CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Design and implementation of sensor-based and sensorless control of a PMSM test system
KTH, School of Electrical Engineering and Computer Science (EECS).
2019 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

Transportation of liquids and gasses in industries in forms of pumping and fanning, constitutes asignificant part of the world-wide electric energy consumption. In order to meet global environmentalgoals of greenhouse gas emissions and sustainable material usage, the development of efficiency andtechnical lifetime of industrial pump and fan technology, are key. Innovative designs of electricmotors, motor control and electronics have improved the energy efficiency and technical lifetime ofresidual and wastewater pumps technologies. Mid-sized wastewater submersible pumps are oftenused in hazardous environments, where the pumped medium consists of a mixture of water, sludgeand solids. Solids in wastewater such as textiles are prone to get stuck in the impeller of the pump,thereby halting the motion, lower the efficiency or completely locking the rotor. An aspect ofimportance is henceforth the pump’s ability to provide full torque at low or start-up speed toovercome the blockade of the solids. “Xylem Water Solutions” most modern and advanced wastewater pump consists of a permanent magnet synchronous motor (PMSM) for obtaining a vastincrease of efficiency compared to induction motors traditionally used in wastewater pumpingapplications. Also, PMSM’s can provide full torque at zero speed. PMSM’s are commonly controlledby position-sensorless means. However, obtaining full torque at low- or zero speed is for sensorlessPMSM control extremely challenging.The thesis project examines sensor-based PMSM control and compares this to conventionalsensorless strategies. This was done both by building and analysing a simulated model inSIMULINK/MATLAB of both a sensor-based and sensorless drive system. Secondly, a laboratorytest system was implemented with a motor drive platform with programmable motor controlalgorithms. This was done partially to grasp the knowledge of implementation and design of motorcontrol, and partially to enable tests and comparisons between different motor control strategies in amotor brake bench test rig located at the lab of Xylem Water Solutions Sundbyberg.The implementation of the motor control platform lab system was successfully implemented and ranwith the vendors pre-configured sensorless control. An own interrupt-driven sensor-based cascadedmotor control algorithm was designed in SIMULINK where all suggestions of design andimplementation are outlined in the report. However, during an early step of the test procedure ofthe pre-programmed sensorless control code, the hardware equipment malfunctioned and caused abreakdown of the current-sensors of the controlled inverter. This led to disabled test equipment andleft the own-written code unverified at the time of the project’s end.The results from the simulation resulted in a successfully implemented SCVM model and a sensorbasedmotor control model. The sensored model was implemented by assuming synchronization atany given moment, whereas the SCVM finds the position angle by estimating the back-EMF of themotor. The simulated sensored and SCVM controls performs well for the targeted system application.Parametric study of the SCVM model suggests that both the stator winding resistance and thesynchronous inductance should be underestimated for guaranteed synchronization at start-up.

Abstract [sv]

Förflyttning av vätskor och gaser med hjälp av pumpar och fläktar i industustriella applikationerstår för en signifikant del av den globala konsumtionen av elektrisk energi. För att möta miljömålmed avseende på utsläpp av växthusgaser och hållbar användning av naturresurser är effektiviseringoch ökad teknisk livslängd inom industriell pump- och fläktteknologi viktigt. Förbättrad design avelektriska motorer, motorstyrning och elektronik har ökat energieffektiviteten och den tekniskalivslängden för avloppsvattenpumpar. Medelstora nedsänkta avloppspumpar används ofta iutmanande miljöer, där det pumpade mediet består av en blandning av vatten, slam och fastmaterial. Fasta material såsom textilier i avloppsvatten riskerar att orsaka problem för pumpargenom att fastna i impellern och därmed göra pumprörelsen ojämn, sänka verkningsgraden ellertotalt låsa rotorn. Därför är en viktig egenskap hos en högpresterande och pålitlig pump dessförmåga att leverera fullt vridmoment vid uppstart och vid låga hastigheter, för att kunna hanteramaterial som fastnat. “Xylem Water Solutions” modernaste och mest avanceradeavloppsvattenpump har en synkron permanentmagnetmotor (PMSM) vilket ger en betydandeeffektivitetsökning jämfört med traditionella induktionsmotorer. Dessutom kanpermanentmagnetmotorer ge fullt vridmoment vid noll hastigheten. PMSM:er styrs vanligen utanpositionsgivare. Dock är det extremt utmanande att uppnå fullt vridmoment vid låg eller nollhastighet för givarlös PMSM-styrning.Avhandlingens projekt undersöker givarbaserad PMSM-styrning och jämför detta medkonventionella givarlösa strategier. Detta utfördes för det första genom att konstruera och analyseraen simuleringsmodell i SIMULINK/MATLAB för både en givarbasera och en givarlös drivlina. Fördet andra implementerades ett testsystem i laboratorium bestående av en drivlina framtagen förprogrammeringsbar motorstyrning. Projektet genomfördes dels för att bygga kunskap om designoch implementering av motorstyrning, dels för att möjliggöra tester och jämförelser mellan olikastrategier för motorstyrning i en befintlig testbänk för motorbromsning i Xylem Water Solutionslaboratorium i Sundbyberg.Implementering av motorstyrningsplattformen och drivlinan genomfördes framgångsrikt ochkördes med leverantörens förkonfigurerade styrning av givarlös typ. En egen givarbaserad algoritmför motorstyrning designades i SIMULINK. Alla förslag rörande design och implementering avdenna algoritm summeras i rapporten. Under ett av de tidiga stegen i testproceduren för denförprogrammerade koden för givarlös styrning fallerade dock hårdvaran och orsakade attströmgivarna i den styrda växelriktaren havererade. Detta ledde till inaktiverad testutrustning ochlämnade den egenskrivna programkoden overifierad vid tiden för projektets avslutning.Resultaten från simuleringen gav en framgångsrikt implementerad SCVM (Statiskt kompenseradspänningsmodell) och en givarbaserad modell för motorstyrning. Den givarbaserade modellenrealiserades genom att anta synkronisering vid varje givet tillfälle, medan SCVM-modellenbestämmer positionsvinkeln genom att estimera motorns back-EMF. De simuleradestyrmodellerna, den givarbaserade och SCVM, fungerar båda väl för målapplikationen.Parameterstudier av SCVM-modellen tyder på att både statorns lindningsresistans och densynkrona induktansen ska estimeras i underkant för att garantera synkronisering vid uppstart.

Place, publisher, year, edition, pages
2019. , p. 59
Series
TRITA-EECS-EX ; 2019:559
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-266119OAI: oai:DiVA.org:kth-266119DiVA, id: diva2:1381406
External cooperation
Xylem
Educational program
Master of Science - Electric Power Engineering
Examiners
Available from: 2019-12-20 Created: 2019-12-20 Last updated: 2019-12-20Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(3464 kB)24 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 3464 kBChecksum SHA-512
4e12ce1a40c20844e8495714ee84ccb1637fc36f312e2b423a9db10590b8601e46b9fdecb31ce83b833121f408b1ebf44501aad7ccd65559ca66df8eef46d8cc
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
School of Electrical Engineering and Computer Science (EECS)
Engineering and Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 24 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 51 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf