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Theses Year : 2021

High-Performance Nonlinear Control for Permanent Magnet Assisted Synchronous Reluctance Motor

Commande non linéaire à haute performance pour un moteur à réluctance synchrone assisté à aimant permanent

Abstract

The electrification of transportation is one of the relevant solutions to reduce greenhouse gas emissions. Indeed, new European standards impose increasingly restrictive limits on CO₂ emissions per km. This context is an essential industrial issue for automobile manufacturers. Therefore, the industries are moving towards electric vehicles (EVs) in which an electric powertrain unit is present. This unit consists of an electrical machine powered by a static power electronic converter connected to an electrical energy source and storage. Different topologies have been studied for more than two decades for electric traction, and several solutions have been marketed. As a result, these products are increasingly light, reliable, and efficient while respecting the constraints of the automobile manufacturers on the costs.Recently, permanent magnet assisted (PMa)-synchronous reluctance motors (SynRM) have been considered a rare-earth-free machine possible alternative motor drive for high-performance applications suitable for EV powertrain units. However, in order to have an efficient motor drive, performing three steps in the design of the overall drive is not inevitable. These steps are design optimization of the motor, identifying the motor parameter, and implementing an advanced control system to ensure optimum operation. Therefore, this dissertation deal with high-performance nonlinear control of PMa-SynRM to find out the limitation of exiting nonlinear control system. The differential flatness-based control is first developed for the PMa-SynRM drive system. As it is a model-based control, the system performance relies on system model parameters, i.e., resistance, inertia, and external torque disturbance. Next step, model-free control is presented to be used in the control of both the SPMSM and PMa-SynRM. Finally, this thesis has achieved the main objective of finding out the high-performance nonlinear control of PMa-SynRM. Using a prototype PMa-SynRM drive as a test bench provided by GREEN Lab. at Université de Loraine, this paper gives an exhaustive description of an MFC's design procedure applied to the combined control of the motor speed and current. After a brief introduction of the MPC fundamentals, the design is illustrated in detail, giving a step-by-step discussion of the main critical points and the hints for their successful handling. Suggestions for extending the design to different drive controllers are also included. Simulations and numerous experimental results highlight the promising features and characteristics of MFC applied to PMSM drives. As the last contribution, the MFC potentials pointed out in this dissertation should stimulate further exploration and study on this type of controller to achieve the familiarity required to transfer the results to practical applications.
L'électrification des transports est l'une des solutions pertinentes pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. En effet, les nouvelles normes européennes imposent des limites de plus en plus restrictives sur les émissions de CO₂ par km. Ce contexte constitue un enjeu industriel essentiel pour les constructeurs automobiles. Ainsi, les industriels s'orientent vers des véhicules électriques (VE) dans lesquels un groupe motopropulseur électrique est présent. Cette unité est constituée d'une machine électrique alimentée par un convertisseur électronique de puissance statique connecté à une source d'énergie électrique et à un stockage. Différentes topologies ont été étudiées depuis plus de deux décennies pour la traction électrique, et plusieurs solutions ont été commercialisées. En conséquence, ces produits sont de plus en plus légers, fiables et performants tout en respectant les contraintes des constructeurs automobiles sur les coûts. Récemment, les moteurs à réluctance synchrone (SynRM) assistés par aimant permanent (PMa) ont été considérés comme une machine sans terre rare possible pour des applications de haute performance adaptées aux groupes motopropulseurs des VE. Cependant, pour obtenir un moteur d'entraînement efficace, trois étapes de la conception de l'entraînement global ne sont pas inévitables. Ces étapes sont l'optimisation de la conception du moteur, l'identification des paramètres du moteur et la mise en œuvre d'un système de commande avancé pour assurer un fonctionnement optimal. Par conséquent, cette thèse traite de la commande non linéaire haute performance du PMa-SynRM afin de découvrir les limites des systèmes de commande non linéaires existants. La commande différentielle basée sur la planéité est d'abord développée pour le système d'entraînement PMa-SynRM. Comme il s'agit d'une commande basée sur un modèle, les performances du système dépendent des paramètres du modèle du système, c'est-à-dire la résistance, l'inertie et la perturbation du couple externe. Ensuite, une commande sans modèle est présentée pour être utilisée dans la commande du SPMSM et du PMa-SynRM. Enfin, cette thèse a atteint l'objectif principal de découvrir la commande non linéaire haute performance du PMa-SynRM. En utilisant un prototype de PMa-SynRM comme banc d'essai fourni par le GREEN Lab. de l'Université de Loraine, cet article donne une description exhaustive de la procédure de conception d'un MPC appliqué à la commande combinée de la vitesse et du courant du moteur. Après une brève introduction des principes fondamentaux du MPC, la conception est illustrée en détail, avec une discussion étape par étape des principaux points critiques et des conseils pour les traiter avec succès. Des suggestions pour étendre la conception à différentes commandes d'entraînement sont également incluses. Des simulations et de nombreux résultats expérimentaux mettent en évidence les caractéristiques prometteuses du MFC appliqué aux variateurs PMSM. En guise de dernière contribution, les potentiels du MFC soulignés dans cette thèse devraient stimuler une exploration et une étude plus poussées de ce type de commande afin d'atteindre la familiarité requise pour transférer les résultats vers des applications pratiques.
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Dates and versions

tel-03699829 , version 1 (20-06-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03699829 , version 1

Cite

Songklod Sriprang. High-Performance Nonlinear Control for Permanent Magnet Assisted Synchronous Reluctance Motor. Electric power. Université de Lorraine; King Mongkut's university of technology Thonburi, 2021. English. ⟨NNT : 2021LORR0269⟩. ⟨tel-03699829⟩
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