Simulation and circuit design of an inverter driver with sensorless field oriented control for a PMSM used in compressor

PMSM kullanılan kompresör için ve algılayıcısız alan yönlendirmeli kontrol kullanılan evrici sürücünün benzetim ve devre tasarımı

PDF İndir

Tez No: 718066
Yazar: TOLGA ODABAŞI
Danışmanlar: PROF. DR. LALE ERGENE
Tez Türü: Yüksek Lisans
Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
Yıl: 2022
Dil: İngilizce
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Sayfa Sayısı: 202

Özet

Tezin amacı algılayıcısız alan yönlendirmeli evirici sürücü devresinin tasarım, benzetim ve gerçeklemesini yaparak içinde daimi mıknatıslı senkron motor (PMSM) bulunan kompresör sistemini sürmektir. Bu bağlamda sürücü devrenin tasarımı ve benzetimi gerçekleştirilmiştir. Devre tasarımı gerçeklenerek kontrol algoritması evirici kartına gömülmüştür. Sürücü kartı kompresör sistemi üzerinde çalıştırılarak ölçümler alınmış ve benzetim ile karşılaştırmalar yapılmıştır. En sonunda da ölçümler yorumlanarak bazı noktaların iyileşmesine yönelik gelecekte yapılması olası çalışmalar belirtilmiştir. Tasarım, simülasyon ve gerçeklemeden önce, detaylı bir literatür araştırması yapılmıştır. Tez çalışmasının özeti aşağıdaki adım adım verilmiştir. Düşük kaliteli daimi mıknatısların kullanıldığı ilk daimi mıknatıslı senkron motor tasarım çalışmaları 19. yüzyıla dayanmaktadır. Malzeme biliminin gelişmesi ile birlikte 1950'li yıllarda yüksek enerjili daimi mıknatısların kullanıldığı motorların kullanımı artmıştır. Fırça kollektör sisteminin olmadığı bu motor türü ile bakım masrafları azalmış, basit ve yüksek enerji yoğunluklu tasarımlarının önü açılmıştır. Günümüzde bu motorlar endüstri, beyaz eşya, taşıma, askeri gibi birçok sektörde güvenilirliği ve yüksek enerji yoğunluğu nedeniyle vazgeçilmez bir konuma gelmiştir. 1950'lerin sonlarına doğru, güç transistörlerinin ve silikon kontrollü doğrultucuların ortaya çıkmasıyla birlikte, mekanik komütatörlü sürücü sistemlerinin yerini, evirici tabanlı sürücü sistemleri almaya başlamıştır. Uçan kapasiteli çok seviyeli evirici, diyot kesimli çok seviyeli evirici gibi farklı evirici topolojileri ortaya çıkmıştır. Yarıiletken teknolojisinin hızlı bir şekilde gelişmesi ile birlikte SiC ve GaN gibi geniş bant aralıklı anahtarların sürücü sistemlerinde kullanılmaya başlanması, yüksek verimler elde edilmesini sağlamıştır. PMSM ve donanım teknolojileri gelişirken diğer yandan motor kontrol teorileri de gelişmiştir. Önceleri, altı adım kontrolü, diğer bir adı ile trapez kontrol, evirici sistemlerinde tercih ediliyordu. Bu kontrol yönteminde, gerilim ve frekans oranı her rotor hızında sabit tutulmaktadır. Ayrıca, gerilim vektör bilgilerinin olmamasından dolayı, bu kontrole 'skaler kontrol' de denilmektedir. Komütasyon zamanı için rotor pozisyonu belirlemede, Hall algılayıcıları kullanılmaktadır. Altı adım kontrol; moment dalgalanmasına neden olmakla birlikte, kontrol yönteminin dinamik performansı kritik yükler için yetersiz kalmaktadır. Dinamik performansı daha iyi hale getirmek için alan yönlendirmeli kontrol geliştirilmiştir. Bu bir vektör kontrolüdür ve amaç, rotor ve stator manyetik akılarını rotorun her pozisyonu için birbirlerine 90° derecede tutmaktır. Bu durumda moment değeri maksimum olur. Bunu yapmak için, stator akımının moment ve akı bileşenleri birbirinden ayrılır ve moment bileşeni maksimum seviyede tutulmaya çalışılır. Bu hesaplamalarda, Clarke ve Park gibi bazı dönüşüm matrisleri kullanılmaktadır. Algılayıcısız alan yönlendirmeli kontrolde, rotor pozisyon kestirimi, Hall algılayıcısı kullanmak yerine, stator sargılarındaki zıt elektromotor kuvvet (BEMF) sinyalini gözlemleyerek elde edilir. Algılayıcısız alan yönlendirmeli evirici sistemler, endüstri, beyaz eşya, ulaşım, askeri gibi geniş bir kullanım alanı vardır. Sessiz ve daha yumuşak motor kontrolünü mümkün kılar. Bu tezin ilk bölümünde literatür taraması gerçekleştirilmiştir. PMSM, evirici sistemleri ve kontrol yöntemlerinin 1962'den günümüze kadar olan gelişim süreci araştırılmıştır. Literatürde, verim ve yumuşak kontrol ile ilgili sürekli bir gelişim olduğu gözlemlenmiştir. İkinci bölümde ise de kalıcı mıknatıslar ile ilgili araştırma yapılmıştır. Yumuşak ve sert kalıcı mıknatısların özellikleri, grafikler ve denklemler verilmiştir. Malzeme biliminin gelişmesi ile birlikte daha verimli kalıcı mıknatısların üretildiği görülmüştür. PMSM ile ilgili araştırma üçüncü bölümde verilmiştir. Tarihi, çalışma ilkesi ve kullanım alanlarından bahsedilmiştir. Yüzey mıknatıslı, gömülü, spoke, ve şebeke kalkışlı PMSM türleri ile ilgili araştırma yapılmıştır. Her bir motor tipi farklı kullanım alanı için uygundur. Örnek olarak bazı tipler yüksek hızlı çalışma için uygunken, bazı tipler ise yüksek güç yoğunluğu gerektiren uygulamalar için daha uygundur. Dördüncü bölümde ise dinamik kontrol ele alınmış ve elektriksel model verilmiştir. PMSM için rotor ve stator referans çerçeve dönüşümleri, indüktans, halkalanma akısı, gerilim, akım ve moment denklemleri detaylı bir şekilde verildi. Ana denklemler, PMSM sürücü devresinin yazılım kısmında kullanılmıştır. Alan yönlendirmeli kontrol beşinci bölümde ele alınmıştır. Diğer bir kontrol yöntemi olan altı adım kontrol de karşılaştırma için verilmiştir. Kontrol yönteminin dinamik performans üzerindeki pozitif etkisinden bahsedilmiştir. Evirici sisteminde kullanılan uzay vektör modülasyonu, denklem ve ilgili grafikler sunulmuştur. Sonunda da tezde kullanılan BEMF tabanlı algılayıcısız kontrol algoritması verilmiştir. Tüm bu kontrol akışı evirici algoritmasına daha sonra uyumlu hale getirilmiştir. Altıncı bölümde ise donanım tasarımı bütünüyle ele alabilmek adına, öncelikle eviricinin ana donanım blok şeması çıkarılmıştır. Bu şemaya göre ilk bölüm elektromanyetik uyumluluk (EMC) filtre devresidir. X ve Y tipi kondansatörler, ortak ve fark modu indüktörleri EMC regülasyonu için eklenmiştir. Fark modu indüktörü aynı zamanda harmonik filtre işlevi de görmektedir. Bunların yanı sıra, sigorta ve varistör gibi koruma bileşenleri de devreye eklenmiştir. Negatif sıcaklık katsayılı direnç (NTC) de kartın ilk enerjilendirilmesi sırasında oluşacak ani hücum (inrush) akımını limitlemek için konulmuştur. Elektrolitik kondansatör şarj oldıktan sonra NTC röle vasıtası ile kısa devre edilerek NTC üzerinde oluşacak kayıp engellenmiştir. Enerjinin kesilmesinden sonra X kondansatörünü boşaltmak için de boşaltım direnci kullanılmıştır. İkinci donanım bölümü ise doğrultma devresidir. Köprü diyodu ve elektrolitik bara kondansatörü içeren devre şebeke geriliminin doğrultulmasını sağlamıştır. 15V gerilimi anahtarlamalı güç kaynağı (SMPS) devresi ile oluşturulmuştur. Bu gerilim ile güç modülünün kapı işaretlerinin ve doğrusal regülatörün beslemesi sağlanır. Alçaltıcı çevirici topoloji olarak tercih edilmiştir. 5V gerilim ise doğrusal regülatör diğer adı ile de LDO vasıtası ile üretilir. Mikro denetleyici, Op-Amp ve diğer bileşenler bu gerilim ile beslenmektedir. Şönt dirençleri üzerinden akım geçmesi ile oluşan gerilim, önceden belirlenen kazanç ile çarpılarak Op-Amp vasıtası ile mikro denetleyiciye gönderilir. Offset gerilimi de bu gerilime eklenerek şönt üzerinde oluşacak negatif gerilimlerin okunması sağlanır. 2.5V değerindeki bu gerilim tampon devresi ile üretilmiştir. Evirici bölümü sürücü sistemin en önemli bileşenidir. Bu kısımda akıllı güç modülü olan akıllı güç modülü (IPM) anahtar tipi olarak tercih edilmiştir. Altı anahtar ve onların sürücülerini içerir. Bunlara ek olarak da modül, kısa devre ve sıcaklık korumalarını içerir. Algılayıcız alan yönlendirmeli kontrol mikro denetleyici içine gömülü olan algoritma ile koşturulur. Altı adet darbe genişlik modülasyonu (PWM) işareti Op-Amplardan mikro denetleyiciye gelen akım geribeslemesi doğrultusunda üretilir. Rotor hızı, hız referans devresinden gelen kare dalganın frekansı okunarak karar verilir. Devre üzerinde analog ve yazılımsal olarak aşırı akım, aşırı gerilim ve aşırı sıcaklık gibi korumalar mevcuttur. Şematik ve PCB tasarımı Altium Designer programı kullanılarak gerçekleştirilmiş ve yedinci bölümde verilmiştir. Sürücü kartı için FR4 tipi ve çift katlı PCB kullanılmıştır. PCB 155x150mm boyutundadır. Şematik ve devre sonra on adet PCB basılmış ve bunlardan iki adedinin dizgisi gerçekleştirilmiştir. Yedinci bölümde ise sürücü kartın PSIM yazılımı ile benzetim çalışmaları verilmiştir. Donanım ve kontrol blokları oluşturulmuştur. Faz akımı algılayıcı kullanılarak algılanmıştır. Gerçek uygulamada ise algılayıcısız algoritma adapte edilmiştir. Simülasyon, 1300 rpm, 2000 rpm ve 3000 rpm hızları için gerçekleştirilmiştir. Simülasyonda, faz akımları ve gerçek rotor hızı incelenmiştir. Algılayıcısız alan yönlendirmeli kontrol algoritmasının evirici kartına gömülme çalışmaları sekizinci bölümde yer almaktadır. Yazılım, Clarke ve Park dönüşümleri gibi klasik fonksiyonlar içermekle birlikte DA bara dalgalanması etkisini azaltma fonksiyonu gibi özel fonksiyonlar da içermektedir. BEMF gözleyicisi yardımıyla, faz akımları kullanılarak rotor pozisyonu belirlenir. Dokuzuncu bölümde ise, evirici kartı kompresör kullanılarak test düzeneğinde çalıştırılmıştır. Faz akımı, bara gerilimi, PWM işareti gibi birçok ölçüm alınmıştır. Hız referans değeri de benzetimlerdekine karşılaştırma yapabilmek için aynı tutulmuştur. Son bölüm olan onuncu bölümde ise, benzetim ve gerçek sistem algoritma ve ölçüm sonuçları karşılaştırılmıştır. Bazı farklılıklar gözlemlenmiş ve bunlar da yorumlanmıştır. Algoritma olarak düşünülürse, benzetimde algılayıcı kullanılarak alan yönlendirmeli kontrol yapılmıştır. Başlangıç durumunda ise maksimum moment algoritması vardır. Gerçek uygulamada ise algılayıcısız olarak alan yönlendirmeli kontrol yapılmıştır ve hizalama, açık çevrim ve kapalı çevrim gibi bölgelere sahiptir. Gerçek kompresör sisteminin sistem dinamiğinden dolayı modellenmesinin zor olduğu görülmüştür. En sonunda da ölçümler yorumlanarak akım harmonik bozunumunun iyileşmesine yönelik çalışmalar yapılarak gelecekte yapılacak olası çalışmaların önü açıldı.

Özet (Çeviri)

The main purpose of this thesis is to design an inverter board with a sensorless field oriented control algorithm and to drive a PMSM with a compressor system using this inverter board. Simulation of the board is also evaluated. The measurements are taken and some comparisons are made. Finally, the measurements are interpreted and studies are carried out to improve some points. Simulation and verification of the inverter board are studied in detail before starting to the design. Summary of the study is given step by step as follows. The first attempts of design of a permanent magnet synchronous motor with low quality hard magnetic materials were attributed in 19th century. Magnets with high energy density began to be used in motors around the 1950s and usage of these types of motors has started to accelerate due to developments in material science. The removal of the brush system in a motor structure has reduced maintenance and caused a motor to be designed more compact with high energy density. Nowadays, permanent magnet synchronous motors have become indispensable for many usage areas such as industry, white goods, transportation, military and so on due to their high reliability and high-power density. With the appearance of switching power transistors and silicon-controlled rectifiers, the mechanical commutator driving system was replaced by an inverter-based driving system in late 1950s. Various inverter topologies have been designed such as flying capacitor multilevel inverter and diode clamped multilevel inverter. As semiconductor technology improves dramatically, wide bandgap switches such as SiC and GaN have become popular especially in driving systems because of their high efficiency. As a result of PMSM and hardware technology developments, motor control theory has also developed. Six-step control which is also called as trapezoidal control is preferred in inverter systems at the early works. In this control theory, ratio of voltage and frequency is kept as a constant at each rotor speed. In addition to that, this is also called a scalar control technique due to the absence of vector information of voltages. Hall sensors are used to determine rotor position for a commutation time. Six-step control can cause torque ripple and also the dynamic response of six-step control can be insufficient for critical loads. In order to enhance the dynamic performance of systems, field oriented control was developed. This is a vector control and the main purpose of the theory is to keep magnetic fluxes of rotor and stator perpendicular to each other at every position of the rotor. So, the torque value is maximum in this condition. In order to do that, torque and flux components of the stator currents are derived and torque component is aimed to be maximized. Some matrix transformations such as Clarke and Park are needed for these calculations. In sensorless field oriented control, the rotor position is determined by observing the BEMF signal in the stator winding rather than using hall sensors. Inverter system with sensorless field oriented control has a wide usage area such as industry, white goods, transportation, military and so on. Quiter and smoother operation of a PMSM is enabled by this control technique. In this thesis, literature review is presented in the first chapter. Development stages of a PMSM, inverter systems and control methods that are from 1962 to nowadays are reviewed. Gradual enhancement of efficiency and smooth control techniques are observed in the literature. In the second chapter, permanent magnets are reviewed. Properties of soft and hard permanent magnets, graphs and equations are given in this section. With the development of materials science, more efficient permanent magnets are produced. In the third chapter, PMSMs are introduced. History, definition and usage area of this motor are given. Finally, types of a PMSM which are surface mounted, surface insert, interior, spoke and line start are studied. It has been observed that each motor type is suitable for different usage areas. For instance, some of them are convenient for high-speed operation and some of them have higher power density than other types. A dynamic model of a PMSM is presented in the fourth chapter. Electrical model and its equations such as transformations of rotor and stator reference frame, inductance, flux linkage, voltage, current and torque of a PMSM are given in detail. Main equations are utilized in the coding stage of a PMSM driver board. In the fifth chapter, field oriented control is explained in detail. Six-step control method is also considered for the comparison. The advantage of the control method on dynamic performance is mentioned. A diagram of a space vector modulation for an inverter system are shown with the transformation equations and related graphs are given. BEMF based sensorless algorithm that is used in the thesis is explained at last. All sequences of control diagrams are implemented to the algorithm in a PMSM driver board. Hardware design is given in the sixth chapter. Main hardware block diagram of the inverter board is constructed at first. Design stage of the inverter board is summarized as follow. X and Y type capacitors, common mode and differential mode inductors are placed due to the EMC regulation. Differential mode inductor is also used as a harmonic filter at the same time. In addition to these components, some protection components such as fuse and varistor are placed. A negative temperature coefficient resistor (NTC) is used to limit the inrush currents. This NTC is bypassed via a relay after the electrolytic bus capacitor is charged in order to terminate power loss on NTC. The bleeding resistor is for discharging X capacitor after the plugging out. The second part is the rectification circuit. This circuit includes bridge diode and electrolytic bus capacitor. The grid voltage is rectified and smoothed in this stage. 15V voltage is generated by the SMPS circuit. This voltage is used for driving the gate of the power module and feeding the linear regulator. Buck converter was preferred as a converter topology. Linear regulator which is also called LDO generates 5V voltage. Microcontroller, Op-Amp and other related components are fed by this voltage. Currents through shunt resistors are sensed with the Op-Amp circuit and sent to the microcontroller. The voltage on shunt resistors is amplified with a predetermined gain value. And also offset voltage is added to this amplified value in order to sense negative voltage on the shunt resistor. This 2.5V offset voltage is generated with a buffer circuit. The inverter stage is the heart of the driver board. An intelligent power module which is called IPM is preferred as a switch type. This module includes six switches and their gate drivers. In addition to that, it has short circuit and temperature protections. Sensorless field oriented control is executed with an algorithm embedded in the microcontroller. Six PWM signals are generated regarding current feedbacks coming from Op-Amp in the microcontroller. The speed of a rotor is also determined by the reading frequency of a square wave signal coming from a speed reference circuit. There is anolog or software protection feature on driver board such as over-current, over-voltage, over-temperature and so on. Schematic and PCB designs are implemented in Altium Designer software. Double layer and FR4 type PCB is used for the driver board. PCB size is 155mmx150mm. After the PCB design, ten pieces of PCB are printed and assembling of two inverter board were carried out. Simulation of the driver board is run in PSIM simulation software in the seventh chapter. Hardware and control blocks are constructed. Phase currents are extracted with the sensors in simulation. On the other hand, in a real driver board, the sensorless algorithm is run. The simulation contains three different rotor speeds that are 1300 rpm, 2000 rpm and 3000 rpm. Phase currents and actual rotor speed are taken from the simulation. Sensorless field oriented control is run in the motor control software and shown in the eighth chapter. This software contains classical function of field oriented control such as Clarke and Park transforms. In addition to that, there are special functions such as DC bus ripple elimination. BEMF observer is implemented for sensorless algorithm. In the nineth chapter, the inverter board is run with a compressor setup on the bench. Several measurements are taken from the inverter board such as phase current, bus voltage, PWM signals and so on. Speed references are remained the same with simulation to compare. Finally, simulation and real application are compared in terms of algorithm and waveforms in the tenth chapter. Some differences are observed and interpreted. On the algorithm side, simulation has field oriented control with the sensors. At starting condition, there is also a maximum torque algorithm. In a real application, sensorless field oriented control is implemented with the aligning, open loop and closed loop stages. Finally, after interpreting the measurements, studies are carried out to improve total harmonic distortion of the phase current, and the way for possible future studies is opened.

Benzer Tezler

Tez No
601107
Sürekli mıknatıslı senkron motorun FPGA ile konum tahmin yöntemi ile alan yönlendirmeli kontrollü sürücü tasarımı ve gerçeklenmesi
Design and implementation of pmsm driver controlled by field oriented control method with using FPGA and position estimation method
ALİCAN YILDIZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT YILMAZ
Tez No
418494
Yabancı uyartımlı ile fırçasız DC motorların hız ve tork karakteristiklerinin karşılaştırılması
Comparison of speed and torque characteristics of separately excited DC motors and brushless DC motors
HÜSEYİN CEM BAYRAKTAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği İstanbul Aydın Üniversitesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN HÜSEYİN BALIK
Tez No
323969
Fotovoltaik panelden beslenen bir buzdolabı için elektronik kontrol sistemi tasarımı
Electronic control system design for a refrigerator that is supplied from photovoltaic panel
TAYYAR ÇAĞDAŞ ÇIRPAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ÖZGÜR ÜSTÜN
Tez No
826321
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 Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. SIDDIK MURAT YEŞİLOĞLU
Tez No
483768
Kablosuz haberleşme için anten tasarımı
Antenna design for wireless communication
HEMRAH HIVEHCHI
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği İstanbul Aydın Üniversitesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SAEID KARAMZADEH

Geri Dön