Innovative estimation and control techniques in electric drives for mechatronic applications

La ricerca presentata in questa tesi coinvolge molteplici aspetti che si legano alle più recenti metodologie di controllo studiate per azionamenti elettrici di ultima generazione. Lo studio teorico e la validazione in ambito sperimentale sono il frutto del lavoro svolto nel triennio di dottorato presso il laboratorio di azionamenti elettrici del Dipartimento di Tecnica e Gestione dei Sistemi Industriali dell’Università degli Studi di Padova. I temi di ricerca trattati sono principalmente tre, tutti legati alla realizzazione e allo sviluppo di algoritmi di controllo innovativi, capaci di incrementare l’efficienza e le prestazioni delle macchine elettriche di ultima generazione per applicazioni meccatroniche. Azionamenti elettrici in grado di garantire elevate prestazioni ma sufficientemente flessibili da aggiornare in tempo reale i diversi parametri coinvolti nel algoritmo di controllo sono il filo conduttore e la motivazione della presente ricerca, così come la sostituzione di logiche di controllo standard o obsolete con nuove architetture di controllo capaci di sfruttare le più recenti innovazioni hardware. Al fine di contestualizzare e motivare la ricerca condotta nel panorama mondiale, nell’introduzione di ciascun capitolo è inserito un esaustivo inquadramento bibliograficoinerente inerente il problema affrontato. La prima parte della tesi presenta due nuove architetture di controllo per motori sincroni a magnete permanente, tipologia di macchina elettrica notoriamente apprezzata dal mondo accademico e industriale sia per la sua flessibilità d’uso che per la sua facile controllabilità. In tal senso, nel Capitolo2 è descritto e formalizzato un controllo non lineare per motori sincroni a magnete permanente anisotropi, inseribile in schemi di controllo convenzionali ad orientamento di campo per ottenere la condizione di funzionamento a massima coppia su corrente (MTPA). L’esaustiva analisi di convergenza e stabilità condotta al fine di ottenere un nuovo ed originale metodo per la sintonizzazione del regolatore (comprovato da numerose evidenze sperimentali) è sicuramente una delle caratteristiche distintive per questo ramo della ricerca. Per la stessa tipologia di motore è stato poi sviluppato un controllo predittivo a stati finiti con struttura decisionale gerarchica. A differenza delle tecniche di controllo tradizionali, la soluzione studiata garantisce una dinamica veloce e la possibilità di imporre condizioni operative diverse, volte all’ottimizzazione e all’incremento dell’efficienza energetica. L’esecuzione on-line di tale algoritmo per le verifiche sperimentali si è resa fattibile grazie all’adozione di una piattaforma di controllo basata su logica FPGA (Capitolo3), in quanto la velocità di calcolo offerta da tali dispositivi, svincolata dall’esecuzione sequenziale delle istruzioni tipica dei microprocessori, garantisce tempi di esecuzione dell’algoritmo contenuti a pochi us. Nella seconda parte della tesi (Capitolo5) è presentata un innovativa tecnica di identificazione parametrica per motori asincroni, capace di stimare i parametri del circuito equivalente a Gamma-inverso del motore asincrono, a rotore fermo. Come noto, le saturazioni del circuito magnetico della macchina e le non linearità ad esso associate deteriorano le performances nei normali controlli vettoriali sensored e soprattutto sensorless. Il metodo di identificazione parametrica studiato affronta e risolve molti problemi connessi alla stima delle non linearità dei parametri, configurandosi a tutti gli effetti come un evoluzione delle classiche tecniche di identificazione presenti in letteratura. La fattibilità pratica del metodo, validata con innumerevoli prove sperimentali e simulazioni agli elementi finiti su tre diversi motori ad induzione, conclude il capitolo e prova in modo definitivo la realizzabilità del metodo.