Μελέτη και κατασκευή τριφασικού αντιστροφέα τάσης για τον έλεγχο…

Μελέτη και κατασκευή τριφασικού αντιστροφέα τάσης για τον έλεγχο κινητήρα μόνιμου μαγνήτη ηλεκτροκίνητου οχήματος

Αλμπάνης, Ιωάννης

Design, development and experimental evaluation of distributed smart grid management algorithms

Τμήμα Ηλεκτρολ. Μηχαν. και Τεχνολ. Υπολογ. (ΔΕ), Πανεπιστήμιο Πατρών

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, την προσομοίωση, το σχεδιασμό του κυκλώματος και την ανάπτυξη του αντίστοιχου λογισμικού ενός τριφασικού αντιστροφέα τάσης για τον έλεγχο σύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη τοποθετημένου σε αγωνιστικό όχημα. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός είναι η κατασκευή μιας αξιόπιστης και συμπαγούς τοπολογίας ικανής να τοποθετηθεί και να λειτουργήσει σε περιβάλλον αυτοκίνησης. Επομένως εκτός από τις απαιτήσεις ισχύος και γρήγορης απόκρισης κατά τα μεταβατικά φαινόμενα, είναι απαραίτητο να ικανοποιούνται επιπλέον απαιτήσεις όγκου και ασφαλείας. Οι απαιτήσεις όγκου ικανοποιούνται με την ενσωμάτωση των κυκλωμάτων ισχύος, τροφοδοσίας και ελέγχου σε μία πλακέτα, ενώ οι απαιτήσεις ασφαλείας ικανοποιούνται μέσω ηλεκτρικής απομόνωσης κυκλώματος υψηλής και χαμηλής τάσης. Αρχικά, γίνεται μια ιστορική αναδρομή στην ηλεκτροκίνηση και μία σύντομη ανάλυση του ηλεκτροκινητήριου συστήματος ενός ηλεκτρικού οχήματος. Έπειτα παρατίθενται θεμελιώδεις έννοιες του μαγνητικού πεδίου και μελετώνται τα χαρακτηριστικά των μόνιμων μαγνητών και η αρχή λειτουργίας της σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη (ΣΜΜΜ). Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι εξισώσεις της ΣΜΜΜ και η τοπολογία του αντιστροφέα. Ακολουθεί μια αναφορά στις βασικότερες μεθόδους παλμοδότησης ενός τριφασικού αντιστροφέα τάσης και αναλύεται η μέθοδος του άμεσου διανυσματικού ελέγχου ροής και ροπής. Επειδή αυτό το είδος ελέγχου περιλαμβάνει κλειστό βρόχο, παρουσιάζονται οι βασικές έννοιες της θεωρίας των ελεγκτών PID, ενώ γίνεται και μία περιγραφή των διατάξεων μέσω των οποίων μπορεί να γίνει η εκτίμηση της γωνιακής θέσης του δρομέα. Το επόμενο βήμα είναι η προσομοίωση σε περιβάλλον Simulink του ηλεκτροκινητήριου συστήματος προκειμένου να παρατηρηθεί η απόκριση του συστήματος σε διάφορα σενάρια λειτουργίας και να γίνει ο συντονισμός των ελεγκτών PI. Ακολουθεί η σχεδίαση της τοπολογίας ισχύος καθώς και του κυκλώματος παλμοδότησης και ελέγχου του ελεγκτή και η επιλογή των κατάλληλων στοιχείων. Τέλος παρουσιάζεται η διάταξη που σχεδιάστηκε, γίνεται μεταφορά του λογισμικού παλμοδότησης και ελέγχου από την προσομοίωση στο μικροελεγκτή και παρουσιάζονται τα πειράματα που διεξήχθησαν. Επιπλέον περιγράφεται ο τρόπος με τον οποίο αντιμετωπίστηκαν διάφορα προβλήματα που προέκυψαν λόγω κατασκευαστικών ατελειών του κινητήρα. Κλείνοντας αναφέρονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν.

This diploma thesis focuses on the study, simulation and implementation of a three-phase inverter that is intended to control a three-phase permanent magnet synchronous motor (PMSM) that is used in automotive applications. The thesis was elaborated in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion of the Department of Electrical and Computer Engineering of the Polytechnic School of University of Patras. The objective of this diploma thesis is the implementation of a reliable, robust and compact construction of a controller, that can operate in an automotive environment. Due to the working environment of the controller, not only the power conversion and fast transient response requirements have to be met, but also safety and volume requirements. As far as volume requirements were concerned, these were met by implemented both power and control circuit in the same PCB, while safety requirements were met by electrical isolation between high and low voltage circuit. Initially in the thesis, a review of the history of electric vehicles development is given, followed by an analysis of an electric vehicle’s powertrain. Then, the fundamental concept of magnetic field was presented and the principle of operation of permanent magnet synchronous motor (PMSM) studied. Subsequently, the equations of PMSM and the inverter topology are presented and described in depth. Moreover, the most basic pulses modulation techniques of a three-phase inverter were explained and the Field Oriented Control (FOC) method of Direct Torque and Flux Control (DTFC) are described too. Because of the type of control, which include a closed loop, the basic concept of PID controller theory are also studied. Then are described the operation of devices which needed to estimate the angular position of the rotor. The next step was to design and simulate the system in Simulink/MATLAB software, in order to monitor the behavior of the system’s response under various of operation scenarios and to tune the PID controllers. Afterwards, the design of the board and the selection of the components were given. As a final step the layout design and the actual board are presented, and also the firmware of the microcontroller and the experiments that were carried out in an actual motor. Closing were described how the inverter handled the problems encountered due to machine defects.