Critical Aspects of Electric Motor Drive Controllers and Mitigation of Torque Ripple - Review

Electric vehicles (EVs) are playing a vital role in sustainable transportation. It is estimated that by 2030, Battery EVs will become mainstream for passenger car transportation. Even though EVs are gaining interest in sustainable transportation, the future of EV power transmission is facing vital concerns and open research challenges. Considering the case of torque ripple mitigation and improved reliability control techniques in motors, many motor drive control algorithms fail to provide efficient control. To efficiently address this issue, control techniques such as Field Orientation Control (FOC), Direct Torque Control (DTC), Model Predictive Control (MPC), Sliding Mode Control (SMC), and Intelligent Control (IC) techniques are used in the motor drive control algorithms. This literature survey exclusively compares the various advanced control techniques for conventionally used EV motors such as Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM), Brushless Direct Current Motor (BLDC), Switched Reluctance Motor (SRM), and Induction Motors (IM). Furthermore, this paper discusses the EV-motors history, types of EVmotors, EV-motor drives powertrain mathematical modelling, and design procedure of EV-motors. The hardware results have also been compared with different control techniques for BLDC and SRM hub motors. Future direction towards the design of EV by critical selection of motors and their control techniques to minimize the torque ripple and other research opportunities to enhance the performance of EVs are also presented.publishedVersio

ANFIS based Direct Torque Control of PMSM Motor for Speed and Torque Regulation

Nowadays, the Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSM) are gaining popularity among electric motors due to their high efficiency, high-speed operation, ruggedness, and small size. PMSM motors comprise a trapezoidal electromotive force which is also called synchronous motors. Direct Torque Control (DTC) has been extensively applied in speed regulation systems due to its better dynamic behavior. The controller manages the amplitude of torque and stator flux directly using the direct axis current. To manage the motor speed, the torque error, flux error, and projected location of flux linkage are employed to adjust the inverter switching sequence via Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM). One of the most common problems encountered in a PMSM motor is Torque ripple, which is recreated by power electronic commutation and a better controller reduces the ripples to increase the drive's performance. Conventional controllers such as PI, PID and SVPWM-DTC were compared with the proposed Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System (ANFIS) in terms of performance measures such as speed and torque ripple. In this work, the Two-Gaussian membership function of the ANFIS controller is used in conjunction with a PMSM motor to reduce torque ripple up to 0.53 Nm and maintain the speed with a distortion error of 2.33 %

Field Oriented Sliding Mode Control of Surface-Mounted Permanent Magnet AC Motors: Theory and Applications to Electrified Vehicles

Permanent magnet ac motors have been extensively utilized for adjustable-speed traction motor drives, due to their inherent advantages including higher power density, superior efficiency and reliability, more precise and rapid torque control, larger power factor, longer bearing, and insulation life-time. Without any proportional-and-integral (PI) controllers, this paper introduces novel first- and higher-order field-oriented sliding mode control schemes. Compared with the traditional PI-based vector control techniques, it is shown that the proposed field oriented sliding mode control methods improve the dynamic torque and speed response, and enhance the robustness to parameter variations, modeling uncertainties, and external load perturbations. While both first- and higher-order controllers display excellent performance, computer simulations show that the higher-order field-oriented sliding mode scheme offers better performance by reducing the chattering phenomenon, which is presented in the first-order scheme. The higher-order field-oriented sliding mode controller, based on the hierarchical use of supertwisting algorithm, is then implemented with a Texas Instruments TMS320F28335 DSP hardware platform to prototype the surface-mounted permanent magnet ac motor drive. Last, computer simulation studies demonstrate that the proposed field-oriented sliding mode control approach is able to effectively meet the speed and torque requirements of a heavy-duty electrified vehicle during the EPA urban driving schedule

Direct torque control of electric vehicle drives using hybrid techniques

Permanent magnet synchronous motors (PMSM) have the capability of delivering a high torque-to-current ratio, better efficiency and low noise. Because of the above-mentioned factors, PMSMs are commonly employed in variable speed drives, especially in electric vehicle (EV) applications. Without the usage of electromechanical devices, the conventional direct torque control (DTC) can control the speed and torque of PMSM. DTC is highly efficient, fast-tracking and provides smooth torque while limiting its ripple during transient periods. There are many benefits to using a DTC-controlled PMSM drive, including quick and reliable torque reaction, high-performance control speed, and enhanced performance. This research examines the use of the DTC approach to enhance the speed and torque behavior of PMSM. The jellyfish search optimizer (JSO) is used to adjust the DTC's responsiveness and tailor the controller's best gains. In order to train the adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) controller, JSO data are utilized. The simulation outcomes demonstrate that the proposed JSO-ANFIS controller achieves a minimal torque ripple of 0.26 Nm and preserves the speed with a harmonic error of 1.21% while contrasted to existing methods

Improved Model Predictive Current Control for SPMSM Drives With Parameter Mismatch

Model predictive current control (MPCC) can predict future motor behavior according to a motor model. In practice, however, motor parameters will vary at run time, and the parameter mismatch disturbances caused by the variation in motor parameters will deteriorate the MPCC performance. To suppress the parameter mismatch disturbances effectively, this paper proposes a modified MPCC with a current variation update mechanism. In contrast with the traditional current prediction equation that contains crude model parameters, the modified current prediction equation contains only measured information, taking advantage of the proposed current variation update mechanism, which can update the modified prediction equation within each sampling period. A simulation established by MATLAB software indicates that the proposed method can effectively suppress the parameter mismatch disturbances. Experiments are carried out to verify the correctness of the proposed method

Efficiency enhancement strategy implementation in hybrid electric vehicles using sliding mode control

Introduction. Hybrid electric vehicles are offering the most economically viable choices in today's automotive industry, providing best solutions for a very high fuel economy and low rate of emissions. The rapid progress and development of this industry has prompted progress of human beings from primitive level to a very high industrial society where mobility used to be a fundamental need. However, the use of large number of automobiles is causing serious damage to our environment and human life. At present most of the vehicles are relying on burning of hydrocarbons in order to achieve power of propulsion to drive wheels. Therefore, there is a need to employ clean and efficient vehicles like hybrid electric vehicles. Unfortunately, earlier control strategies of series hybrid electric vehicle fail to include load disturbances during the vehicle operation and some of the variations of the nonlinear parameters (e.g. stator’s leakage inductance, resistance of winding etc.). The novelty of the proposed work is based on designing and implementing two robust sliding mode controllers (SMCs) on series hybrid electric vehicle to improve efficiency in terms of both speed and torque respectively. The basic idea is to let the engine operate only when necessary keeping in view the state of charge of battery. Purpose. In proposed scheme, both performance of engine and generator is being controlled, one sliding mode controllers is controlling engine speed and the other one is controlling generator torque, and results are then compared using 1-SMC and 2-SMC’s. Method. The series hybrid electric vehicle powertrain considered in this work consists of a battery bank and an engine-generator set which is referred to as the auxiliary power unit, traction motor, and power electronic circuits to drive the generator and traction motor. The general strategy is based on the operation of the engine in its optimal efficiency region by considering the battery state of charge. Results .Mathematical models of engine and generator were taken into consideration in order to design sliding mode controllers both for engine speed and generator torque control. Vehicle was being tested on standard cycle. Results proved that, instead of using only one controller for engine speed, much better results are achieved by simultaneously using two sliding mode controllers, one controlling engine speed and other controlling generator torque.Вступ. Гібридні електромобілі пропонують найбільш економічно доцільний вибір у сучасній автомобільній промисловості, надаючи найкращі рішення для дуже високої економії палива та низького рівня викидів. Швидкий прогрес та розвиток цієї галузі підштовхнули людей до переходу від примітивного рівня до дуже високого індустріального суспільства, де мобільність була фундаментальною потребою. Однак використання великої кількості автомобілів завдає серйозної шкоди довкіллю та життю людини. Нині більшість транспортних засобів покладаються на спалювання вуглеводнів задля досягнення потужності руху на провідних колесах. Отже, необхідно використовувати чисті та ефективні транспортні засоби, такі як гібридні електромобілі. На жаль, раніше стратегії управління серійним гібридним електромобілем не враховували збурення навантаження під час роботи автомобіля і деякі зміни нелінійних параметрів (наприклад, індуктивність розсіювання статора, опір обмотки і т.д.). Новизна запропонованої роботи заснована на розробці та реалізації двох надійних контролерів ковзного режиму (SMC) на серійному гібридному електромобілі для підвищення ефективності з точки зору швидкості та моменту, що крутить, відповідно. Основна ідея полягає в тому, щоб дозволити двигуну працювати тільки тоді, коли це необхідно з урахуванням стану заряду акумулятора. Мета. У пропонованій схемі контролюються характеристики як двигуна, так і генератора, один контролер ковзного режиму регулює швидкість двигуна, а інший регулює крутний момент генератора, а потім результати порівнюються з використанням режимів 1-SMC і 2-SMC. Метод. Силова установка серійного гібридного електромобіля, що розглядається в даній роботі, складається з акумуляторної батареї та установки двигун-генератор, яка називається допоміжною силовою установкою, тяговим двигуном та силовими електронними схемами для приводу генератора та тягового двигуна. Загальна стратегія заснована на роботі двигуна в області оптимальної ефективності з урахуванням рівня заряду акумуляторної батареї. Результати. Математичні моделі двигуна та генератора були прийняті до уваги для розробки регуляторів ковзного режиму як для керування частотою обертання двигуна, так і для керування крутним моментом генератора. Транспортний засіб випробовувався за стандартним циклом. Результати показали, що замість використання лише одного регулятора частоти обертання двигуна набагато кращі результати досягаються при одночасному використанні двох регуляторів ковзного режиму, один з яких керує частотою обертання двигуна, а інший - моментом, що крутить, генератора

Efficiency enhancement strategy implementation in hybrid electric vehicles using sliding mode control

Introduction. Hybrid electric vehicles are offering the most economically viable choices in today's automotive industry, providing best solutions for a very high fuel economy and low rate of emissions. The rapid progress and development of this industry has prompted progress of human beings from primitive level to a very high industrial society where mobility used to be a fundamental need. However, the use of large number of automobiles is causing serious damage to our environment and human life. At present most of the vehicles are relying on burning of hydrocarbons in order to achieve power of propulsion to drive wheels. Therefore, there is a need to employ clean and efficient vehicles like hybrid electric vehicles. Unfortunately, earlier control strategies of series hybrid electric vehicle fail to include load disturbances during the vehicle operation and some of the variations of the nonlinear parameters (e.g. stator’s leakage inductance, resistance of winding etc.). The novelty of the proposed work is based on designing and implementing two robust sliding mode controllers (SMCs) on series hybrid electric vehicle to improve efficiency in terms of both speed and torque respectively. The basic idea is to let the engine operate only when necessary keeping in view the state of charge of battery. Purpose. In proposed scheme, both performance of engine and generator is being controlled, one sliding mode controllers is controlling engine speed and the other one is controlling generator torque, and results are then compared using 1-SMC and 2-SMC’s. Method. The series hybrid electric vehicle powertrain considered in this work consists of a battery bank and an engine-generator set which is referred to as the auxiliary power unit, traction motor, and power electronic circuits to drive the generator and traction motor. The general strategy is based on the operation of the engine in its optimal efficiency region by considering the battery state of charge. Results .Mathematical models of engine and generator were taken into consideration in order to design sliding mode controllers both for engine speed and generator torque control. Vehicle was being tested on standard cycle. Results proved that, instead of using only one controller for engine speed, much better results are achieved by simultaneously using two sliding mode controllers, one controlling engine speed and other controlling generator torque.Вступ. Гібридні електромобілі пропонують найбільш економічно доцільний вибір у сучасній автомобільній промисловості, надаючи найкращі рішення для дуже високої економії палива та низького рівня викидів. Швидкий прогрес та розвиток цієї галузі підштовхнули людей до переходу від примітивного рівня до дуже високого індустріального суспільства, де мобільність була фундаментальною потребою. Однак використання великої кількості автомобілів завдає серйозної шкоди довкіллю та життю людини. Нині більшість транспортних засобів покладаються на спалювання вуглеводнів задля досягнення потужності руху на провідних колесах. Отже, необхідно використовувати чисті та ефективні транспортні засоби, такі як гібридні електромобілі. На жаль, раніше стратегії управління серійним гібридним електромобілем не враховували збурення навантаження під час роботи автомобіля і деякі зміни нелінійних параметрів (наприклад, індуктивність розсіювання статора, опір обмотки і т.д.). Новизна запропонованої роботи заснована на розробці та реалізації двох надійних контролерів ковзного режиму (SMC) на серійному гібридному електромобілі для підвищення ефективності з точки зору швидкості та моменту, що крутить, відповідно. Основна ідея полягає в тому, щоб дозволити двигуну працювати тільки тоді, коли це необхідно з урахуванням стану заряду акумулятора. Мета. У пропонованій схемі контролюються характеристики як двигуна, так і генератора, один контролер ковзного режиму регулює швидкість двигуна, а інший регулює крутний момент генератора, а потім результати порівнюються з використанням режимів 1-SMC і 2-SMC. Метод. Силова установка серійного гібридного електромобіля, що розглядається в даній роботі, складається з акумуляторної батареї та установки двигун-генератор, яка називається допоміжною силовою установкою, тяговим двигуном та силовими електронними схемами для приводу генератора та тягового двигуна. Загальна стратегія заснована на роботі двигуна в області оптимальної ефективності з урахуванням рівня заряду акумуляторної батареї. Результати. Математичні моделі двигуна та генератора були прийняті до уваги для розробки регуляторів ковзного режиму як для керування частотою обертання двигуна, так і для керування крутним моментом генератора. Транспортний засіб випробовувався за стандартним циклом. Результати показали, що замість використання лише одного регулятора частоти обертання двигуна набагато кращі результати досягаються при одночасному використанні двох регуляторів ковзного режиму, один з яких керує частотою обертання двигуна, а інший - моментом, що крутить, генератора