Minimum Losses Tracking in Hybrid Excited Permanent Magnet Synchronous Motors

Copper losses in electric motors play a significant role in the overall energy efficiency of the system. Minimizing these losses has become a critical objective in the design and control of electric drives to achieve higher efficiency and reduce energy consumption. In particular, the maximum efficiency in Hybrid Excited Permanent Magnet (HEPM) motors is achieved along the Minimum Copper Losses (MCL) trajectory, namely the set of operating points in which the motor exhibits the desired output torque with minimum copper losses, computed taking into account the losses in both stator and excitation windings. As a starting point, the method of the Lagrange multipliers is applied to compute the analytical solution that minimizes the losses. Since the algorithm is based on the nominal parameters of the motor, an accurate knowledge of the model is crucial for reliable MCL computation. However, the identification of this type of systems is difficult due to the presence of saturations and non-linearities. To deal with this problem, Extremum Seeking Control (ESC) is a suitable solution since its main advantage is the robustness to variations in system parameters. This control strategy inject perturbations in the control variables to perform a real-time optimization based on the system’s response. A theoretical analysis is carried out to determine the necessary conditions that ensure the convergence of the system towards the optimal operating point, in particular evaluating the effect of the ESC parameters on the tracking error and the convergence time. Then, simulations in the Matlab-Simulink environment are performed to verify the results obtained in the theoretical analysis. Finally, the control strategy is tested on a HEPM motor prototype designed and developed in the Electric Drives laboratory of the University of Padova.

Le perdite nel rame nei motori elettrici influiscono in modo significativo sul consumo energetico complessiva del sistema. La minimizzazione di queste perdite è diventata un obiettivo critico nella progettazione e nel controllo degli azionamenti elettrici per ottenere una maggiore efficienza e ridurre il consumo energetico. In particolare, la massima efficienza dei motori HEPM (Hybrid Excited Permanent Magnet, i.e. a eccitazione ibrida corrente-magneti permanenti) si ottiene lungo la traiettoria MCL (Minimum Copper Losses, i.e. minime perdite nel rame), ovvero l’insieme dei punti di funzionamento in cui il motore produce la coppia di uscita desiderata con le minime perdite Joule, calcolate considerando gli avvolgimenti di statore e di eccitazione. Come punto di partenza, il metodo dei moltiplicatori di Lagrange viene applicato per calcolare la soluzione analitica che minimizza le perdite nel rame. Poiché l’algoritmo si basa sui parametri nominali del motore, una conoscenza accurata del modello è fondamentale per un calcolo affidabile del punto di MCL. Tuttavia, l’identificazione di questo tipo di sistemi è difficile a causa della presenza di saturazioni e non linearità. Per affrontare questo problema, la strategia Extremum Seeking Control (ESC) è una soluzione adatta poiché il suo principale vantaggio è la robustezza alle variazioni dei parametri del sistema. Questa strategia di controllo è basata sull’iniezione di perturbazioni nelle variabili di controllo, effettuando un’ottimizzazione in tempo reale basata sulla risposta del sistema. Un’analisi teorica viene condotta per determinare le condizioni necessarie che garantiscono la convergenza del sistema verso il punto di funzionamento ottimale, in particolare valutando l’effetto dei parametri ESC sull’errore a regime e sul tempo di convergenza. Successivamente vengono effettuate delle simulazioni con i software Matlab-Simulink per verificare i risultati ottenuti nell’analisi teorica. Infine, la strategia di controllo viene testata su un prototipo di motore HEPM progettato e sviluppato nel laboratorio di Azionamenti elettrici dell’Università di Padova.