Geri Dön

Analysis and design of a sensorless field oriented controlled motor drive for ariba solar car

Arıba güneş arabası için algılayıcısız alan yönlendirmeli kontrollü motor sürücüsü analizi ve tasarımı

PDF İndir

  1. Tez No: 1024233
  2. Yazar: EGE UZUN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. MEHMET ONUR GÜLBAHÇE
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Artan küresel enerji ihtiyacı, çevresel kaygılar ve fosil yakıt kaynaklarının tükenmesi, sürdürülebilir ulaşım teknolojilerine geçişi hızlandırmıştır. Bu dönüşüm sürecinde elektrikli araçlar; yüksek verimlilikleri, düşük emisyon değerleri ve yenilenebilir enerji sistemleri ile uyumlulukları sayesinde en umut verici çözümlerden biri haline gelmiştir. Elektrikli araç uygulamaları arasında güneş enerjili yarış araçları, sınırlı enerji kapasitesi, hafif yapı gereksinimi ve uzun mesafeli yarışlar boyunca sürekli değişen çalışma koşulları nedeniyle en zorlu mühendislik problemlerinden birini oluşturmaktadır. Sürekli Mıknatıslı Senkron Motor (SMSM) yapıları; yüksek verim, kompakt yapı, yüksek tork yoğunluğu ve üstün dinamik performans özellikleri nedeniyle elektrikli araç uygulamalarında yaygın olarak tercih edilmektedir. Elektrikli araçlarda bataryadan çekilen doğru akımın üç fazlı alternatif akıma dönüştürülerek motorun yüksek performansla sürülmesi için gelişmiş motor sürücü sistemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bununla birlikte gelişmiş motor kontrol teknikleri, elektrikli tahrik sistemlerinin verimliliğini ve kontrol kabiliyetini önemli ölçüde artırmıştır. Özellikle Alan Yönlendirmeli Kontrol (AYK), geniş hız aralığında hassas tork kontrolü ve yüksek verimli çalışma sağlayarak SMSM motorlarını enerji kullanımının kritik öneme sahip olduğu elektrikli araç uygulamaları için oldukça uygun hale getirmektedir. Bu kapsamda bu tez çalışmasında, ITÜ Güneş Arabası Ekibi ARIBA aracı için geliştirilen üç fazlı bir motor sürücü sisteminin tasarımı, gerçekleştirilmesi, benzetimi ve deneysel doğrulaması baştan uca detaylı bir şekilde sunulmuştur. Geliştirilen motor sürücü sistemi; verimlilik, güvenilirlik, kompakt yapı ve yarış koşulları altında kararlı çalışma gereksinimlerinin ön planda olduğu güneş enerjili araç uygulamaları için özel olarak tasarlanmıştır. Proje kapsamında, yalnızca teorik bir altyapı oluşturmakla kalınmamış, motor donanımı ve gömülü kontrol yazılımı sıfırdan geliştirilerek zorlu yarış ortamları için fonksiyonel bir prototip ortaya konulmuştur. Çalışmanın başlangıcında tahrik sisteminin operasyonel gereksinimleri analiz edilmiş ve bu gereksinimler elektriksel, termal ve kontrol odaklı tasarım kriterlerine dönüştürülmüştür. Bu gereksinimlere bağlı olarak geliştirilen motor sürücü sistemi; 150 V DC bara gerilim seviyesinde çalışabilecek, geçici durumlarda 100 A seviyesine ulaşan faz akımlarına dayanabilecek ve yaklaşık 5 kW sürekli güç kapasitesi sağlayabilecek şekilde tasarlanmıştır. Yüksek verim ve güç yoğunluğu hedeflerinin yanı sıra sistemin, rejeneratif frenleme koşulları, ani yük değişimleri ve termal açıdan zorlayıcı çalışma senaryoları altında da kararlı çalışması hedeflenmiştir. Donanım tasarım sürecinde, evirici güç katı yüksek akım taşıma kapasitesine sahip MOSFET anahtarlarının paralel bağlanmasıyla oluşturulmuş ve anahtarlama kayıplarını minimuma indirmek amacıyla düşük parazitik endüktanslı bir baskı devre kartı mimarisi kurgulanmıştır. Yüksek hızlı anahtarlama esnasında oluşabilecek gerilim sıçramalarını sönümlemek ve MOSFET'leri korumak için özel RCD (Direnç-Kondansatör-Diyot) snubber devreleri tasarlanmıştır. Akım ve gerilim ölçümleri, elektriksel izolasyonu sağlayan hassas algılayıcılarla gerçekleştirilmiş olup, analog sinyaller özel filtreleme devrelerinden geçirilerek mikrodenetleyiciye iletilmiştir. Donanım seviyesinde geliştirilen aşırı akım, aşırı gerilim ve sıcaklık koruma yapıları, yazılımdan bağımsız çalışarak sistemin güvenilirliğini en üst seviyeye çıkarmaktadır. Tez çalışması; evirici donanımı, kapı sürücü devreleri, ölçüm ve koruma yapıları, yardımcı güç kaynakları ve gömülü kontrol yazılımını içeren bütüncül bir motor sürücü gerçekleştirimini sunmaktadır. Evirici güç katı, akım ve gerilim ölçüm devreleri, Hall algılayıcısı ve koruma mekanizmalarının detaylı tasarım süreçleri açıklanmıştır. Ayrıca önerilen sistemin deneysel gerçekleştirilmesinden önce, hem donanım altyapısının hem de uygulanan kontrol algoritmalarının çalışma kararlılığı, dinamik cevabı ve genel kontrol performansı benzetim çalışmaları ile değerlendirilmiştir. Araçta kullanılan tahrik Eksenel Akılı Sürekli Mıknatıslı Senkron Motorun (EASMSM) Hall algılayıcısı içermesi nedeniyle, aynı gömülü kontrol altyapısı üzerinde hem klasik altı adımlı komütasyon kontrolü hem de AYK (Alan Yönlendirmeli Kontrol) algoritmaları geliştirilmiş ve uygulanmıştır. AYK çalışmasının uygulanabilmesi için iki faz akım ölçüm yapısı ile birlikte batarya akım ve gerilim ölçüm devreleri entegre edilmiş; bu yapılar sistem izleme, koruma ve enerji yönetimi amaçlarıyla kullanılmıştır. Gömülü kontrol yazılımı, 32-bit ARM Cortex-M4 çekirdeğine sahip STM32F446RE mikrodenetleyicisi üzerinde gerçek zamanlı olarak çalıştırılmaktadır. Fiziksel üretime geçilmeden önce sistemin tüm elektriksel, termal ve kontrol karakteristikleri farklı simülasyon ortamlarında analiz edilmiştir. MATLAB/Simulink üzerinde motorun elektromekanik modeli ile birlikte altı adımlı komütasyon ve Sensörsüz AYK kontrol döngüleri simüle edilerek sistemin hız ve tork yanıtları incelenmiştir. Simülasyonlarda, PI hız ve akım denetleyicilerinin katsayıları optimize edilmiş ve uzay vektör darbe genişlik modülasyonu (UVDGM) ile sinüzoidal faz akımlarının başarılı bir şekilde üretildiği görülmüştür. Eş zamanlı olarak, LTspice yazılımı kullanılarak evirici güç katının elektronik devre simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Bu simülasyonlarda güç MOSFET'lerinin anahtarlama sırasındaki geçici durumları, baskı devre üzerindeki kaçak endüktansın etkileri, RCD snubber devrelerinin sönümleme performansı ve yüksek frekanstaki anahtarlama kayıpları detaylı bir şekilde analiz edilerek sistemin toplam çalışma verimi farklı yük durumları (%10, %25, %50, %75 görev döngüsü) için hesaplanmıştır. Tez çalışması kapsamında tasarlanan, benzetimleri yapılan ve fiziksel olarak üretilen donanım prototipinin deneysel doğrulaması, motor test tezgahı ve dinamometre kurulumları kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Hall algılayıcı tabanlı altı adımlı komütasyon kontrolü, ana tasarım hedefi olan EASMSM üzerinde tam yük ve yarım yük senaryolarında test edilmiştir. Osiloskop üzerinden elde edilen faz akımı ve gerilimi dalga formları incelendiğinde, kontrolcünün kapalı çevrimde başarılı bir akım regülasyonu sağladığı ve komütasyon anlarındaki yüksek frekanslı anahtarlamaları stabil bir şekilde yönettiği kanıtlanmıştır. Ayrıca AYK algoritmaları, Gömülü Sürekli Mıknatıslı Senkron Motor (GSMSM) içeren test ortamında sürülerek doğrulanmıştır.UVDGM ile üretilen düşük harmonikli ve yüksek kaliteli sinüzoidal üç faz akımları deneysel olarak kaydedilmiş, motorun nominal tork ve hız değerlerindeki titreşimsiz çalışması gözlemlenmiştir. Deneysel testlerin son aşamasında motor sürücü kartının termal performansı analiz edilmiştir. Inverter, 60 V bara gerilimi altında 15 A sürekli akım çekilerek uzun süreli yük testine tabi tutulmuş ve termal kamera ile incelenmiştir. Test sonuçları, alüminyum soğutucu ve TO-247 kılıflı paralel MOSFET yerleşiminin ısıl dağılımı mükemmel bir şekilde yönettiğini ve yarı iletken bileşenlerin güvenli çalışma sıcaklıklarında kaldığını doğrulamıştır. Sonuç olarak, deneysel sonuçlar ve elde edilen grafikler, geliştirilen donanım ve gömülü yazılım altyapısının ITÜ Güneş Arabası Ekibi ARIBA güneş arabası için belirlenen tüm elektriksel ve operasyonel gereksinimleri başarıyla sağladığını göstermektedir. Sistemin farklı motor topolojileriyle ve ağır akım yükleri altında son derece kararlı çalışabilmesi, bu tezin özgün donanım tasarım yaklaşımının bir kanıtıdır. Elde edilen tüm teorik, simülasyon ve pratik bulgular; yarış koşullarında çalışan hafif elektrikli araçlar için esnek, verimli, güvenilir ve yüksek performanslı yeni nesil bir motor sürücü çözümü ortaya koymaktadır.

Özet (Çeviri)

The increasing global energy demand, environmental concerns, and the depletion of fossil fuel resources have accelerated the transition toward sustainable transportation technologies. In this transition, electric vehicles have become one of the most promising solutions due to their high efficiency, low emissions, and compatibility with renewable energy systems. Among electric vehicle applications, solar-powered race vehicles (solar cars) represent one of the most challenging engineering problems because of their limited available energy, lightweight structures, and continuously changing operating conditions during long-distance races. Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSM) have become widely preferred in electric vehicle applications because of their high efficiency, compact structure, high torque density, and superior dynamic performance. At the same time, advanced motor control techniques have significantly improved the efficiency and controllability of electric traction systems. In particular, Field-Oriented Control (FOC) enables precise torque regulation and highly efficient operation over a wide speed range, making PMSMs highly suitable for electric vehicle applications where energy utilization is critically important. Within this context, this thesis presents the design, implementation, simulation, and experimental validation of a three-phase motor drive system developed for the ITU Solar Car Team ARIBA vehicle. The developed motor driver was designed specifically for solar car applications where efficiency, reliability, compact structure, and stable operation under race conditions constitute the primary design objectives. At the beginning of the study, the operational requirements of the traction system were analyzed and translated into electrical, thermal, and control-oriented design constraints. Based on these requirements, the developed motor drive was designed to operate at a 150 V DC bus voltage level, withstand transient phase currents reaching 100 A, and provide approximately 5 kW continuous power capability. In addition to achieving high efficiency and power density, the system was required to maintain stable operation under regenerative braking conditions, sudden load variations, and thermally demanding operating scenarios. Since the traction motor used in the vehicle includes on Hall-effect sensors both conventional six-step commutation control and FOC algorithms were implemented within the same embedded control infrastructure. For FOC operation, two-phase current measurement together with battery current and voltage sensing circuits were developed for system monitoring, protection, and energy management purposes. In addition, hardware-based overcurrent protection structures and fault handling mechanisms were integrated into the system to ensure reliable operation under high-current conditions. The thesis presents a complete motor drive realization including inverter hardware, isolated gate driver circuits, sensing and protection structures, auxiliary power supplies, and embedded control software. Detailed design procedures of the inverter power stage, current and voltage sensing circuits, Hall sensor conditioning interfaces, and protection mechanisms are presented. In addition, simulation studies of both the hardware infrastructure and the implemented control algorithms were carried out to evaluate the operational stability, dynamic response, and overall control performance of the proposed system prior to experimental implementation. To experimentally validate the developed motor drive architecture, extensive tests were conducted using different permanent magnet motor topologies commonly encountered in electric vehicle applications. Hall sensor-based commutation control was successfully applied to Surface-Mounted PMSM (SPMSM), while FOC operation was implemented and validated on Interior PMSM (IPMSM). In addition, axial flux PMSM (AFPMSM) motors were experimentally driven using both commutation and FOC methods. Experimental results demonstrated that the developed hardware and embedded software infrastructure successfully satisfy the operational requirements defined for the ITU SCT ARIBA solar car while maintaining stable operation under different motor structures and high-current operating conditions. The obtained results verify that the proposed motor drive system provides a flexible, reliable, and high-performance solution suitable for advanced electric vehicle applications operating under race conditions.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    782487

    Wide speed sensorless control of PMSM drive with smooth transition between HFSİ and extended luenberger observer

    Yüksek frekanslı sinyal enjeksiyon ve genişletilmiş luenberger gözlemci arasında sorunsuz geçiş ile geniş hız aralığında SMSM sürücünün sensörsüz kontrolü

    MUSTAFA MUS AB AVCI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SALİH BARIŞ ÖZTÜRK

  2. Tez No

    789856

    Sürekli mıknatıslı senkron motorun doğrusal olmayan denetleyici ile sensörsüz hız denetimi: Lyapunov yaklaşımı

    Sensorless speed control of a permanent magnet synchronous motor with nonlinear controller: Lyapunov approach

    AHMET İLKKAN AÇIKGÖZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiZonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İBRAHİM ALIŞKAN

  3. Tez No

    46532

    Sincap kafesli asenkron makinenin rotor alan yönlendirmeli kontrolü

    Rotor field-orientation control of a squirrel cage induction machine

    SAFFET ALTAY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1995

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. M. EMİN TACER

  4. Tez No

    363865

    Santrifüj eğirme sistemi ile üretilen liflerle yapılan kompozitlerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi

    Definition of mechanical properties from centrifugal spun fibrous composites

    HARUN YALÇIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞAFAK YILMAZ

    YRD. DOÇ. ALİ KILIÇ

  5. Tez No

    75327

    Deprem etkisindeki yapılarda aktif ve pasif kontrol sistemlerinin uygulanması

    Başlık çevirisi yok

    BARIŞ SARI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. A. NECMETTİN GÜNDÜZ

Geri Dön