"Sensorless Field-Oriented Control of PMSM Drives Using Backstepping Control and MVT-Based Sector Nonlinearity Observers "

Abstract

The high-performance control of Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSM) is frequently challenged by the motor's nonlinear dynamics, parameter variations, and the limitations of traditional linear control techniques. This thesis presents a comprehensive sensorless control strategy designed to overcome these hurdles by combining Field Oriented Control (FOC) with advanced nonlinear control and estimation theories. The proposed approach utilizes a Backstepping controller to ensure robust tracking performance and global stability, designed through a recursive Lyapunov-based methodology. To facilitate sensorless operation, a Nonlinear Observer based on the Mean Value Theorem (MVT) is developed to accurately estimate the rotor's position and speed, effectively handling the system's nonlinearities without the need for mechanical encoders. This control suite is implemented via Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) to optimize inverter efficiency and minimize harmonic distortion. Methodologically, the stability of the entire closed-loop system is mathematically proven, and the performance is validated through rigorous testing. Results indicate that the proposed combination offers superior dynamic response, enhanced disturbance rejection, and high estimation precision compared to standard PI-based FOC systems. Ultimately, this research demonstrates that the synergy of backstepping control and MVT-based observation provides a robust, high-efficiency solution for modern industrial PMSM applications.

غالبًا ما يواجه التحكم عالي الأداء في المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSM) تحديات ناجمة عن الديناميكيات غير الخطية للمحرك، وتغيرات المعلمات، ومحدودية تقنيات التحكم الخطية التقليدية. تقدم هذه الأطروحة استراتيجية شاملة للتحكم دون مستشعرات، تهدف إلى التغلب على هذه التحديات من خلال الجمع بين التحكم بتوجيه المجال (FOC) ونظريات التحكم والتقدير اللاخطي المتقدمة.

تعتمد المنهجية المقترحة على متحكم Backstepping لضمان أداء متين في تتبع المراجع والاستقرار، وقد تم تصميمه باستخدام منهجية تكرارية قائمة على دالة ليابونوف. ولتحقيق التشغيل دون مستشعرات، تم تطوير مراقب لاخطي قائم على نظرية القيمة المتوسطة (MVT) من أجل التقدير الدقيق لموضع وسرعة الدوار، مع التعامل بفعالية مع لاخطية النظام دون الحاجة إلى مشفرات ميكانيكية. ويتم تنفيذ منظومة التحكم هذه باستخدام تضمين عرض النبضة بمتجه الفضاء (SVPWM) بهدف تحسين كفاءة العاكس وتقليل التشوه التوافقي.

من الناحية المنهجية، تم إثبات استقرار النظام ذي الحلقة المغلقة بالكامل رياضيًا، كما تم التحقق من أداء المنظومة من خلال اختبارات صارمة. وتبين النتائج أن الجمع المقترح يوفر استجابة ديناميكية محسنة، وقدرة أفضل على رفض الاضطرابات، ودقة عالية في التقدير مقارنة بأنظمة التحكم FOC التقليدية القائمة على متحكمات PI. وفي النهاية، يوضح هذا البحث أن التكامل بين تحكم Backstepping والمراقبة القائمة على MVT يوفر حلًا متينًا وعالي الكفاءة لتطبيقات محركات PMSM الحديثة في المجالات الصناعية."