Geri Dön

Self-commissioning and position sensorless field oriented control of IPMSM

Gömülü mıknatıslı senkron motorun kendi kendine devreye alınması ve konum sensörsüz alan yönlendirmeli kontrolü

PDF İndir

  1. Tez No: 607162
  2. Yazar: YASİN ÇETİN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. TUFAN KUMBASAR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Computer Engineering and Computer Science and Control, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2019
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 115

Özet

Gömülü daimî mıknatıslı senkron motorlar (IPMSM) yüksek tork/hacim oranları, yüksek verim, düşük gürültü ve geniş çalışma aralığı gibi özellikleriyle öne çıkmakta ve günümüzde oldukça yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Kuşkusuz, alan yönlendirmeli kontrol (FOC) tekniğinin yüksek performansı ve uygulanabilirliği, bunun ana sebeplerinden biridir. Skaler kontrol tekniği basit yapısı itibariyle birçok uygulamada tercih edilen geleneksel yöntem olsa da kararlı durumda sağladığı yeterli performansı dinamik durumlarda sağlayamadığı için genellikle düşük performanslı sürücülerde kullanılmaktadır. Daha iyi bir dinamik performans elde edebilmek için alternatif akım motorlarına alan yönlendirmeli kontrol teknikleri gibi daha karmaşık kontrol teknikleri uygulanmaktadır. Alan yönlendirmeli kontrol tekniğinde, alternatif akım motoru referans eksen dönüşümleri ile serbest uyarmalı doğru akım motoruna benzetilir ve bu sayede akı ve moment ayrı ayrı kontrol edilebilir. Bu bağlamda, alan yönlendirmeli kontrol tekniğinde hız kontrolünü ve referans eksen dönüşümlerini gerçekleştirebilmek için rotor akısının konumu gereklidir ve bu konum genellikle enkoder veya resolver gibi bir konum geri besleme sensörü ile algılanır. Ancak bu sensörler hem oldukça pahalıdır hem de gürültü, titreşim, sıcaklık gibi çevresel koşullara karşı oldukça hassastır. Bu konum geri besleme sensörünü ortadan kaldırabilmek için yıllardır sensörsüz alan yönlendirmeli kontrol teknikleri üzerine araştırmalar gerçekleştirilmektedir. Bu bağlamda literatürde kontrol teorisi ve motor özellikleri kullanılarak geliştirilen çeşitli kestirim yöntemleri bulunmaktadır. Yaygın olarak kullanılan yöntemlerden biri olan gözlemci tabanlı konum kestiriminde Luenberger gözlemcisi, kayan-kipli gözlemci, ve DSP'lerin artan performansıyla birlikte genişletilmiş Kalman filtresi gibi yapıların sensörsüz kontrol şemalarına uygunlanabilir olduğu kanıtlanmıştır. Bu gözlemciler ile geliştirilen uygulamalarda model bazlı filtreleme tekniği ile temel amaç, ölçülebilir bir parametre olan akımı kullanarak, ölçülemeyen parametre olan BEMF değerini kestirmek ve böylece konum/hız bilgisini elde etmektir. Bu kestirim, motorun matematiksel modeli kullanılarak yapıldığından, direnç ve endüktans gibi motor parametrelerinin değerlerine büyük ölçüde bağlıdır. Diğer bir kestirim yöntemi ise IPMSM'lerin çıkıklık özelliği sayesinde sinyal enjeksiyonu ile endüktanslar arasındaki farktan rotor konumu kestirimidir. Çıkıklık özelliği sayesinde endüktans değerinde rotor konumuna bağlı bir değişim olur ve buradan konum kestirimi için stator sargılarına yüksek frekanslı gerilimler uygulanabilir. Bu teknik sıfır ve düşük hızlarda etkili olmasıyla öne çıkar ancak yüzey mıknatıslı senkron motorlar (SPMSM) için geçerli olmaması da tekniğin dezavantajıdır. Yapay sinir ağları ve bulanık mantık tabanlı sistemler de konum kestiriminde kullanılmaktadır. Bu teknikler motorun matematiksel modelini gerektirmez ve gürültüye karşı daha dayanıklıdır ancak sinirlerin eğitimi de hesaplama açısından bir dezavantaj yaratmaktadır. Yüksek performanslı IPMSM sürücülerinde hızlı tepki ve sıfır kararlı durum hatası ile referans takibi oldukça önemlidir. Bir IPMSM tarafından üretilen mekanik torkun kalitesi ve verimi, akım ve akı gibi motor durum değişkenlerinin ne kadar iyi kontrol edilebildiğine bağlıdır. Bu nedenle, karmaşık kontrol algoritmalarına ek olarak, kontrolörlerin tasarımını gerçekleştirebilmek için motor parametrelerinin de doğru bir şekilde bilinmesi gerekmektedir. Bununla birlikte, motor parametrelerinin değerleri zamanla yaşlanma etkileriyle değişebileceği gibi çoğunlukla tam olarak bilinmemektedir ve bu nedenle farklı motorları kontrol etmek üzere sürücüyü ayarlamak çok fazla zaman almaktadır. Zorlu endüstriyel ortamlarda motorları devreye alma işlemine harcanan bu zaman da üretim kaybına dönüşebilmektedir. Bu parametreler çeşitli testler veya ekipmanlar yardımı ile gerçekleştirilen ölçümlerle elde edilebilse de; büyük miktarlardaki zorluk ve ölçüm için ekipman gerekliliği, kontrolör tasarımı için uzman gerekliliği gibi nedenlerden dolayı tercih edilmez. Bu sebeple, IPMSM'lerin ekstra hiçbir ekipman kullanılmadan, sürücü tarafından parametrelerinin kestirilmesi ve kontrolörlerinin otomatik olarak tasarlanması ile kendi kendiliğine devreye alınabilmesi, genel amaçlı sürücüler için istenen bir özellik haline gelmiştir. Ek olarak, bu kestirilen parametreler sadece motor parametrelerini değil aynı zamanda sürücü devreleri ve kablaj/konnektör etkilerini de içereceği için gerçek sisteme daha yakın olacaktır. Bu sayede, sensörsüz kontrol için geliştirilecek olan gözlemcinin matematiksel modelinde yer alan parametrelerin daha gerçekçi olarak bilinmesiyle birlikte, konum/hız kestirimi performansında iyileşmeler elde edilecektir. Bu tez çalışmasının başlıca üç amacı bulunmaktadır. Bunlardan ilki, bir daimî mıknatıslı senkron motorun alan yönlendirmeli kontrol tekniği ile yüksek performanslı hız ve tork kontrolünü sağlamak ve ilerleyen çalışmalara referans bir model olması açısından benzetim ortamında gerçek sisteme oldukça yakın veriler elde edebilmektir. İkinci olarak, konum sensörsüz alan yönlendirmeli kontrol gerçekleştirebilmek için, konum geri beslemesini bir konum sensörü kullanmadan, tasarlanacak olan gözlemci ile matematiksel model üzerinden kestirmektir. Bu amaçla, bir kayan-kipli gözlemci (Sliding Mode Observer, SMO) tasarlanarak motorun genişletilmiş zıt-emk (extended back-EMF, EEMF) kestirimi gerçekleştirilmiş ve bu kestirilen EEMF de bir açı izleyen gözlemciye gönderilerek (Angle Tracking Observer, ATO) konum ve hız kestirimleri filtrelenmiş bir şekilde elde edilmiştir. Kayan-kipli gözlemcinin çatırdama etkisini minimize edebilmek için farklı anahtarlama fonksiyonları denenmiş, nihai olarak saturasyon fonksiyonu tercih edilmiştir. Ayrıca, gözlemci modelinde kullanılan parametrelerin kestirilmesi sayesinde, konum ve hız kestirimlerinin performansları artırılmış ve gözlemci yapısının farklı motorlar için de oldukça hızlı bir şekilde başarıyla çalışabilir hale gelmesi sağlanmıştır. Üçüncüsü ise sürücü üzerinde gerçeklenmiş olan tek bir yazılım ile farklı motorları hızlıca kontrol edebilecek seviyeye getirebilmek için bir kendi kendine devreye alma algoritması geliştirmektir. Bu bağlamda, öncelikle özyinelemeli en küçük kareler yöntemi kullanılarak motorun elektriksel (stator direnci, endüktansları ve ters elektromotor kuvvet (BEMF) sabiti) ve mekanik (atalet momenti, sürtünme katsayısı) parametrelerinin kestirimi gerçekleştirilmiş ve kestirilen bu parametreler kullanılarak kontrolörlerin otomatik olarak ayarlanabilmesi sağlanmıştır. Parametre kestiriminde uyartım sinyali iki sinüs sinyalinin toplamı şeklinde seçilmiştir. Stator direnci ve endüktansının kestiriminde hem d hem de q ekseninde bu sinyaller düşük genlik, yüksek frekansa (0.5A (100Hz + 500Hz)) sahip olacak şekilde; mekanik parametrelerin kestiriminde ise bu sinyaller düşük genlik, düşük frekansa (0.3A(0.25Hz + 0.1Hz)) sahip olacak şekilde ayarlanmıştır. Ters elektromotor kuvvet sabiti kestirimi ise akım kontrol modunda, sabit akım referansı altında gerçekleştirilmektedir. Kestirilen bu parametreler otomatik kontrolör tasarımında kullanılmıştır. Hız ve akım kontrolörleri olarak PI yapıları tercih edilmiştir. Kontrolör tasarımında ise kullanıcıya bant genişliğini ayarlayabilme imkânı sunan kutup-sıfır yok etme yöntemi kullanılmıştır. Gerçekleştirilen tüm çalışmaların Matlab/Simulink ortamında modelleme ve benzetimleri gerçekleştirilmiştir. Önerilen konum sensörsüz hız kontrolü ve otomatik devreye alma yöntemleri TI C2000 DSP tabanlı bir motor sürücü donanımı ile farklı motorlar üzerinde yapılan deney çalışmalarıyla doğrulanmıştır. Elde edilen sonuçlar şu şekilde özetlenebilir: İlk olarak geliştirilen benzetim modelinde test edilecek motor parametreleri kullanıldığında gerçek sisteme oldukça yakın sonuçlarla karşılaşılmıştır. Bu bağlamda, benzetim modeli ilerleyen çalışmalar için bir referans noktası oluşturmuş ve parametre kestirimi, otomatik kontrolör tasarımı, sensörsüz kontrol çalışmaları ilk olarak bu model üzerinde çalıştırılmıştır. Sensörsüz kontrol çalışmalarında kayan kipli gözlemcide kullanılan farklı anahtarlama fonksiyonlarının denenmesi, parametre kestirimi çalışmalarında akım ve hız çevrimlerine ait RLS modellerinin farklı ayrıklaştırma yöntemleriyle elde edilerek kestirim sonuçlarının denenmesi, otomatik tasarlanmış kontrolörlerin cevaplarının incelenmesi gibi çalışmalarda bu benzetim modeli oldukça kolaylık sağlamıştır. İkinci aşamada gerçekleştirilen sensörsüz kontrol algoritması farklı üreticiler tarafından üretilen iki farklı motor üzerinde denenmiştir ve her iki motor için de hata (açık-çevrimden kapalı-çevrime geçiş evreleri dahil olmak üzere) %3,5'ten daha az olarak elde edilmiştir. Pozisyon kestirim hatası ise ilk motorda 0.02 radyan (yaklaşık 1,15 derece) olarak elde edilirken, ikinci motorda 0.4 radyan (yaklaşık 23 derece) olarak elde edilmiştir. Ancak ilk motorda kestirilen konum değeri artımsal enkoder çıkışından alınan konum bilgisi ile kıyaslanırken; ikinci motorda kestirim değeri hall sensör çıkışlarından alınan konum bilgisi ile kıyaslanmıştır. Bu nedenle ikinci motordaki konum kestirim hatasının ilkine göre yüksek olmasının ana sebebi hall sensörün sahip olduğu düşük çözünürlüktür. Son olarak, parametre kestirimi çalışmaları da farklı iki motor üzerinde denenmiş ve ek olarak mekanik parametrelerin tam olarak bilinememesi sebebiyle motor miline sıkıca geçebilecek bir yapıya sahip 4 farklı değerde atalet yükü tasarlanarak üretilmiş ve bunların da kestirimi gerçekleştirilmiştir. Bu atalet yükleri iki farklı çapta (65mm ve 90mm) olacak şekilde alüminyum ve çelik olarak üretilmiştir. Elektriksel parametrelerin elde edilmesi bir saniyeden kısa bir sürede gerçekleştirilirken mekanik parametrelerin ise 10-15 saniye sonucunda yakınsadığı görülmüştür. Tüm parametre kestirimi sonuçlarında hata oranı %10'un altında elde edilmiştir. Kestirilen parametrelerin kullanılmasıyla tasarlanan otomatik kontrolör cevaplarının başarımı da bu elde edilen sonuçları desteklemektedir.

Özet (Çeviri)

Interior permanent magnet synchronous motors (IPMSM) have been using widely in industry due to their features such as high-power density, efficiency and wide working area. Certainly, the high performance and applicability of the field-oriented control (FOC) technique is one of the main factors of this. This thesis has three main objectives. The first is to design, simulation and implementation of high-performance speed and torque control of an interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) with field-oriented control (FOC) technique and to obtain very close results to the real system in the simulation environment as a reference model for further studies. Secondly, to perform position sensorless field-oriented control, estimate the position and speed feedback from the mathematical model by using observer without using position sensor. For this purpose, a Sliding Mode Observer (SMO) was designed and estimation of extended back-EMF (EEMF) of IPMSM was performed and this estimated EEMF was sent to Angle Tracking Observer (ATO) to obtain speed and position in a filtered manner. In order to minimize the chattering problem of SMO, different switching functions have been tried and finally the saturation function has been preferred. In addition, the parameters used in the position observer model have been estimated, so by using these estimated parameters performance of position sensorless FOC has been increased and the observer has been able to work successfully for different motors quite quickly. The third one is the development of a self-commissioning algorithm to become be able to control different motors quickly with a single software implemented on the motor drive. In this context, firstly the recursive least squares (RLS) method is used to estimate the electrical (stator resistance, inductances and back-emf constant) and mechanical (moment of inertia, friction coefficient) parameters of the motor. Then the controllers can be tuned automatically using these estimated parameters. In estimation of electrical parameters, for both d and q axes, the excitation signal is chosen as summation of two sinusoidal signals which have a low amplitude, high frequency (0.5A(100Hz+500Hz)). For mechanical parameters estimation the excitation signal is chosen as summation of two sinusoidal signals again but in this case low amplitude, low frequency (0.3A(0.25Hz+0.1Hz)). The magnet flux linkage estimation is accomplished with constant step current reference in current control mode. Simple pole-zero cancellation method by using estimated parameters was preferred for automatic control loop tuning which allows user to define the closed loop system bandwidth. All studies were modeled and simulated in Matlab/Simulink. Both the proposed position sensorless field-oriented control and self-commissioning schemes have been implemented on a TI C2000 DSP based motor drive and verified by several experimental tests on different motors.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    87056

    Gümrük Birliği sürecinin Türk sermaye piyasasına etkileri

    The Effects of Customer Union course on Turkish capital market

    ÖNDER HALİSDEMİR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1997

    EkonomiMarmara Üniversitesi

    Sermaye Piyasası ve Borsa Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İLHAN ULUDAĞ

  2. Tez No

    414458

    İşverenin sağlık personeli çalıştırma yükümlülüğü

    Employers duty of employing occupational health care personnel

    ONUR MUSAB KARAKAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    HukukYıldırım Beyazıt Üniversitesi

    Özel Hukuk Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUHAMMED FATİH UŞAN

  3. Tez No

    119287

    Self commissioning and online parameter identification of induction motors

    Asenkron motorlarda durağan ve çalışır durumda parametre tayini

    İBRAHİM ERTAN MURAT

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2002

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BÜLENT ERTAN

  4. Tez No

    128794

    Asenkron motorda doğrudan moment kontrolünün incelenmesi ve gerçekleştirilmesi

    Analysis and implementation of direct torque control in induction motor

    AHMET FARUK BAKAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2002

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HACI BODUR

  5. Tez No

    849370

    Design and implementation of completely self protected distribution transformer

    Tamamen kendinden korumalı dağıtım trafosu tasarımı ve uygulaması

    NİHAL GÜLŞAH KÖROĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAdana Alparslan Türkeş Bilim Ve Teknoloji Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MURAT MUSTAFA SAVRUN

Geri Dön