Algorithms and Rotor Designs for the Position Estimation of PM Synchronous motors at Zero and Nonzero Speed

I convenzionali azionamenti elettrici per il controllo dei motori a Magneti Permanenti (PM) richiedo la conoscenza della posizione rotorica per poter applicare le trasformazioni dal sistema di riferimento stazionario a quello rotorico e viceversa. La posizione viene di norma determinata con un trasduttore di posizione che può essere un resolver, sonde ad effetto Hall o encoder. La presenza di questo trasduttore aumenta i costi, la grandezza e la complessità circuitale degli azionamenti e dei motori. Inoltre la loro manutenzione o sostituzione diventa difficoltosa in particolari applicazione, per es. pompe sommerse, macchine per l’eolico, ecc. L’eliminazione di questi trasduttori, quindi, risulta essere un gran vantaggio in termini di costi, affidabilità e riduzione della grandezza fisica del motore o anche dello stesso azionamento. E’ chiaro che questa eliminazione comporta che l’azionamento includa una tecnica alternativa in grado di stimare la posizione e la velocità rotoriche: questi azionamenti vengono definiti azionamenti sensorless. Negli ultimi anni la ricerca ha proposto diverse soluzioni di tipo sensorless che permettono la stima della posizione, diversificando per`o le tecniche per la regione di funzionamento in alta velocità da quelle in bassa velocità o a rotore fermo. Al giorno d’oggi, stimatori basati sulla ricostruzione del vettore di flusso o della fem (stimatori MRAS) vengono utilizzati per il primo caso, mentre nel secondo caso vengono utilizzati stimatori basati sulla iniezione di tensione ad alta frequenza. Mentre nel primo caso la tipologia di stimatore può essere applicata sia ai motori di tipo isotropi che con quelli anisotropi, la seconda tipologia di stimatore può essere applicata solo a motori anisotropi, visto che sfrutta la salienza magnetica per estrarre la posizione elettrica. Questa tesi verte appunto su queste due tipologie di stimatori, riassumendo in dettaglio i principali algoritmi utilizzati oggigiorno e implementandoli sia a livello simulativo che a livello sperimentale. Per una trattazione completa di questo argomento, vengono anche studiate le tre più comuni configurazioni rotoriche (a PM Interni, a PM a montaggio Superficiale ed Inset (incassati)) con una particolare attenzione verso quello che è il comportamento anisotropo o isotropo della macchina stessa e la possibilità di applicare uno o l’altro degli algoritmi sensorless descritti. Entrando in maggior dettaglio, per quanto riguarda lo stimatore MRAS, dopo una sua descrizione, viene presentato in una particolare applicazione che si riferisce ad un catamarano ibrido. Vengono quindi affrontate e discusse le problematiche legate alla strategia di partenza del motore tramite rampa di velocità, dell’aggancio sulla posizione stimata, dell’inversione di marcia. Inoltre viene studiata la sensitività dello stimatore che si dimostra dipendere dall’induttanza di statore e non dalla resistenza. Invece per quanto riguarda lo stimatore basato sull’iniezione di segnali ad alta frequenza è stato per prima cosa descritto sia nel caso con iniezione nel sistema di riferimento statorico sia in quello rotorico. Lo studio è stato effettuato con una formulazione di tipo generale, adattata poi per il tipo di iniezione di segnale effettuata. La trattazione tiene conto anche della induttanza differenziale mutua e questo ha permesso di ricavare un legame tra l’errore di stima la induttanza mutua stessa. Vengono presentati inoltre tre diversi schemi per l’estrazione della posizione elettrica: mediante regolatore PI, osservatore a due stati ed osservatore a tre stati. Dopo di che, lo stimatore con iniezione nel sistema di riferimento rotorico è stato testato sia in simulazione che su banco prova. La bontà dell’algoritmo di stima è stata provata su motori con due diverse configurazioni rotoriche: a PM Interni e di tipo Inset. L’induttanze diretta, in quadratura e mutua sono state studiate in dettaglio con il supporto di simulazioni agli elementi finiti (FEM). Grazie a questo studio è possibile prevedere l’errore di stima che verrà poi confrontato con quello ottenuto dalle prove sperimentali. Come detto in precedenza lo stimatore ad iniezione di segnale può essere utilizzato solo con quei motori che presentano una salienza magnetica. Da questa categoria quindi sono esclusi i motori SPM che, salvo alcune eccezioni come l’Inset, sono isotropi. Si è quindi pensato a come indurre in questi motori un comportamento anisotropo solo alle alte frequenze, cioè alle frequenze del segnale iniettato per la stima. In questa tesi viene presentata questa nuova configurazione rotorica definita "Ringed-pole". Questa consiste nella realizzazione di una gabbia di rotore inserendo degli anelli di rame cortocircuitato attorno a ciascun magnete permanente. La soluzione permette di andare a modificare alle alte frequenze il comportamento magnetico dell'asse diretto, mantenendo invariato quello di quadratura. In questo modo si viene a creare un comportamento anisotropo appunto alle alte frequenze, mantenendo però il comportamento isotropo della macchina per le basse frequenze. Questa caratteristica permette quindi di sfruttare lo stimatore basato sull'iniezione di tensioni alle alte frequenze, per la stima di posizione anche nel caso di motori SPM isotropi. Sono state eseguite simulazioni FEM e prove sperimentali per validare l’idea di base e provare l'effettiva possibilità della stima di posizione. Un secondo contributo riguarda la presentazione di un nuovo stimatore basato sulle armoniche di corrente causate dalla modulazione PWM. L'idea di base consiste nel pensare che la modulazione PWM effettui una intrinseca iniezione di tensione ad alta frequenza, più precisamente alla frequenza di switching. Queste tensioni inducono delle armoniche di corrente alla stessa frequenza che contiene l'informazione sulla posizione elettrica. L'informazione può essere estratta mediante uno schema di stima simile a quello che viene utilizzato nella normale iniezione di tensione. E' stata quindi effettuata una trattazione matematica per ricavare le espressioni delle componenti di tensione e di correnti alla frequenza di switching. Sono state eseguite delle simulazioni preliminari per confermare la correttezza dell’idea di base.