Συντάχθηκε 21-09-2026 10:21
Τόπος:
Σύνδεσμος τηλεδιάσκεψης
Έναρξη: 24/09/2026 09:00
Λήξη: 24/09/2026 10:00
ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ
Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών
Πρόγραμμα Προπτυχιακών Σπουδών
ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ
Στυλιανού Χαλκιά
με θέμα
Ηλεκτρομαγνητική Ανάλυση Κινητήρα Βασισμένου στο Μοντέλο Tesla 3
Electromagnetic Analysis of a Traction Motor Based on the Tesla 3 Model
Εξεταστική Επιτροπή
Καθηγητής Κωνσταντίνος Γυφτάκης (επιβλέπων)
Καθηγητής Ευτύχιος Κουτρούλης
Επίκουρος Καθηγητής Γεώργιος Πέππας
Περίληψη
Τα συστήματα κίνησης με IPMSM έχουν αποκτήσει ιδιαίτερη σημασία λόγω της ραγδαίας ανάπτυξης των ηλεκτροκίνητων μεταφορών, της ρομποτικής και των συστημάτων κίνησης υψηλών επιδόσεων. Οι IPMSM χρησιμοποιούνται ευρέως σε ηλεκτρικά οχήματα και αεροδιαστημικές εφαρμογές λόγω της υψηλής πυκνότητας ισχύος, της απόδοσης και του μεγάλου εύρους λειτουργίας ταχυτήτων τους. Ωστόσο, η πλήρης αξιοποίηση των δυνατοτήτων τους απαιτεί προηγμένες στρατηγικές ελέγχου, ιδιαίτερα στις περιοχές υψηλών ταχυτήτων με εξασθένηση πεδίου, όπου οι περιορισμοί τάσης αποτελούν τον καθοριστικό περιοριστικό παράγοντα. Η παρούσα διπλωματική εργασία διερευνά τη μοντελοποίηση και τον σχεδιασμό ελέγχου ενός συστήματος κίνησης IPMSM, βασισμένου στη δημοσίως διαθέσιμη γεωμετρία του πίσω κινητήρα του Tesla Model 3. Μέσω FEA στο Simcenter MAGNET, εξάγονται βασικές ηλεκτρικές παράμετροι όπως Ld, Lq και ψf , ενώ η αντίσταση του στάτη R προσδιορίζεται από την αναπαράσταση των τυλιγμάτων στο FEA και προσαρμόζεται στην τιμή αναφοράς. Οι παράμετροι αυτοί χρησιμοποιούνται στη συνέχεια για την υλοποίηση ενός μαθηματικού μοντέλου της μηχανής στους άξονες dq στο MATLAB/Simulink. Στη συνέχεια, αναπτύσσεται μια δομή FOC βασισμένη στο συγκεκριμένο μοντέλο, η οποία περιλαμβάνει PI ελεγκτές ταχύτητας και ρεύματος, ρυθμισμένους με τη μέθοδο pole placement, ώστε να διασφαλίζονται σταθερή και καλά αποσβεσμένη δυναμική συμπεριφορά του συστήματος. Η βασική στρατηγική ελέγχου ενισχύεται περαιτέρω με τις τεχνικές MTPA, FW και ZDF, με στόχο τη βελτίωση της απόδοσης και την επέκταση της λειτουργίας πέρα από τη ονομαστική ταχύτητα. Το σύστημα αξιολογείται μέσω προσομοιώσεων που καλύπτουν τη λειτουργία από την κατάσταση ακινησίας έως τη βαθιά περιοχή αποδυνάμωσης πεδίου. Η ανάλυση εξετάζει κατά πόσο η λειτουργία του συστήματος και οι μεταβάσεις μεταξύ των περιοχών λειτουργίας συμφωνούν με τη θεωρία. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη δυναμική απόκριση, την παραγωγή ροπής, τον περιορισμό του ρεύματος και την αξιοποίηση της τάσης. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων επιβεβαιώνουν τις θεωρητικές αρχές λειτουργίας, αποδεικνύοντας σταθερή ρύθμιση του ρεύματος, ορθή συμπεριφορά υπό τους περιορισμούς τάσης και ρεύματος, καθώς και τα αναμενόμενα χαρακτηριστικά λειτουργίας στην περιοχή αποδυνάμωσης πεδίου, παρέχοντας έτσι τεκμηριωμένη επιβεβαίωση ότι η στρατηγική ελέγχου λειτουργεί σύμφωνα με τη θεωρία.
Abstract
Interior Permanent Magnet Synchronous Motor (IPMSM) drives have become increasingly important due to the rapid growth of electrified transportation, robotics, and high-performance motion systems. IPMSMs are widely used in electric vehicles and aerospace applications because of their high power density, efficiency, and wide operating speed range. However, fully exploiting their capabilities requires advanced control strategies, especially in high-speed field-weakening regions where voltage constraints become limiting. This thesis investigates the modelling and control design of an IPMSM drive system based on the publicly available geometry of the Tesla Model 3 rear motor. Using Finite Element Analysis (FEA) in Simcenter MAGNET, key electrical parameters such as Ld, Lq, and ψf are extracted, while the stator resistance R is determined from the FEA winding representation and adjusted to the reference value. These parameters are then used to develop and implement a dq-axis mathematical model of the machine in MATLAB/Simulink. A Field-Oriented Control (FOC) structure is then built on this model, including speed and current PI controllers tuned using the pole placement method to ensure stable and well-damped system dynamics. The baseline control strategy is further enhanced with Maximum Torque Per Ampere (MTPA), Field Weakening (FW), and Zero D-Axis Flux (ZDF) to improve performance and enable operation beyond base speed. The system is evaluated through simulations covering operation from standstill to deep FW conditions. The analysis examines whether the system operation and the transitions between operating regions are consistent with theoretical predictions. Particular emphasis is placed on dynamic response, torque production, current limitation and voltage utilization. The simulation results confirm the theoretical operating principles, demonstrating stable current regulation, appropriate voltage and current constraint behavior, and the expected characteristics of operation in the FW region, thereby providing evidence that the control strategy performs in accordance with the underlying theory.
