Geri Dön

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

PDF İndir

  1. Tez No: 810145
  2. Yazar: LÜTFÜ EMRE EFE
  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: 106

Özet

Bu tez, düşük hızlarda kayan mod gözlemcisi (SMO) kullanarak sensörsüz bir kontrol algoritması tasarlamaak gerektiği zaman gerekli olan stator direncinin tahmin edilmesi için stator direnci tahmin algoritmasını sunar. Kalıcı mıknatıslı senkron motor (PMSM) parametrelerinin kesin değeri, modern elektrikli sürücülerin yüksek performanslı kontrolörler, tahmin ediciler ve gözlemciler tasarlamnası için çok önemlidir. Stator direnci bir ohmmetre kullanılarak veya RLC metre kullanarak kolayca ölçülebilir, ancak otomatik test yönteminin avantajları nedeniyle bu tercih edilmez. Çünkü stator direncinin motorun sıcaklığının değişmesi ile sürekli değişmesi, direnç değerinin zaman zaman tekrar alınması gerekliliğini ortaya koyar. Bu ölçüm cihazları yerine, stator direncini bir invertör kullanarak test etmek, kablo ve güç yarı iletken dirençlerini de dikkate aldığından faydalıdır. Bu dirençler fiziksel olarak mevcuttur ve sürücü çalışmasını etkiler. Bu sebeple stator direnci tahmin algoritması önem arz etmektedir. Senkron motor kullanımındaki amaç ise yüksek tork hacim oranına sahip olması, yüksek verimliliğe sahip olması, fırçalı DC motora göre daha az bakım gerektirmesi gibi avantajlar sayılabilir. Stator direnci tahmini farklı yöntemler kullanılarak yapılabilir. Bu yöntemler genel hatlarıyla çevrimiçi tahmin algoritmaları ve çevrimdışı tahmin algortimaları olmak üzere iki farklı gruba ayrılmaktadır. Çevrimiçi tahmin algoritmaları, kontrol sisteminin her çevrimininde anlık olarak stator direncini ölçmektedir. Ölçülen bu stator direnç değeri, sistemin sahip olduğu kontrolcüleri otomatik olarak güncellemekte ve varsa sensörsüz algoritmaların katsayılarını da otomatik olarak güncelleyerek, sistemin veriminin yükseltilmesi amaçlanmaktadır. Bütün bunlar büyük bir avantaj oluşturmasına karşın, bu algoritmalar aynı zamanda yüksek işlem gücüne sahip mikroişlemcilere ihtiyaç duyarlar. Buna ek olarak da çok karmaşık kontrol yapılarına sahiptirler. Tüm bu özellikler göz önüne alındığında çevrimdışı stator tahmini yöntemine göre dezavantajları ortaya çıkmaktadır. Çevrimdışı stator tahmini yöntemleri ise, çevrimiçi stator tahmini yöntemlerine göre daha basit kontrol algoritmalarına sahiptirler. Stator direnci tahminini genellikle motor ilk başta çalışacağında hareket halinde değilken veya motor dur kalk yaptığı durumlarda tahmin yapmaktadır. Bu algoritmalar çamaşır makinesi, elektirkli veya hibrit araba gibi sistemlerde oldukça kullanışlıdır. Ayrıca yüksek işlem gücüne sahip mikroişlemcilere ihtiyaç duymazlar. Ölçülen stator direnci değeri, sıcaklıkla değişmektedir ve kontrolcü parametrelerinin belirlenmesinin yanısıra sensörsüz uygulamarda da önem arz etmektedir. Başlangıçta kontrol algoritmasının tasarımını yapmak içinde de bu bilgiye ihtiyaç vardır. Bu sebeple algoritmayı tasarlamak için stator direnci değeri RLC metre ile ölçülerek kullanılmıştır. Yaygın olarak kullanılan hızın/konumun doğasında bulunan hataya yatkınlığı nedeniyle, düşük hızlardaki sensörsüz kontrol sistemleri, özellikle düşük hızlı çalışma için çok önemlidir. Stator direnci, bilinen, sabit bir voltaj enjekte edilerek ve ardından ortaya çıkan akım genliği izlenerek ölçülebilir. Bilinen bir sabit akım enjekte edilerek ve ortaya çıkan voltajı gözlemleyerek de elde edilebilir. Bilinen bir gerilim enjekte edilmesinin açık çevrim olması sebebi ile, yani bir kontrolcüye ihtiyaç duymaması sebebi ile avantaj sahibi olduğu düşünülebilir ancak, sahip olunan sisteme zarar verebilecek büyük dezavantajlara sahiptir. Dezavantajı detayllıbir şekilde açıklamak gerekirse test için uygun bir voltaj genliği seçmek, önemli bir pratik konudur. Eğer direnç çok düşükse, test voltajı aşırı akım sorununa neden olabilir ve sistemde kalıcı hasara sebep olabilir. Eğer direnç çok yüksek ise güvenilir veri toplamayı engelleyen çok düşük bir akıma neden olabilir. Bu sebeple açık çevrim gerilim enjekte etme yöntemi mantıklı bir seçenek değildir. Öte yandan akım enjekte etme yöntemi kullanıldığı zaman, akım kotrolcüsü enjeksiyon voltajını otomatik olarak belirlediğinden, bu sorunlar meydana gelmemektedir. Bu sebeple çevrimdışı stator direnci ölçmek için, DC akım enjekte etme yöntemi tercih edilmiştir. Bu yöntemin getirdiği en önemli dezavantaj ise yukarıda da bahsedildiği gibi kontrolcü tasarlanması gerekmesidir. Kalıcı mıknatıslı senkron motorları kontrol etmek için alan yönlendirmeli kontrol algoritması kullanılmaktadır. Bu yöntemde trapezioidal kontrol yönteminin aksine, stator ve rotor manyetik alanlarının arasındaki açının sabit 90 derece olması sebebiyle motordan daima maksimum tork çıkışı elde edilmektedir.Bu alan yönlendirmeli kontrol yönteminin önemli avantajlarından bir tanesidir. Bu yöntemin en önemli avantajlarından bir tanesi de üç fazlı olarak üretilen bir AC motorun, bu algoritma kullanılarak DC bir motor gibi kontrol edilebilmesini sağlamaktır.Bunun için farklı dönüştürme yöntemleri kullanılır. İlk olarak clark dönüşümü kullanılarak, motorun çıkışında ölçülen üç fazlı ve aralarında 120 derece faz farkı bulunan sinus formuna sahip akım sinyali, aralarında 90 derece faz farkı bulunan ve iki fazlı sinus formuna sahip bir sinyale dönüşmüş olur. daha sonra park dönüşümü kullanılarak 2 fazlı sinus formuna sahip bu sinyal DC bir sinyale dönüşmektedir. park dönüşümünde ek olarak motorun konum bilgisi de kullanılmaktadır. Bu sebeple motorun konumunun elde edilmesi çok önemli bir konudur. DC sinyal 𝑑 ve 𝑞 ekseni olarak adlandırılmaktadır. 𝑑 ekseni akıyı temsil ederken 𝑞 ekseni ise akımı yani torku temsil etmektedir. Akım kontrolcüsü tasarlamak istediğimiz için 𝑑 eksenine referans değeri olarak sıfır değeri verilmektedir. Hem 𝑑 hem de 𝑞 ekseni kontrolcü parametreleri kullanılan simulasyon ortamı sayesinde ayarlandıktan sonra DC sinyaller tekrar AC sinyallere çevrilmelidir. Bunun için öncelikle ters park dönüşümü kullanılır. Normal park dönüşümünde olduğu gibi ters park dönüşümünde de motor konum bilgisi önemlidir. Ardından kullanılan PWM üretme yöntemine göre ters clarke dönüşümü kullanılır. Eğer sinusoidal darbe genişlik modulasyon yöntemi kullanılıcak ise ters, ters clarke dönüşümü kullanılır. Eğer uzay vektör darbe genişlik modulasyon yöntemi kullanılacak ise ters clarke dönüşümü yöntemi kullanılmasına gerek yoktur. Uzay vektor darbe genişlik modulasyonu kullanıldığında DC barada bulunan gücün tamamının kullanılmasına olanak sağladığı için bu tezde bu yöntem tercih edilmiştir. Sinusoidal PWM yöntemi kullanıldğında, DC baradaki gücün yaklaşık yüzde 86'lık bir kısmı kullanılabilmektedir. Bu durum sebebiyle bu yöntem tercih edilmemiştir. SVPWM yönteminin tüm basamakları detaylı bir şekilde açıklanmıştır. Akım kontrolcüsü tasarımı bittikten sonra hız kontrolcüssü tasarımı zorunlu değildir. Ancak gelecekteki çalışmalarda kullanılmak üzere bu tezde hız kontrolcüsü tasarımı da gerçekleştirilmiştir. Bu kontrolcüler kaskat yöntemine göre tasarlanmaktadır. Akım kontrolcsünün hızı, hız kontrolcüsünün hızından en az 5 kat fazla olması gerekmektedir. Bu tezde tasarlanmamış olup, eğer bir pozisyon kontrolcüsüne ihtiyacımız olsaydı, pozisyon kontrolcüsnün hızı da, hız kontrolcsünün hızından en az 5 kat daha hızlı olması gerekirdi. Hız kontrolcüsünün çıkışı 𝑞 ekseninin girişi olmaktadır. Alan yönlendirmeli kontrol algoritmasının yanı sıra 𝑑 eksenine negatif referans vererek motorun nominal hızından daha yüksek hızlara çıkması da sağlanabilir. Bu duruma alan zayıflatma yöntemi denir. Hızdan kazanç vardır ancak torktan kayıp olur. Stator direnci tahmini kısmına geldiğimizde ise tahmin süreçleri tipik olarak motorun durağan durumundaki parametreleri tahmin etmeyi amaçlar. Bazı pratik uygulamalarda rotor hareketine izin verilmeyebileceğinden, bu çok tercih edilir. Stator direncinin hesaplanması, rotor hareketine ve tork oluşumuna neden olabilecek sabit durum akım uyarımını içerir. 𝑑 ekseni akıyı temsil ederken 𝑞 ekseni tork olarak temsil edilir. Bu nedenle senkron motorlarda stator direnci, 𝑑 eksenine sabit akım enjekte edilerek tahmin edilir. 𝑞 eksenine referans değeri olarak motorun hareket etmesini engellemek amacı ile sıfır değeri verilir. Tork ve dolayısıyla istenmeyen ve kontrolsüz bir rotor hareketi yaratmaz. 𝑑 eksenine verilen test akımı sonucunda bir gerilim elde edilir. Bu gerilim değeri sistem gerçek zamanlı bir deney kitinde gerçeklendiği zaman gürültülere sahip olacaktır. Bu sebeple gürültülü sinyalden maksimum derece de doğtu ölçü alabilmek adına çok fazla sayıda örnek alınır ve alınan örneklerin toplamı, alınan örnek sayısına bölünür ise elde edilen değerin ortalaması alınmış olur ve gerçeğe en yakın değer elde edilmiş olunur. Burada dikkat edilen önemli bir kısım ise alınan örneklerin gerilimin transient zamanda değil steady-state zamanda alınmasıdır. Çünkü transient zamanda alınan veriler ile doğru bir tahmin yapılması mümkün değildir. Bir diğer önemli koşul ise, test boyunca açıyı sabit bir konumda tutmaktır. Motor zaten durağan konumda olacağı için bu koşul kesinlikle sağlanmak zorundadır. Simulasyon ortamında rotor açısı 0 derece olarak verilmiştir. Kayan kipli gözlemci tabanlı bir PMSM hız kontrol algoritması için çevrimdışı stator direnci tahmini, MATLAB®/Simulink® ve Simscape ElectricalTM kullanılarak deneysel olarak doğrulanmıştır. Daha sonra ise kod üretme desteği sayesinde üretilen kod mikroişlemiciye gömülmüştür. Seçilen deney kiti ile, C kodu üretecek yazılımın uyumlu bir şekilde çalışması gerekmektedir. Bu sebeple gerçek zamanlı uygulama yapmak için deney seti olarak, Texas Instruments C2000 gerçek zamanlı mikrodenetleyici ile düşük maliyetli bir değerlendirme ve geliştirme kartı olan LAUNCHXL-F28069M seçilmiştir. 52,5 Watt PMSM'nin nominal akım ve gerilim aralıklarının uyumlu olması nedeniyle inverter kartı olarak BoostXL-DRV8301 seçilmiştir. Seçmiş olduğumuz motorun datasheet'inde stator direnç değeri bulunmamatadır. Bu da yapılan çalışmanın önemini ortaya koymaktadır. Ayrıca Seçilen mikroişlemci kartı ile aynı anda iki motor kontrol etmek mümkündür. C kode üretim aşamasının önemli avantajlarından bir tanesi de manuel olarak kod yazma sırasında meydana gelebilecek hata riskini ortadan kaldırmaktır. Bu avantajı da kullanarak, Embedded Coder® araç kutusunun kod oluşturma yeteneği sayesinde, deneysel sonuçlar, tahmini direncin, hassas bir RLC ölçer tarafından ölçülen stator direnci değerine kıyasla daha doğru olduğunu göstermektedir. Daha doğru olmasının sebebi ise sistemin sadece stator direnci içermemesi, buna ek olarak kablo direnci, inverter üzerindeki mosfetlerin direnci gibi farklı dirençlerin de ölçülüyor olmasıdır. Sonuç olarak RLC metre ile ölçülen ve tasarlanan algoritma ile ölçülen stator direnci değerleri karşılaştırılmış olup, akım çevrimi kontrolcü tasarımı ve gözleyici tasarımı gibi adımlarda kullanılabilir.

Özet (Çeviri)

This thesis presents offline stator resistance estimation for PMSM to design a sensorless control algorithm using a sliding mode observer (SMO) at low speeds. The precise value of permanent magnet synchronous motor (PMSM) parameters is crucial for modern electrical drives to design high-performance controllers, estimators, and observers. Stator resistance can be easily measured using an ohmmeter, but this is not preferred due to the advantages of the automated test method. Testing stator resistance using an inverter is beneficial since it also considers cable and power semiconductor resistances. Those resistances physically exist and affect the drive operation. Due to the inherent error-proneness of commonly used speed/position, sensorless control systems at low speeds are especially crucial for low-speed operation. The stator resistance may be measured by injecting a known, constant voltage and then monitoring the resulting current amplitude. It can also be achieved by injecting a known constant current and observing the resulting voltage. While an optimized current controller is not a condition for open-loop constant voltage injection, it does have drawbacks. Choosing a proper voltage amplitude for the test is an essential practical issue. If the resistance is too low, the test voltage may result in an over-current problem. It may also result in a very low current, preventing reliable data collection. Because the current controller automatically determines the injection voltage, injecting a DC current does not have these issues or related time-consuming iterations. Estimation processes typically aim to estimate parameters at a standstill. Since the rotor movement might not be permitted in some practice applications, this is highly desired. The calculation of stator resistance involves steady-state current excitation, which can cause rotor movement and torque generation. Therefore, in synchronous motors, stator resistance is estimated by injecting the constant current in the motor d–axis. It does not create torque and hence an undesirable and uncontrolled rotor motion. The only condition is to keep the angle at a constant position throughout the test. Offline stator resistance estimation for a sliding mode observer-based PMSM speed control algorithm has been experimentally verified using MATLAB®/Simulink® and Simscape ElectricalTM. The experimental kit includes a low-cost evaluation and development board LAUNCHXL-F28069M with a C2000 real-time microcontroller. DRV8301 has been chosen as an inverter board due to the compatibility of the nominal current and voltage ranges of the 52.5 Watt PMSM. Thanks to the code generation future of the Embedded Coder® toolbox, experimental results show that the estimated resistance is more accurate compared with the stator resistance value measured by an expensive RLC meter.

Benzer Tezler

  1. 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

  2. Tez No

    675955

    Modelling longitudinal motion of an electric vehicle and wheel slip control through NN based uncertainty prediction

    Elektrikli aracın boyuna hareketinin modellenmesi ve yapay sinir ağı tabanlı belirsizlik kestirimli tekerlek kayma kontrolü

    DUYGU ÖZYILDIRIM

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OVSANNA SETA ESTRADA

  3. Tez No

    442425

    Asenkron motorların hız-algılayıcısız kontrolü için genişletilmiş ve dağılımlı kalman filtrelerinin karşılaştırılması

    Comparison of extended and unscented kalman filters for speed sensorless kontrol of inducti̇on motor

    RECEP YILDIZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiNiğde Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MURAT BARUT

  4. Tez No

    75297

    Asenkron makina kontrolü için yapay sinir ağı tabanlı rotor akışı gözlemcisi

    Başlık çevirisi yok

    ASLI AYLA ÇAKIRGÖZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EMİN TACER

  5. 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

Geri Dön