Studio e sviluppo di un algoritmo di Controllo Predittivo basato su Modello per azionamenti elettrici

This thesis work is situated within the context of advanced control systems for high-performance electric drives, with a specific focus on the application of Model Predictive Torque Control (MP-TC) for permanent magnet synchronous motors (PMSM). The main objective of the research was the development and implementation of a predictive control architecture capable of replacing traditional linear PI regulators in the current loop, overcoming their intrinsic limitations in managing the system's physical constraints. After defining the mathematical model of the PMSM and presenting the theoretical foundations of MPC, the work focused on the algorithmic optimization necessary for implementation on resource-constrained embedded platforms. In particular, a solver based on Hildreth's quadratic optimization algorithm was developed, which allows for the management of operational voltage constraints in real-time, ensuring the temporal determinism required by industrial applications. The effectiveness of the proposed strategy was validated through an extensive experimental campaign, in which the performance of the MPC controller was compared with that of an architecture based on PI regulators. The results obtained, analyzed through statistical precision indices (MSE and IAE), demonstrate how MPC is capable of guaranteeing tracking performance comparable to established industrial solutions, while simultaneously offering added value in terms of operational safety and explicit management of physical constraints. The work confirms the maturity of the MPC architecture for managing the complexity of real electromechanical systems, laying a solid foundation for future implementations in the industrial sector.

Il presente lavoro di tesi si inserisce nel contesto dei sistemi di controllo avanzato per azionamenti elettrici ad alte prestazioni, con un focus specifico sull'applicazione del Model Predictive Torque Control (MP-TC) per motori sincroni a magneti permanenti (PMSM). L'obiettivo principale della ricerca è stato lo sviluppo e l'implementazione di un'architettura di controllo predittivo in grado di sostituire i tradizionali regolatori lineari PI nell'anello di corrente, superandone i limiti intrinseci nella gestione dei vincoli fisici del sistema. Dopo aver definito il modello matematico del PMSM ed esposto i fondamenti teorici dell'MPC, il lavoro si è concentrato sull'ottimizzazione algoritmica necessaria per l'implementazione su piattaforme embedded a risorse limitate. In particolare, è stato sviluppato un solutore basato sull'algoritmo di ottimizzazione quadratica di Hildreth, che permette di gestire i vincoli operativi di tensione in tempo reale, garantendo il determinismo temporale richiesto dalle applicazioni industriali. L'efficacia della strategia proposta è stata validata attraverso un'ampia campagna sperimentale, in cui le performance del controllore MPC sono state confrontate con quelle di un'architettura basata su regolatori PI. I risultati ottenuti, analizzati mediante indici statistici di precisione (MSE e IAE), dimostrano come l'MPC sia in grado di garantire prestazioni di tracking confrontabili con le soluzioni industriali consolidate, offrendo al contempo un valore aggiunto in termini di sicurezza operativa e gestione esplicita dei vincoli fisici. Il lavoro conferma la maturità dell'architettura MPC per la gestione della complessità dei sistemi elettromeccanici reali, ponendo solide basi per future implementazioni in ambito industriale.