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

Multi-objective torque control of switched reluctance machine

PhD ThesisThe recent growing interest in Switched Reluctance Drives (SRD) is due to the electrification of many products in industries including electric/hybrid electric vehicles, more-electric aircrafts, white-goods, and healthcare, in which the Switched Reluctance Machine (SRM) has potential prospects in satisfying the respective requirements of these applications. Its main merits are robust structure, suitability for harsh environments, fault-tolerance, low cost, and ability to operate over a wide speed range. Nevertheless, the SRM has limitations such as large torque ripple, high acoustic noise, and low torque density. This research focuses on the torque control of the SRD with the objectives of achieving zero torque error, minimal torque ripple, high reliability and robustness, and lower size, weight, and cost of implementation. Direct Torque Control and Direct Instantaneous Torque Control are the most common methods used to obtain desired torque characteristics including optimal torque density and minimized torque ripple in SRD. However, these torque control methods, compared to conventional hysteresis current control, require the use of power devices with a higher rating of about 150% to achieve the desired superior performance. These requirements add extra cost, conduction loss, and stress on the drive’s semiconductors and machine winding. To overcome these drawbacks, a simple and intuitive torque control method based on a novel adaptive quasi sliding mode control is developed in this study. The proposed torque control approach is designed considering the findings of an investigation performed in this thesis of the existing widely used control techniques for SRD based on information flow complexity. A test rig comprising a magnet assisted SRM driven by an asymmetric converter is constructed to validate the proposed torque control method and to compare its performance with that of direct instantaneous torque control, and current hysteresis control methods. The simulation and experimental results show that the proposed torque control reduces the torque ripple over a wide speed range without demanding a high current and/or a high switching frequency. In addition, It has been shown that the proposed method is superior to current hysteresis control method in the sensorless operation of the machine. Furthermore, the sensorless performance of the proposed method is investigated with the lower component count R-Dump converter. The simulation results have also demonstrated the excellent controller response using the standard R-Dump converter and also with its novel version developed in this thesis that needs only one current sensor

Mejora de las prestaciones de los convertidores de potencia para máquinas de reluctancia conmutada aplicadas a vehículo eléctrico.

326 p.Con unas normativas sobre emisión y consumo energético cada vez más restrictivas y una conciencia social cada vez más implicada en la necesidad de proteger el medio ambiente, los vehículos eléctricos (EVs) están atrayendo cada vez más la atención del sector de la automoción, político y de los consumidores. Los motores síncronos de imanes permanentes (PMSMs), debido a su gran densidad de potencia y eficiencia, han sido la tecnología de tracción dominante desde la década de los años 90. No obstante, estos motores son fabricados a partir de tierras raras. Las reservas de estos recursos son limitadas y su extracción provoca un gran impacto medioambiental. Por otra parte, los costes de los imanes basados en tierras raras han sufrido un incremento significativo en los últimos años. En este sentido, hay que constatar que el de los EVs es un mercado muy sensible con respecto a los costes.En este contexto, la elección de una alternativa de máquina eléctrica libre de tierras raras es una cuestión importante. Esta alternativa debe ser capaz de satisfacer los objetivos de eficiencia, robustez, densidad depotencia, simplicidad de control y costes establecidos por los distintos organismos internacionales. O en su defecto, mostrar un potencial para cumplir a corto/medio plazo.De entre todas las alternativas de máquinas libres de tierras raras, las máquinas de reluctancia conmutada (SRMs) son consideradas las candidatas más prometedoras para la próxima generación de EVs. Ésto es debido, principalmente, a que poseen características tales como una estructura simple, flexibilidad de control, alta eficiencia, bajos costes y robustez para funcionar en condiciones de fallo. Sin embargo, a causa del intercambio de grandes cantidades de energía magnética entre los devanados y la fuente de energía, es necesario incorporar grandes condensadores en el bus DC. Como consecuencia, se produce un aumento tanto del volumen como de los costes de los convertidores de potencia empleados.Ante este problema, es conveniente investigar en soluciones que aborden o que minimicen la estructura del convertidor. En esta tesis se aportan soluciones que van encaminadas a reducir el tamaño del condensador sin tener que acometer cambios estructurales en el convertidor de potencia de la SRM. Para ello, se realiza un análisis exhaustivo del estado de la tecnología SRM para, de esta forma, determinar la opción de topología de convertidor, control/modulación y tecnología de condensador que mejores prestaciones ofrece.A partir del análisis realizado, en esta tesis se presenta y valida un novedoso algoritmo de modulación para resolver la problemática de las altas corrientes en el bus DC del convertidor SRM. A dicho planteamiento se le ha denominado Modulación de Conmutación Sincronizada (Synchronized Switching Modulation, SSM), el cual se vale de un fenómeno de intercambio de energía entre fases para disminuir la dependencia del bus DC.La reducción en la corriente lograda en el bus DC tiene dos consecuencias directas en el condensador. Por un lado, permite disminuir su tamaño, reduciendo, así, los costes y el volumen de los condensadores a incorporar en el bus de continua. Por otro lado, dicha reducción de corriente redunda en un menor estrés térmico, lo cual aumenta la vida útil de los condensadores. Este segundo aspecto es analizado también en la presente tesis al realizarse un estudio sobre modelos de vida útil, modelos de daño acumulado y fiabilidad en los condensadores que conforman el convertidor SRM. Completando, de esta forma, el análisis del algoritmo SSM desarrollado.Los resultados obtenidos por el algoritmo SSM son positivos. Éste muestra una mejora en la corriente del bus DC del convertidor de potencia de hasta un 16 %, permitiendo una reducción del 20.8 % de la capacidad mínima requerida en el punto de operación más adverso, y un incremento de la eficiencia de hasta un 6 %. Asimismo, esa reducción en la corriente es suficiente para lograr un aumento del 13.83 % de la vida útil del condensador del bus de continua.Disponer de un modelo de vida útil fiable es, a la vez, muy importante y complicado. Sin embargo, el funcionamiento real de un EV es dinámico y el efecto de aplicar el algoritmo SSM depende de muchos otros factores (modelo de EV, aplicación de éste, ciclo de conducción, modelo de condensadores, etc.). Por todo esto, finalmente, en la presente tesis se define una metodología para predecir la vida útil de un condensador del bus de continua de un convertidor SRM a partir de la corriente que la atraviesa, es decir, a partir del conjunto de puntos operacionales (o ciclo de conducción) en el que está trabajando el tren de tracción del EV