Sensorless Control of PMSM Drives using Kalman Filter for Speed and Load Estimation

Toft, Mads Wowk ; Aldous, Franz Alexander Rose

4. term

Energy Engineering, Master

2023

2023-06-01

95 pages

Elektriske motorer er brugt i mange applikationer og systemer, som f.eks. elektriske biler, vaskemaskiner, og elevatorer. En meget anvendt type af 3-faset elektriskmotorer er permanent magnetiseret synkronmotorer, grundet dens høje effektivitet og pålidelighed. Encoderer bruges ofte til position-og hastighedstilbagekobling for regulering, men har ofte større omkostninger og tilføjer pålidelighedsproblemer. Derfor er sensorløse reguleringsmuligheder undersøgt. Formålet med denne afhandling er at designe et sensorløst drev til permanent magnetiseret synkronmotorer, og undersøge hvordan et Kalman filter kunne blive introduceret til at forbedre systemets respons til belastninger. For at undersøge dette problem blev der taget udgangspunkt i en forsøgsopstilling, med et testmotorsys- tem koblet til et belastningsmotorsystem, med en encoder for validering. For at løse problemstillingen blev testmotorsystemet modelleret, en hastighedsregulering og kraftmomentestimator designet, tunet og implementeret. Derefter blev en estimeringsalgoritme baseret på motorens modelektromotorisk kraft og tilhørende fase-låste sløjfer designet for position-og hastighedsfiltrering. Denne estimeringstuktur blev analyseret og et Kalman filter blev implementeret som afløste kraftmomentestimatoren samt den fase-låste sløjfe for hastigheden. Begge estimeringsstrukturer blev testet og deres estimeringer blev brugt til hastighedstilbagekobling og kraftmomentfremkobling. Her blev det observeret at estimeringstrukturen med de fase-låste sløjfer og kraftmomentestimatoren tog 0,7 sekunder med oscillationer før den ramte en stationær tilstand efter en kraftmoments belastning. Strukturen med Kalman filteret tog derimod 0,3 med ingen oscillationer før den nåede en stationær tilstand. Det konkluderes at tilføje et Kalman filter i estimeringstukturen kan forbedre et sensorløst drevs respons til momentbelastninger.

Electric motors are found in many appli- ances, a common AC motor is the PMSM, which has a high reliability. Encoders are used for position and speed feedback, but add extra cost and reliability problems. Sensorless control options are therefore ex- plored as an alternative. This thesis inves- tigates implementing a Kalman filter in an existing sensorless drive structure to im- prove its performance. This is done using a laboratory setup, where a PMSM based drive system was coupled to a load motor, with an encoder for validation purposes. The PMSM is modelled in the different ref- erence frames, and a speed controller is de- signed and validated. A sensorless estima- tion structure, with two phase locked loops and a load observer is then designed and validated. This control structure is then modified to include a Kalman filter. These two estimation structures are tested and compared. Here it was concluded that the Kalman structure has improved the load transient response.

Download
View record in AAU Student Projects