Field oriented control – IONI ENGINEERING ™EV BOXCASE

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.

ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΕΣ ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΕΙΣ

Μελέτη και κατασκευή τριφασικού αντιστροφέα για ηλεκτρικό αγωνιστικό μονοθέσιο…

Μελέτη και κατασκευή τριφασικού αντιστροφέα για ηλεκτρικό αγωνιστικό μονοθέσιο όχημα
Σύρπας, Παναγιώτης
Design and implementation of a three phase inverter for electric racing vehicle
Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών σε συνεργασία με το Εργαστήριο Συστημάτων Παραγωγής και Αυτοματισμού (LMS) του τμήματος Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών . Σκοπός είναι η μελέτη και κατασκευή ενός τριφασικού αντιστροφέα, για τον έλεγχο τριφασικού κινητήρα μόνιμου μαγνήτη μέγιστης ισχύος 35kW, που χρησιμοποιείται σε ηλεκτρικό αγωνιστικό μονοθέσιο Formula Student. Το ηλεκτροκινητήριο σύστημα του μονοθέσιου προς μελέτη αποτελείται από τέσσερεις κινητήρες, καθένας από τους οποίους δίνει κίνηση σε κάθε τροχό ανεξάρτητα. Αρχικά γίνεται μία σύντομη περιγραφή του διαγωνισμού Formula Student και της φοιτητικής ομάδας του Πανεπιστημίου Πατρών, UoP Racing Team. Ακολουθεί μία ανάλυση των διαφορετικών τοπολογιών ηλεκτροκινητήριων συστημάτων ενώ διευκρινίζονται οι περιορισμοί βάσει των κανονισμών του διαγωνισμού. Στη συνέχεια γίνεται αναφορά των διαφορετικών τύπων σύγχρονων κινητήρων μόνιμου μαγνήτη, των εξισώσεων που διέπουν τη λειτουργία τους καθώς και το ισοδύναμο κύκλωμα τους. Αναφέρονται επίσης τα χαρακτηριστικά του κινητήρα προς μελέτη. Γίνεται ανάλυση του αντιστροφέα και των διαφορετικών μεθόδων παλμοδότησης του με έμφαση στη διαμόρφωση εύρους παλμών με χρήση διανύσματος στο χώρο (SVPWM). Το επόμενο βήμα περιλαμβάνει την ανάπτυξη του αλγορίθμου Μέγιστης ροπής ανά αμπέρ (MTPA) . Στο περιβάλλον Simulink γίνεται προσομοίωση του κλειστού βρόχου ελέγχου προσανατολισμένου στο πεδίο με αισθητήρα θέσης (FOC) χρησιμοποιώντας τις αναφορές ρευμάτων του αλγορίθμου MTPA υπό τη μορφή πινάκων. Ακολουθεί λεπτομερής αναφορά των κυκλωμάτων που σχεδιάστηκαν για τη λειτουργία του αντιστροφέα και υλοποιήθηκαν σε τρεις διαφορετικές πλακέτες. Γίνεται επίσης αναφορά του τρόπου υλοποίησης του κλειστού βρόχου ελέγχου σε μικροελεγκτή. Σημαντική επίσης είναι και η μελέτη για τον υπολογισμό των απωλειών των ημιαγωγικών στοιχείων που επηρέασαν τον σχεδιασμό και κατασκευή της ψυκτικής πλάκας. Τέλος παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των πειραμάτων που διεξήχθησαν, τα συμπεράσματα που προέκυψαν και προτάσεις μελλοντικής βελτίωσης του αντιστροφέα.

This diploma thesis was developed in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion of the Department of Electrical and Computer Engineering with the collaboration of Laboratory for Manufacturing Systems & Automation (LMS) of the Department of Mechanical and Aeronautical Engineering at the University of Patras. The purpose of this diploma thesis is to study and build a three-phase inverter to control a three-phase permanent magnet motor of 35kW maximum power that is used in an electric Formula Student racing car. The electromechanical system of the racing vehicle to be studied, consists of four motors, each of which moves each wheel independently. In the beginning, the Formula Student competition is briefly descripted along with the UoP Racing Team of the University of Patras. Then follows an analysis of the different electromechanical systems topologies. Sequentially, different types of permanent magnet synchronous motors, the equations governing their operation and their equivalent circuit are explained. Also, the characteristics of the engine to be studied are referred. An analysis of the inverter and its different Pulse Width Modulation (PWM) schemes is made focusing on SVPWM which implemented in the designed inverter. The next step involves the development of the Maximum Torque per Amperity (MTPA) algorithm. In the Simulink environment, the Field Oriented Control (FOC) with position sensor in closed loop was simulated using the MTPA reference currents in the form of Look Up Tables. Different switching frequencies were simulated and evaluated, using PI current controllers with antiwindup and feed-forward control. The next chapter includes a detailed report of the circuits designed and implemented on three different PCBs, for the operation of the inverter. The PCBs are separated on power PCB, the IGBT driver and the microcontroller with its peripherals. Reference is also made on how to implement the closed control loop on a microcontroller. It is also important to refer the calculation of losses of semiconductor devices. After the calculation of power losses, a cooling plate was simulated and manufactured to keep the IGBT module inside its temperature operating limits. Finally, the results of the experiments carried out, the conclusions reached and proposals for future improvement of the inverter are presented.