Master's Thesis

Analysis of PMSM motor inverter behaviour

Final Thesis 2.66 MB Appendix 14.6 MB

Author of thesis: Ing. David Buchal

Acad. year: 2019/2020

Supervisor: doc. Ing. Petr Blaha, Ph.D.

Reviewer: Ing. Matúš Kozovský, Ph.D.

Abstract:

This master‘s thesis deals with the design of a software solution for the AURIX TC234 microcontroller by Infineon Technologies which enables a user to start sampling of the signal at any required moment. A sampling time should be set to the lowest possible value. This solution is then added to the application which is used for a field oriented control of the brushless direct current motor. The obtained values can be further used, for example, for analyzing the waveform of motor currents from which it might be possible to determine the condition of the transistor inverter.

Keywords:

AURIX TC234, eMotor Drive Kit, PMSM, BLDC, FOC, field oriented control, HW triggering A/D conversion, CCU6

Date of defence

18.06.2020

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student obhájil předloženou závěrečnou práci výborně. Dále také zodpověděl na všechny dotazy oponenta a další doplňující dotazy zkušební komise.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Electrical, Electronic, Communication and Control Technology (EEKR-M)

Field of study

Cybernetics, Control and Measurements (M-KAM)

Composition of Committee

doc. Ing. Petr Fiedler, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Petr Blaha, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Jakub Dokoupil, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Václav Kaczmarczyk, Ph.D. (člen)
Ing. Stanislav Klusáček, Ph.D. (člen)
Ing. Radovan Holek, CSc. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Petr Blaha, Ph.D.

Tématem předložené diplomové práce je první krok k analýze chování měniče při řízení PMSM motoru spočívající v zajištění rychlého synchronizovaného měření dat pomocí A/D převodníku a jejich uložení jako pole hodnot. Souběžně s touto diplomovou prací probíhalo řešení bakalářské práce, která tato naměřená data vezme a přesune je do platformy nVidia Jetson k dalšímu zpracování, výhledově metodami umělé inteligence. Oba studenti pracovali téměř nezávisle, cílem jejich prací nebylo dát obě části dohromady.

Zadání této diplomové práce, které začalo semestrální prací bylo poměrně náročné. Byla jasná představa čeho dosáhnout, představa realizace zafixovaná nebyla a byla ponechána na studentovi s možností konzultací s vedoucím práce. Současné řešení popsané v práci vzniklo na základě studia chování periferií procesoru AURIX a pokusů s nimi. Implementační práce byla také ztížena výběrem testovacích platforem. Volba konkrétního typu procesoru vzešla z výběru testovacího kitu s měničem a motorem, která omezila výběr na použití TC234. V původním plánu bylo použití procesoru TC277, který má mnohem více A/D převodníků, jehož použití však vyžadovalo hardwarové změny na evaluačním kitu, které se nepodařily před uzavřením škol realizovat. Bylo proto rozhodnuto zůstat u procesoru TC234. Využití převodníku, který byl současně použit pro řízení motoru, si vynutilo doplnit měřené hodnoty časovými značkami, které student úspěšně realizoval, a to nad rámec zadání.

Úspěch práce byl podmíněn pravidelnými konzultacemi, které nejprve probíhaly osobně a následně telekonferenčně. Student se jich aktivně účastnil, přicházel s nápady na možná řešení. Nad rámec zadání také modifikoval původní firmware přípravku řízení motoru tím, že aktualizoval používané iLLD ovladače periferií. Bez této modifikace by byla integrace nového software postaveného na nových ovladačích vytvořeného studentem obtížná, nebo nemožná. Upravenou aplikaci poskytnul i druhému studentovi, jehož práce byla ohrožena stejným potenciálním problémem. Práci si rozumně rozvrhl, pracoval průběžně. V závěru se přesto dostal do časové tísně, která je na psané části práce trochu vidět.

Vypracovaná diplomová práce je napsána v logickém sledu a splňuje požadavky zadání. Při jejím řešení student nastudoval obsáhlé části uživatelských manuálů procesorů a aplikačních poznámek. Práci s literaturou psanou výlučně v angličtině zvládal bez problémů. Aplikační část je vlastní prací studenta. Zvládl v ní práci s periferiemi GTM TOM, GTM TIM, CCU6, VADC a DMA, včetně jejich vzájemného propojení.

Při vypracování diplomové práce student dle mého názoru prokázal při řešení konkrétního technického problému vysokou míru entusiasmu a při tom i velmi dobré inženýrské schopnosti. Navrhuji hodnocení B (88 bodů). Points proposed by supervisor: 88

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Matúš Kozovský, Ph.D.

Diplomová práce se zabývá úpravou demonstračního programu pro řízení PMSM/BLDC motoru tak, aby bylo možné měřit analogové veličiny více krát za jednu periodu PWM za předpokladu, že start měření  je možné přesně nastavit. Samotná praktická část práce je poměrně náročná, protože bylo potřebné upravit existující program tak, aby zůstala zachovaná jeho funkčnost. Student v práci popisuje vícero možností jak realizovat tyto měření. Jako velmi přínosné pokládám možnost ukládání časových značek k jednotlivým měřením tak, aby bylo možné určit relativní čas k začátku periody PWM.

V teoretickém úvodu práce jsem našel drobné chyby (odkaz na literaturu nahrazený znakem  „0“). Teoretický úvodu obsahově vyznívá poněkud chaoticky. Je zde například uvedena vnitřní struktura tranzistorového budiče, která k celkovému pochopení chování není nijak klíčová. Ale naopak chybí celkové blokové schéma propojení výkonové elektroniky s deskou mikrokontroleru, které by mohlo výrazně přispět k celkové přehlednosti teoretické části. 

V rámci praktické části se student musel seznámit s mikrokontrolerem, jehož periférie jsou velmi komplexní, a je možné je mezi sebou propojovat různými způsoby. Taktéž je potřeba podotknout, že nepracoval jen na jedné desce, ale na dvou různých deskách. I když jde o typově stejné desky, vyšší řada procesoru se liší od nižší řady. Bylo potřebné nastudovat rozdíly mezi procesory a přizpůsobit se možnostem jednotlivých procesorů. Tento fakt je v práci zmíněn jen okrajově. Student mohl více vyzdvihnout vlastní přínos a popsat problémy na které při řešení narazil. Z realizovaných měření je patrné, že měřená hodnota předbíhá očekávaný signál. Bylo by vhodné najít příčinu této anomálie. Ale i přes zmíněné nedostatky dosažené výsledky potvrzují, že použitý princip je možné uplatnit buď pro zlepšení řízení motoru anebo pro diagnostiku motoru a připadne pro diagnostiku výkonového stupně.

Zadání práce pokládám za splněné v celém rozsahu. Práci hodnotím známkou C, 79 body. Topics for thesis defence:
  1. 1. V kapitole 3.2.1 je uvedeno, že budič tranzistorů v sobě obsahuje blok měření proudů. Vysvětlete, jakým způsobem tento blok proud měří. A jakým způsobem posílá naměřené údaje do mikrokontroleru pokud se opravdu jedná o měření proudu.
  2. 2. Při testu na reálném motoru je vidět měřené hodnoty jen v případě sepnutého spodního tranzistoru (což vede k zdánlivě obdélníkovému průběhu). Vysvětlete klesající tendenci proudu během doby, kdy je sepnut tranzistor viz obrázek 38. Klesající tendence proudu je nejvíc patrná u testu bez zátěže (horní graf), je taktéž viditelná u testu se zátěží (spodní graf).
  3. 3. U časových značek je uvedeno, že se jedná o časovou značku dokončení A/D převodu. Bylo by možné zaznamenat časovou značku doby vzorkování A/D převodníku a ne až dobu dokončení převodu? Anebo by bylo nutné tuto dobu dopočítat ze znalosti délky doby převodu?
Points proposed by reviewer: 79

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová