Digital twin implementation for electric motor control

Abstract

Aquesta tesi presenta la implementació d'un sistema de control de llaç tancat per a un motor AC sense escombretes utilitzant un digital twin per al desenvolupament i proves. L'objectiu d'aquest estudi és dissenyar una estratègia de control fiable i eficient que es pugui utilitzar per controlar un motor síncron d'imants permanents (Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM) en diverses aplicacions, com ara vehicles elèctrics, robòtica i sistemes d'energies renovables. El primer pas d'aquesta investigació ha estat crear un digital twin que simuli el sistema físic, inclòs el motor, l'inversor trifàsic, la font d'alimentació i el controlador, mitjançant Simulink. El digital twin s'ha validat mitjançant un conjunt de senyals de prova i els resultats de la simulació van mostrar un bon acord amb el comportament esperat del sistema físic. L'algoritme de control s'implementa mitjançant la modulació d'amplada de pols de vectors espacials (Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM) en combinació amb altres conceptes matemàtics, com ara Clake i Parke, per simplificar la complexitat del sistema d'equacions restants. Així, s'obté un control més eficient tant per als càlculs com per a la commutació dels interruptors. La tècnica SVPWM genera un conjunt de vectors de tensió aplicats al motor per aconseguir la velocitat i el parell desitjats. L'algoritme de control s'ha optimitzat per obtenir una alta eficiència i una baixa distorsió harmònica. Un cop validada la simulació i produint els resultats esperats, es compila el codi del controlador per al desplegament. Esmenta que el model de controlador Simulink és la interfície de control del motor, on es mostren les variables a controlar. El rendiment del sistema s'avalua mesurant la velocitat del motor, el parell i el corrent i comparant els resultats amb la simulació. Els resultats experimentals demostren l'èxit d'implementació del digital twin, l'estimació dels paràmetres del motor i l'algorisme de control. El sistema assoleix un bon rendiment dinàmic. En conclusió, el sistema de control desenvolupat ofereix una estratègia de control fiable i eficient per als motors sense escombretes d’AC, amb aplicacions potencials en diversos camps. L'enfocament del digital twin proporciona una manera flexible i rendible de dissenyar i optimitzar el sistema de control abans d'implementar-lo en un sistema físic. El mètode proposat es pot estendre a altres tipus de motors i sistemes electrònics de potència.

This thesis presents the implementation of a closed-loop control system for an AC brushless motor using a digital twin for development and testing. The purpose of this study is to design a reliable and efficient control strategy that can be used to control a permanent magnet synchronous motor (PMSM) in various applications, such as electric vehicles, robotics, and renewable energy systems. The first step of this research has been to create a digital twin that simulates the physical system, including the motor, three-phase inverter, power source, and controller, using Simulink. The digital twin has been validated using a set of test signals and the simulation results showed good agreement with the expected behavior of the physical system. The control algorithm is implemented using Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) in combination with other mathematical concepts, such as Clake and Parke, to simplify the complexity of the remaining system of equations. Thus, a more efficient control is obtained for both the calculations and commutation of the switches. The SVPWM technique generates a set of voltage vectors applied to the motor to achieve the desired speed and torque. The control algorithm has been optimized to achieve a high efficiency and low harmonic distortion. Once the simulation has been validated and produces the expected results, the controller code is compiled for deployment. Mencion that the Simulink controller model is the motor control interface, where the variables to be controlled are displayed. The performance of the system is evaluated by measuring the motor speed, torque, and current and comparing the results with the simulation. The experimental results demonstrate the successful implementation of the digital twin, estimation of the motor parameters, and control algorithm. The system achieves good dynamic performance. In conclusion, the developed control system offers a reliable and efficient control strategy for AC brushless motors, with potential applications in various fields. The digital twin approach provides a flexible and cost-effective way to design and optimize the control system before implementing it in a physical system. The proposed method can be extended to other types of motors and power electronics systems.