Estimated position error reduction of SMO-based sensorless control of IPMSM using variable notch filter
Notch filtre kullanarak IPMSM'˙ın kayan kipli sensörsüz kontrolünde konum hatasının azaltılması
- Tez No: 815242
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SALİH BARIŞ ÖZTÜRK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- 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: 76
Özet
IPMSM'nin kontrolü iki bölüme ayrılmıştır; Şaft pozisyon bilgisinin gerekli olmadığı açık döngü stratejisi ve şaft pozisyon bilgisinin gerekli olduğu kapalı döngü stratejisi olarak ikiye ayrılır: • Sensörlü • Sensörsüz Sensörsüz yöntemde, rotor konum tahmini için üç yöntem vardır. Bunlardan ilki adaptif ve adaptif olmayan yöntemleri içeren temel uyarımdır. İkincisi, sinyal enjeksiyon yöntemleri ve sonuncusu yapay zeka kullanımıdır. Uyarlanabilir yöntemler, model referanslı uyarlanabilir temel sistemler ve Luenberger Gözlemcisi, azaltılmış dereceli gözlemci, kayan kipli gözlemci (SMO) ve Kalman filtresi olarak alt bölümlere ayrılan gözlemci tabanlı kontrol olarak kategorize edilir. Bu çalışmada kayan kipli gözlemci kullanılmıştır. Harmonikler, doğrusal olmayan bir sistemin kaçınılmaz parametreleridir; IPMSM kontrolünde doğrusal olmama, ideal olmayan inverter, inverterde ölü zamanın varlığı, akı uzamsal bağlantısı ve parametre değişimleri tarafından üretilir. SMO sensörsüz kontrol durumunda, bu harmonikler kestirimi etkiler ve kestirilen hız ve konum rotor dönüş frekansına bağlı olarak dalgalanır. Sistemdeki hata oranını artıran bu dalgalanmayı azaltmak için değişken bir çentik (notch) filtresi önerilmektedir. Bu filtreyi kullanmak, dönüş frekansı ile ilişkili olan istenen harmoniği ortadan kaldırmamıza fayda sağlar. Bir sistemin durumu doğrudan ölçülemediğinde, gerekli dinamikleri tahmin etmek için kayan kip gözlemci kontrolü kullanılabilir. SMO'nun ana işlevi, istenen veya kararlı duruma ulaşmak için bir hiper düzlem üzerinde hareket etmek veya kaymak ve bunun üzerinde kalmaktır. Gözlemcinin amacı, tahmin edilen durumları doğru bir şekilde belirlenebilecekleri bu kayan yüzeye sürmektir. Durumlar kayan yüzey üzerinde olduğunda, gözlemci bu tahmini durum bilgisine dayanarak kontrol sinyalleri üretebilir. Bu tahmini durum değişkenlerinin yardımıyla sistemimizi kontrol etmek mümkündür. IPMSM'nin kontrol edilmesi durumunda, tahmin edilen durum değişkenleri rotorun hızı ve konumudur. Hiper düzlemi belirlemek için bir işaret fonksiyonu kullanılır. Kestirilen değer eksi gerçek değer işaret fonksiyonu ile çarpılarak kayan yüzey tanımlanır. Kayan yüzey sıfıra yakınsarsa tahmini ve gerçek değer arasındaki hata sıfıra yaklaşır. SMO'nun ana parçası olan işaret fonksiyonu sistemde salınımlar yaratır ve IPMSM'de gevezeliğe xxiii neden olur. kayan mod gözlemci kontrolü, kontrol sistemlerinde durum tahmini için kullanılan bir tekniktir. Kayan bir yüzey ve tahmin edilen durumları kayan yüzeye sürmek için işaret fonksiyonunu kullanır ve belirsizliklerin ve bozulmaların varlığında bile doğru tahmin yapılmasını sağlar. İşaret fonksiyonu, kayan yüzeyi tanımlamak ve gözlemcinin dinamiklerini tasarlamak için kullanılır, bu da sağlam ve ayrık gözlemci yanıtları sağlar. Bu engelin üstesinden gelmek için salınan frekansın filtrelenmesi önerilmiştir. SMO'nun çıkışından elimine edilen frekans aralığı dar olmalıdır, bu nedenle salınım frekansını zayıflatmak için bir çentik filtresi önerilmektedir. Filtreler, sistemdeki geri beslemeyi bozan gürültü ve istenmeyen rezonansları azaltarak kontrol sistemlerinde ana rol oynar. Çoğunlukla filtreler iletişim mühendisleri tarafından bozulmayı azaltmak için kullanılır, burada bu filtreleri kontrol mühendisliği perspektifinden geri besleme ve tahmindeki gereksiz sinyallerin etkisini azaltmak için kullanıyoruz. Filtrelerin ana dezavantajları, kazanç geçiş frekansı gibi belirli frekanslarda faz gecikmesi nedeniyle oluşan kararsızlıktır. Çentik filtreleri, tasarımları sayesinde, bu uygulamalarda daha az sınırlıdır, bu filtre için hem avantaj hem de dezavantaj diğer filtrelere göre daha az yoğundur. Bu tezde çentik filtresine genel bir bakış yapılmış ve bu filtrenin matematiksel denklemleri sunulmuş ve tartışılmıştır. Çentik filtre, iki sıfır ve iki kutuplu ikinci dereceden bir filtredir, kutuplar hafif sönümlüdür ve sıfır-kutup diyagramında gösterildiği gibi özelliğine göre kutuplar ve sıfırlar birbirine çok yakındır. Sönüm oranı, 𝜁, çentik filtresinde genellikle 1.0'ın altında ayarlanır, daha keskin bir filtre elde etmek için 𝜁 daha düşük değerlere ayarlanmalıdır, dolayısıyla 𝜁 ne kadar düşük olursa, o kadar keskin kazanç elde edilir. İstenen sinyali iyice zayıflatmak için, katsayıların hassas seçimi gereklidir. Yüksek 𝜁 filtrenin merkezde daha fazla yoğunlaşmasına neden olur.“Değişken”terimi, çentiğin merkez frekansının, filtrenin katsayılarının değerlerini değiştirerek gerçekleştirilen özel uygulama gereksinimlerine göre ayarlanabilir veya ayarlanmış olduğu gerçeğini ifade eder. Değişken çentik filtresi ayarlanabilir bir özelliğe sahiptir ve frekans filtreleme özelliklerinden daha geniş bir aralıkta yararlanmamızı sağlar, bu nedenle farklı hız aralıkları için kayan mod gözlemci kontrolünde hata azaltma amacına ulaşmada ana rol oynar. Simülasyon üç ana bölümden oluşmaktadır: İnvertör ve IPMSM, akım kontrol bloğu ve hız kontrol bloğu, bu tezde ana odak noktası kayan mod gözlemcisi ve akım kontrol bloğundaki değişken çentik filtresidir. Geleneksel kayan kipli gözlemci kontrolü ile IPMSM'nin hızı ve konumu tahmin edilip hesaplandıktan sonra, değişken çentik filtresi kullanılarak önerilen yöntem sisteme uygulanmıştır. çentik filtresi ile herhangi bir değişiklik yapılmadan önce bir alçak geçiren filtre ve bir DC bileşen giderme bloğu kullanılmıştır. bu blok için alçak geçiren katsayısı 0,005 veya daha kesin olarak (0,005x(𝑇𝑠 /50e-6)) olarak ayarlanmıştır. IPMSM parametrelerinin önceden tanımlandığı bu durumda, 0.1 pu referans hızı için salınan frekans 27.34 Hz olan sinyalin FFT analizinden elde edilir. Önerilen yöntem MATLAB®/Simulink®'te simüle edildikten ve yukarıda bahsedilen frekans tahmin edilen hızdan filtrelendikten sonra, sinyalin birinci harmonik salınımında önemli bir azalma sağlanmış ve FFT frekans yanıtına göre, motor 0,1 pu'da dönerken genliği 0,14'ten 0,05'e düşürülmüştür. Referans hız 0,5 olduğunda tahmin edilen hızın FFT analizi sunulmuştur ve iki ana frekans veya salınım olduğunu görebilirsiniz. Biri yaklaşık 13 Hz ve diğeri 137 xxiv Hz'dir. Bu iki frekansı ortadan kaldırmak için, mevcut çalışmada araştırılmamış olan çift çentikli filtre önerilmektedir. Gelecekteki çalışmalarda çift veya çoklu çentik filtreleri düşünülebilir. Konfigürasyonu 13 Hz olarak ayarlanan tek bir çentik filtresi uygulandığında, yukarıda bahsedilen frekansın genliği 5,25×10−3 'den 3,4×10−3 'e düşmektedir. Dolayısıyla, daha yüksek hızlarda, örneğin 0,5 pu, hız tahmin sinyalinin frekans yanıtında iki ana harmonik vardır, bu nedenle SMO yönteminde gevezeliği azaltmak için her ikisi de ortadan kaldırılmalıdır. Çift çentikleme, herhangi bir hız aralığında tüm istenmeyen frekansları ortadan kaldırabilen bu çalışmanın bir sonraki nesli olabilir. Buna karşılık, daha yüksek frekansın (137 Hz) zayıflatılmasının da faydaları vardır. Bu durumda hatanın genliği azalır ancak kalan frekansın yüksek genliği nedeniyle tahmini hatadaki azalma yeterli değildir. Sonuç olarak, bu yöntem sistemdeki salınımı azaltmış ve frekansı zayıflatarak tahmin hatasının azaltılmasına yol açmış, IPMSM'nin konum algılamasının sağlamlığını ve doğruluğunu artırmıştır.
Özet (Çeviri)
Controlling IPMSM is categorized into two sections; an open-loop strategy in which the essence of shaft position information is not needed and a close-loop strategy in which shaft's position information is required and is subdivided into two methods: • Sensored • Sensorless In the sensorless method, there are three methods for rotor position estimation. The first one is fundamental excitation which includes adaptive and non-adaptive methods. Secondly, signal injection methods, and the last one is the help of artificial intelligence. Adaptive methods are categorized as model reference adaptive base systems and observer-based control, which is subdivided into Luenberger Observer, reduced order observer, sliding mode observer (SMO), and Kalman filter. Estimation error in SMO control is inevitable, and it is generated because of its sign function. In this work, a sliding mode observer is employed, and the error in this method is reduced by applying varying notch filters in the system. When a system's state is not measured directly, sliding mode observer control can be utilized to estimate the required dynamics. The main function of SMO is moving or sliding over a hyperplane to reach the desired or stable state and stays on it. With the help of these estimated state variables, it is possible to control our system. In the case of controlling IPMSM, the estimated state variables are the rotor's speed and position. A sign function is employed to determine the hyperplane. By multiplying the sign function of estimated value minus real value, the sliding surface is defined. If the sliding surface converges to zero, the error between the estimated and real value approaches to zero. The sign function, which is the main part of SMO, creates oscillations in the system and causes chattering in IPMSM. In order to overcome this obstacle, filtering the oscillated frequency is proposed. The range of the frequency which is being eliminated from the output of SMO should be narrow so that a notch filter is suggested to attenuate the oscillation frequency. In this case, in which the parameters of IPMSM have already been defined, the oscillated frequency for reference speed of 0.1 pu is obtained from the FFT analysis of the signal, which is 27.34 Hz. After simulating the proposed method in MATLAB®/Simulink® and filtering the aforementioned frequency from the estimated speed, a significant reduction in the first harmonic oscillation of the signal is achieved, and according to its FFT frequency xxi response, its amplitude is decreased from 0.14 to 0.05 when the motor is rotating at 0.1 pu. In conclusion, this method has reduced chattering in the system and attenuated the frequency, which leads to estimation error mitigation, and increases the robustness and accuracy of the position sensing of IPMSM.
Benzer Tezler
- Dizel motorların modellenmesi,modele dayalı hava yolu ve emisyon kontrolörü geliştirilmesi / uygulanması
Modeling of diesel engines, development and application of model based airpath and emission controllers
BÜLENT ÜNVER
Doktora
Türkçe
2013
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METİN GÖKAŞAN
PROF. DR. SETA BOGOSYAN
- Intelligent sensing for robot mapping and simultaneous human localization and activity recognition
Robot haritalama ve insanlarda eşzamanlı konum belirleme ve aktivite ayırdetme için akıllı algılama
KEREM ALTUN
Doktora
İngilizce
2011
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. BİLLUR BARSHAN
- Sincap kafesli asenkron makinanın kayma kipli vektör kontrolü
Başlık çevirisi yok
RENAN MERT ÖZEL
Yüksek Lisans
Türkçe
1996
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiDOÇ.DR. İBRAHİM EKSİN
- Asenkron motorda moment dalgalanmasının ve elektromanyetik gürültünün kontrolü için yeni bir kontrol yaklaşımı
A new control approach for control of torque ripple and electromagnetic noises in induction motor
YAVUZ ÜSER
Doktora
Türkçe
2012
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KAYHAN GÜLEZ
- A localization mechanism method in IoT using grasshopper optimization algorithm and DVHop algorithm
Başlık çevirisi yok
SHAKIR MAHMOOD AL JANABI
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAltınbaş ÜniversitesiElektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEFER KURNAZ