Geri Dön

Sensorless speed control of ipmsm drive using high frequency signal injection with a simplified demodulation process

Yüksek frekans sinyal enjeksiyon yöntemi ve basitleştirilmiş gerimodülasyon ile sürekli mıknatıslı senkron motorun sensörsüz kontrolü

PDF İndir

  1. Tez No: 856759
  2. Yazar: BERK TAŞGIN
  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: 77

Özet

Elektrik motorunu en genel anlamda elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren bir sistem olarak tanımlayabiliriz. Günümüzde hemen hemen her alanda karşımıza çıkan elektrik motorları büyük bir öneme sahiptirler. Endüstride harcanan elektrik enerjisinin büyük çoğunluğu elektrik motorları tarafından tüketilmektedir. Enerji tüketimi açısından büyük bir paya sahip olan elektrik motorlarının tasarımı, üretimi ve kontrolü enerji verimi göz önüne alındığında hayati önem taşımaktadır. Elektrik motorları doğru akım motoru ve alternatik akım motoru olmak üzere ikiye ayrılabilir. Alternatif akım motorları ise kendi içinde asenkron, senkron, kalıcı mıktanıslı motorlar ve diğer özel motorlar olarak sınıflandırılanabilirler. Yapılan genel sınıflandırmanın dışında motorlar boyutlarına, sahip oldukları faz sayılarına, çalıştıkları hız aralığına, uyarılma türüne ve kontrol tipine göre de kategorize edilebilirler. Kalıcı mıknatıslı senkron motorlar sahip oldukları bazı avantajlar sebebiyle günümüzde oldukça popülerdirler. Bu avantajlara örnek olarak yüksek güç yoğunlukları, yüksem verim ve güç faktörü, yüksek kontrol performansları gösterilebilinir. Kalıcı mıknatıslı senkron motorlar elektrikli araç uygulamalarında, uzay uygulamalarında, ev aletlerinde, fan ve pompa uygulamalarında sıklıkla kullanılmaktadırlar. Bu kadar popüler olmalarınıın yanı sıra bazı olumsuz özelliklere de sahiptirler. Konvansiyonel motorlara göre sürücü sistem maliyetleri daha pahalıdır. Ayrıca, sahip oldukları sabit mıknatısların maliyetleri ve elde edilenebilinirliği açısından sorun teşkil etmektedirler. Bu sabit mıknatıslar zamanla demagnetize olup manyetik özelliklerinde azalma meydana gelebilir. Maliyet ve mıknatıs açısından problemleri bariz olmakla beraber kullanımlarından vazgeçilemeyen alanların fazlalığı da açıktır. Kalıcı mıknatıslı motorların diğer motorlara göre en temel farkı manyetik devre yapısıdır. Bu manyetik devre yapısına göre performansları, uygulama alanları ve kontrol sistemleri değişiklik göstermektedir. Kalıcı mıknatısların rotora yerleştirilmesine göre motorlar ikiye ayrılır: Gömülü kalıcı mıknatıslı senkron motorlar ve yüzey kalıcı mıknatıslı senkron motorlar. Gömülü mıknatıslı senkron motorda mıknatıslar rotorun içine yerleştirilirken, yüzey mıknatıslı senkron motorlarda mıknatıslar rotorun çevresine ve dış kısmına yerleştirilmektedir. Mıknatısların yerleştirilmesine bağlı olarak motorun d ve q ekseni empedansları farklılık göstermektedir. Yüzey mıknatıslı senkron motorda d ve q ekseni empedansları yaklaşık olarak birbirine eşitken, gömülü mıknatıslı senkron motorda d ve q ekseni empedansları birbirinden farklıdır. Bu empedansların farklılığı kontrol performansını, sensörsüz kontrolde ise gözleyici performanslarını etkilemektedir. Kalıcı mıknatıslı motorların vektör kontrolü için rotor hız ve pozisyon bilgisine ihtiyaç duyulur. Bu bilgi stator manyetik alanıyla rotor pozisyonunun senkronize edilmesi için gereklidir. Rotor pozisyon bilgisi hız/konum sensörü kullanılarak veya sensörsüz kontrol yöntemleriyle elde edilebilir. Pratik uygulamalarda pozisyon/hız sensörü kullanmak bazı sorunları da beraberinde getirir. Bunlara örnek olarak; donanım karmaşıklığı, kötü çevre koşullarında uygulama zorluğu, maliyet artışı, kablo ve sensörden dolayı güvenirliğin azalması, sensörün elektrik makinasına mekanik yerleşim problemi, makina aksiyel uzunluğunun artması, elektromanyetik gürültü girişimi verilebilir. Son yıllarda sensörsüz kontrol üzerine önemli çalışmalar yapılmış ve araştırmacılar tarafından büyük bir ilgi gösterilmiştir. Güç elektroniği teknolojisinin gelişmesiyle beraber sensörsüz kontrol algoritmaları ortaya çıkmıştır. Bu sensörsüz kontrol yöntemleri belli bir hızın üstündeki çalışma bölgesinde sensörlü kontrol yöntemleri performansıyla yarışır duruma gelmiştir. Ortaya çıkan bu sensörsüz kontrol algoritmaları, alternatif akım makinalarının stator gerilimi ve rotor akımı modeline bağlı geliştirilen tekniklerdir ve düşük hız çalışma bölgesinde iyi sonuçlar vermemektedirler. Motor kontrolünde kullanılan pozisyon ve hız gibi mekanik sensörlerin kaldırılması aynı zamanda kontrol sisteminin güvenilirliğini ve dayanıklılığı da geliştirmiştir. Sensörsüz hız/konum kontrol yöntemleri motorun yüksek hızlarda veya düşük hız bölgesinde çalışmasına göre farklılık gösterir. Kalıcı mıknatıslı senkron motorun sensörsüz kontrolü çalışma hız aralığına göre iki sınıfa ayrılabilir: yüksek frekans sinyal enjeksiyon metodu ve zıt elektromotor kuvvet modeline dayalı metodu. Ayrıca literatürde, sinyal enjeksiyon metoduna aktif yöntem, zıt EMK modeline dayalı yönteme ise pasif yöntem de denmektedir. Orta ve yüksek hızlarda zıt EMK modeline dayalı sensörsüz kontrol yöntemi kullanılmaktadır. Zıt EMK motor hızına bağlı olduğu için bu yöntem düşük hızlarda olumlu sonuçlar vermemektedir. Düşük hızlarda sensörsüz kontrol yapmak için en popüler yöntemlerden biri yüksek frekans enjeksiyon yöntemidir. Bu yöntem orta ve yüksek hızlarda da çalışmasına rağmen motora ekstra bir sinyal uygulandığı için akım ve tork salınımları oluşturmaktadır. Bu sebeple motor verimini azaltmaktadır ve orta-yüksek hızlarda tercih edilmezler. Yüksek frekans sinyal enjeksiyon yöntemi akım veya gerilim sinyali olarak uygulanabilir. Birbirine göre avantaj ve dezavantajları vardır. Akım enjeksiyonu yöntemi akım kontrolörünün performansını azalttığından genellikle gerilim enjeksiyonu yöntemi kullanılmaktadır. Motorun ürettiği torku etkilememsi için d eksenine enjeksiyon yapılmaktadır. Yüksek frekans sinyal enjeksiyonu ile pozisyon ve hız kestirimi yapılırken motorun manyetik çıkıklık oranından yararlanılınır. Manyetik çıkıklık oranını motorun d ve q ekseni empedanslarının oranı belirler. Bu eksenler arasındaki empedans farkı ne kadar fazlaysa pozisyon kestirimi performansı açısında o kadar iyidir. Yüzey mıknatıslı senkron motorda bu fark çok az olduğu için pozisyon kestirimi için enjekte edilen gerilim sinyalin genliği yüksek olmalıdır. Bu durum akım ve tork salınımını artıracağı için verim açısından olumsuz bir durumdur. Gömülü mıknatıslı senkron motorda ise d ve q eksenleri arasındaki empedans farkı yüksek olduğu için yüzey mıknatıslı senkron motora göre çok daha küçük genlikli bir gerilim sinyali ile pozisyon kestirimi yapılabilir. Dolayısıyla bu yöntemde gömülü mıknatıslı senkron motor daha avantajlıdır. Kalıcı mıknatıslı senkron motora yüksek frekans sinyal enjeksiyonu yaparak rotor pozisyonuna göre manyetik çıkıklık belirlenebilir. Belirlenen bu çıkıklık rotor pozisyonunu elde etmek için kullanılabilir. Gömülü kalıcı mıknatıslı senkron motorlara yüksek frekans sinyal enjeksiyonu yöntemiyle düşük hızlarda sensörsüz kontrol yapmak için uygulanan adımlar şunlardır: kalıcı mıknatıslı senkron motora yüksek frekanslı bir gerilim enjekte edilir. Uygulanan bu gerilim sinyali rotor d- ekseninde bulunan akım kontrolcüsünün çıkışına enjekte edilir. Enjekte edilen yüksek frekans gerilim sinyali sebebiyle akımda osilasyon oluşur. Akımdaki yüksek frekans bileşeni alçak geçiren filtre yardımıyla bastırılır ve akım kontrol sisteminde geri besleme olarak kullanılır. Sensörsüz kontrolde rotor pozisyonu ve hızını elde etmek için kalıcı mıknatıslı senkron motorun çektiği akımlara uygun filtreleme işlemleri yapılarak yüksek frekans akım bileşeni ayrıştırılır. Yüksek frekans akım bileşeni sinyal işleme sürecine sokulur. Yüksek frekanslı akım bileşeni içinde konum bilgisi olduğu için bu konum bilgisini elde etmek için bazı matematiksel işlemler ve filtreleme işlemleri uygulanır. Bunun sonucunda pozisyon hatası elde edilir. Son olarak pozisyon hatası bir kontrolör vasıtasıyla kestirilen hıza ve pozisyona dönüştürülür. Bu çalışmada, yüksek frekans sinyal enjeksiyon yöntemiyle düşük hızlarda sensörsüz olarak rotor pozisyonu ve hızını elde etmek için kullanılan sinyal işleme ve geri modülasyon metotlarının performansları simulasyon ortamında test edilmiş ve karşılaştırmaları yapılmıştır. Kullanılan tüm sinyal işleme ve geri modülasyon teknikleri için gömülü kalıcı mıknatıslı senkron motorun düşük hızlarda hız ve akım kontrolleri ayrı ayrı sağlanmıştır. Gömülü mıknatıslı senkron motora üç farklı sinyal işleme yöntemi uygulanmıştır. Öncelikle, literatürde daha önce yapılan konvensiyonel ve basitleştirilmiş geri modülasyon yöntemleriyle yüksek frekans sinyal enjeksiyon metotları uygulanmış ve kontrol performansları karşılaştırılmıştır. Konvensiyonel metotda geri modülasyon kısmında bant geçiren filtre yardımıyla akımdaki faydalı yüksek frekans bileşeni kullanılarak rotor pozisyonu ve hızı sensörsüz olarak elde edilmiştir. Daha sonra sinyal geri modülasyon sürecinde kullanılan bant geçiren filtreden dolayı kaynaklanan faz kaymasını ve genlik azalmasını engellemek için basitleştirilmiş geri modülasyon yönteminde bant geçiren filtre kaldırılmış ve motorun sensörsüz kontrolü sağlanmıştır. Basitleştirilmiş sinyal enjeksiyonu yönteminde yöntemde bant geçiren filtenin kaldırılmasıyla beraber kestirilen pozisyonda bir osilasyonun ortaya çıktığı gözlemlenmiştir. Bu osilasyon önerilen üçüncü bir yöntemle giderilmiş ve gömülü mıknatıslı senkron motorun düşük hızlarda kontrolü gerçekleştirilmiştir. Kullanılan geri modülasyon yöntemlerinin kendi karakteristiklerinden kaynaklanan avantaj ve dezavantajları daha iyi gözlemlemek için optimal bir çalışma noktası belirlenmiştir. Bu çalışma noktasını oluşturan değer ve parametreler şunlardır ; enjekte edilen yüksek frekanslı gerilim sinyalinin frekans ve genlik değerleri, kullanılan akım ve hız kontrolörlerinin parametre değerleri, akım ve hız filtrelerinin kesim değerleri, kontrol sisteminde kullanılan akım ve hız referans değerleri.

Özet (Çeviri)

Permanent magnet synchronous motors are highly popular nowadays due to several advantages they possess. Some advantages include high power density, efficiency, power factor, and control performance. PMSMs are extensively utilized in the electric vehicle industry, aerospace applications, household appliances, and fan/pump applications. Despite their popularity, they also have some drawbacks. They tend to have higher system costs compared to conventional motors. Moreover, the cost and availability of the permanent magnets they rely on can be problematic. These permanent magnets can demagnetize over time, leading to a decrease in their magnetic properties. Despite the evident cost and magnet-related challenges, the widespread utilization of these motors indicates their indispensability in various fields. In recent years, significant research has been conducted on sensorless control, and it has garnered considerable interest from researchers. The elimination of mechanical sensors such as position and speed sensors in motor control has not only reduced system costs but has also improved the reliability and durability of the control system. Sensorless control of PMSM can be divided into two classes based on the operating speed range: the high-frequency signal injection method and the back-electromotive force model-based method. The signal injection method is also referred to as an active method, while the back-EMF model-based method is known as a passive method. The back-EMF model-based sensorless control method is commonly used at medium and high speeds. However, since it relies on the back-EMF of the motor, this method does not yield satisfactory results at low speeds. For low-speed sensorless control, one of the most popular methods is the high-frequency injection method. While this method can also work at medium and high speeds, it introduces additional signals to the motor, resulting in current and torque ripples. Consequently, it reduces motor efficiency and is not preferred at medium to high speeds. In this study, the performance of signal processing methods used in the HFSI is tested to achieve speed and current control of IPMSM at low speeds. Three different signal processing methods are applied to the motor. Firstly, conventional and simplified high-frequency signal injection methods previously studied in the literature are implemented, and their control performances are compared. In the conventional method, position estimation is achieved by using a band-pass filter in the demodulation stage. Then, in the simplified signal injection method, the BPF is removed to prevent phase shift and amplitude reduction caused by the filter, enabling sensorless control of the motor. However, in the simplified signal injection method, an oscillation is observed in the estimated position due to the removal of the band-pass filter. This oscillation is addressed and eliminated using a proposed third method, allowing for control of IPMSM at low speeds.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    607162

    Self-commissioning and position sensorless field oriented control of IPMSM

    Gömülü mıknatıslı senkron motorun kendi kendine devreye alınması ve konum sensörsüz alan yönlendirmeli kontrolü

    YASİN ÇETİN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. TUFAN KUMBASAR

  2. Tez No

    814975

    Sensorless speed control of a PM assisted synchronous reluctance motor from zero to rated speed

    DM destekli bir senkron relüktans motorun sıfırdan anma hızına kadar algılayıcısız hız kontrolü

    KADİR AKGÜL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LALE ERGENE

  3. 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

  4. Tez No

    363575

    Comparison of three IPMSM sensorless position estimation methods through simulations and experiments

    İç sabit mıknatıslı senkron motorlarda üç sensörsüz konum tahmini yönteminin simülasyonlar ve deneyler aracılığı ile karşılaştırılması

    KAAN BAYKA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ALİ FUAT ERGENÇ

  5. Tez No

    518057

    Sensorless speed control of interior permanent magnet synchronous motor using FPGA

    Dahili kalıcı mıknatıslı senkron motorun FPGA kullanarak sensörsüz hız kontrolü

    ABDUL HASAN ABDALLAH KADHIM AL-TAEY

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSelçuk Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AHMET AFŞİN KULAKSIZ

Geri Dön