Axis control optimization: autotuning techniques and frequency response analysis of industrial mechatronic systems

In the field of industrial automation, there is an increasing need to use optimal control systems that have low tracking errors and low power and energy consumption. The motors we are dealing with are mainly Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSMs), controlled by 3 different types of controllers: a position controller, a speed controller, and a current controller. In this thesis, therefore, we are going to act on the gains of the first two controllers by going to find, through the TwinCAT 3 software, what might be the best set of parameters. To do this, starting with the default parameters recommended by TwinCAT, two main methods were used and then compared: the method of Ziegler and Nichols, which is a tabular method, and advanced tuning, an auto-tuning software method of TwinCAT. Therefore, in order to analyse which set of parameters was the best,several experiments were performed for each case, using the Motion Control Function Blocks. Moreover, some machines, such as large robotic arms, have vibration problems. To analyse them in detail, it was necessary to use the Bode Plot tool, which, through Bode plots, highlights in which frequencies there are resonance and anti-resonance peaks. This tool also makes it easier to figure out which and where to apply filters to improve control.

Application of the Extended Kalman filter for speed sensorless control of PM synchronous machines

The increasing interest in the decarbonization process led to a rapidly growing trend of electrification strategies in the automotive industry. In particular, OEMs are pushing towards the development and production of efficient electric vehicles. Moreover, research on electric motors and their control are exploding in popularity. The increase of computational power in embedded control hardware is allowing the development of new control algorithm, such as sensorless control strategy. Such control strategy allows the reduction of the number of sensors, which implies reduced costs and increased system reliability. The thesis objective is to realize a sensorless control for high-performance automotive motors. Several algorithms for rotor angle observers are implemented in the MATLAB and Simulink environment, with emphasis on the Kalman observer. One of the Kalman algorithms already available in the literature has been selected, implemented and benchmarked, with emphasis on its comparison with the Sliding Mode observer. Different models characterized by increasing levels of complexity are simulated. A simplified synchronous motor with ”constant parameters”, controlled by an ideal inverter is first analyzed; followed by a complete model defined by real motor maps, and controlled by a switching inverter. Finally, it was possible to test the developed algorithm on a real electric motor mounted on a test bench. A wide range of different electric motors have been simulated, which led to an exhaustive review of the sensorless control algorithm. The final results underline the capability of the Kalman observer to effectively control the motor on a real test bench.

Studio di fattibilità per l'applicazione dei "positive displacement motors" in ambienti HT-HP

Questo studio concerne uno studio di fattibilità per l'applicazione dei "positive displacement motors" in ambienti ambienti fortemente critici, soggetti ad alta pressione e alta temperatura. Tali motori sono utilizzati nell'industria Oil & Gas per la perforazione di pozzi petroliferi. L’analisi è stata portata a termine attraverso definizione dell’intervallo di temperatura per cui le performance degli strumenti in commercio presenta il maggior numero di failures, compreso tra i 175°C e i 225°C , e per il quale si vuole riuscire a limitare i rischi connessi e le criticità associate, garantendo così il raggiungimento dei target con un maggior grado di affidabilità e disponibilità del PDM utilizzato. Analizzando le sollecitazioni agenti sul motore durante le fasi di utilizzo, è stato possibile rilevare le principali cause di rottura e malfunzionamento che, nella maggior parte dei casi, possono essere attribuite al rigonfiamento e alla degradazione del materiale elastomerico che costituisce lo statore della power section. Investigando in merito alle differenze e alle proprietà di resistenza di numerosi materiali elastomerici a diversi range di temperatura, sono stati evidenziati dei margini di ottimizzazione in particolare relativi alla potenziale riduzione e totale sostituzione della superficie elastomerica con materiale metallico. Ciò ha fatto si che fosse necessario un approfondimento sulle caratteristiche degli acciai e delle leghe metalliche, in termini di resistenza a corrosione, costo del materiale, resistenza meccanica e della capacità di mantenere elevate proprietà meccaniche con l’aumento della temperatura, al fine di individuare i migliori “candidati” per sostituire interamente il materiale elastomerico dello statore in materiale metallico e risolvere così il problema dell’applicazione dei PDM in ambienti HT-HP.

Power sharing e controllo modulare di macchine elettriche multi-trifase

La costante ricerca e lo sviluppo nel campo degli azionamenti e dei motori elettrici hanno portato ad una loro sempre maggiore applicazione ed utilizzo. Tuttavia, la crescente esigenza di sistemi ad alta potenza sempre più performanti da una parte ha evidenziato i limiti di certe soluzioni, dall’altra l’affermarsi di altre. In questi sistemi, infatti, la macchina elettrica trifase non rappresenta più l’unica soluzione possibile: negli ultimi anni si è assistito ad una sempre maggiore diffusione di macchine elettriche multifase. Grazie alle maggiori potenzialità che sono in grado di offrire, per quanto alcune di queste siano ancora sconosciute, risultano già essere una valida alternativa rispetto alla tradizionale controparte trifase. Sicuramente però, fra le varie architetture multifase, quelle multi-trifase (ovvero quelle con un numero di fasi multiplo di tre) rappresentano una soluzione particolarmente vantaggiosa in ambito industriale. Infatti, se impiegate all’interno di architetture multifase, la profonda conoscenza dei tradizionali sistemi trifase consente di ridurre i costi ed i tempi legati alla loro progettazione. In questo elaborato la macchina elettrica multi-trifase analizzata è una macchina sincrona esafase con rotore a magneti permanenti superficiali. Questa particolare tipologia di macchina elettrica può essere modellizzata attraverso due approcci completamente differenti: uno esafase ed uno doppio trifase. Queste possibilità hanno portato molti ricercatori alla ricerca della migliore strategia di controllo per questa macchina. L’obiettivo di questa tesi è di effettuare un’analisi comparativa tra tre diverse strategie di controllo applicate alla stessa macchina elettrica multi-trifase, analizzandone la risposta dinamica in diverse condizioni di funzionamento.

Design and implementation of a synchronous interleaved boost converter for fuel cell-powered catamaran

The present work describes the different stages of design, implementation, and validation procedures for an interleaved DC-DC boost converter intended for the 2022 Futura, a fuel cell-powered racing catamaran developed by the UniBoAT team. The main goal of the entire design has been the significant reduction of the weight of the converter by removing heat sinks and reducing component size while increasing its efficiency by adopting high-end power switches and the interleaved architecture operated with a synchronous control strategy. The obtained converter has been integrated into the structure containing the fuel cell stack obtaining a fully integrated system. The realized device has been based on an interleaved architecture with six phases controlled digitally through the average current mode control. The design has been validated through simulations carried out using the software LT-Spice, whereas experimental validations have been performed by means of laboratory bench tests and on-field tests. Detailed thermal and efficiency analyses are provided with the bench tests under the two synchronous and non-synchronous operating modes and with the adoption of the phase shedding technique. The prototype implementation and its performance in real operating conditions are also discussed. Eventually, it is underlined as the designed converter can be used in other applications requiring a voltage-controlled boost converter.