Optimal Design of a Surface Mounted Permanent-Magnet BLDC Motor for Spacecraft Applications

This paper presents the optimal design of a surface mounted permanent-magnet (PM) Brushless direct-current (BLDC) motor meant for spacecraft applications. The spacecraft applications requires the choice of a motor with high torque density, minimum cogging torque, better positional stability and high torque to inertia ratio. Performance of two types of machine configurations viz Slotted PMBLDC and Slotless PMBLDC with Halbach array are compared with the help of analytical and finite element (FE) methods. It is found that unlike a Slotted PMBLDC motor, the Slotless type with Halbach array develops zero cogging torque without reduction in the developed torque. Moreover, the machine being coreless provides high torque to inertia ratio and zero magnetic stiction

Sistema de controlo de um veículo autónomo terrestre

A crescente necessidade imposta pela gama de aplicações existentes, torna o estudo dos veículos autónomos terrestres um objecto de grande interesse na investigação. A utilização de robots móveis autónomos originou quer um incremento de eficiência e eficácia em inúmeras aplicações como permite a intervenção humana em contextos de elevado risco ou inacessibilidade. Aplicações de monitorização e segurança constituem um foco de utilização deste tipo de sistemas quer pela automatização de procedimentos quer pelos ganhos de eficiência (desde a eficiência de soluções multi-veículo à recolha e detecção de informação). Neste contexto, esta dissertação endereça o problema de concepção, o desenvolvimento e a implementação de um veículo autónomo terrestre, com ênfase na perspectiva de controlo. Este projecto surge pois no âmbito do desenvolvimento de um novo veículo terrestre no Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). É efectuado um levantamento de requisitos do sistema tendo por base a caracterização de aplicações de monitorização, transporte e vigilância em cenários exteriores pouco estruturados. Um estado da arte em veículos autónomos terrestres é apresentado bem como conceitos e tecnologias relevantes para o controlo deste tipo de sistemas. O problema de controlo de locomoção é abordado tendo em particular atenção o controlo de motores DC brushless. Apresenta-se o projecto do sistema de controlo do veículo, desde o controlo de tracção e direcção, ao sistema computacional de bordo responsável pelo controlo e supervisão da missão. A solução adoptada para a implementação mecânica da estrutura do veículo consiste numa plataforma de veículo todo terreno (motociclo 4X4) disponível comercialmente. O projecto e implementação do sistema de controlo de direcção para o mesmo é apresentado quer sob o ponto de vista da solução electromecânica, quer pelo subsistema de hardware de controlo embebido e respectivo software. Tendo em vista o controlo de tracção são apresentadas duas soluções. Uma passando pelo estudo e desenvolvimento de um sistema de raiz capaz de controlar motores BLDC de elevada potência, a segunda passando pela utilização de uma solução através de um controlador externo. A gestão energética do sistema é abordada através do projecto e implementação de um sistema de controlo e distribuição de energia específico. A implementação do veículo foi alcançada nas suas vertentes mecânica, de hardware e software, envolvendo a integração dos subsistemas projectados especialmente bem como a implementação do sistema computacional de bordo. São apresentados resultados de validação do controlo de locomoção básico quer em simulação quer descritos os testes e validações efectuados no veículo real. No presente trabalho, são também tiradas algumas conclusões sobre o desenvolvimento do sistema e sua implementação bem como perspectivada a sua evolução futura no contexto de missões coordenadas de múltiplos veículos robóticos.

Moottorin paikkasäädön toteutus dsPIC-ohjaimella

Työssä suunniteltiin nostinsimulaattorin z-akselin suuntaiselle moottorille paikkasäätö ja sen ohjaus CAN-väylää pitkin. Työ toteutettiin projektiryhmässä, jossa eri henkilöt vastasivat eri osa-alueista. CAN-kommunikointi saatiin toimimaan ja lisäksi moottorilta pystyttiin lukemaan paikkatieto talteen. Moottorin säätö jäi vielä puuttumaan.

Kestomagneettitahtikonekäyttöjen erot

Permanent magnet drives with nominal power over 10 kW were not a cost-sufficient system 25 years ago due to high material expenses. The improvements in motor drives, the rise in competition and the tightening of standards and regulations have caused that the PM-drives are more and more common in the over 10 kW nominal power range. The goal of this thesis is to research the performance in relation to nominal power of a PM-drive technique that is vastly increasing its popularity in fan related devices. The studied motor technique brushless direct current drive (BLDC) consists of a voltage source inverter, permanent motor and six-step-control. The reference drive is a brushless alternating current drive (BLAC) which consists of a VSI, PM and a hysteresis control. As a conclusion there are no major obstacles that would impede the BLDC-drive technique from expanding to larger power stages. The following factors must be taken into consideration when designing a BLDC-drive: motor’s current change rate, inverter switching frequency, motor’s nominal electric frequency, phase inductance and the current handling capability of the inverter. The fluctuating material costs create instability to the end prices of PM-motors that can in the worst case lead to diminished interest towards BLDC- and PM-drives in general.

Adaptive control of sinusoidal brushless DC motor actuators

Electrical Power Assisted Steering system (EPAS) will likely be used on future automotive power steering systems. The sinusoidal brushless DC (BLDC) motor has been identified as one of the most suitable actuators for the EPAS application. Motor characteristic variations, which can be indicated by variations of the motor parameters such as the coil resistance and the torque constant, directly impart inaccuracies in the control scheme based on the nominal values of parameters and thus the whole system performance suffers. The motor controller must address the time-varying motor characteristics problem and maintain the performance in its long service life. In this dissertation, four adaptive control algorithms for brushless DC (BLDC) motors are explored. The first algorithm engages a simplified inverse dq-coordinate dynamics controller and solves for the parameter errors with the q-axis current (iq) feedback from several past sampling steps. The controller parameter values are updated by slow integration of the parameter errors. Improvement such as dynamic approximation, speed approximation and Gram-Schmidt orthonormalization are discussed for better estimation performance. The second algorithm is proposed to use both the d-axis current (id) and the q-axis current (iq) feedback for parameter estimation since id always accompanies iq. Stochastic conditions for unbiased estimation are shown through Monte Carlo simulations. Study of the first two adaptive algorithms indicates that the parameter estimation performance can be achieved by using more history data. The Extended Kalman Filter (EKF), a representative recursive estimation algorithm, is then investigated for the BLDC motor application. Simulation results validated the superior estimation performance with the EKF. However, the computation complexity and stability may be barriers for practical implementation of the EKF. The fourth algorithm is a model reference adaptive control (MRAC) that utilizes the desired motor characteristics as a reference model. Its stability is guaranteed by Lyapunov’s direct method. Simulation shows superior performance in terms of the convergence speed and current tracking. These algorithms are compared in closed loop simulation with an EPAS model and a motor speed control application. The MRAC is identified as the most promising candidate controller because of its combination of superior performance and low computational complexity. A BLDC motor controller developed with the dq-coordinate model cannot be implemented without several supplemental functions such as the coordinate transformation and a DC-to-AC current encoding scheme. A quasi-physical BLDC motor model is developed to study the practical implementation issues of the dq-coordinate control strategy, such as the initialization and rotor angle transducer resolution. This model can also be beneficial during first stage development in automotive BLDC motor applications.

Osservatore e controllore sensorless ad elevate prestazioni per propulsione elettrica di Unmanned Aerial Vehicles

Negli ultimi anni, tra le varie tecnologie che hanno acquisito una sempre maggiore popolarità e diffusione, una di particolare rilevanza è quella degli Unmanned Aerial Vehicles. Di questi velivoli, quelli che stanno riscuotendo maggiore successo sono i multirotori, alimentati esclusivamente da azionamenti elettrici disposti in opportune posizioni della struttura. Particolari sforzi sono stati recentemente dedicati al miglioramento di questa tecnologia in termini di efficienza e precisione, tuttavia quasi sempre si trascura la vitale importanza dello sfruttamento efficiente dei motori elettrici. La tecnica di pilotaggio adottata nella quasi totalità dei casi per questi componenti è il BLDC sensorless, anche se la struttura si dimostra spesso essere PMSM, dunque inadatta all’uso di questa strategia. Il controllo ideale per i PMSM risulterebbe essere FOC, tuttavia per l'implementazione sensorless molti aspetti scontati nel BLDC devono essere affrontati, in particolare bisogna risolvere problemi di osservazione e identificazione. Durante la procedura di avviamento, efficienti strategie di self-commissioning vengono adottate per l’identificazione dei parametri elettrici. Per la fase di funzionamento nominale viene proposto un osservatore composto da diversi componenti interfacciati tra loro tramite un filtro complementare, il tutto al fine di ottenere una stima di posizione e velocità depurata dai disturbi. In merito al funzionamento in catena chiusa, vengono esposte valutazioni preliminari sulla stabilità e sulla qualità del controllo. Infine, per provare la validità degli algoritmi proposti, vengono mostrati i risultati delle prove sperimentali condotte su un tipico azionamento per UAV, pilotato da una scheda elettronica progettata appositamente per l’applicazione in questione. Vengono fornite inoltre indicazioni sull’implementazione degli algoritmi studiati, in particolare considerazioni sull’uso delle operazioni a virgola fissa per velocizzare l'esecuzione.