Indagine su nuove strategie di controllo per azionamenti elettrici ad alta velocità

The aim of this thesis was to investigate new control techniques for electric motors designed to work at high speed. This type of motor is characterized by high electrical frequencies and can be divided into: very high speed motors and motors with a high number of pole pairs. In the first case, the very high speed motor, is used, for example, for pumping and ventilation applications, while in the second case, the motor with a high number of pole pairs, for example the hybrid stepper (the motor usually has 50 teeth rotor blades), is used for positioning control. In the field of electric drives, standard control is based on a proportional regulator-integral on the current and speed loops, but when the motor is used at high speed the linear control becomes unstable in the presence of low switching frequency ratios fsw with respect to the electric frequency fel. A study on different control strategies to increase the bandwidth of the current loops was carried out for the hybrid stepper motors starting from the simulations in Plecs environment and concluding with the experimental tests carried out on an industrial setup. To increase the tolerance of the entire control system, the position sensor has been removed, for its sensitivity to noise, possible failures and higher costs. The work, for hybrid stepper motors, involved the development of sensorless control strategies for hybrid stepper motors by first closing the vector control with respect to the speed loop, and subsequently closing the position loop with an hybrid strategy comprising vector control (for medium and high speeds) and microstepping control (for low speeds and at standstill) to solve the observability problems electrical machines at low speeds. New sensorless control strategies are also presented for internal permanent magnet motors for low speed working region using low frequency signal injection to reduce acoustic noise respect to the classical high frequency one, and for the medium/high speed working region extending the use of stator flux observers commonly adopted for surface mounted permanent magnet motors. In addition to evaluations from a control point of view, a valid alternative for high-speed motors is the single stage Current Source Inverter (CSI). The CSI, compared to the more popular Voltage Source Inverters (VSI), intrinsically works as a boost allowing to work at high speed even with limited supply voltages, a very interesting aspect in aerospace and electric mobility applications. The activity on the converter involved the synthesis of a new control strategy to eliminate the converter prestage, the sensorless control using directly the voltage measurements and the extension of the speeds that can be reached considering the working region in low speed. Another aspect to consider, in the control of high speed machines, is the problem of iron losses in the ferromagnetic material which cause greater amplitudes of the currents, lower efficiency and decrease the output torque. The activity involved the synthesis of a new control strategy based on predictive control and the subsequent implementation in dSpace.

L'obiettivo di questo lavoro di tesi è stato quello di investigare nuove tecniche di controllo per motori elettrici progettati per lavorare ad alta velocità. Questa tipologia di motore è caratterizzata da elevate frequenze elettriche e può essere suddivisa in: motori ad altissima velocità e motori con un elevato numero di coppie polari. Nel primo caso, il motore ad altissima velocità, viene utilizzato, per esempio, per applicazioni di pompaggio e ventilazione, mentre nel secondo caso, il motore con un alto numero di coppie polari, ad esempio lo stepper ibrido (il motore presenta solitamente 50 denti rotorici), viene utilizzato per controlli di precisione. Nel campo degli azionamenti elettrici il controllo standard si basa su un regolatore proporzionale- integrale sugli anelli di corrente e velocità, ma quando il motore viene utilizzato ad alta velocità il controllo lineare diventa instabile in presenza di bassi rapporti di frequenza di commutazione fsw rispetto alla frequenza elettrica fel. Uno studio su diverse strategie di controllo per aumentare la banda passante degli anelli corrente è stato effettuato per i motori stepper ibridi partendo dalle simulazioni in ambiente Plecs e concludendo con i test sperimentali effettuati su un setup industriale. Per aumentare la tolleranza di tutto il sistema di controllo, è stato rimosso il sensore di posizione, che presenta sensibilità al rumore, è soggetto a possibili rotture e introduce maggiori costi. Il lavoro, per motori stepper ibridi, ha riguardato lo sviluppo di strategie di controllo sensorless per motori stepper ibridi in primo luogo chiudendo il controllo vettoriale rispetto all’anello di velocità, e successivamente chiudendo l’anello di posizione con una strategia ibrida tra il controllo vettoriale (per velocità medie ed elevate) e il controllo microstepping (per basse velocità e da fermo) per risolvere i problemi di osservabilità delle macchine elettriche a bassa velocità. Nuove strategie di controllo sensorless sono presentate anche per i motori a magneti permanenti interni sia per la regione di lavoro a bassa velocità usando l’iniezione di segnale in bassa frequenza per ridurre il rumore acustico, sia per la regione di lavoro in medio/alta velocità estendendo l’uso degli osservatori di flusso statorico. Oltre alle valutazioni dal punto di vista del controllo, una valida alternativa per motori ad alta velocità è rappresentata dal Current Source Inverter (CSI) singolo stadio. Il CSI, rispetto ai più diffusi Voltage Source Inverter (VSI), lavora intrinsecamente come un boost consentendo di lavorare ad alta velocità anche con tensioni di alimentazione limitate, aspetto molto interessante in applicazioni aerospaziali e di mobilità elettrica. L’attività sul convertitore ha riguardato la sintesi di una nuova strategia di controllo per eliminare il prestadio del convertitore, il controllo sensorless usando direttamente le misure delle tensioni e l’estensione delle velocità raggiungibili considerando la regione di lavoro in bassa velocità. Altro aspetto da considerare, nel controllo di macchine ad alta velocità, è il problema delle perdite nel materiale ferromagnetico che causano maggiori ampiezze delle correnti, minore efficienza e diminuzione della coppia di uscita. L’attività ha riguardato la sintesi di una nuova strategia di controllo basata sul controllo predittivo e la successiva implementazione in dSpace.