Master's Thesis

Field-oriented control of five-phase permanent magnet synchronous motor

Final Thesis 7.09 MB Appendix 6.93 MB

Author of thesis: Bc. Dušan Horák

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Libor Veselý, Ph.D.

Reviewer: Ing. Lukáš Pohl, Ph.D.

Abstract:

This thesis presents the design and implementation of field-oriented control of a five-
phase interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM).
Five-phase motors achieve higher torque density, smoother torque ripple, and greater
fault tolerance compared to their three-phase equivalents. To describe these motors, an
extended Clarke and Park transformation into the 𝑑𝑞1 3 space is introduced, decomposing
motor quantities into two parallel planes — 𝑑𝑞1 capturing the fundamental harmonic
component and 𝑑𝑞3 capturing its third harmonic. A motor model suitable for controller
design is derived using this transformation.
The motor is driven by space vector pulse width modulation (SVPWM) with a symmetric
vector arrangement. A cascade control structure is designed, consisting of an inner
current loop and an outer speed loop. Back-EMF compensation is verified in the current
loop, reducing overshoots during step changes of the reference value.
Reference currents are generated by the Maximum Torque Per Ampere (MTPA) al-
gorithm, maximising the torque produced per ampere drawn from the supply. Third
harmonic injection is also implemented, increasing the theoretical maximum torque by
approximately 20 % compared to control utilising only the fundamental harmonic sub-
space. Current references are precomputed into a lookup table to reduce the online
computational burden.
The designed algorithms are implemented and verified in Matlab/Simulink, both on a
custom analytical model and on a Simscape model. The control blocks are subsequently
adapted for HDL code generation using the Matlab HDL Coder and HDL Verifier tool-
boxes. The generated IP cores are deployed and functionally verified on the ZedBoard
development kit (SoC Xilinx Zynq-7000). The implemented solution utilises approxi-
mately 90 % of the available FPGA logic resources.

Keywords:

field oriented controll, spacevector pulse width modulation, 5pahse permanent magnet
synchronous motor

Date of defence

10.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student prezentoval práci a zodpověděl všechny otázky oponenta. Student popsal konstrukci uvažovaného motoru. Komise vyzdvihla, že řízení není aplikovatelné v reálném světě kvůli omezení akčního zásahu. Student s drobnou rezervou popsal komponenty generovaného momentu motoru. Student popsal realizaci MTPA algoritmu, diskutoval robustnost navrženého řízení.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Cybernetics, Control and Measurements (MPC-KAM)

Composition of Committee

prof. Ing. Michal Prauzek, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Petr Beneš, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Jakub Arm, Ph.D. (člen)
Ing. Martin Čala, Ph.D. (člen)
Ing. Jaroslav Lepka, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Radomil Matoušek, Ph.D. (člen)
Ing. Lukáš Pohl, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Libor Veselý, Ph.D.

Pan Dušan Horák se ve své diplomové práci věnoval návrhu a implementaci vektorového řízení pětifázového synchronního motoru s permanentními magnety.
Zadání lze po teoretické stránce považovat za náročné.
Musím ocenit výbornou orientaci v dané problematice. Diplomant pracoval samostatně a konzultace využíval hlavně v druhé polovině semestru. Bohužel se ke konci dostal do časové tísně, čímž utrpěla formální stránka práce.
Vypracovaná diplomová práce je napsána v logickém sledu a splňuje požadavky zadání. Při jejím vypracování student, dle mého názoru, prokázal velmi dobré inženýrské schopnosti. Práci doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení velmi dobře (B – 88 bodů). Points proposed by supervisor: 88

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Lukáš Pohl, Ph.D.

Prezentační úroveň Diplomové práce Bc. Horáka je na velmi dobré úrovni (obrázky čitelné, grafy přehledné, kapitoly uspořádané) s celkovým rozsahem práce 44 stran od úvodu po závěr. Formální úprava práce je jasně nejslabším místem s častými překlepy a opakovanými větami. Překlepy začínají klíčovými slovy a končí závěrem práce. Student v průběhu řešení DP pracoval s relevantními zdroji literatury, přičemž počet uvedených zdrojů (12) je pro diplomovou práci postačující.
Největším přínosem práce je samotná realizace modelu a řízení pětifázového motoru. Student při řešení komplexní problematiky postupoval velice systematicky. Nejdříve se seznámil s danou problematikou. Poté prozkoumal, kterým směrem se vydat a posléze realizoval jednotlivé kroky vedoucí k cíli, což v jeho případě vedlo na úplný model pětifázového motoru. O náročnosti tématu svědčí fakt, že studentův model pětifázového motoru překračuje možnosti modelu, který je standardně poskytován v prostředí MATLAB Simulink.
Student realizovaný model následně rozšířil o vše, co je potřebné pro nasazení řízení na reálném motoru. V každém kroku realizace vždy bral na vědomí náročnost implementace na FPGA a snažil se svoji implementaci co nejvíce optimalizovat. Z hlediska realizace se jedná o jednu z nejlepších diplomových prací, jakou jsem oponoval, ale bohužel byla značně zanedbána textová část, která celkovou úroveň zcela zbytečně sráží z excelentní práce na nadprůměrnou. Navrhuji hodnocení B 89 bodů. Topics for thesis defence:
  1. Pro úpravu požadované hodnoty používáte jednoduchý setrvačný článek, zkoušel jste také úpravu požadované hodnoty pomocí rampy? Jaké jsou výhody/nevýhody obou přístupů?
  2. Z Obr. 2.2 není zcela jasné, zda byly jednotlivé průběhy měřeny nezávisle na sobě, nebo všechny naráz. Upřesněte komisi proces, kterým byly získány naměřené průběhy přechodových charakteristik.
  3. Co způsobuje záporné časy sepnutí u výstupu z funkce vectortime2swtime?
Points proposed by reviewer: 89

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová