation of noise, vibration and harshness (NVH) aspects of an 8/6 switched-reluctance machine (SRM) designed for an electrical vehicle (EV).The NVH issues of SRMs, limiting their usage in automotive and other domains, have been the subject of various papers. However, most of them focus on modal analysis or detailed phenomena, while a global evaluation of NVH aspects of SRMs in normal working conditions is rarely made, as well as the use of reproducible sound metrics. A global and relatively fast experimental method to assess the evolution of noise and vibration is proposed. Tests are performed in transient regime, using continuously varying working conditions when possible, for the excitation of a large band of frequencies. The resulting current, radial vibration and acoustic noise are presented as spectrograms for an easy distinction of affected and unaffected frequencies and compared with the associated loudness and sharpness.Furthermore, the implementation of a new faster-sampled current-hysteresis controller has allowed to improve the quality of the control and of the acoustic noise by reducing the current-ripple amplitude and the excitation of resonances. The various tests show that the switching frequency has to be high enough to avoid exciting the ovalization mode of the SRM, but not too high to avoid producing a too sharp noise. The ripple amplitude also has to be considered to limit the loudness. Therefore, soft chopping, or a reduced DC-bus voltage at low speeds, has to be preferred with a relative small hysteresis bandwidth. Finally, the case of an open-phase fault has been investigated showing amplified even current orders in the vibration and acoustic-noise plots. / La prise de conscience de la responsabilité humaine dans le réchauffement climatique est à la source de nombreuses initiatives publiques et privées parfois internationales pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. Dans ce contexte, le développement de technologies durables dans deux secteurs à forte empreinte écologique est visé: la production d'énergie électrique et les transports. Dans le premier secteur, la progression de l'éolien est à présent la plus rapide parmi toutes les énergies renouvelables. Cependant, les éoliennes souffrent d'un manque global de fiabilité et d'accessibilité par rapport aux centrales électriques classiques, ce qui conduit potentiellement à des pertes de production et des coûts de réparation importants. La première partie de ce travail se focalise sur l'amélioration de la chaîne électrique en la rendant tolérante aux défauts de capteurs au moyen de la combinaison d'un estimateur et d'un algorithme de détection de défauts, tirant avantage de la redondance de mesures déjà présente sur les entraînements à machines asynchrones à double alimentation (MADA). Les estimateurs et la détection et l'isolation de défauts de capteurs sur les MADA a fait l'objet de nombreuses publications scientifiques. Cependant, la plupart d'entre elles considèrent un seul type de mesure et peu de travaux prennent en compte la saturation magnétique. Une nouvelle combinaison d'un observateur et d'un algorithme de détection de défauts de type ‘CUSUM', considérant la saturation magnétique et nécessitant une puissance de calcul limitée, est proposée dans cette thèse pour l'estimation du couple électromagnétique, des courants et de la position rotoriques en vue d'obtenir la tolérance aux défauts de capteurs. Cet algorithme est validé en régime permanent et cas de transitoires modérés, de tensions du réseau déséquilibrées et d'erreurs d'estimation des paramètres de laMADA. L'estimateur est aussi capable de démarrer seul lors du démarrage de la génératrice. Dans le secteur des transports, des véhicules hybrides et électriques commencent à être visibles sur les routes, malgré que des progrès technologiques importants en termes d'autonomie, de performances, mais aussi de bruits et vibrations soient encore nécessaires pour une utilisation plus intensive. L'objectif de la deuxième partie de cette thèse se rapporte à ce dernier défi et consiste à analyser les aspects acoustiques et vibratoires d'une machine à réluctance variable 8/6 conçue pour propulser un véhicule électrique. Ces problèmes acoustiques et vibratoires, qui limitent notamment l'usage de telles machines dans des applications de propulsion, ont été l'objet de divers articles scientifiques. Cependant, la plupart d'entre eux sont focalisés sur des analyses modales ou de phénomènes particuliers, alors qu'une évaluation globale des problèmes de bruit et de vibration des machines à réluctance variable en conditions normales de fonctionnement est rarement proposée, de même que l'utilisation de critères de qualité sonore. Une méthode expérimentale globale et relativement rapide pour évaluer l'évolution du bruit et des vibrations est proposée dans ce travail. Les essais sont réalisés en régime transitoire pour exciter une large bande de fréquences et en faisant varier continuellement, quand cela est possible, les conditions de fonctionnement. Les courants, vibrations radiales et bruits acoustiques résultants sont présentés sous formes de cartographies couleur pour une distinction aisée des fréquences affectées et non-affectées et comparés aux niveaux calculés de bruyance et d'acuité correspondants. Par ailleurs, la mise en place d'un nouveau régulateur à hystérèse en courant à plus grande fréquence d'échantillonnage a permis d'améliorer la qualité de la commande et du bruit acoustique associé en réduisant l'amplitude des oscillations de courant et l'excitation des fréquences de résonance. Les essais montrent que la fréquence de commutation doit être suffisamment élevée pour éviter l'excitation du mode d'ovalisation de la machine, mais pas trop pour éviter une trop grande acuité du son produit. L'amplitude des oscillations doit aussi être considérée pour limiter la bruyance. En conséquence, une commande en ‘soft chopping', ou une tension réduite du bus continu à basse vitesse, doit être combinée à une bande d'hystérèse relativement faible. Enfin, le cas d'un défaut de phase ouverte a été étudié et a montré une amplification des ordres pairs du courant dans les spectres vibratoires et acoustiques. / De bewustwording van de menselijke verantwoordelijkheid in de opwarming van de aarde heeft tot verschillende private en publieke initiatieven geleid om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen. In deze context is de ontwikkeling van hernieuwbare technologieën hoofdzakelijk gericht op twee sectoren met een belangrijke ecologische impact: elektriciteitsproductie en transport.In de eerste sector ontwikkelt windenergie zich op dit moment sneller dan alle andere hernieuwbare energieën. Maar windturbines lijden nog steeds aan een gebrek aan betrouwbaarheid en toegankelijkheid, en dus aan potentieel hogere productieverliezen en herstelkosten, als ze met klassieke krachtcentrales worden vergeleken. In het eerste deel van deze doctoraatsthesis wordt op de verbetering van de elektrische keten geconcentreerd door de combinatie van een schatter en een foutdetectie- en -isolatiealgoritme (FDI-algoritme) om sensorfouttolerantie te verkrijgen dankzij de reeds aanwezige meetovertolligheid op dubbelgevoede inductiemachine (DFIG) aandrijvingen.Schatters en sensor-FDI-algoritmen zijn het onderwerp van vele wetenschappelijke artikelen geweest. Meestal wordt maar één sensortype beschouwd en met de magnetische verzadiging wordt niet vaak rekening gehouden. Een nieuwe combinatie van een schatter met gesloten terugkoppeling en een FDI-techniek gebaseerd op het ‘cumulative-sum' principe is voorgesteld. Zo kan het elektromagnetische koppel, de rotorstromen en positie worden geschat voor sensor FDI en fouttolerantie met beperkte rekenkosten en zonder de magnetische verzadering te verwaarlozen. Het algoritme wordt in stabiele toestand gevalideerd, maar ook in het geval van gematigde transiënte situaties, onevenwichtige netwerkomstandigheden en een verkeerde schatting van DFIG parameters. Het kan ook vanzelf starten tijdens de startprocedure van de generator.In de vervoersector beginnen hybride en elektrische voertuigen op de wegen te rijden. Maar vooreen intensiever gebruik van zo'n wagens zijn er nog technologische verbeteringen nodig met betrekking tot autonomie, prestaties en ook geluid en trillingen (NVH). Het tweede deel van de thesis betreft die laatste uitdaging en bestaat uit het experimentele onderzoek van geluid en trillingen op een 8/6 variabelereluctantiemachine (SRM) ontwikkeld voor elektrische voertuigen.De NVH-problemen van SRM's beperken hun gebruik in automobiele en andere toepassingen enonderzoek wordt erover voortgezet. Vele wetenschappelijke artikelen focussen toch op modale analyse of gedetailleerde fenomenen terwijl een globale evaluatie van NVH aspecten in SRM's in gewone operatiecondities nauwelijks wordt gemaakt. Hetzelfde geldt voor het gebruik van reproduceerbare geluidsmetrieken. Een globale en vrij vlugge experimentele methode is hier voorgesteld om het NVH gedrag te schatten. Testen worden in transiënte situaties uitgevoerd om een brede frequentieband te exciteren, indien mogelijk met voortdurend variërende condities. De gemeten fasestroom, trilling en geluid worden als kleurmappen geplot om het verschil tussen beïnvloede en niet geaffecteerde frequenties te vergemakkelijken en met de berekende akoestische luidheid en scherpte vergeleken.Bovendien heeft de implementatie van een sneller bemonsterd stroomhysteresisregelaar geleid tot een verbetering van de regulatie- en akoestische kwaliteit door de amplitude van de stroomrimpeling en de excitatie van resonantiefrequenties te verminderen. De testresultaten tonen dat de schakelfrequentie voldoende hoog moet zijn om de excitatie van de ovale vervormingsmode te vermijden, maar niet te hoog om de scherpte van het geluid te beperken. De amplitude van de rimpel beïnvloedt ook de luidheid en daarvoor moet in aanmerking worden genomen. Bijgevolg zou ‘soft chopping'mode, of een lagere spanning op de DC-bus bij lage toerentallen, met een relatief klein hysteresisband beter worden gebruikt. Uiteindelijk wordt het geval van een openfasefout bestudeerd en onthult versterkte gelijke frequentievolgorden in de trilling- en geluidplots. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

For positioning of linear stages in absolute coordinates, there is a general need to find a reference position since the initial one is unknown. This is commonly called homing. To reduce costs and facilitate assembly, homing can be performed without additional sensors, known as sensorless homing. This thesis delves into sensorless homing, specifically with respect to stepper motors, and develops a graphical application for control of them. The commercial technology StallGuard is applied inconjunction with exploration into how it – and sensorless load detectionin general – functions. The resulting graphical application can be used to configure the stepper motors, perform homing using StallGuard, and automatically tune StallGuard to work despite varying conditions. In addition, rudimentary sensorless load detection independent from StallGuard is developed, demonstrating how it could work in practice. Testing shows homing with StallGuard resulting in a position within a ±5μm window in 94% of cases, less than 1/7 the width of an average strand of human hair. Additionally, homing is easily performed with a single button press from the graphical interface, with optional additional configuration available.

Purpose of this dissertation is to explore control techniques of PMSM motors and the design of a complex solution of sensorless control across a wide range of speed and torque. The proposed solution supports industrial implementation of different types of end equipment which use a PMSM motor. The work covers a thorough analysis of position and speed estimation. The Control structure is based on field oriented control technique, processes estimated quantities, and optimizes motor conditions to achieve maximum efficiency, start-up torque, and speed. The work discusses how the solution complies with the latest IEC standards. Compliance with these standards requires adapting the sensorless control technique and field oriented control structure. The elimination of a rotor position sensor and a temperature sensor measuring winding temperature requires development of techniques in software for blocked rotor detection and overload detection. The proposed solutions, which have been granted US patents, are explained in this work and utilize the unique features of an NXP microcontroller optimized for motor control applications. The achieved results are demonstrated on real industrial applications.

This thesis deals with state estimation methods for AC drives sensorless control and with possibilities of the estimation. Conditions for observability for a synchronous drive were derived, as well as conditions for the moment of inertia and the load torque observability for both drive types - synchronous and asynchronous. The possibilities of the estimation were confirmed by experimental results. The covariance matrices for all filters were found using an EM algorithm. Both drives were also identified. The algoritms used for state estimation are Extended Kalman Filter, Unscented Kalman Filter, Particle Filters and Moving Horizon Estimator.

This thesis describes the design of universal control unit for BLDC motor powered from airplane power distribution system of 28 V capable of driving motor up to 10 A. The maximal engine power is about 250 W. Important prerequisite is possibility of driving various motor size without needs of changing wiring board using only the configuration in the auxiliary memory unit. To control different motors is enough one unit with one program without any way to interfere to the unit itself.

This thesis presents two transient models for a prototype integrated charger for use in a plug-in hybrid-electrical vehicle application. The models can be useful in order to develop control algorithms for the system or to recommend improvements to the machine design. A flux map based method, obtaining input data from simulations using the finite element method (FEM) is used to model the grid synchronization process. The grid side voltage can then be predicted by incorporating spatial flux linkage harmonics. The model is implemented in Matlab/Simulink and compared to stand alone FEM simulations with good agreement. The charging process is modeled using an inductance based model also requiring FEM simulations as input data. Since the flux linkages in the grid and inverter side windings are dependent on each other, the presented transient model is linearized around a specific operating point. This model is also implemented in a Matlab/Simulink environment. Sensorless control of a PMSynRel drive is also studied in this thesis. Focus is put on operating limits due to magnetic saturation when operating at low speeds. The rotating and pulsating voltage vector injection methods for sensorless control are studied in detail. A technique to map the feasible sensorless control region is proposed which utilizes the resulting position error signal rather than data of differential inductances. This technique is implemented experimentally and compared to corresponding FEM simulations with good agreement. The impact of spatial inductance harmonics on the quality of the position estimates is also studied. A method to predict the maximum position estimation error due to the inductance harmonics is proposed based on simplified analytical models. A technique is presented and experimentally verified which can compensate for this effect by injecting a modified rotating voltage carrier. Lastly, the impact of saturation in the rotor structure on the initial magnet polarity detection is investigated. The experimental results, in good agreement with the corresponding FEM simulations, indicate that the impact of saturation in the magnet bridges of rotor is the dominant phenomenon at lower peak current magnitudes. / QC 20110928

Les stratégies de commande avancée des machines électriques nécessitent une connaissance précise de la position et/ou de la vitesse du rotor. Ces grandeurs mécaniques sont traditionnellement mesurées par des capteurs, ce qui augmente le coût et diminue la fiabilité et la robustesse du système. D’où l’importance de la commande sans capteurs mécaniques, dite commande sensorless : elle consiste à remplacer les capteurs physiques par un observateur d’état, qui estime les grandeurs mécaniques en se basant sur un modèle de la machine et à partir de ses entrées (tensions) et ses sorties (courants mesurés). Toutefois, avant d’entamer la synthèse d’un observateur, il faut examiner l’observabilité du système, c.à.d. vérifier si les grandeurs à estimer peuvent être reconstruites à partir des mesures et des entrées du système.Ce travail de thèse concerne la modélisation et l’étude d’observabilité des machines électriques en vue de la commande sensorless. Dans un premier temps, les modèles des machines électriques sont établis, et il est montré qu’une modélisation unifiée des machines à courant alternatif est possible. Ensuite, en se basant sur ces modèles, l’observabilité des machines électriques est étudiée en vue de la commande sensorless. La théorie d’observabilité instantanée locale est appliquée, ce qui permet de formuler des conditions analytiques, faciles à interpréter et à vérifier en temps-réel, et qui font le lien avec les phénomènes physiques dans les machines. La validité des conditions d’observabilité est confirmée par des simulations et sur des données expérimentales, en appliquant un observateur de type Kalman étendu.Cette thèse contribue à une nouvelle vision des machines à courant alternatif commandées sans capteurs mécaniques, et à une compréhension plus profonde de leurs propriétés. Elle contribue ainsi à la synthèse de stratégies d’observation plus performantes dans les régimes de fonctionnement critiques (à vitesse nulle et/ou à fréquence d’entrée nulle).Les nouveaux concepts proposés dans cette thèse, tels que le flux équivalent et le vecteur d’observabilité, avec les résultats obtenus, ouvrent de nouveaux horizons dans un domaine qui paraît devenir assez mature. / High-performance control of electric drives requires an accurate knowledge of the rotor position and/or speed. These mechanical variables are traditionally measured using sensors, which increases the cost and reduces both the robustness and the reliability of the system. This emphasizes the importance of electric drives control without shaft sensors, often referred to as sensorless control : it consists of replacing sensors with a state observer algorithm, that estimates the desired mechanical variables from currents and voltages sensing and based on the system’s model. Nevertheless, before designing a state observer, the observability ofthe system should be examined, that is, it should be checked whether the states to be estimated can be reconstructed, unambiguously, from the input/output signalsof the system.This work addresses the modeling and the observability analysis of electric drives in the view of mechanical sensors removal. Firstly, electrical machines models areelaborated, and it is shown that a unified modeling of alternating current machines is feasible, for the purpose of designing unified control and estimation strategies.The observability of the machines’ models is next studied in the view of sensorless control. The local instantaneous observability theory is applied, which enables us to formulate physically insightful analytic conditions that can be easily interpreted and tested in real time. The validity of the observability conditions is confirmed by numerical simulations and experimental data, using an extended Kalman observer.This work contributes to novel outlooks on the sensorless alternating current drives and to a deeper understanding of its properties, in order to develop higher performance estimation techniques in the critical operating conditions (mainly at standstill and/or zero-stator-frequency).The concepts introduced throughout this thesis, such as the equivalent flux and the observability vector, with the obtained results, open new horizons in a domainthat seems to become mature enough.