Integral backstepping speed controller design with observer based load torque estimation for permanent magnet synchronous motors
Sabit mıknatıslı senkron motorlar için gözlemleyici tabanlı yük torku kestirimi ile integral geri adımlamalı hız kontrolcü tasarımı
- Tez No: 1014095
- Danışmanlar: DOÇ. DR. FATİH ADIGÜZEL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Computer Engineering and Computer Science and Control, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Aviyonik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Aviyonik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez, Kalıcı Mıknatıslı Senkron Motor (KMSM) sürücülerinde yüksek hassasiyetli hız takip ve akım kontrolü problemini, bilinmeyen ve zamanla de˘gi¸sen yük torku bozucuları ile model belirsizlikleri altında ele almaktadır. Endüstride yaygın olarak kullanılan Alan Yönlendirmeli Kontrol (AYK) yapısı, iç döngüde akım regülasyonu ve dı¸s döngüde hız kontrolü ¸seklinde kademeli bir mimariye dayanır. Ancak bu mimaride sıklıkla tercih edilen PI tabanlı kontrolcüler, stator direnci ve endüktanslardaki sıcaklık kaynaklı de˘gi¸simler, modellenmeyen dinamikler ve ani yük torku de˘gi¸simleri gibi etkiler altında kontrol performansında azalma, a¸sım ve kalıcı durum hatası sergileyebilmektedir. Özellikle yüksek dinamik gereksinimler ta¸sıyan sürücü uygulamalarında, bozuculara kar¸sı daha güçlü bastırma kabiliyeti ve analitik kararlılık güvencesi sa˘glayan do˘grusal olmayan tasarımlar önem kazanmaktadır. Bu kapsamda tezde, pratik kaskad sürücü yapısını koruyan ve aynı zamanda Lyapunov tabanlı kararlılık garantileri sunan birle¸sik bir kontrol-gözlemci çerçevesi önerilmektedir. Önerilen yapıda hız ve akım döngüleri integral etkili geri adımlama yöntemiyle tasarlanmakta; integral terimler sayesinde sabit ya da yava¸s de˘gi¸sen bozuculara kar¸sı kalıcı durum hatası bastırılmaktadır. Mekanik kanaldaki bilinmeyen yük torku ve modellenmeyen dinamikler dâhil Do˘grusal Olmayan Geni¸sletilmi¸s Durum Gözlemcisi (DO-GDG) ile çevrim içi olarak kestirilmektedir. Bu kestirim, tork sensörü gereksinimini ortadan kaldırarak maliyet ve mekanik karma¸sıklı˘gı azaltmakta; aynı zamanda bozucu telafisi yoluyla hız takip performansını güçlendirmektedir. Kapalı çevrim sistemin kararlılı˘gı, kontrolcü ve gözlemci bile¸senlerini birlikte ele alan bile¸sik bir Lyapunov analiziyle incelenmi¸stir. Gözlemci hata dinamikleri için girdiden duruma kararlılık yakla¸sımı kullanılarak, tüm kapalı çevrim yapının üniform olarak nihai sınırlı kararlı oldu˘gu gösterilmi¸stir. Ayrıca nihai hata sınırının, kontrolcü ve gözlemci kazanç parametrelerine açık biçimde ba˘glı olacak ¸sekilde türetildi˘gi; bu sayede tasarımcının hedef performansa göre parametreleri sistematik olarak ayarlayabilece˘gi ortaya konmu¸stur. Elde edilen sonuçlar, gözlemci bant geni¸sli˘gi arttıkça nihai sınırın daraldı˘gını ve bozucu bastırma kabiliyetinin güçlendi˘gini göstermektedir; bununla birlikte, dijital uygulamada gürültü büyütme ve örnekleme sınırları nedeniyle bant geni¸sli˘gi seçiminde pratik kısıtların dikkate alınması gerekti˘gi vurgulanmaktadır. Önerilen yöntemin etkinli˘gi benzetim çalı¸smaları ile de˘gerlendirilmi¸stir. Benzetim sonuçları, referans hız izleme do˘grulu˘gunu, akım döngülerinin kararlı ve hızlı regülasyonunu ve ani yük torku de˘gi¸simleri altında güçlü bozucu bastırma performansını do˘grulamaktadır. Sonuç olarak bu tez, ˙KMSM sürücülerinde gözlemci tabanlı bozucu telafisini integral geri adımlama kontrolüyle birle¸stirerek hem uygulamaya uygun bir yapı hem de analitik kararlılık güvenceleri sunan bütüncül bir yakla¸sım ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis investigates high-accuracy speed tracking and current regulation of an Interior Permanent Magnet Synchronous Motor (IPMSM) drive under unknown and time-varying load torque disturbances, unmodeled dynamics, and parameter uncertainties. In industrial practice, field-oriented control is typically implemented in a cascaded form, with an inner current loop regulating the synchronous-frame currents and an outer speed loop generating the torque-producing current reference. Although PI-based regulators are widely used due to their simplicity and established implementation, their performance may deteriorate under abrupt load changes and parameter drifts (e.g., temperature-dependent resistance variations), resulting in increased sensitivity, overshoot, slower recovery, and steady-state tracking errors. These limitations motivate nonlinear control strategies that can explicitly account for system nonlinearities while providing analytical stability guarantees. To address these challenges, this work proposes a unified observer-based control framework that preserves a practical cascaded drive structure while replacing classical PI loops with Lyapunov-based integral backstepping laws. Integral action is embedded within the backstepping design to suppress steady-state error in the presence of constant or slowly varying disturbances. In addition, the lumped disturbance acting on the mechanical channel—capturing the unknown load torque together with unmodeled effects—is estimated online using a Nonlinear Extended State Observer (NL-ESO). The estimated disturbance is then utilized for compensation within the control loop, enhancing disturbance rejection without requiring a dedicated torque sensor, thereby improving practicality and reducing system complexity. Closed-loop stability is established through a composite Lyapunov analysis that jointly considers the controller dynamics and the observer estimation error. An input-to-state stability characterization is employed for the NL-ESO error subsystem, leading to a rigorous proof that the overall closed-loop system is uniformly ultimately bounded (UUB). Furthermore, an explicit ultimate bound is derived as a function of the controller and observer gain parameters, providing a systematic tuning guideline. In particular, the analysis indicates that the ultimate bound tightens as the observer bandwidth increases, clarifying the trade-off between disturbance rejection and implementation constraints such as noise amplification and sampling limitations in digital realization. The proposed method is evaluated via simulations under representative reference profiles and sudden load torque disturbances. Simulation results confirm accurate speed tracking, stable and fast current regulation, and strong disturbance rejection performance under abrupt torque variations. Overall, the thesis demonstrates that combining NL-ESO-based disturbance estimation with integral backstepping control yields an implementable and theoretically grounded solution for robust IPMSM drive control.
Benzer Tezler
- Dört rotorlu bir insansız hava aracının modellenmesi, tasarımı ve yükseklik denetimi
Modeling, design and altitude control of a four-rotor unmanned aerial vehicle
EBUBEKİR BOZKURT
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Mekatronik MühendisliğiFırat ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BEŞİR DANDIL
- Sürekli mıknatıslı senkron motorun doğrusal olmayan ve uyarlamalı geri adımlı hız denetimi
Nonlinear and adaptive backstepping speed control of permanent magnet synchronous motor
MURAT KARABACAK
Doktora
Türkçe
2012
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiElektronik-Bilgisayar Eğitimi Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HALİL İBRAHİM ESKİKURT
- Değişken hızlı rüzgar türbinin ve geri dönüşlü çeviricinin doğrusal olmayan denetleyici tasarımı
A variable speed wind turbine and a flyback converter of nonlinear controller design
MURAT ŞEKER
Doktora
Türkçe
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGebze Yüksek Teknoloji EnstitüsüElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERKAN ZERGEROĞLU
- Adaptive robust attitude controller design for a quadrotor platform
Quadrotor platformları için uyarlanabilir ve gürbüz açısal konum kontrolcü tasarımı
EMRE YILMAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Havacılık ve Uzay MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ALİ TÜRKER KUTAY
- Model öngörülü kontrol ile diferansiyel tahrikli bir mobil robotun yörünge takibi kontrolü
Trajectory tracking control of a differential drive mobile robot with model predictive control
KÜBRA KOÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Mekatronik MühendisliğiNecmettin Erbakan ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÜMİT ÖNEN