On control of direct-drive permanent magnet synchronous machines in micromobility applications
Mikromobilite uygulamalarında kullanılan direkt sürüşlü kalıcı mıknatıslı senkron makinelerin kontrolü üzerine
- Tez No: 824870
- Danışmanlar: DOÇ. DR. AYHAN KURAL, DOÇ. DR. TUFAN KUMBASAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Otomotiv Mühendisliği, Computer Engineering and Computer Science and Control, Electrical and Electronics Engineering, Automotive Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Sistem Dinamiği ve Kontrol Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 127
Özet
Kalıcı Mıknatıslı Senkron Makinelerin (PMSM) kullanıldığı direkt sürüşlü çekiş konfigürasyonuna sahip mikromobilite uygulamalarında çekiş torku ve hızı herhangi bir aktarma organı kullanılmadan direkt olarak motor tarafından üretildiği için çekiş motorunun güvenilir bir şekilde çalışması gereken tork-hız zarfı diğer uygulamalara nazaran oldukça geniştir. Bu sebeple bütün bu geniş tork-hız aralığında tatminkar motor kontrol performansı sağlamak motorun nominal çalışma aralığının dışında artan doğrusal olmayan etkiler sebebiyle oldukça zor bir hale gelir. Unutmamak gerekir ki bu nominal aralık genelde motorun bütün tork-hız zarfının yalnızca dörtte biri civarındadır, dolayısıyla çokça doğrusal olmayan ve çapraz bağlı dinamikler ihtiva eden bu üçte dörtlük bölgede motorun güvenilir ve yüksek performanslı olarak çalıştırılması için gelişmiş kontrol algoritmalarına ihtiyaç duyulur. Bu tez, mikromobilite uygulamalarında kullanılan direkt sürüşlü PMSM'ler için motorun bütün tork-hız aralığında yüksek performanslı ve güvenilir bir motor kontrol sisteminin tasarımını ve analizini ele almaktadır. Bu tez kapsamında, mikromobilite platformlarında kullanılan direkt sürüşlü PMSM'ler için yüksek performanslı ve güvenilir motor kontrolü sağlamak amacıyla bir motor kontrol sistemi tasarlanmıştır. PMSM'ler için yüksek performanslı ve gürbüz hız kontrolü sağlamak amacıyla iç içe PI kontrolcülerinden oluşan bir gerilim geri beslemeli alan zayıflatma vektör kontrolcüsü (CPI) tasarımı ve uygun kontrol parametrelerinin seçim stratejileri açıklanmıştır. Tezin kapsamı spesifik olarak mikromobilite platformları için özelleştirildiğinden, kontrolcü tasarımı ve parametre seçimi aşamalarında uygulamaya yönelik olarak birtakım problemler ve dikkate alınması gereken harici bozulmaların üzerinde özellikle durulmuş, deneysel testler gerçekleştirilerek bazı doğrusal olmayan fenomenler incelenmiştir. Bu kapsamda bir voltaj dalgalanma analizi yapılmış ve CPI yapısındaki hız kontrol döngüsünün bant genişliğinin evirici kartı üzerindeki voltaj dalgalanmalarına olan etkisi deneysel olarak incelenmiştir. Deneysel olarak gerçekleştirilen voltaj dalgalanma testi sonucunda CPI yapısında hız kontrolcüsünün bant genişliğini artırmanın kontrol performansını iyileştirmesine rağmen voltaj dalgalanmalarını artırdığı ortaya konulmuştur. Gerçekleştirilen voltaj dalgalanma analizi sonucunda CPI yapısındaki hız kontrolcüsünün bant genişliğinin iç içe kontrol yapısından dolayı sistemdeki gürültüleri artırması sebebiyle pratik uygulamalarda ancak belirli bir seviyeye kadar artırılabildiği sonucuna varılmıştır. Bunun yanında, CPI yapısındaki voltaj geri beslemeli alan zayıflatma kontrolcüsüne ayırılacak voltaj marjininin genel kontrol sistemine olan etkisi deneysel olarak analiz edilmiştir. Gerçekleştirilen testlerde voltaj marjininin sistem verimliliğini ve güvenilirliğini doğrudan doğruya etkilediği gözlemlenmiştir. Gerçekleştirilen deneysel voltaj marjin testlerinin sonuçları incelendiğinde alan zayıflatma kontrolcüsü için yüksek voltaj marjini belirlemenin genel sürüş verimini olumlu etkilerken evirici üzerindeki voltaj dalgalanmalarını artırdığı kanıtlanmıştır. Bu test sonucunda alan zayıflatma kontrol sistemi tasarımında belirlenmesi gereken voltaj marjininin voltaj dalgalanmaları ve sürüş verimliliği arasında bir kıyas gözetilerek belirlenmesi önerilmiştir. Gerçekleştirilen voltaj dalgalanma analizinde CPI kontrolcüsündeki hız kontrol sisteminin pratik uygulamada istenildiği kadar artırılamadığı, bu sebeple hız kontrol performansının kısıtlandığı ortaya konulmuştu. Bu problemi çözmek ve geçici durumda hız kontrol performansını iyileştirirken kalıcı durumda optimaliteyi korumak amacıyla iç yapısında temel doğrusal karesel regülatörün (LQR) hata kompanzasyon dinamiklerinin bir bulanık mantık kontrolcü (FLC) vasıtasıyla manipüle edildiği yenilikçi bir bulanık-doğrusal karesel regülatör (F-LQR) hız kontrol sistemi tasarlanmıştır. Tasarlanan F-LQR sistemi çok giriş çok çıkışlı bir durum geri beslemesi kontrol yapısına sahip olduğu için CPI'da olduğu gibi hız kontrol performansını artırmak sistem gürültülerini artırmamaktadır, bu sayede hız kontrol performansı iyileştirilebilmektedir. F-LQR'ın iç yapısındaki, geçici durumda hata kompenzasyon performansını iyileştirmek için geliştirilen bulanık mantık kontrolcünün bulanık haritalamasının tasarımı için, talep edilen sistem karakteristiğine göre bir karakteristik manipülasyonu sağlayan geometrik tasarım yöntemi anlatılmıştır. Hız kontrol sisteminde ihtiyaç duyulan tatminkar hata kompenzasyonu ve hızlı bozulma reddi dinamiklerini sağlamak amacıyla F-LQR sistemi için agresif bir bulanık haritalama tasarlanmıştır. Tasarlanan CPI ve F-LQR kontrol sistemleri öncelikle gerçekleştirilen bilgisayar simulasyonları vasıtasıyla doğrulanmış, sonrasında gerçek dünya test düzeneği üzerinde deneysel testler gerçekleştirilerek referans takibi ve bozulma reddi olarak iki farklı senaryo altında hız kontrol performansları karşılaştırmalı olarak analiz edilmiştir. Gerçekleştirilen deneysel testlerde kullanılan senaryolar mikromobilite uygulamalarında sıklıkla karşılaşılan aşırı yükleme ve yüksek hız durumlarını kapsayacak şekilde tasarlanmıştır. Gerçekleştirilen simulasyon ve deneysel testler; sağlamlık, hız kontrol performansı ve harici bozulma reddi bakımlarından F-LQR kontrolcünün diğer kontrolcülere nazaran bariz üstünlüğünü ortaya koymuştur. Bunun yanında elde edilen simulasyon ve deneysel test sonuçları ayrı bir tartışma başlığı altında mikromobilite uygulaması bakış açısıyla yorumlanarak uygulamadaki avantaj ve dezavantajları vurgulanmıştır. Gerçekleştirilen bu karşılaştırma ve elde edilen çıkarımlar spesifik olarak CPI ve F-LQR kontrolcüleri özelinde tartışılmış olsa da aynı zamanda kontrol literatüründe sıklıkla kullanılan iç içe kontrol yapısı ve durum geri beslemeli kontrol yapısının motor kontrol problemi üzerinde uygulamalı bir karşılaştırmasını da temsil etmektedir. Modern motor kontrol uygulamalarında sistem güvenilirliğini artırmak, kontrol performansını iyileştirmek ve ekstra sensör maliyetlerinden kurtulmak amacıyla senörsüz motor pozisyonu ve hızı kestirim algoritmaları kullanılmaktadır. Bu çalışma kapsamında sensörsüz motor pozisyonu ve hızının kestirimi için literatürde sıklıkla kullanılan faz kilitlemeli döngü ile genişletilmiş durum gözlemcisi (ESO-PLL) ve faz kilitlemeli döngü ile geri elektromotor kuvvet gözlemcisi (EMF-PLL) kestirim algoritmaları geliştirilmiştir. Geliştirilen kestirim algoritmalarının mikromobilite özelinde sıklıkla karşılaşılan aşırı ve ani yük torku veya ivmelenme gibi zorlayıcı durumlar karşısında güvenilir ve sağlam performans göstermeleri için parametre seçimleri açıklanmıştır. Geliştirilen ESO-PLL ve EMF-PLL algoritmaları geri EMF sinyalinin kestirilmesi metoduna dayanarak çalıştıkları için geri EMF sinyalinin gürültü karşısında kaybolduğu düşük hız veya hiç üretilmediği duruş halindeki kontrol operasyonlarında motor pozisyonunun kestirimi için bir hall-effect sensör tabanlı pozisyon ve hız kestirim algoritması açıklanmıştır. Geliştirilen kestirim algoritmaları öncelikle simulasyon ortamında doğrulanmış ve analiz edilmiş, sonrasında ise üç farklı gerçekçi senaryo altında deneysel olarak test edilmiştir. Simulasyon ve deneysel testler sonucunda elde edilen motor pozisyonu ve hızı kestirim performansları karşılaştırmalı olarak yorumlanmıştır. Gerçekleştirilen karşılaştırmalı analizler sonucunda EMF-PLL gözlemcisinin mikromobilite uygulamalarında karşılaşılan bozucu etkiler karşısında motorun bütün operasyon bölgelerinde ESO-PLL ve hall-effect sensörü tabanlı kestirim algoritmalarına kıyasla daha isabetli ve sağlam pozisyon ve hız kestirimleri sağladığı ortaya konmuştur.
Özet (Çeviri)
In micromobility applications with direct drive powertrain configuration, the traction torque and speed are directly generated by a Surface-mount Permanent Magnet Synchronous Machine (SPMSM), and no other transmission components are utilized, thus the operating region in which the motor must reliably operate is excessively wide. Hence, maintaining satisfactory motor control performance in that wide torque-speed envelope of an SPMSM is a challenge due to the increasing nonlinearities outside the nominal operating region. This thesis deals with the design and analysis of reliable and high-performance motor control systems for direct-driven micromobility SPMSMs. Throughout this thesis, a motor control system is designed for direct-driven SPMSMs to establish high-performance and reliable motor control operation on micromobility platforms. To achieve robust and satisfactory speed control of SPMSM by maintaining reliability, the design and tuning parameters selection of voltage feedback field weakening vector control structure with Cascaded PI (CPI) is explained. A special emphasis is put on the implementation issues and environmental disturbances, thus several existing nonlinear phenomena that must be considered in the control system design are experimentally analyzed. Also, the designed CPI structure is tested and validated through both conducted computer simulations and experimental tests. As demonstrated in the conducted experimental voltage ripple analysis, the voltage ripple amplifications due to the cascaded control structure of CPI impose a limit on the speed control loop bandwidth in CPI, thus its speed control performance can only be improved to a certain degree in practical applications. Therefore, a novel Fuzzy-Linear Quadratic Regulator (F-LQR) is designed in which the error compensation dynamics of the baseline LQR is manipulated through a Fuzzy Logic Controller (FLC) to improve the speed control performance in the transient state while maintaining the optimality in the steady state. Due to its state-feedback type MIMO control structure, improving the speed control performance in the novel F-LQR does not increase the voltage ripples. Also, a geometrical characterization strategy is adopted when shaping the fuzzy mapping of the FLC in which the desired characteristic manipulation in F-LQR is achieved. The designed CPI and F-LQR control systems are comparatively analyzed by conducting experimental tests on the real-world test setup under two compelling scenarios to assess speed control and voltage ripple performances under excessive torque loading and successive reference tracking conditions. The comparative experimental results revealed that the F-LQR outperformed LQR and CPI controllers in terms of both reference tracking and disturbance rejection. Also, a discussion to highlight the pros and cons of these two different control structures is provided from a micromobility traction application point of view. To improve control system robustness and reliability while reducing production costs, two different sensorless speed and position estimation algorithms i.e., Extended State Observer with Phase Locked Loop (ESO-PLL) and back-EMF observer with PLL (EMF-PLL) are developed. A hall-effect sensor-based position estimation strategy is also presented to obtain position information in standstill and critically low-speed operating regions. To achieve reliable and accurate estimations of rotor speed and position under disruptive internal and external disturbances, a proper selection of tuning parameters of the designed observers is also given. The speed and position estimation performances of the designed observers are comparatively analyzed by conducting computer simulations and experimental tests on the real-world test setup. Three different realistic test scenarios are applied in which the abrupt accelerating/ decelerating, successive reference tracking including field weakening region, and excessive torque loading conditions are investigated. The results of the conducted computer simulations and experimental tests revealed the advantages of the EMF-PLL observer over the ESO-PLL and Hall-based methods in all operating regions of the SPMSM.
Benzer Tezler
- Elektrikli araç tahrik sistemlerinde kullanılan SMSM'ninminimum kayıp kontrolü
Minumum loss control of PMSM used in electric vehicle traction systems
FURKAN AYDOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT YILMAZ
- Fırçasız doğru akım makinelerinde konum algılayıcısız hız denetimi
Sensorless speed control of brushless DC machines
NAMIK YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2000
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. M. EMİN TACER
- 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 Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. SIDDIK MURAT YEŞİLOĞLU
- Değişken hızlı rüzgar türbinlerinin tasarımı ve denetimi
Design and control of variable speed wind turbines
ÖZHAN ATMACA
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT KARABACAK
- Sürekli mıknatıslı senkron motorun doğrudan moment kontrolünün DSP tabanlı yeni bir algoritma geliştirilerek gerçekleştirilmesi
Implementing direct torque control of permanent magnet synchronous motor by improving a new algorithm based on DSP
SELİN ÖZÇIRA
Doktora
Türkçe
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NUR BEKİROĞLU