Design and implementation of sensorless vector controlled drive for PMSMs
Sürekli mıknatıslı senkron motorlar için sensörsüz vektör kontrollü sürücü tasarımı ve gerçeklenmesi
- Tez No: 553978
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT YILMAZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 115
Özet
Elektrik makinalarına dayalı sistemler günümüzde hayatımızın önemli bir parçası olmuş durumdadır. Elektrik üretiminden havalandırma ve iklimlendirmeye, ulaşımdan beyaz eşyalara ve hatta her gün kullandığımız kişisel eşya ile araçlara kadar sayısız uygulama elektrik motoru kullanımına dayanmaktadır. Günümüzde küresel olarak üretilen elektrik enerjisinin neredeyse yarısı elektrik motorları tarafından tüketilmektedir. Elektrikli araçların günden güne daha da yaygınlaşması ve son kullanıcılara erişiminin kolaylaşması nedeniyle bu oranın giderek artması beklenmektedir. Savunma sanayi, havacılık, uzay ve otomotiv gibi yüksek teknoloji kullanımı fazla olan uygulamalarda sektörün doğası gereği yüksek performanslı yöntemlerin ve komponentlerin kullanımı gerekli olmaktadır. Endüstriyel uygulamalar ve beyaz eşya sektöründe ise bu gereklilik devletler ve uluslararası otoritelerin regülasyonları sonucu oluşmaktadır. Elektrikli sürüş uygulamalarında yüksek performans gereksinimi daha verimli elektrik motorları ve sürücü sistemleri kullanılması ile sağlanmaktadır. Bu da genellikle eski nesil asenkron motorların daha yüksek verime sahip mıknatıslı motorlar ile değiştirilmesi sonucu elde edilmektedir. Sürekli mıknatıslı senkron motorlar endüvi alanı üretmek için rotora yerleştirilmiş mıknatısları kullanırlar. Bu sayede rotor sargısı, fırça ve bilezik kullanımının önüne geçilmiş olur. Bunun sonucu olarak rotor sargısı üzerinde oluşacak elektriksel kayıplar ve fırça ile bilezik arasındaki sürtünme sonucu oluşacak mekanik kayıpların önüne geçilerek toplam verimin yükseltilmesi sağlanır. Stator manyetik alanının rotor manyetik alanı ile senkron bir şekilde dönmesi gereklidir. Bu nedenle kullanılacak olan sürücü sistemleri rotor manyetik alanına dik bir manyetik alan vektörü oluşturacak faz gerilimlerini statora uygulamalıdır. Sürekli mıknatıslı senkron motorların sürüşünde kullanılan sürücü sistemleri rotor açı bilgisine ihtiyaç duymaktadır. Rotor açısı konum algılayacak şekilde tasarlanmış sensörlerin kullanımı ile elde edilebilir. Bu sensörlerden başlıcaları manyetik alan algılayıcılar, enkoderler ve açı algılayıcılardır. Sensör kullanımı sürüş için büyük öneme sahip olan rotor açısı bilgisini sağlamak ile beraber sisteme inkar edilemez bir yük bindirmektedir. Motor hacminin, üretim karmaşıklığının ve maliyetinin artması ile sensör kullanımı sonucu artan bakım gereksinimi tasarımcıları ve araştırmacıları sensörsüz konum algılama teknikleri üzerinde çalışmalar yapmaya itmiştir. Özellikle beyaz eşya uygulamalarında olmak üzere, birçok alanda sensörsüz vektör kontrol yöntemi yaygın olarak kullanılmaktadır. Servo uygulamaları gibi hassas konum bilgisi ve konum kontrolü gerektiren uygulamalarında ise sensörsüz konum algılama yöntemleri yetersiz kaldığı için kullanılmamaktadır. Bu çalışmada sürekli mıknatıslı senkron motorlar için sensörsüz alan yönlendirmeli kontrole yönelik bir sürücü sistemi geliştirilmiştir. Sürücü sistemi üç fazlı evirici katı, kontrol katı ve kontrol için geliştirilmiş gömülü sistem yazılımından oluşmaktadır. Çalışmanın kapsamı bu sürücü sisteminin kontrol katı ve gömülü sistem yazılımı kısımlarının tasarlanmasını içermektedir. Üç fazlı evirici katı piyasada hazır halde bulunabilen bir geliştirme kartı olarak temin edilmiştir. Bu geliştirme kartı 48V ve 15A'e kadar plaka değerine sahip üç fazlı motorları sürebilecek donanıma sahiptir. Şönt direnç ve işlemsel kuvvetlendiriciler ile oluşturulmuş akım ölçme yapıları, aşırı akım koruması için karşılaştırıcı devresi, bara gerilim ölçme devresi ve kontrol katı için gerekli düşük gerilimi yaratacak anahtarlamalı güç kaynağı bu kart üzerinde hazır olarak bulunmaktadır. Kontrol katı ise üç fazlı evirici kartına kolayca takılabilir biçimde bir modül kartı olarak tasarlanmıştır. Tasarım süreci uygun özelliklere sahip bir mikrodenetleyicinin ve çevresel elemanların seçimi, şematik çizimi ve baskı devre tasarımı aşamalarından oluşmuştur. Şematik çizimi ve baskı devre tasarımı için Altium programı kullanılmıştır. Kart boyutu ve komponent yerleşimleri temin edilmiş olan üç fazlı evirici kartına uygun olacak şekilde belirlenmiş ve baskı devre tasarımı iki katlı olacak şekilde yapılmıştır. Kontrol kartı ile üç fazlı evirici kartı arasındaki giriş çıkış ve besleme bağlantılarının uygun şekilde yapılması sağlanmıştır. Kontrol kartı daha sonrasında üretilmiş ve dizgisi yapılmıştır. Sensörsüz olarak rotor elektriksel açısının tahmini için iki farklı yöntem incelenmiştir. İlk olarak genişletilmiş endüklenen gerilim gözlemleyicisi detaylı olarak analiz edilmiştir. Luenberger gözlemleyicisi yapısında olan bu tahmin yöntemi sistem modelinin denetleyici içerisinde kurulmasına dayalıdır. Sistemin durum değişkenlerinin tahmini için ölçülen ve bilinen durum değişkenleri sistem modeli kullanılarak işlenir. Sistem modeli oluşturulurken bilinçli olarak bir durum değişkeni modelden çıkartılır ve bunun yerine bir kompanzatör yerleştirilir. Sistem modeli kullanılarak tahmin edilen durum değişkeni ile ölçülen durum değişkeni arasındaki hatanın sıfırlanmasında bu kompanzatör kullanılırsa, sürekli hal durumunda kompanzatörün çıkışı bilinçli olarak sistem modelinden çıkartılmış durum değişkenine eşit olmaktadır. Bu gözlemleyici yapısı sürekli mıknatıslı senkron motorda endüklenen gerilim tahmini için kullanılacak şekilde düzenlenmiştir. Bunun için motorun iki fazlı sabit düzlemdeki elektriksel modeli kullanılmıştır. Motor modelinden genişletilmiş endüklenen gerilim kısmı çıkartılarak oluşturulan sistem modeli α ve β eksen akımlarını tahmin edecek şekilde oluşturulmuştur. Tahmin edilen akım ile ölçülen akım arasındaki hata ise iki adet PI kontrolör ile kompanze edilerek sistem modeline eklenmektedir. Sürekli hal durumunda bu PI kontrolörlerin çıkışı modelden çıkartılmış olan genişletilmiş endüklenen gerilime eşit olmaktadır. Endüklenen gerilim rotor elektriksel açısının sinüs ve kosinüs bileşenlerini içermektedir. Elde edilen bu sinüs ve kosinüs bileşenleri ise bir açık takip gözlemleyicisi kullanılarak rotor elektriksel açısına ve filtrelenmiş rotor eletriksel hızına dönüştürülmektedir. Rotor açısının tahmini için stator akı tahmin yöntemi ayrıca incelenmiştir. Bu yöntem motorun iki fazlı sabit düzlemdeki elektriksel modelini kullanmaktadır. Akı ifadesi faz akımları, endüktans matrisi ve rotor açısının sinüs ve kosinüs terimlerini içermektedir. Endüktans matrisi değer olarak oldukça küçük olduğu için akı ifadesine olan etkisi yok sayılabilir. Bu nedenle, akı ifadesinin rotor açısının sinüs ve kosinüs terimlerini doğrudan verdiği varsayımı yapılabilmektedir. Stator akısı endüklenen gerilimin integralinin alınması sayesinde tahmin edilebilir. Fakat bu işlem doğrudan integral operatörü kullanılarak yapılamamaktadır. İntegrali alınan terimlerin zamanda değişken olmayan (DA) bileşenler içermesi ve başlangıç değerinin belirsizliği doğrudan integral operatörünün kullanımı sonucu karşılaşılan problemlerdendir. Bunun yerine, aralarında türev operatörü bulunan iki adet alçak geçiren süzgeç kullanılmıştır. Süzgeçlerin zaman sabitleri yeterince büyük seçildiğinde, integral işlemini gerçekleştirmek ile beraber DA bileşenlerin temizlenmesini sağlamaktadır. Açı ve hız tahmin algoritmalarının başarımının testi için MATLAB Simulink aracı kullanılmıştır. Bunun için bir alan yönlendirmeli kontrol sistemi modellenmiştir. Sistem modelinde motordan ölçülen üç faz akımları elektriksel açı tahmini ile Clarke ve Park dönüşümleri kullanılarak d-q eksen akımlarına dönüştürülmüştür. Referans d-q eksen akımları ile hesaplanan d-q eksen akımları arasındaki hatanın giderilmesi için d-q ekseninde referans gerilimleri çıkış olarak veren iki adet PI kontrolör kullanılmıştır. Referans gerilimi daha sonrasında ters Clarke ve ters Park dönüşümleri kullanılarak üç fazlı sistemin referans gerilimlerine dönüşütürülmüş ve statora uygulanmıştır. Hız kontrolü için sabit ivmelenmeye sahip bir referans rampa fonksiyonu kullanılmıştır. Hızlanma ve yavaşlama ayrı şekilde belirlenen ivmelenme değerlerinde rampanın kontrolü sağlanmıştır. Referans rampa ile tahmin edilen rotor hızı arasındaki hata çıkış limitasyonuna sahip bir PI kontrolörden geçirilerek referans q eksen akımı oluşturulmuştur. Genişletilmiş endüklenen gerilim gözlemleyicisi motorun α-β koordinat sisteminde düzenlenmiş bir modeli üzerine kurulmuş bir blok olarak modellenmiştir. Ölçülen akımlar, uygulanan gerilimler ve rotor açısal hızının giriş olarak kullanıldığı bu blok tahmin edilen rotor elektriksel açısının sinüs ve kosinüs bileşenlerini içeren iki sinyali çıkış olarak vermektedir. Bu sinüs ve kosinüs sinyalleri ise bir açı takip gözlemleyicisinde, trigonometrik eşitliklerden faydalanarak açı hatasına dönüştürülmektedir. Açı hatasının sırasıyla PI kontrolör ve integratör bloğundan geçirilmesi sayesinde rotor açısal hızı ve konumunun elde edilmesi mümkün olmaktadır. Sürüş sisteminin başarımı yüksüz ve yüklü durumlarda incelenmiştir. Bununla birlikte ani yük değişimleri altında sistemin dinamik başarımı da gözlenmiştir. Açı tahmini ile rotorun gerçek açısı karşılaştırılarak sistemin dinamik ve yüksek hassasiyete sahip olduğu gözlenmiştir. Stator akı tahmin algoritması motorun α-β koordinat sistemindeki matematiksel modelinden faydalanılarak kurulmuştur. Uygulanan faz gerilimleri, ölçülen faz akımları ve faz dirençleri kullanılarak her adımda endüklenen gerilim hesaplanmıştır. Bu endüklenen gerilimler ise alçak geçiren süzgeçler ve türev operatöründen oluşturulmuş olan integral bloğuna gönderilmektedir. İntegral bloğunun çıkışında ise rotor elektriksel açısının kosinüs ve sinüs terimlerini vermektedir. Açı takip gözlemleyicisi kullanılarak bu terimlerden açı ve hız bilgisinin elde edilmesi sağlanmıştır. Simülasyon sonuçlarında başlangıç anında oluşan DA bileşenlerin tahmin başarımını düşürdüğü gözlemlenmiştir. Alçak geçiren süzgeçler DA bileşenleri temizledikten sonra hız ve açı tahminleri hassas ve dinamik hale gelmektedir. Süzgeçlerin zaman sabitlerinin azaltılması sonucu başlangıç anındaki hız tahmin performansının arttığı görülmüştür. Fakat, kalıcı hal durumunda açı tahmininde kalıcı hal hatası oluşmaktadır. Akı tahmin algoritmasının sonuçları genişletilmiş endüklenen gerilim gözlemleyicisi ile kıyaslandığında yeterince hassas, dinamik ve gürbüz olmadığı belirlenmiştir. Bu nedenle deneysel testler için genişletilmiş endüklenen gerilim gözlemleyicisi seçilmiştir. Gömülü sistem yazılımı IAR Embedded Workbench geliştirme ortamında tasarlanmıştır. Motor sürücü yazılımı birden çok sonlu durum makinası kullanılarak oluşturulmuştur. Üç fazlı eviricide kullanılacak anahtarlama frekansı ve akım kontrol döngüsünün sıklığı 16 kHz olarak seçilmiştir. Rotor zaman sabitinin akım zaman sabitinden daha büyük olması nedeniyle hız kontrol döngüsünün sıklığı 200 Hz olarak seçilmiştir. Her anahtarlama döngüsünde bir yazılım kesmesi yaratılarak üç faz akım ölçümleri yapılmaktadır. Ölçülen üç faz akımlar daha sonrasında iki fazlı senkron döner düzleme dönüştürülüp bu düzlemde gerçeklenmiş olan hız kontrolörüne gönderilmektedir. Bu sayede q eksen akımının doğrudan kontrolü sağlanmaktadır. Genişletilmiş endüklenen gerilim gözlemleyicisi ve açı takip gözlemleyicisi ayrık zaman sistem fonksiyonları şeklinde geliştirilmiştir. Açık çevrim yol verme işlemi için açık çevrim hız rampası ve bu rampadan türetilmiş açık çevrim pozisyon bilgisi kullanılarak motorun 200 rpm'e kadar hızlanması sağlanmıştır. Sürücü sisteminin doğrulanması için deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. 24 V, 62 W, 3000 rpm plaka değerlerine sahip olan bir motorun sürücü sistemi ile sürüşü gerçekleştirilmiştir. Motoru nominal yük seviyesinde yükleyebilecek bir test düzeneği oluşturulmuştur. Motora akuple bir generatörün çıkışına yerleştirilmiş üç fazlı köprü doğrultucu ve ayarlanabilir dirençten oluşan bu yükleme düzeneği ile yüksüz ve tam yükte çalışma durumlarında sistemin başarımı incelenmiştir. Sistem yüksüz durumdaki motoru 200 rpm ile nominal hız aralığında kontrol etmekle beraber alan zayıflatma yaparak 4000 devir/dk hızına çıkartabilmiştir. Ani yük değişiklikleri uygulanarak sistemin dinamik başarımı gözlenmiştir. Geçici ve kalıcı hal durumlarında sistemin kararlı ve dinamik olduğu görülmüştür.
Özet (Çeviri)
Systems based on electric motors became an important part of our life today. Many applications such as electricity generation, ventilation and transportation, white and brown goods depend on electric motors. Approximately 50% of electrical power generated globally is consumed by electric motors. With the very fast growing electric vehicle industry, this ratio is expected to increase even more. High technology applications like defense industry, aviation and aerospace require the use of higher performance components and techniques due to nature of these industries. Industrial, white and brown goods applications however, count on sustainable, easy to manufacture low cost products. In such industries, domestic and international regulations push manufacturers to use efficient and environment friendly technologies. For electric drive systems, the requirement on using higher performing components is generally satisfied by replacing induction motors with permanent magnet motor, which has higher efficiency. Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSM) use permanent magnets placed on the rotor in order to generate armature field. This, in turn eliminates the electrical losses caused by rotor windings and mechanical losses due to friction between brushes and slip rings. Since stator field should rotate synchronous to rotor field, drive systems require rotor position information. This information can be obtained using sophisticated sensors like Hall effect sensors, encoders and resolvers. In many applications though, increased size, complexity and costs due to position sensors are not desired. Thus, necessity of sensorless rotor position estimation schemes has emerged. Since its first introduction to literature, many different methods are presented about position estimation. This thesis presents the design of a sensorless vector control system for PMSM. A three-phase inverter development board is obtained from market. Controller board and software for this inverter board is designed in this study. Two different position estimation methods are investigated in detail. One is based on estimating motor back-EMFs (Electromotive Force) in two axis stationary reference frame. State estimation is based on two Luenberger observers. Another method depends on estimating stator flux vectors by back-EMF integration. Verification of the position estimation schemes are done using simulations. It is observed that extended back-EMF observer is more accurate and dynamic. Embedded software is developed by transforming simulation models into discrete time functions. System verification is done using hardware experiments with a test setup. No-load to full-load performance of drive system along with dynamic changes in load configuration are observed. For a 3000 rpm (revolutions per minute) motor speed range from 200 to 3000 rpm is covered with full-load while up to 4000 rpm is covered with reduced load and field weakening. System is found dynamic and stable under these operating conditions. Position estimation was accurate as to ensure correct operation of the motor.
Benzer Tezler
- On control of direct-drive permanent magnet synchronous machines in micromobility applications
Mikromobilite uygulamalarında kullanılan direkt sürüşlü kalıcı mıknatıslı senkron makinelerin kontrolü üzerine
KÜRŞAD METEHAN GÜL
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYHAN KURAL
DOÇ. DR. TUFAN KUMBASAR
- Offline stator resistance estimation for permanent magnet synchronous motor and real-time implementation using embedded coder
Kalıcı mıknatıslı senkron motorlar için offline stator direnci tahmini ve embedded koder kullanarak gerçek zamanlı uygulaması
LÜTFÜ EMRE EFE
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SALİH BARIŞ ÖZTÜRK
- Vektör kontrollü hız sensörsüz asenkron motor için HFSTSMC hibrit denetleyici ve AGSTSMO hız gözlemci tasarımı
HFSTSMC hybrid controller and AGSTSMO speed observer design for vector controlled speed sensorless induction motor
ABDÜLHAMİT NURETTİN
Doktora
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKırıkkale ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİHAT İNANÇ
- Vektör kontrol yöntemi için deney düzeneği tasarımı, gerçeklemesi ve bu yöntemin üç fazlı elektrik motorlarında performans karşılaştırması
Design and implementation of experiment setup for vector control method and performance comparison of this method in three phase electric motors
MERTCAN ÖZDAĞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. SIDDIK MURAT YEŞİLOĞLU
- Sirkülasyon pompası uygulamalarında kalıcı mıknatıslı senkron motorun vektör kontrolü ve EEI optimizasyonu
Vector control of pmsm in circulation pump application and an adaptive approach for EEI optimization
MUTULLAH EŞER
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. COŞKU KASNAKOĞLU