High efficiency sensorless fault tolerant control of permanent magnet assisted synchronous reluctance motor

Abstract

In the last decades, the development trends of high efficiency and compact electric drives on the motor side focused on Permanent Magnet Synchronous Machines (PMSMs) equipped with magnets based on the rare-earth elements. The permanent magnet components, however, dramatically impact the overall bill of materials of motor construction. This aspect has become even more critical due to the price instability of the rare-earth elements. This is why the Permanent Magnet Assisted Synchronous Reluctance Motor (PMaSynRM) concept was brought to the spotlight as it gives comparable torque density and similar efficiencies as PMSM although at a lower price accredited for the use of magnets built with ferrite composites. Despite these advantages, PMaSynRM drive design is much more challenging because of nonlinear inductances resulting from deep cross saturation effects.

It is also true for multi-phase PMSM motors that have gained a lot of attention as they proportionally split power by the increased number of phases. Furthermore, they offer fault-tolerant operation while one or more phases are down due to machine, inverter, or sensor fault. The number of phases further increases the overall complexity for modeling and control design. It is clear then that a combination of multi-phase with PMaSynRM concept brings potential benefits but confronts standard modeling methods and drive development techniques.

This Thesis consists of detailed modeling, control design, and implementation of a five-phase PMaSynRM drive for normal healthy and open phase fault-tolerant applications. Special emphasis is put on motor modeling that comprises saturation and space harmonics together with axial asymmetry introduced by rotor skewing. Control strategies focused on high efficiency are developed and the position estimation based on the observer technique is derived. The proposed models are validated through Finite Element Analysis (FEA) and experimental campaign. The results show the effectiveness of the elaborated algorithms and methods that are viable for further industrialization in PMaSynRM drives with fault-tolerant capabilities.

En últimas décadas, las tendencias de desarrollo de accionamientos eléctricos compactos y de alta eficiencia en el lado del motor se centraron en las maquinas síncronas de imanes permanentes (PMSM) equipadas con imanes basados en elementos de tierras raras. Sin embargo, los componentes de imán permanente impactan dramáticamente en el coste de construcción del motor. Este aspecto se ha vuelto aún más crítico debido a la inestabilidad de precios de los elementos de tierras raras. Esta es la razón por la que el concepto de motor de reluctancia síncrona asistido por imán permanente (PMaSynRM) se ha tomado en consideración, ya que ofrece una densidad de par comparable y eficiencias similares a las de PMSM, aunque a un precio más bajo acreditado para el uso de imanes construidos con compuestos de ferritas. A pesar de drive PMaSynRM resulta muy complejo debido a las inductancias no lineales que resultan de los efectos de saturación cruzada profunda. Esto también es cierto para los motores PMSM polifásicos que han ganado mucha atención en los últimos años, en los que se divide proporcionalmente la potencia por el mayor número de fases. Además, ofrecen operación tolerante a fallas mientras una o más fases están inactivas debido a fallas en la máquina, el inversor o el sensor. Sin embargo, el número de fases aumenta aún más la complejidad general del diseño de modelado y control. Está claro entonces que una combinación de multifase con el concepto PMaSynRM tiene beneficios potenciales, pero dificulta los métodos de modelado estándar y las técnicas de desarrollo del sistema de accionamiento. Esta tesis consiste en el modelado detallado, el diseño de control y la implementación de un drive PMaSynRM de cinco fases para aplicaciones normales en buen estado y tolerantes a fallas de fase abierta. Se pone especial énfasis en el modelado del motor que comprende la saturación y los armónicos espaciales junto con la asimetría axial introducida por la inclinación del rotor. Se desarrollan estrategias de control enfocadas a la alta eficiencia y se deriva la estimación de posición basada en la técnica del observador. Los modelos propuestos se validan mediante Análisis de Elementos Finitos (FEA) y resultados experimentales. Los resultados muestran la efectividad de los algoritmos y métodos elaborados, que resultan viables para la industrialización de unidades PMaSynRM con capacidades tolerantes a fallas.