Σχεδιασμός Και Πειραματική Επιβεβαίωση Διανυσματικού Ελέγχου Σύγχρονου Κινητήρα Εσωτερικών Μονίμων Μαγνητών Για Εφαρμογές Ηλεκτρικών Οχημάτων

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναπτύσσεται στρατηγική διανυσματικού ελέγχου κινητήρα εσωτερικών μονίμων μαγνητών ισχύος 10 kW για εφαρμογή ηλεκτρικού οχήματος και επιβεβαιώνεται πειραματικά μέσω υλοποίησης σε ψηφιακό επεξεργαστή σήματος (DSP). Στα πλαίσια αυτά, σε ένα πρώτο βήμα μελετώνται οι πιο διαδεδομένες τεχνικές ελέγχου σύγχρονων κινητήρων μονίμων μαγνητών και σε ένα δεύτερο βήμα αναπτύσσεται μεθοδολογία προσομοίωσης του συστήματος ηλεκτρικής κίνησης τόσο σε μεταβατική όσο και σε μόνιμη κατάσταση λειτουργίας.Αρχικά, αναλύεται η λειτουργία των συστημάτων ηλεκτρικής κίνησης και παρουσιάζονται οι βασικές συνιστώσες τους. Στη συνέχεια, στα πλαίσια της οδήγησης του ηλεκτρικού κινητήριου συστήματος, αναλύεται το θεωρητικό υπόβαθρο της σύγχρονης μηχανής εσωτερικών μονίμων μαγνητών και αναπτύσσεται κατάλληλο δυναμικό μοντέλο σε στρεφόμενο πλαίσιο αναφοράς. Επιπλέον, εξετάζεται η σύγχρονη τοπολογία μετατροπέα πηγής τάσης δύο επιπέδων, η οποία χρησιμοποιείται ευρέως σε συστήματα οδήγησης ηλεκτρικών κινητήρων. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στις τεχνικές διαμόρφωσης εύρους παλμών του μετατροπέα. Πιο συγκεκριμένα, αναλύεται η ημιτονοειδής διαμόρφωση εύρους παλμών (SPWM), η διαμόρφωση μέσω διανυσμάτων χώρου και η διαμόρφωση με χρήση ζώνης υστέρησης και εξάγονται χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά με την καταλληλότητά τους στην εξεταζόμενη εφαρμογή. Στη συνέχεια σχεδιάζεται το δυναμικό μοντέλο του συστήματος ηλεκτρικής κίνησης και προσομοιώνεται η στρατηγική ελέγχου ροπής προσανατολισμένου πεδίου (Field Oriented Control - FOC) με διαμόρφωση μέσω διανυσμάτων χώρου (Space Vector Modulation - SVM). O προτεινόμενος έλεγχος ενσωματώνει τη στρατηγική ελέγχου μέγιστης ροπής ανά ρεύμα (Maximum Torque per Ampere - ΜΤPΑ) για την περιοχή σταθερής ροπής, και τη στρατηγική ελέγχου εξασθένισης πεδίου(Field Weakening - FW) για την περιοχή σταθερής ισχύος με στόχο την ευσταθή και αποδοτική λειτουργία του σύγχρονου κινητήρα εσωτερικών μονίμων μαγνητών σε μεγάλο εύρος στροφών. Ο διανυσματικός ελεγκτής ροπής μελετάται τόσο σε μεταβατική όσο και σε μόνιμη κατάσταση λειτουργίας.Τέλος, τα αποτελέσματα της προσομοίωσης συγκρίθηκαν με τα πειραματικά μέσω υλοποίησης της τεχνικής ελέγχου σε ψηφιακό επεξεργαστή σήματος DSP τύπου TMS320F2812 και κατάλληλης πειραματικής διάταξης. Τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την επίτευξη υψηλών επιδόσεων τόσο κατά τις μεταβατικές αποκρίσεις, όσο και κατά τη μόνιμη κατάσταση, ενώ η συμφωνία τους με εκείνα της προσομοίωσης πιστοποιούν την ορθή λειτουργία του ελέγχου.