A novel real-time full parameters estimator and multi-purpose MPC for pmasynrms: A sparsity and parallelization based approach
Pmasynrmler için yenilikçi gerçek zamanlı tüm parametre kestirimcisi ve çok amaçlı bir MPC: Seyrek ve koşut zamanlı bir yaklaşım
- Tez No: 921173
- Danışmanlar: PROF. DR. LALE ERGENE
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- 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: 144
Özet
Bu tez çalışması ile, Sürekli Mıknatıs Destekli Senkron Relüktans Motorların (PMaSynRM) Model Öngörülü Kontrolör (MPC) ile akım ve moment kontrolüne dair iki temel sorununa yenilikçi çözümler getirilmesi amaçlamaktadır. MPC günümüzde oldukça popüler olan yüksek başarımlı bir kontrol yöntemidir. Kontrol edilen sistemin belirli bir öngörü ve kontrol ufkunda durum değişkenlerini bir maliyet fonksiyonuna göre eniyileyecek kontrol işaretleri dizisinin hesaplanması ve sisteme uygulanmasını temel alır. Bilindiği üzere MPC'nin motor ve evirici kontrolü uygulamalarında anahtarlama davranışı değişkenliği, parametre belirsizliği/değişkenliği ve hesaplama yükü problemlerinden temellenen dezavantajları bulunmaktadır. Parametre belirsizlikleri çoğunlukla MPC ile birlikte kullanılan parametre kestirimciler ile çözülmeye çalışılmaktadır. Fakat bu parametre kestirimciler aşırı işlem yükü veya hafıza gerektirmekte ve bununla birlikte motorun tüm parametrelerini eşzamanlı olarak kestirememektedir. Parametre kestirimcilerinin yanında MPC'nin gerçeklenmesinde karşılaşılan problemler olan hesap yükünün dağıtılması veya hesap yolunun eniyilenmesi gerekmektedir. Evirici ve motor kontrol uygulamalarında ise eviricinin anahtarlama davranışı MPC'nin doğasından etkilenmekte ve hız ve yüklenme durumuna göre değişken anahtarlama frekansı problemlerine yol açmaktadır. Bu sorunların üstesinden gelmek için tezde, gömülü sistem uygulamalarına uygun bir Alanda Programlanabilir Kapı Dizisi (FPGA) üzerinde gerçeklenen Sonlu Kontrol Kümeli MPC ile bir işlemci üzerinde gerçeklenen parametre kestirimcisinden oluşan yüksek performanslı ve gürbüz bileşke bir sistem önerilmiştir. PMaSynRM'lerin işletmesi sırasında stator direnci, eksen indüktansları ve sürekli mıknatıs halkalanma akısı; sıcaklık, hız, akım frekansı, yüklenme, doyma ve gideren alan gibi etmenlerin sonucunda değişmektedir. Bu değişiklikler sistem parametre belirsizliği adı altında sınıflandırılan kontrol problemlerine sebep olmaktadır. Tez kapsamında ilk olarak eldeki PMaSynRM'nin tüm doğrusalsızlıkları, parametre değişimleri ve belirsizlikleri detaylı benzetimler ve testler ile sınırlarıyla beraber ortaya konmuştur. Bunun yanında iki seviyeli gerilim kaynaklı bir eviricinin doğrusalsızlıkları verilmiş ve kontrol üzerine etkileri detaylandırılmıştır. Motor ve evirici çiftinden oluşan sistemin kontrol ihtiyaçları ortaya konmuş ve sebep oldukları kontrol problemleri sunulmuştur. Bu problemler yenilikçi yaklaşımlar ile parametre kestirimcisi ve model öngörülü kontrol olmak üzere iki ana alt başlık altında çözülmüştür. Sistem parametrelerinin yüksek doğrulukla bilinmesi gerekliliği yalnızca MPC ile sınırlı olmayıp, kontrol yörüngesi tanımlamaları ve genel olarak eniyilenmiş kontrol sistemi tasarımı yaklaşımlarının tamamına yakını için önemli bir ön koşuldur. MPC'de buna ek olarak, parametre bilgisi nedeniyle kontrol sırasında durum kestirimi doğruluğu sorunu bulunmaktadır. Bu tezde, PMaSynRM'lerin işletmesi sırasında ortaya çıkan parametre değişimlerini ve belirsizliklerini çözmek için gömülü sistemler için uygun, gerçek zamanlı çalışan yenilikçi bir parametre kestirimcisi önerilmektedir. Sıkıştırılmış algılama ve seyreklik yaklaşımları kullanılarak, işletme sırasında elektromanyetik parametrelerin tümünü gerçek zamanlı olarak kestirebilen bir parametre kestirimcisi tasarlanmıştır. Veri temelli ve seyrek bir yaklaşım sayesinde kestirim için ihtiyaç olunan veri seti diğer veri temelli yöntemlere kıyasla oldukça küçültülmüştür. Parametre kestirimcisi için ön koşul olan sürekli uyartım, kontrol sırasında işaret enjeksiyonu ile sağlanmaktadır. Bu işaret enjeksiyonu, motorun d ve q eksenleri üzerine koordineli bir şekilde ve doğru parametre bilgisi altında sıfır moment titreşimi oluşturacak şekilde yapılmaktadır. Bu doğrultuda eksen akım referanslarının gerçek zamanlı tanımlanması için bir yöntem önerilmiştir. Bu sayede, yine tez kapsamında önerilen kontrol başarımı üzerinde ihmal edilebilir bir etkiye yaratan moment ve hız titreşimlerini neredeyse sıfır seviyesine indiren çok kısa bir tanımlama sinyali enjeksiyon aralığının kullanılması mümkün kılınmıştır. Tanılama işaret enjeksiyonu yalnızca iki ile dört periyot arasında aktif kalmakta ve kısa süreli enjeksiyon sırasında faz değişkenleri kaydedilmektedir. Önerilen sistem, kaydedilen faz değişkenlerini sıkıştırılmış algılama ve seyreklik tanımlarından yola çıkılarak önerilen bir ardıl işleme algoritması altında seyrekleştirmektedir. Önerilen kestirimci seyrek bir model ve FFT tabanlı frekans uzayında seçici eşikleme kullanılarak seyrekleştirilmiş bir tanımlama veri seti kullanan bir en küçük kareler çözümüne dayanmaktadır. Donanım ve yazılım filtrelerinin frekans cevaplarının ve algılayıcı gecikmelerinin kompanzasyonu da kestirimciye dahil edilmiştir. Böylece önerilen sistem ile, güncel parametre kestirimcilerin ihtiyaç duyduğu darbe genişlik modülasyonuna eşzamanlı örnekleme ve hesaplama ihtiyacı ortadan kaldırılmış, ihtiyaç olan hafıza gereksinimleri en aza indirilmiştir. Bununla birlikte önerilen tanılama işaret enjeksiyonunun çok kısa süreli etkin olması ve sıfıra yakın moment titreşimi oluşturması ile kontrole olan etkileri en aza indirilmiştir. Kestirimci, kontrol sisteminden bağımsız olarak bir işlemci üzerinde arka plan görevi olarak çalışacak şekilde tasarlanmış ve kontrol sistemine hesaplama ve zaman kritik görevler temelinde olan etkileri ortadan kaldırılmıştır. Bir diğer problem olan MPC'nin ihtiyaç duyduğu yüksek hesaplama gücü, MPC algoritmasının bir FPGA üzerinde koşut zamanlı işlenmesi ile çözülmüştür. Önerilen yöntem ile PMaSynRM akımlarını FPGA üzerinde 3 μs örnekleme süresi ile 10 adımlık kontrol ve kestirim ufku boyunca eniyilenmiş şekilde kontrol etmek için iyileştirilmiş bir MPC algoritması ortaya konmuştur. Bununla beraber, birden çok amaca yönelik bir maliyet fonksiyonu önerilmiştir. Önerilen maliyet fonksiyonu, eksen akımlarını referans noktalarına farklı ağırlıklar ve öncelikler ile ayarlamayı, anahtarlama frekansını istenen seviyeye tutmayı ve eniyilenmemiş olmayan anahtar geçişlerini önleyerek anahtarlama kayıplarını en aza indirmeyi sağlamaktadır. Eksen akımları ayarı eksen akım hatalarının kareleri ile orantılı olarak bir ağırlıklandırma katsayısı ile d ve q ekseni akımları için maliyet fonksiyonuna dahil edilmiştir. Ağırlıklandırma katsayıları farklı eksen akımlarının hatalarının maliyet fonksiyonuna katkısının ağırlıklandırılmasına olanak sağlayarak işletme noktasına göre istenen eksen akımın ayarının önceliklendirilmesini sağlamaktadır. Maliyet fonksiyonun ikinci bileşeni anahtarlama frekansını ayar eden bileşendir. Anahtarlama frekansı ayarı, eksen akım hatalarının türevlerinin sınırlanması ile sağlanmaktadır. Her iki eksen akımının türevleri toplamı bir ağırlıklandırma katsayısı ile maliyet fonksiyonuna dahil edilerek gerçek zamanlı anahtarlama frekansı ayarı yapılmaktadır. Maliyet fonksiyonun son bileşeni ise eniyilenmemiş anahtarlamalara sebebiyet verecek çıkış vektörü değişimlerini cezalandıran bir bileşendir. Bu bileşen sayesinde bir çıkış vektörü sırasında sadece bir anahtar durum değişimi zorunlu kılınmakta ve anahtarlama sırası bir SVPWM modülatöründe olduğu şekli ile eniyilenmektedir. Bu sayede MPC ile evirici ve motor kontrolünde sıkça karşılaşılan nizami olmayan anahtarlama davranışları ve anahtarlama kayıpları kontrol altına alınmaktadır. Maliyet fonksiyonunun öngörü ufkundaki eniyileme aşaması hızlı bir açgözlü algoritma ile gerçeklenmiş ve hem durum kestirimi hem de maliyet fonksiyonu eniyilemesi, evirici gerilim vektörlerinden her biri için sekiz koşut yolda gerçekleştirilmiştir. Açgözlü algoritmanın başarımı, benzetim ortamında global eniyileme algoritmaları ile kıyaslanmış ve etkinliği gösterilmiştir. Bu durum FPGA'nın yüksek bir verimlilikle kullanılmasını sağlamakta ve mümkün olan en küçük zaman adımını 3 μs'ye düşürmektedir. Durum kestirimi aşaması, daha iyi doğruluk için ölü zaman etkilerini ve anahtarların gerilim düşümlerini de içerecek şekilde tasarlanmıştır. Bu doğrusalsızlıkların da evirici ve motor modeli ile bir araya getirilmesi ile DC-bara faydalanma katsayısında iyileştirmeler elde edilmiş ve kontrole olanak veren maksimum modülasyon indeksinde endüstri standardı olan yöntemlere kıyasla kazançlar elde edilmiştir. Önerilen sistem aşırı modülasyon bölgesinde akım kontrolü sağlamakta ve popüler aşırı modülasyon yöntemleri ile kıyaslanabilir bir başarım göstermektedir. Bunula birlikte derin aşırı modülasyon bölgesi ve altı-adım bölgesi arasında yumuşak bir şekilde geçiş yapılabilmekte ve altı-adım bölgesinde motor kontrol edilebilmektedir. Böylece aşırı modülasyon ve altı-adım bölgesi geçişi için ihtiyaç olunan kontrolörler ortadan kalkmaktadır. Önerilen yöntemin akım referansı izleme doğruluğu, dinamik cevap, anahtarlama frekansı ayarı ve aşırı modülasyon başarımı oldukça yüksektir. Önerilen seyreklik tabanlı yüksek başarımlı bir parametre kestirimcisi ile birleştirildiğinde, tüm sistem doğru akım referansı yörüngesinde tutulmakta ve durum kestirimi doğru yapılmaktadır. Bu, gürbüz ve yüksek başarımlı bir MPC uygulamasına olanak tanımaktadır. Tüm sistem başarımı kapsamlı deneylerle doğrulanmış ve parametre kestirim doğruluğu tüm sabit moment bölgesinde sıfır yükten nominal yüke kadar verilmiştir. Parametre kestirimcisinin kontrole olan etkileri işletme sırasında parametre kestirimcisinin çalıştırılması ve parametre güncellemesi ardından verim ve akım toplam harmonik bozunumu temelinde incelenmiştir. Önerilen MPC'nin dinamik başarımı, basamak cevabı deneyleri ile ortaya konmuş ve eniyilenmiş bir PI kontrolör ve SVPWM modülatörü ile detaylı deneyler ışığında karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. Önerilen maliyet fonksiyonundaki ağırlıklandırma katsayıları sayesinde değişken eksen akımı ayar hızlarının basamak cevabındaki eksen akım ayar hızlarına etkileri verilmiştir. Önerilen maliyet fonksiyonundaki anahtarlama frekansı ayar bileşeninin başarımı yük altında incelenmiş ve sunulmuştur. Enyilenmemiş anahtarlama sırasının verim ve kayıplara etkisi, DC-link gücü analizi ve evirici kayıpları üzerinden incelenmiştir. Önerilen MPC'nin aşırı modülasyon bölgesi ve altı-adım işletmesi detaylı bir şekilde incelenmiş ve dalga şekilleri ile birlikte toplam harmonik bozunumları verilmiştir. Yapılan kapsamlı deneyler ile önerilen sistemin getirdiği avantajlar ortaya konmuştur.
Özet (Çeviri)
This thesis study aims to solve two fundamental problems of Permanent Magnet Assisted Synchronous Reluctance Motor's (PMaSynRM) current control associated with Model Predictive Controllers (MPCs). MPC has two inherent drawbacks; the parameter uncertainty/variation and computational burden. To address these issues, a combined system of Finite Set MPC implemented on a Field Programmable Gate Array (FPGA) and a parameter estimator implemented on a processor interfaced together to form a high performance PMaSynRM speed control application. Problems associated with parameter knowledge is much more involving than only the MPC. All of the control trajectory definitions and optimal control system design requires accurate parameter knowledge of PMaSynRMs. In MPC, in addition to those there is a problem of accurate state prediction due to parameter knowledge. To solve the parameter variations during control, this thesis proposes a novel real-time parameter estimator that is suitable for embedded systems. Using notions of compressed sensing and sparsity, a parameter estimator is designed that is capable of estimating all electromagnetic parameters on-line during operation. Thanks to a data based and sparse approach, required data set is small. This allows the use of very short identification signal injection interval, which is designed to induce a near-zero torque ripple, having a negligible on control performance. Estimator is able to work asynchronous to control, allowing it to be decoupled from the control system. It is based on a least squares estimation using a sparse model and an identification data set sparsified by FFT based thresholding including frequency response and delay compensation. Computational burden problem of MPC is solved with parallelization on an FPGA. An Enhanced Finite Control Set MPC is designed to control the PMaSynRM currents optimally on an FPGA with 3 μs sampling time over a 10 time step control and prediction horizon. A multi-purpose cost function is proposed that allows regulation of axis currents to their setpoints, adjustment of switching frequency to desired level and prevention of non-optimal switch transitions so that the switching losses kept as low as possible. Optimization stage is a fast greedy algorithm and both prediction and optimization is carried out in eight parallel paths, one for each inverter voltage vector, resulting in a very high utilization of the FPGA. Prediction stage includes dead-time effects and voltage drops of the switches for better accuracy. Proposed method has a very good current reference tracking accuracy, dynamic response, switching frequency adjustment and overmodulation performance. Combined with a high performance sparsity based parameter estimator, whole system is kept at optimal current reference trajectory and state prediction is accurate. This results in a robust high performance robust MPC implementation. Performance is experimentally validated with extensive tests and compared to a fine tuned PI controller on the bases of dynamic response, switching losses and overmodulation performance.
Benzer Tezler
- Ev tipi endüksiyonlu ocaklar için çok çıkışlı güç devresi tasarımı ve uygulaması
Design and implementation of a multi-output power circuit for domestic induction hobs
SEZER ASLAN
Doktora
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NİHAN ALTINTAŞ
- Learning based control compensation for multi-axis gimbal systems using inverse and forward dynamics
Çok eksenli gimbal sistemleri için ileri ve geri dinamikleri kullanan öğrenme tabanlı kontrol dengeleyicisi
DAMLA LEBLEBİCİOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Mekatronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MELİH ÇAKMAKCI
DR. ÖZGÜR ATEŞOĞLU
- Makine öğrenmesi kullanarak Türkiye'de elektrikli araç şarj istasyonlarının potansiyel kullanım performansının mekânsal tahmini
Spatial estimation of potential utilization performance of electric vehicle charging stations in Türkiye using machine learning methods
SERKAN TANRIVERDİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik ÜniversitesiGeomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ADALET DERVİŞOĞLU
- Extremum seeking method and its applications in automotive control
Ekstremum arama metodu ve otomotiv kontrolu alanında uygulamaları
ERKİN DİNÇMEN
Doktora
İngilizce
2011
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BİLİN AKSUN GÜVENÇ
DOÇ. DR. TANKUT ACARMAN
- DGM'li gerilim dalgalarıyla beslenen asenkron motorlarda harmoniklerin etkileri
The Analysis of PWM-harmonic effects in selecting two induction motors for inverter drive systems
MUSTAFA KIYI
Yüksek Lisans
Türkçe
1992
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDOÇ. DR. A. FAİK MERGEN