Control of Permanent Magnet Synchronous Motors for drones

Forskningen på ‘fixed wing’ vertikale start- og landingsdroner (VTOL) vokser raskt, med økende fokus på smidige kontrollsystemer og kostnadsreduserende tiltak. Denne oppgaven har som mål å bidra til denne forskningen ved å presentere ulike sensorløse kontrollmetoder som gir muligheten til å låse propellene til en ‘fixed wing’ drone for å forhindre at de blir skadet under start og landinger og for å oppnå bedre aerodynamiske egenskaper under flyging for å redusere energiforbruket. Med sikte på å utvikle et sensorløst kontrollsystem for å låse drone propellene i en fast posisjon, ble det laget et simuleringsmiljø ved bruk av MATLABs Simulink hvor en permanent magnet synkronmotor designet av Alva Industries kunne simuleres. Ved å bruke et styringssystem som først ble utviklet i fordypningsprosjektet, ble ulike estimeringsmetoder implementert i simuleringsmiljøet for å få det sensorløse kontrollsystemet til å oppfylle kravene definert i oppgaven. De implementerte estimeringsmetodene var basert på ikke-lineære observatører, høyfrekvente strøminjeksjoner, stator monterte Hall-sensorer og Kalman-filtre som ble brukt som feedback til kontrollsystemet i et forsøk på å erstatte behovet for enkodere og på den måten bidra til reduksjon av systemkostnader. Etter simulering og optimalisering av kontrollsystemet ved bruk av ulike estimeringsmetoder, ble det funnet at kun to av dem ga tilfredsstillende resultater. Dette var de som var basert på de ikke-lineære observatørene og det utvidede Kalman-filteret kombinert med Hall-sensorer. Ved å bruke de ikke-lineære observatørene som feedback, som yter dårlig ved lave hastigheter, ble propellen magnetisk låst i posisjon ved å påføre en fast spenning til statorviklingene. Denne metoden har sine begrensninger da den er basert på åpen sløyfekontroll og kan derfor ikke garantere at propellen er låst i ønsket posisjon. På den andre siden, er metoden som involverer det utvidede Kalman-filteret kombinert med Hall-sensorer basert på lukket sløyfekontroll og kan i større grad sikre at propellen låses i ønsket posisjon. I tillegg ble en typisk metode for å estimere rotorposisjonen ved lave hastigheter ved bruk av høyfrekvente strøminjeksjoner funnet uegnet for motoren designet av Alva på grunn av små motorinduktanser. Avslutningsvis ble det funnet to ulike metoder som kan låse propellen i fast posisjon uten bruk av enkoder. Likevel kan bare én av dem garantere at propellen er låst og forblir låst i riktig posisjon. For videre forskning foreslås det å verifisere de simulerte resultatene praktisk, og gjennomføre en energianalyse av de ulike kontrollmetodene