Geri Dön

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

PDF İndir

  1. Tez No: 782487
  2. Yazar: MUSTAFA MUS AB AVCI
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. SALİH BARIŞ ÖZTÜRK
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  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: 154

Özet

Geçmişten günümüze mekanik güç üretmenin en verimli yolu elektrik enerjisinin elektrik motorları vasıtası ile dönüştürülmesi olarak bilinmektedir. Başlarda, klasik fırça ve bilezik düzenekli doğru akım motorları elektrik enerjisini mekanik enerjisine çevirmek için kullanılmıştır. Fakat, alternatif akım şebekelerinin büyümesi ve yaygınlaşması ile alternatif akım makinalarına rağbet artmıştır. Bu durumun en temel sebebi, doğru akım makinalarında kullanılan fırça komütatör düzeneğinin bulunmamasından dolayı bakım ve üretim maliyetlerinin ortadan kalkmasıdır. Zamanla asenkron makinalar endüstriyi domine etmişler ve belirli bir süre için endüstrideki ihtiyaçları karşılamışlardır. Fakat, enerji krizlerinin ve enerji fiyatının yıllar içerisinde artması ile birlikte daha üstün ve verimli motor topolojilerine ihtiyaç doğmuştur. Asenkron makinaların aksine mıknatıslı motorlar manyetik uyarma için şebekeden güç talep etmediğinden daha verimli motorlar olarak endüstrideki yerini almıştır. Asenkron makinaların alternatif akım şebekesine bağlanıp doğrudan kullanılabilirliğinin aksine yeni jenerasyon mıknatıslı motorlar hem çalışabilmeleri hem de kontrol edilebilmeleri için bir güç elektroniği sürücüsüne ihtiyaç duymaktadır. Zaman içerisindeki yarı iletken teknolojisindeki gelişimi ve kontrol entegrelerinin uygun fiyata bulunabilmesi ve sofistike kontrol algoritmalarının denetiminin kolaylaşması, sürücü teknolojisinde bir çağ açmıştır. Alternatif akım motorlarının endüstride kullanıldığı ilk yıllarda sadece skaler kontrol uygulanabilmiştir. Skaler kontrol detayında, kontrol edilen sadece iki farklı parametre bulunmaktadır. Bu parametreler, üç fazlı motorun stator geriliminin büyüklüğü ve statora uygulanan gerilimin frekansıdır. Statora uygulanan bileşke gerilim vektörünün faz açısının kontrol edilmeyişi skaler kontrolü vektörel kontrole oranla avantajsız kılmaktadır. Aksine, vektörel kontrolde ise statora uygulanan bileşke gerilim vektörünün hem büyüklüğü hem de açısı kontrol edilmektedir. Fakat, vektör kontrol doğası gereği daha kompleks işlemler gerektirdiğinden elektrikli tahrik sistemlerinin ilk zamanlarında çok uygulanamamıştır. Kontrol algoritmaları ve sayısal sinyal işleyebilen denetleyicilerin yaygınlaşması ile vektör kontrol popüler hale gelmiştir. Skaler kontrolün aksine vektör kontrol daha iyi dinamik cevaba sahip olması, daha verimli motor kontrolüne elverişli olması gibi nedenlerden ötürü zaman içerisinde tercih edilmeye başlanmıştır. Vektör kontrol algoritmaları arasında alan yönlendirmeli kontrol günümüzde sıkça kullanılmaktadır. Alan yönlendirmeli kontrol beraberinde getirdiği faydalara nazaran birtakım zorlukları da getirmektedir. Bu zorluklar arasındaki en belirgin olanı akı yönlendiren vektörün geometrik olarak makina uzayında pozisyonunun bilinme zorunluluğudur. Rotor konumunun belirlenebilmesi için başlıca iki yöntem vardır. Bunlardan ilki motor miline doğrudan monte edilen elektromekanik veya elektro optik bir pozisyon sensörünün kullanılmasıdır. Diğeri ise ölçülen gerilim, akım ve bilinen motor parametreleri ile matematiksel manipülasyonlar sonucu pozisyonun algılayıcısız olarak tahmin edilmesidir. Motor miline entegre edilen algılayıcılar ile gerçekleştirilen kontrol algılayıcısız yöntemlere oranla daha basit olsa da ekstra bileşenin sisteme getirdiği dezavantajlar vardır. Bunlar, genel olarak sistem maliyetinin artması, motor ve sürücü sisteminin mekanik olarak boyutlarının büyümesi ve hacim artışları, uygulama kritik alanlarda; özellikle savunma sanayi, otomotiv ve uzay sistemleri, hata toleranslarının düşmesi nedeniyle doğrudan algılayıcılı yöntemlere alternatif olarak algılayıcısız yöntemler geliştirilmeye başlanmıştır. Algılayıcısız yöntemler iki farklı kategoride gruplanabilir. Bu kategorilerden ilki sürücü sistemi çalışır durumda iken ölçülen akım ve motor parametrelerinin kullanılarak motor eşitliklerinin durum uzay denklemleri kapsamında iteratif çözülmesi sonucu endüvide endüklenen gerilimin tahmin edilip, bu gerilimden yola çıkılarak pozisyonun tahmin edilmesidir. Makina teorisinden bilindiği üzere endüvide endüklenen gerilimin büyüklüğü rotorun hızı ile doğru orantılı olmaktadır. Diğeri ise rotora yerleştirilen mıknatısların farklı oryantasyonu sonucu oluşan relüktans farkının izlenmesidir. Çıkıklık yani relüktans farkı ancak belirlenen frekansta bir sinyalin motor üzerinden modülasyonunun yapılıp motor üzerinden dönen modüle edilmiş sinyale demodülasyon uygulanması sonucu izlenebilmektedir. Özet olarak, her iki yöntem de kendine göre avantajlıdır. Makine modeli ile algılayıcısız kontrol yöntemleri endüvide endüklenen gerilimin büyüklük ve kalitesi ile doğru orantılı bir performans sergilediğinden orta ve yüksek hız bölgesinde işletildikleri takdirde avantajlıdırlar. Fakat, düşük hız ve kalkış bölgelerinde endüklenen gerilimin genliği düşük ve gürültü oranı yüksek olacağından endüklenen gerilimin saptanması zor olup düşük hız bölgesinde Makine modeli ile algılayıcısız kontrol yöntemleri avantajlı değildirler. Aksine, çıkıklık izleme yöntemleri rotor hızından bağımsız olduğundan düşük hız bölgesinde performanslı çalışmaktadırlar. Bununla birlikte, rotor hızı arttığında sayısal denetleyicideki örnekleme hızı ve enjekte edilen sinyalin frekansı değişmeyeceğinden sistemin bant genişliği düşme eğilimli olup senkronizasyondan sapma olasılığı gösterecektir. Özet olarak, düşük hız bölgesi ve kalkışlarda enjeksiyon tekniğinin kullanılıp, orta ve yüksek hız bölgesinde endüvi geriliminin izlendiği bir algılayıcısız kontrol yöntemi tüm operasyonel hız bölgesinde vektör kontrolün performanslı bir şekilde işletilmesine olanak tanıyacaktır. Fakat, iki algoritmadan birinden diğerine geçişin sistemde bir stabilite problemi yaratmaması için algoritma geçiş sırasında bir yöntemden diğerine yumuşak bir geçiş izlenmesi gerekmektedir. Tez kapsamında hibrit bir sensörsüz alan yönlendirmeli kontrol algoritması geliştirilmiştir. Öncelikle konu ile alakalı kapsamlı bir literatür taraması yapılıp daha önceki yayınlar incelenmiştir. Literatür çerçevesinde daha evvelki yayınlar incelendiğinde motorun düşük hız ve kalkış bölgesinde endüvi geriliminin izlenme yöntemleri motora yüksek veya düşük frekanstaki bir sinyalin enjekte edildiği yöntemlerine oranla avantajsız olduğu gözlemlenmiştir. Aksine, sinyal enjeksiyon tabanlı yöntemlerin düşük hız ve kalkış bölgelerinde performanslı çalıştığı fakat rotor devrinin yüksek olduğu bölgelerde ise sinyal işleme operasyonlarının zorlaşmasından dolayı enjeksiyon tabanlı yöntemlerin avantajlı olmadığı savunulmuştur. Tez kapsamında yapılan çalışmalarda endüvi geriliminin izlenme algoritması olarak Luenberger gözlemci seçilmiştir. Luenberger gözlemcinin rotor devrinin görece yüksek olduğu bölgelerde hem işletilmesinin kolay hem de diğer yöntemlere oranla daha performanslı çalıştığı yapılan literatür taraması çıktısında ortaya koyulmuştur. Çıkıklık takip yöntemi olarak yüksek frekans enjeksiyonu yöntemi tercih edilmiştir. Yüksek frekans sinyal enjeksiyon yönteminin seçilmesinin sebeplerinden birisi düşük frekans enjeksiyonuna oranla motorun ürettiği akustik gürültünün az olmasından kaynaklı endüstri ve ticari alanlarda uygulanabilirliğinin kolay olmasıdır. Ayrıca motordaki çıkıklık oranı farkının düşük frekans enjeksiyonuna oranla daha verimli işletilmesidir. Ardından metotlar arası yumuşak bir geçiş algoritması önerilmiştir. Önerilen yumuşak geçiş algoritmasının temeli, motoru kontrol edilmesini sağlayan alan yönlendirmeli kontrol algoritmasının geri besleme sinyali olan hız ve pozisyon referansları arasında belirli bir kat sayı oranı ile paylaşım yapılmasının sağlanmasıdır. Yumuşak geçiş sayesinde iki farklı kontrol metodunun çıktısı olan hız ve konum geri beslemeleri aynı anda farklı kat sayılar ile alan yönlendirmeli kontrolün hız ve moment çevrimlerine geri besleme sağlamaktadır. Algoritmaların gerçek sistemde çalışabileceğini öngörmek amacı ile öncelikle MATLAB®/Simulink® platformu kullanılarak matematiksel modellemeler ve analizler yapılmıştır. Tez kapsamında yapılan çalışmalarca, yumuşak geçişin öneminden bahsedilip yumuşak bir geçiş algoritmasının kullanılmaması durumunda sürücü sisteminin kararsızlık durumuna düşebileceğinden bahsedilmiştir. Tez kapsamında yapılan benzetim ve matematiksel modellemelerde motora öncelikle tam yük altında yüksek frekans enjeksiyon metodu yol verilmiş ve yumuşak geçiş hız referansına kadar rotor hızı arttırılmıştır. Geçiş hız bölgesinde iki farklı yöntemden hız ve pozisyon geri beslemesi alınıp belirli bir yüzde ile kontrol sistemine yansıtılmıştır. Ardından yumuşak geçiş süreci sonunda Luenberger gözlemci metoduna geçilmiştir. Benzetim sonuçlarında görüldüğü üzere yumuşak geçiş algoritması olmadan sistemin kararlı olması sağlanamamıştır. Tez kapsamında çalışmanın gerçeklenmesi amacı ile küçük güçlü bir motor sürücü devresi elektronik tasarım programları ortamında tasarlanmıştır. Tasarlanan motor sürücü devresi ürettirilip montajı yapılmıştır. Sürücüde kullanılacak güç bileşenleri, kontrol bileşenleri, gerilim ve akım ölçüm devreleri, sayısal ve analog ara yüzler tez kapsamında detaylandırılmıştır. Donanım tasarımına ek olarak, gömülü yazılım geliştirilmiştir. Tez kapsamında gömülü yazılımın bağlamı, yazılım akışı ve kontrol döngüleri detaylandırılıp sunulmuştur. Gömülü yazılım gerçek zamanlı bir emülatör ile kontrolü sağlayan mikrodenetleyiciye bağlanılarak test edilmiştir. Testler açısından, iki adet servo motor, kör yük ve doğrultucu düzeneği kurgulanıp laboratuvar testleri gerçekleştirilmiştir. Laboratuvar test sonuçları kaydedilmiştir. Kaydedilen sonuçlar tezin tartışma ve gelişim kısmında sunulup tartışılmıştır.

Özet (Çeviri)

It is well-known that the most efficient way to generate mechanical power is to use electric motors. In the beginning, conventional DC motors with commutator excitation are used. However, with the spread of AC power distribution, AC motors have become popular because they have superior efficiency and low maintenance and installation cost. Thus, induction motors have become a dominant factor in the industry. Moreover, although induction motors have satisfied the needs of the industry for a while, the energy shortage and the efficiency criteria caused a reorganization with respect to efficiency classes among electric motors. Thus, using new-generation motors with permanent magnets to create magnetic excitation has become indispensable worldwide. However, the transition to permanent magnet motors requires a motor controller for power electronics. Since, unlike induction motors, electromechanical commutation must be carried out electronically. With the improvements in semiconductor technologies and digital signal controllers, controller chips are becoming more available with low cost and high horsepower. In addition, sophisticated digital signal controllers allow engineers to develop superior control algorithms. At first, AC motors could only be controlled via scalar control. Since only controllable quantities in scalar control are voltage and frequency, naturally controlling bandwidth and dynamical responses are poor compared to vector control schemes. One of the well-known vector control schemes is field-oriented control, which enables control of motor armature and excitation voltages independently and on a vector basis. Thus, new-generation motors are driven with new-generation controllers. Although field-oriented control is one of the suitable control methodologies, it requires geometric knowledge of the position of the rotor flux vector during the operation. Besides, there are direct and indirect sensing operations to achieve rotor position information. Although direct sensing of rotor position information via a position sensor directly mounted on the shaft is the simplest way, there are some drawbacks. Especially, position sensors increase total system cost and decrease the reliability of the drive system according to environmental conditions like temperature, moisture, and altitude. On the other hand, indirect sensing methods rely on mathematical manipulations and computation via machine parameters like voltage, current, resistance, and inductance. Regarding self-sensing methods, they could be categorized in a manner of machine model-based and saliency tracking-based models. Machine model-based approaches use observers to get rotor flux position information by iteratively computing machine model state equations. Unlike model-based solutions, saliency tracking solutions require a signal injection concept to detect rotor position information from the demodulation of modulated injection frequency through the motor itself. In summary, although model-based approaches have promising performance in medium to high-speed regions, they have poor or moderate performance and controllability in the low-speed region; because of that, the magnitude of back electromotive force is proportional to the rotating speed. Contrarily, saliency-tracking approaches have better performance in terms of the quality of estimated position information in zero, low and nearly zero-speed regions. However, as the rotational frequency increases, signal processing becomes a burden and uncontrollable with the same sampling infrastructure and dynamics. Consequently, hybrid observer structures have become more popular since the two approaches have beneficial features with respect to operational speed region. A soft transition method must be developed to combine two self-sensing methods within the stable operation in terms of transients and steady-state operation. In this thesis scope, a hybrid sensorless field-oriented control methodology is proposed. First, the literature is reviewed in the aspects of machine model-based sensorless algorithms and saliency-tracking approaches. Two of the self-sensing methods are further investigated. One is the Luenberger observer that computes back electromotive force to estimate rotor flux position, and the other is high-frequency signal injection. Also, a soft transition from one method to the other is proposed. Furthermore, verification is made by modeling, analysis, and simulation using the MATLAB®/Simulink® environment. In the simulation, the motor is started with the estimated position referenced by the outcome of the high-frequency signal injection method. Next, beyond a defined transition point, the estimated position reference is changed to the observer algorithm. It is observed that a soft transition is necessary to keep the system under stable conditions. After the hybrid method is realized and implemented, a motor driver is designed via Altium. All component selection, design of gate drive circuits, design of current and voltage measurement circuits, as well as digital and analog interfaces are described. Beyond the hardware design phase, embedded software is developed to run hybrid control algorithms. Besides, embedded software flow and control loop descriptions are detailed. Also, a test bench including two identical motors, a dummy load, and a rectifier circuit for the generator side is prepared for the experiments. Experimental results are recorded, discussed and presented.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    718066

    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

    TOLGA ODABAŞI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LALE ERGENE

  2. Tez No

    457961

    Sensorless permanent magnet synchronous machine control based on stator feedforward voltage estimation

    Sürekli mıknatıslı senkron makineler için ileri beslemeli stator gerilim tahmini metoduna dayalı sensörsüz kontrol yöntemi geliştirme

    ÖMER CİHAN KIVANÇ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOkan Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. SALİH BARIŞ ÖZTÜRK

  3. Tez No

    824870

    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

    İngilizce

    2023

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AYHAN KURAL

    DOÇ. DR. TUFAN KUMBASAR

  4. Tez No

    439480

    Position sensorless field oriented control of ipmsm under parameter uncertatinties

    Gömülü mıknatıslı senkron motorun parametrik belirsizlikler altında konum sensörsüz alan yönlendirmeli kontrolü

    İSA ERAY AKYOL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET TURAN SÖYLEMEZ

  5. 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

    Türkçe

    2015

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Aydın Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HASAN HÜSEYİN BALIK

Geri Dön