Position Self-Sensing of Permanent

FACULTY OF ENGINEERING
Department of Electrical Engineering
and Energy Technology
POLYTECHNIC FACULTY
Department of Communication,
Information, Systems and Sensors
Position Self-Sensing of
Permanent-Magnet Machines using
High-Frequency Signal Injection
Thesis submitted in fulfillment of the requirements for the award of the degree of
Doctor in de ingenieurswetenschappen (Doctor in Engineering Sciences) by
Fabien Gabriel
April, 2013
Promoters:
Advisers:
Prof. Philippe Lataire
Prof. Xavier Neyt
Prof.
Prof.
Prof.
Prof.
Prof.
Prof.
Jacques Tiberghien
Rik Pintelon
Johan Deconinck
Frederik De Belie
Marc Acheroy
Ralph Kennel
Ph.D. jury
Prof. Dr. ir. Philippe Lataire
Prof. Dr. ir. Xavier Neyt
Em. Prof. Dr. ir. Jacques Tiberghien
Prof. Dr. ir. Rik Pintelon
Prof. Dr. ir. Johan Deconinck
Prof. Dr. ir. Frederik De Belie
Em. Prof. Dr. ir. Marc Acheroy
Prof. Dr. Ing. Ralph Kennel
ETEC/VUB, Belgium - Promotor
CISS/RMA, Belgium - Promotor
ETRO/VUB, Belgium - President
ELEC/VUB, Belgium - Vice president
ETEC/VUB, Belgium - Secretary
EELAB/UGent, Belgium
CISS/RMA, Belgium
TUM, Germany
This work was financed by the Belgian government as part of the Belgian Defense
research program F0709.
Vrije Universiteit Brussel - Faculteit Ingenieurswetenschappen
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“imitant en ceci les voyageurs, qui, se trouvant égarés en quelque
forêt, ne doivent pas errer en tournoyant tantôt d’un côté tantôt d’un
autre, ni encore moins s’arrêter en une place, mais marcher toujours
le plus droit qu’ils peuvent vers un même côté, et ne le changer point
pour de foibles raisons, encore que ce n’ait peut-être été au commencement que le hasard seul qui les ait déterminés à le choisir; car, par ce
moyen, s’ils ne vont justement où ils désirent, ils arriveront au moins
à la fin quelque part où vraisemblablement ils seront mieux que dans
le milieu d’une forêt.”
René Descartes, la morale par provision, Discours de la méthode III, 1637
Thanks to all who helped me to make choices.
Samenvatting
Roterende elektrische machines spelen een belangrijke rol in ons dagelijks leven.
Dankzij de kleine afmetingen, de lange levensduur, de hoge efficintie en beperkt
hoorbaar geluid worden ze in vele gevallen beschouwd als lange-termijn alternatieven om traditionele verbrandingsmotoren en hydraulische actuatoren te vervangen. Gedurende voorbije decenia zijn permanent-magneet (PM) machines aangewend in toepassingen die hoge efficintie en compactheid vereisen, zoals in de
aandrijving van elektrische en hybride voertuigen. De optimale controle van het
in deze machines geproduceerde koppel vereist kennis van de rotorpositie, traditioneel opgemeten met behulp van specifieke positiesensoren. Deze sensoren zijn
veelal fragiel, vereisen ruimte en zijn kostelijk. Daarom wordt intensief onderzoek
verricht naar zogenaamde positie-sensorloze strategin waarbij sensoren vervangen
worden door zelfwaarnemende schatters: de rotorpositie wordt getraceerd op basis
van de identificatie van een positie-afhankelijk fenomeen binnen de machine. Twee
voorname fenomenen zijn afhankelijk van de rotorpositie: vooreerst de elektromotorische kracht (back-emf), deze bevat de bijdrage van het PM-veld aan rotorzijde
tot de in de statorwinding genduceerde spanning. Dit fenomeen verdwijnt echter
bij lage snelheden. Ten tweede kan de positie teruggevonden worden in de magnetische anisotropie die een richting aangeeft varirend met de rotor positie. Deze
anisotropie is voornamelijk aanwezig in vele PM-machines en kan geschat worden
van stilstand tot hogere snelheden door de injectie van hoog-frequente signalen
bovenop de vermogenssignalen.
Dit doctoraat richt zich op de anisotropie-gebasseerde zelfwaarnemende schatters door injectie van hoog-frequente testsignalen en dit voor een uitdagende experimentele machine. Deze machine heeft bepaalde kenmerken die aanleiding geven
tot waarneembare fouten in de positieschatter. Onder andere de misalignering van
de anisotropierichting ten opzichte van de rotorpositie, de sterke invloed van weerstand en wervelstromen, en de problemen door niet-lineariteiten in de voedingsspanning. De analyse hiervan is verbonden met een laatste probleem dat gerelateerd
is met het onderscheid maken tussen signalen voor de zelfwaarnemende werking en de vermogenssignalen voor de koppelcontrole. Vele van deze problemen
worden vaak verwaarloosd, of slechts gedeeltelijk beschouwd in vele zelfwaarne-
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SAMENVATTING
mende methoden teruggevonden in de huidige stand van zaken. Als gevolg van hun
belang tijdens de onderzoeksexperimenten, was het echter noodzakelijk om deze
problemen samen te beschouwen. Verbeterde oplossingen die gebruik maken van
de hoogst-mogelijke frequentie in de signaalinjectie worden in dit doctoraatswerk
voorgesteld.1
1
Thanks to Frederik De Belie for help with the translation
Résumé
Les machines électriques jouent un rôle croissant dans notre quotidien. Grâce à
leur taille réduire, leur durée de vie importante, leur efficacité énergétique et leur
faible niveau de bruit, elles sont de plus en plus considérées comme des alternatives à long terme aux engins à combustions et aux actuateurs hydrauliques. Depuis
une dizaine d’années, les machines à aimants permanents ont émergé pour des applications nécessitant un haut degré d’efficacité et de compacité, telles que dans
les véhicules électriques et hybrides. La production du couple optimal requiert
cependant la connaissance de la position du rotor par le contrôleur. Cette position est habituellement mesurée par des capteurs spécifiques qui sont fragiles,
prennent de la place et ont un coût. Récemment, de nombreuses études se sont
portées sur des stratégies dites sans capteur de position, où le capteur est substitué
par des méthodes d’auto-estimation : la position du rotor est suivie en se basant
sur des phénomènes apparaissant dans la machine elle-même et qui dépendent de
sa position rotorique. Il en existe principalement deux : le premier est la force
contre-électromotrice définie comme la tension induite par les aimants permanents
disposés au rotor. Ce phénomène disparait cependant à faible vitesse. Le second se
situe dans une caractéristique magnétique anisotropique de la machine, présentant
une orientation préférentielle indiquant la position du rotor. Cette anisotropie est
particulièrement prononcée dans de nombreuses machines à aimants permanents,
permettant une estimation de la position depuis l’arrêt jusqu’à de grandes vitesses.
L’estimation peut être effectuée en mesurant la réponse à l’injection de signaux
haute fréquence en sus des signaux de puissance.
Cette thèse de doctorat se concentre sur les méthodes d’auto-estimation basées
sur l’anisotropie en utilisant des signaux haute fréquence. Elles sont appliquées au
cas d’une machine expérimentale à aimants permanents qui présente certaines caractéristiques non idéales, conduisant à des erreurs notables dans l’estimation de la
position. Parmi celles-ci, nous avons des décalages importants entre l’orientation
de l’anisotropie et la position du rotor, un impact de la résistance au stator et des
courants de Foucault affectant l’estimation de l’orientation, ainsi que des nonlinéarités dans la tension d’alimentation. Leurs analyses sont combinées avec le
problème de la séparation des signaux haute fréquence de ceux de puissance qui
viii
RÉSUMÉ
commande le couple fourni par la machine. Ces aspects sont souvent négligés
ou considérés séparément dans les publications trouvée dans la littérature récente.
Cependant, dû à leur importance dans notre cas expérimental, il est indispensable
de les considérer ensemble. Une solution est proposée dans cette thèse, utilisant la
plus haute fréquence possible de l’onduleur de tension pour l’injection de signal.
Summary
Rotating electric machines play an increasing role in our daily lives and in all
power levels such as power generation, boats, submarines and vehicles propulsion, industrial machinery, medical robotics, aerospace actuators, door actuators,
etc., for civil applications as well as military applications. Their small size, their
robustness and their lifetime, their high dynamic performances, their energy efficiency and their reduced noise levels are some of the many advantages compared
to traditional combustion engines and hydraulic actuators.
In recent decades, designs such as permanent-magnet (PM) machines have
emerged thanks to the manufacturing progress and the reduction of rare-earth magnet costs. In some applications, such as vehicle propulsion, the polyphase PM machines present important benefits compared to other machine types: high-torque
density (ratio between the peak torque and the required machine mass), no rotor
electrical-circuit (that would introduce manufacturing costs and that would require
a connection system such as brushes and slip rings) resulting in compactness gain,
and simple control methods. An optimal and stable torque, with small losses, can
be reached by the use of a digital controller commanding a polyphase voltagesource inverter (VSI). The optimal control requires however the knowledge of the
rotor position. This position can be measured by dedicated position sensors mechanically mounted on the rotor shaft (such as encoders or resolvers) or placed in
the rotor iron-block (such as hall-effect sensors or field-measurements windings).
These additional sensor devices are often fragile (relative to mechanical vibrations
and temperature variations, resulting to early ageing) and they introduce a risk of
failure (leading to possible invalid control and dramatic damages), they require
space (cabling and processing in addition to the sensor device) and they have a
cost (purchase price and maintenance costs).
Intensive research is therefore performed in order to remove these sensors and
replace them through the development of so-called position-sensorless methods,
also called position-self-sensing methods. The latter terminology is preferred in
this document since it reflects the principle: some electromagnetic phenomena in
the machine, that vary with the rotor position, are used to estimate that position.
These phenomena can be observed and the position can be tracked from measur-
x
SUMMARY
able electrical variables, such as currents and voltages at the machine terminals.
Most methods use the same sensors as those used for the control. Some other
methods use additional current or voltage sensors dedicated to the self-sensing operations. All these self-sensing methods also benefit to hostile environment applications thanks to their increased reliability or can be used for emergency operations
in case of sensor failures.
Many of the self-sensing strategies are based on the back-electromotive force
(back-EMF), that is defined as the voltage induced by the magnetic field generated
from the rotor side. In synchronous machines, such as PM machines, the backEMF is a reliable source for the estimation since it is closely related to the rotor
position. The magnitude of this phenomenon is however related to the rotation
speed. Therefore, the position information becomes inaccurate at low speed, and
completely vanishes at standstill.
Latest and promising self-sensing strategies make use of high-frequency voltage signals, injected in the terminals in addition to the power signals used for
the rotation-drive control (also called fundamental-signal control). They are reliable over a wide speed range from standstill. The related high-frequency current
response allows to identify the orientation of a phenomenon called magnetic anisotropy, that is generally function of the rotor position. This anisotropy is particularly pronounced in many PM machines, mainly due to magnetic saturation effects
in the iron, and in many other machines with salient poles. These strategies however come with several new problems and issues that are, for many, still topics of
intensive research.
This Ph.D. thesis summarizes a research work focusing on the anisotropybased self-sensing methods using high-frequency signal-injections without additional sensors. Different types of signals were implemented, such as the so-called
test pulses, rotating and pulsating signals, at different frequencies. The progress
was closely related to the issues faced during the implementation of the methods on
a challenging experimental three-phase Brushless DC (BLDC) machine controlled
as a PM synchronous machine (PMSM). Among them, we have the misalignment
between the rotor position and the anisotropy, whose orientation is identified by the
high-frequency signals. This can be due to significant load currents in the stator or
to space harmonics in the magnetic field and in the stator winding distribution. This
misalignment causes errors in the estimated position, to be considered or compensated before its use in the rotation-drive control. The theory of this misalignment
is largely developped in this thesis. Another important issue is consequent to nonlinearities in the voltage supplied by the VSI, resulting in identification errors.
Compensation of some nonlinearities and prevention strategies from other uncompensable ones is introduced in this thesis. Another issue comes from the impact
of the resistor and the eddy currents in the identification operations. Their analysis are combined with a last issue related to the separation between the signals for
the self-sensing operations and the signals for the rotation-drive operations. It is
shown that these issues are significantly improved using the highest possible frequency for the signal injection, that is one third of the sampling frequency (for
SUMMARY
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rotating signals) or half the sampling frequency (for pulsating signals) used for the
digital operations.
Many of these issues are often neglected, or partially considered, in most of the
self-sensing control methods found in the recent state-of-the-art. Due to their significance during the research experimentation, it was however required to consider
all of them together. This lead to many questions and analysis of the phenomena
in order to propose efficient solutions. These solutions are largely detailed in this
thesis. Note that they can be generalized to other machine characteristics and many
machine types.