Torque analysis and control of permanent-magnet synchronous motors for electric vehicle propulsion

• Auteur / Autrice : Adina Mariana Muntean
• Direction : Abdellatif Miraoui, Mircea M. Radulescu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Besançon en cotutelle avec Universitatea tehnică (Cluj-Napoca, Roumanie)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Moteurs à aimants permanents

Propulsion électrique

Véhicules électriques

Résumé

Le travail présenté dans les six chapitres structurant cette thèse de doctorat s'insère dans la problématique actuelle des actionneurs pour véhicules électriques, ayant pour objectif l'analyse et le contrôle du couple développé par un moteur synchrine avec excitation par aimants permanents enterrés dans le rotor et enroulement induit au stator à alimentation par ondulateur de tension, en vue des applications de propulsion des véhicules électriques légers. Le premier chapitre décrit les caractéristiques essentielles d'un système de proplusion des véhicules électriques. Après l'argumentation détaillée des avantages des moteurs synchrones à aimants permanents dans une telle application, les topologies appropriées du rotor et stator de ces moteurs pour la propulsion des véhicules électriques légers sont examinées de près. La modélisation dynamique non linéaire du moteur synchrone à aimants permanents enterrés, en mode d'opération à couple constant jusqu'à la vitesse de base et à puissance constante avec défluxage à hautes vitesses, est développée dans le deuxième chapitre. Dans le troisièle chapitre, une analyse numérique du champ magnétique et des compsants -- mutuel, réluctant, de détente et pulsatoire - du couple caractérisant un moteur synchrone à aimants permanents enterrés est présentée. Une ample étude électromagnétique comparative, par simulation à l'aide de la méthode des éléments finis du logiciel FLUX 2D, est effectuée sur les moteurs synchrones à aimants permanents enterrés en mono- et double couche. Le quatrième chapitre s'occupe des stratégies de contrôle du couple pour les moteurs synchrones à aimants permanents enterrés. Les contrôles indirect et direct (DTFC) du couple en modes d'opération à couple constant et à puissance constante sont présentés. Un schéma de contrôle DTFC pour moteurs synchrones à aimants permanents enterrés en mode d'opération à couple constant (avec défluxage à maximisation du couple disponible) à hautes vitesses est proposé et validé par des résultats de simulation dynamique. Dans le cinquième chapitre, le banc d'essais réalisé et les résultats expérimentaux correspondants sont présentés. Les réponses dynamiques en couple des moteurs synchrones à aimants permanents enterrés, sous contrôle direct (DTFC) et indirect du couple en vue des applications de propulsion des véhicules légers, sont précisément et comparativement analysées. Le dernier chapitre résume les contributions originales de l'auteur de cette thèse et suggère les perspectives de développement des recherches dans le même domaine.

The aim of this thesis is to analyze and control the developed electromagnetic turque of an interior permanent-magnet synchronous motor (IPMSM) for electric vehicle (EV) propulsion applications. The thesis content is structured on six chapters. Chapter 1 outlines the main features of an electric-vehicle propulsion system. After proving that the general class of PMSMs is well suited to such drive applications, some specific IPMSM subclass designs for EV propulsion are examined. Chapter 2 develops the mathematical model of IMPSMs suitable for EV propulsion applications. In the first part of chapter 3, an equivalent magnetic circuit-based analysis of a double--layer IPMSM is developed allowing the estimation of the rotor-PM sizes as well as the ratued valuers of PM-rotor and armature-stator fluxes, back-emfs and insatured dq inductances. In ther second of the chapter, the electromagnetic torque of both single- and double-layer IMPSMs under rated-load condition is analyzed using 2D finite-element field simulation. Chapter 4 deals with electromagnetic torque control strategies for IMPSMs. In the first part of this chapter, the indirect torque control of IMPSM via stator-current regulation in the rotor reference frame is outlined. The second part of the chapter is dedicated to the direct torque and stator-flux control (DTFC) of IMPSM for EV propulsion. Chapter 5 presents the experimental study on the indirect (via stator-current regulation) torque control and on the DTFC of a double-layer IMPSM prototype. In the last chapter, general conclusions oof the thesis research are drawn, and some suggestions are given for the future work in the same area.