Studio e implementazione del controllo ad orientamento di campo per motori PMSM

Abstract

Il presente lavoro di tesi analizza lo studio e l'implementazione del controllo ad orientamento di campo (Field Oriented Control - FOC) per motori sincroni a magneti permanenti superficiali (SPMSM). La trattazione parte dalla modellazione matematica della macchina sincrona, evidenziando come le trasformazioni di Clarke e Park permettano di trasporre le grandezze trifase in un riferimento rotante dq, rendendo possibile il disaccoppiamento tra flusso e coppia elettromagnetica. Viene approfondita un'architettura di controllo a cascata basata su regolatori Proporzionale-Integrale (PI), i cui guadagni sono stati sintetizzati tramite il metodo del posizionamento dei poli per garantire stabilità e prontezza di risposta. Per massimizzare l’efficienza, è stata adottata la strategia Maximum Torque Per Ampere (MTPA), integrando al contempo un sistema di Anti-Windup e disaccoppiamento feed-forward per gestire i limiti fisici dell'inverter e prevenire instabilità durante i transitori rapidi. La validazione del sistema è stata condotta in ambiente MATLAB/Simulink, testando il motore in condizioni di funzionamento a vuoto, a carico e con un modello di spinta elicoidale. I risultati ottenuti dimostrano un inseguimento preciso dei riferimenti di velocità e una robusta capacità di rigetto dei disturbi, confermando l'efficacia dell'approccio vettoriale per applicazioni navali ad alta efficienza energetica.

This thesis focuses on the study and implementation of Field Oriented Control (FOC) for Surface-Mounted Permanent Magnet Synchronous Motors (SPMSM), aimed at optimizing the performance of the "Elettra" nautical prototype for the “Monaco Energy Boat Challenge”. The analysis begins with the mathematical modeling of the machine, highlighting how Clarke and Park transformations allow for the conversion of three-phase quantities into a dq rotating reference frame, enabling the decoupling of flux and electromagnetic torque. A cascaded control architecture based on Proportional-Integral (PI) regulators is explored in detail, with gains synthesized using the pole-placement method to ensure stability and fast response. To maximize efficiency, the Maximum Torque Per Ampere (MTPA) strategy was adopted, while integrating an Anti-Windup system and feed-forward decoupling to manage the physical limits of the inverter and prevent instability during fast transients. The system validation was conducted in the MATLAB/Simulink environment, testing the motor under no-load, loaded, and propeller-load conditions. The results demonstrate precise reference speed tracking and robust disturbance rejection, confirming the effectiveness of the vector control approach for high-efficiency naval applications.