Signal injection and averaging for position estimation of Permanent-Magnet Synchronous Motors

Sensorless control of Permanent-Magnet Synchronous Motors at low velocity remains a challenging task. A now well-established method consists in injecting a high-frequency signal and use the rotor saliency, both geometric and magnetic-saturation induced. This paper proposes a clear and original analysis based on second-order averaging of how to recover the position information from signal injection; this analysis blends well with a general model of magnetic saturation. It also experimentally demonstrates the relevance for position estimation of a simple parametric saturation model recently introduced by the authors

Adding virtual measurements by signal injection

We propose a method to "create" a new measurement output by exciting the system with a high-frequency oscillation. This new "virtual" measurement may be useful to facilitate the design of a suitable control law. The approach is especially interesting when the observability from the actual output degenerates at a steady-state regime of interest. The proposed method is based on second-order averaging and is illustrated by simulations on a simple third-order system

Energy-based modeling of electric motors

We propose a new approach to model electrical machines based on energy considerations and construction symmetries of the motor. We detail the approach on the Permanent-Magnet Synchronous Motor and show that it can be extended to Synchronous Reluctance Motor and Induction Motor. Thanks to this approach we recover the usual models without any tedious computation. We also consider effects due to non-sinusoidal windings or saturation and provide experimental data

Commande sans capteur des moteurs synchrones à aimants permanents par injection de signaux

This thesis addresses the problematic of sensorless low speed operation of permanent magnet synchronous motors (PMSM) by signal injection. We focus on the effects of magnetic and cross saturations because their compensation is paramount to solve this problematic. We propose an original way of modeling magnetic saturation using an energy approach (Lagrangian and Hamiltonian formulations), where the physical symmetries are exploited to simplify the expression of the magnetic energy. Experimental data show that a simple polynomial of degree 4 is sufficient to describe accurately magnetic saturation effects. Then we propose a clear and original analysis based on second-order averaging of how to recover the position information from signal injection (using the proposed model). We give an explicit relation between stator current ripples and rotor position; this relation is used in real time operation. Such magnetic saturation model and the resulting position estimates were tested and validated on two types of motors: with interior and surface permanent magnets (IPM and SPM). Experimental results obtained on a test bench show that estimation errors of the rotor position do not exceed few electrical degrees in the low speed operating domain.Cette thèse étudie la problématique du fonctionnement sans capteur et à basse vitesse des moteurs synchrones à aimant permanent par l'injection des signaux. Nous nous focalisons sur les effets de la saturation magnétique car leur compensation est primordiale pour résoudre cette problématique. Nous proposons une méthode originale pour modéliser la saturation magnétique en utilisant une approche énergétique (les formulations Lagrangienne et Hamiltonienne), où les symétries physiques sont exploitées pour simplifier l'expression de l'énergie magnétique. Les données expérimentales montrent qu'un polynôme de degré 4 est suffisant pour décrire avec précision les effets de la saturation. Ensuite, nous proposons une analyse claire et originale basée sur la moyennisation de second ordre et qui explique comment obtenir l'information de position à partir de l'injection des signaux (en utilisant le modèle proposé). Nous donnons une relation explicite entre les oscillations des courants statoriques et la position du rotor; cette relation est utilisée en temps réel. Ce modèle de saturation magnétique ainsi que la procédure d'estimation de position ont été testés et validés sur deux types de moteurs : avec des aimants permanents à l'intérieur ou sur la surface du rotor. Les résultats expérimentaux obtenus sur un banc de test montrent que les erreurs d'estimation de la position du rotor n'excèdent pas quelques degrés électriques dans la zone d'opération à basse vitesse

Sensorless control of synchronous permanent magnet motors by signal injection

Cette thèse étudie la problématique du fonctionnement sans capteur et à basse vitesse des moteurs synchrones à aimant permanent par l'injection des signaux. Nous nous focalisons sur les effets de la saturation magnétique car leur compensation est primordiale pour résoudre cette problématique. Nous proposons une méthode originale pour modéliser la saturation magnétique en utilisant une approche énergétique (les formulations Lagrangienne et Hamiltonienne), où les symétries physiques sont exploitées pour simplifier l'expression de l'énergie magnétique. Les données expérimentales montrent qu'un polynôme de degré 4 est suffisant pour décrire avec précision les effets de la saturation. Ensuite, nous proposons une analyse claire et originale basée sur la moyennisation de second ordre et qui explique comment obtenir l'information de position à partir de l'injection des signaux (en utilisant le modèle proposé). Nous donnons une relation explicite entre les oscillations des courants statoriques et la position du rotor; cette relation est utilisée en temps réel. Ce modèle de saturation magnétique ainsi que la procédure d'estimation de position ont été testés et validés sur deux types de moteurs : avec des aimants permanents à l'intérieur ou sur la surface du rotor. Les résultats expérimentaux obtenus sur un banc de test montrent que les erreurs d'estimation de la position du rotor n'excèdent pas quelques degrés électriques dans la zone d'opération à basse vitesse.This thesis addresses the problematic of sensorless low speed operation of permanent magnet synchronous motors (PMSM) by signal injection. We focus on the effects of magnetic and cross saturations because their compensation is paramount to solve this problematic. We propose an original way of modeling magnetic saturation using an energy approach (Lagrangian and Hamiltonian formulations), where the physical symmetries are exploited to simplify the expression of the magnetic energy. Experimental data show that a simple polynomial of degree 4 is sufficient to describe accurately magnetic saturation effects. Then we propose a clear and original analysis based on second-order averaging of how to recover the position information from signal injection (using the proposed model). We give an explicit relation between stator current ripples and rotor position; this relation is used in real time operation. Such magnetic saturation model and the resulting position estimates were tested and validated on two types of motors: with interior and surface permanent magnets (IPM and SPM). Experimental results obtained on a test bench show that estimation errors of the rotor position do not exceed few electrical degrees in the low speed operating domain

Robust sensorless estimation of the position and magnet flux of PMSMs

International audienceWe show how the gradient observer proposed in Bernard & Praly, IFAC 2017, can be practically implemented to estimate online the rotor position and the magnet flux of salient PMSMs, using only electrical measurements and (approximate) knowledge of the resistance and inductance. This sensorless observer ensures global convergence provided the rotation speed remains away from zero and the current and voltages are bounded. Its robustness with respect to errors on parameters and the presence of magnetic saturation is shown, with explicit expression of the resulting steady state error. It is shown how to discretize and practically implement the observer at the PWM’s rate. This observer operates dynamically, in normal conditions, without any constraint on the load, and without any mechanical information. Its performance in open-loop are illustrated on experimental data on a SPM

Procédé de commande mis en oeuvre dans un convertisseur de puissance pour identifier des paramètres liés a la saturation magnétique d'un moteur electrique

L'invention concerne un procédé de commande mis en oeuvre dans un convertisseur de puissance comportant un onduleur (INV) connecté à un moteur électrique (M) synchrone à aimants permanents, ledit moteur électrique (M) étant modélisé dans le convertisseur de puissance par un modèle mathématique des courants du moteur électrique exprimant un courant de flux (I ) et un courant de couple (I ) en fonction de paramètres ([alpha] ) de saturation magnétique. Le procédé de commande consiste à identifier les paramètres ([alpha] ) de saturation magnétique lors d'une procédure d'apprentissage consistant notamment à appliquer un signal en tension statique et un signal en tension à haute fréquence suivant l'axe du flux et/ou l'axe du couple du moteur en vue d'entraîner une oscillation du courant sur l'axe du flux et/ou sur l'axe du couple

Sensorless position estimation and control of permanent-magnet synchronous motors using a saturation model

International audienceSensorless control of permanent-magnet synchronous motors at low velocity remains a challenging task. A now well-established method consists of injecting a high-frequency signal and using the rotor saliency, both geometric and magnetic-saturation induced. This paper proposes a clear and original analysis based on second-order averaging of how to recover the position information from signal injection; this analysis blends well with a general model of magnetic saturation. It also proposes a simple parametric model of the saturated motor, based on an energy function which simply encompasses saturation and cross-saturation effects. Experimental results on a surface-mounted motor and an interior magnet motor illustrate the relevance of the approach

A Novel Observer for Induction Motors with an Application to Soft Starters

International audienc