BLDC makinelerinin daldırma ve değişmezlik yaklaşımıyla bozucu gözlemcisine dayalı ayrık zamanlı vektör kontrolü
Immersion and invariance disturbance observer based discrete time vector control of BLDC machines
- Tez No: 948859
- Danışmanlar: PROF. DR. YAPRAK YALÇIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 155
Özet
Günümüzde elektrik motorlarının günlük hayatta her alanda kullanılmasıyla beraber bu elektrik motorlarının tükettiği elektrik miktarı artmıştır ve günümüzdeki çalışmalar bu elektrik motorlarının hem kontrol hem de sürücü tasarımlarının daha verimli ve daha yüksek güç seviyelerinde çalışabilmesine odaklanmıştır. Günümüzde elektrik motorlarının sadece endüstri veya üretim süreçlerinde kısıtlanmayıp elektrikli araçlarda ana tahrik motoru ile kullanılmaya başlaması ve bu motorlarının verimlerinin araçların toplam menzili üzerinde oldukça önemli bir etkiye sahip olmasıyla beraber daha verimli motorlar da bu araçlarda tercih edilmeye başlanmıştır. Verimlilik ile ücret arasındaki ilişki de göz ardı edilebilecek bir tasarım kriteri değildir. Elektrikli araçlarda gittikçe artan verimlilik talebiyle beraber aynı zamanda ücret düşürme politikaları sebebi ile kullanılan motor tipleri de değişkenlik göstermektedir. Elektrikli araçlarda çoğunlukla senkron motorlar tercih edilmektedir. Senkron motorlar statordan üretilen manyetik alan ile rotorun aynı hızda döndüğü motor tipleridir. Asenkron motorlarda ise bu durum geçerli olmayıp rotor hızı stator tarafından üretilen manyetik alanın arkasından gelmektedir. Verim ve ücret konusunda bu motorlar karşılaştırıldığında takip eden argümanlar baş göstermektedir. Asenkron motorlardan endüksiyon motoru elektrikli araç sektöründe ilk tercih edilen motorlardan biri olmuştur. Bu motor türünde rotor üzerinde kısa devre edilmiş iletken plakalar bulunmaktadır. Bu motorun çalışma prensibinde stator tarafından üretilen manyetik alanın bu iletken plakalar üzerinde bir akım indüklemesi ve bu indüklenen akım ile rotorun dönmesinin sağlanması yatar. Endüksiyon motorları yapıları gereği sadece stator üzerinde sargı bulundurmaları ve rotordaki basit yapıdan ötürü senkron motorlara göre daha uygun bir ücret avantajı sağlarlar ancak rotor üzerinde manyetik alan üretecek bir yapı bulunmadığı için senkron motorlara göre daha düşük güç yoğunluğuna dolayısıyla daha düşük bir verime sahiptirler. Senkron motorlardan sektörde en çok kullanılan PMSM veya BLDC motora odaklandığımızda bu motorların rotor kısımları üzerinde kalıcı mıknatıslar bulunur. Bu mıknatıslar sürekli olarak sabit bir manyetik alan üretmektedir. Rotor tarafından manyetik alan üretildiği için stator tarafından yeniden manyetik alanın tamamının üretilmesi için enerji harcanması gerekmez bu sebeple bu makinalar endüksiyon makinalarına göre daha verimlidirler. Rotor yapıları içerisinde bulunan mıknatıslar sayesinde aynı zamanda bu motorlar daha yüksek güç yoğunluğuna sahiptir. PMSM ve BLDC motorlar temel yapılarında birbirlerine benzerdir. İki motorda da stator sargıları bulunup aynı zamanda rotorları üzerinde kalıcı mıknatıslar bulunur ve bu mıknatıslar gerekli manyetik alanı üretirler. Bu iki motor arasındaki fark geri EMK'lerinin dalga şekilleri arasındaki farktır. PMSM makinalarda geri EMK sinüzoidal bir yapıda iken BLDC motorlarda bu geri EMK kare dalga yapısındadır. Bu tez çalışmasında, BLDC motorlar için daldırma ve değişmezlik bozucu gözlemcisine dayalı ayrık zamanlı vektör kontrolü metodu geliştirilmesi üzerine odaklanılmıştır. Bu bağlamda öncelikle BLDC motorların yapıları ele alınmış ve bu yapılardan elektriksel ve mekaniksel denklemler çıkarılmıştır. Elektriksel ve mekaniksel denklemler haricinde bu iki yapı arasında köprü görevi gören ve iki sistemi birbirine bağlayan elektromekanik tork denklemi çıkarılmıştır. Bu denklemler kullanılarak BLDC motor için bir durum uzayı denklemi çıkarılmış sonrasında bu çıkarılan durum uzayı denklemi üzerinden daldırma ve değişmezlik temelli bir bozucu ya da diğer bir adıyla bozucu tork gözlemcisi geliştirilmiştir. Daldırma ve değişmezlik temelli bozucu gözlemcisinin temel amacı BLDC makinanın şaftında sistemin yaşadığı bozucu tork etkilerini gözlemlemek, kestirmektir. Bu bozucu tork etmenleri yapısı gereği ölçülemez veya ölçülmesi çok zor olan değişkenlere bağlıdır. Bu ölçülemez bozucu torku üreten parametrelere örnek olarak motorun bilyelerindeki sürtünme, motorun üretim aşamasında yaşadığı eşit olmayan koşullar, motorun faz direnç ve endüktanslarının ideal olarak birbirine eşit olmaması ve makinanın eşit olmayan bir havalandırma sistemine sahip olmasıyla eşit olmayan şekilde ısınması örnek gösterilebilir. Daha sonrasında üç fazlı senkron motorlar için en çok tercih edilen metot olan vektör kontrolü yapısı çalışılmış ve bu kontrol metodu simülasyon ortamında test edilmiştir. Vektör kontrol metodunda ana fikir fırçalı DC makinalarda bulunan manyetik alan üretimini ve tork üretimini ayrı olarak kontrol edebilme istediğidir. Bunu fırçalı DC makinalar stator ve rotorlarında ayrı sargılar bulundurarak gerçekleştirirken BLDC makinalarda rotor kısmında kalıcı mıknatıslar olduğu için bu çalışma sağlanamaz. Bu noktada vektör kontrol metodu Clarke/Park denilen dönüşümleri kullanarak üç fazlı döner akımları birbirine doksan derece açıda iki adet sabit akımlara çevirir. Bu akımlara d-q ekseni akımları denilir ve d akımı üretilen manyetik alanı kontrol ederken q akımı makinanın ürettiği torku kontrol eder. Bu sayede fırçalı DC makinalardaki gibi tork ve manyetik alanı üreten bileşenler birbirinden ayrılmış olur. Vektör kontrolü metodunda en çok tercih edilen dış kontrol döngüleri tork kontrolü ve hız kontrolü olarak bilinir. Bu kontroller aslında hız kontrolü en dışarıda olacak şekilde kas kat olarak kontrol sinyallerini d ve a akımı kontrolcülerine referans değerleri gönderirler. Bu çalışmada tork kontrolü yerine hız kontrol yapısı tercih edilmiştir. Daldırma ve değişmezlik temelli gözlemcinin kestirimde bulunduğu bozucu tork daha sonrasında vektör kontrolü yapısının içerisine ön beslemeli bir terim olarak bağlanmış, bu sayede bozucu torkun sistem üzerindeki etkileri giderilmeye ve daha gürbüz bir kontrol elde edilmesi hedeflenmiştir. Burada kestirilen tork hız kontrolcüsünün çıktısı olan referans tork ile toplanarak sisteme beslenmiştir. Vektör kontrolü için gerekli olan hız, d ve q ekseni akım kontrolcüleri, bir evirici modeli, bir BLDC makine modeli ve bir de yük modeli Simulink ortamında modellenmiştir. Bu modelleme içerisinde evirici modeline de yer verilmesinin sebebi sistemin gerçek hayat çalışmasında eviriciye sahip olmasıdır. Dolayısıyla daha gerçeğe yakın dinamikler sergileyen bir modelleme ortamı oluşturulması hedeflenmiştir. Bu modelleme ortamında modellenen tüm bileşenler modüler olarak modellemiştir. Yani bu modellerin her biri ayrı bir fonksiyon olarak geliştirilmiş ve çalışmak için ihtiyaç duydukları motor direnci, endüktansı, kutup sayısı gibi bileşenleri parametrik olarak dışarıdan sağlanmıştır. Bu parametrik yapı sayesinde farklı yapıda ve farklı parametrelere sahip BLDC motorlar da sistemde çok büyük değişikliklere gitmeden hızlıca değiştirilebilir bu da sistemin bahsedilen parametrik yapısını arttırmıştır. Geliştirilen modeller Simulink ortamında öncelikle tek tek test edilerek çalıştıkları doğrulanmış sonrasında tüm modeller birbirine bağlanarak tüm sistemin öncelikle açık çevrimde çalışması sağlanmış sonrasında ise kapalı çevrimde çalışması sağlanmıştır. Önerilen metodun çalıştığı doğrulandıktan sonra bu metodun gerçek hayatta test edilebilmesi için içerisinde izolasyon trafosu, DC giriş kapasitörü, evirici, BLDC motoru, kontrolcü, indüksiyon motoru ve yük bulunan bir test ortamı tasarlanmıştır. Bu test ortamı için öncelikle bir evirici tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bu evirici tasarımı içerisinde anahtarlama elemanları için kapı sürücü devresi tasarımı ve gerçeklenmesi ile anahtarlama elemanlarının seçilmesi ve bir pertinax üzerinde devrenin gerçeklenmesi yapılmıştır. Evirici devresi için aynı zamanda bastırıcı kapasite seçimi ve yine pertinax devre üzerine bağlanması sağlanmıştır. Bu evrede aynı zamanda bir DC kapasite seçimi ve gerçeklenmesi yapılmıştır. Sisteme güç sağlaması için 400 W gücüne sahip bir DC kaynak seçilmiştir. Sistemi izole etmesi için bir izolasyon trafosu tasarımı yapılmış ve bu trafo yerel olarak ürettirilmiştir. Sistemde kullanılacak olan BLDC motorun seçimi yapılmış ve sisteme eklenmiştir. Aynı zamanda sistemde yük olarak görev yapacak olan indüksiyon motor da seçilmiş ve sisteme eklenmiştir. Bu iki motorun bağlantısını yapabilmek ve sistemdeki titreşimleri engellemek için ara bağlantı elemanı seçilmiş ve sisteme bağlantısı yapılmıştır. Bu iki motorun birbirine bağlanması için BLDC motorun şaftı sanayide işlenmiş ve indüksiyon motorun şaftına uyumlu hale getirilmiştir. Bu işlemde indüksiyon makinanın şaftında bulunan dişli öncelikle kesilmiş ve sonrasında şaft üzerinde bulunan boşluklar kaynak ile doldurulmuştur. Bu kaynağın daha sonrası fazlası yeniden işlenmek üzere makinaya bağlanmış ve üzerinden geçilerek aynı çapa sahip olacak şekilde küçültülmüştür. Bu süreç esnasında BLDC motorun şaftının çıkarılabilmesi ve takılabilmesi için bir hidrolik pres kullanılmıştır. Bu presin kullanılmasının sebebi şaftın el ile çıkarılmasının mümkün olmamasıdır. Bu süreç esnasında ilk etapta bu şaft yanlış şekilde geri preslendiği için motorun çalışmadığı gözlemlenmiş ve sonrasında sanayide yeniden bastırılarak çalışması sağlanmıştır. İndüksiyon motorun ürettiği elektriği tüketmesi için enkandesan lambalar kullanılmıştır. Bu lambaların tercih edilmesinde ucuz olmaları ve yapıları gereği zaten soğutmaya ihtiyaç duymadan çalışabilmeleridir. Bu lambalar üçgen bağlantıda üç fazlı olacak şekilde bağlanmışlardır. Bu bağlantıda yük olarak akımların motorun fazlarından akabilmesi için en azından iki tane lambanın çalışır halde olması gerekmektedir. Bunu sağlayabilmek adına üç fazlı bir anahtar motorun fazları içe lambalar arasına bağlanmıştır. Bu test ortamının maliyetinin düşük tutulmasına dikkat edilmiştir. Bu test ortamının içerisinde kullanılan sürücünün donanım ve yazılım tasarımı bu tez kapsamında yapılmıştır. Aynı zamanda test ortamı için sistem tasarımı ve bu test ortamının gerçeklenmesi sağlanmıştır. Bu tasarım gerçekleştirildikten sonra öncelikle BLDC motorlarda basitliği sebebiyle çokça tercih edilen altı adımlı kontrol metodu öncelikle gerçekleştirilerek tasarımı yapılmış olan test ortamının devreye alınması ve doğrulanması çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Devreye alma testleri sırasında alan etkili sensörler olarak bilinen ve BLDC motorun içerisinde üretim safhasında bulunan sensörler kullanılmıştır. Bu test yazılımı ile öncelikle sistem açık çevrimde yük olmadan test edilmiştir. Bu testi geçtikten sonra sistem kapalı hız çevriminde yük olmadan test edilmiştir. Sonraki testte sistem kapalı hız çevriminde yükte sisteme bağlı iken test edilmek istenmiştir ancak bu noktada büyük bir sorunla karşılaşılmış ve indüksiyon motorunun gerilim üretmediği görülmüştür. Bunun sebebi araştırıldığında aslında teknik olarak bilinen ancak uygulama esnasında gözlemlenen bir olay ile karşılaşılmıştır. Elektrik üreten makinaların çalışma prensibi oldukça basittir. Motorun şaftının dışarıdan çevrilmesi suretiyle motorun içerisinde bir manyetik alan oluşturulur ve bu manyetik alan sargılarda bir gerilim indüklenmesine sebebiyet verir bu şekilde elektrik üretilir. Ancak indüksiyon makinaları genelde motor olarak kullanıldığı için indüksiyon makinalarının rotor kısmında bu manyetik alanı üretmek için gerekli yapının bulunmadığı fark edilir. İndüksiyon makinalarının rotoru içerisinde birbirine kısa devre edilmiş alüminyum plakalar bulunur. Motor olarak çalışma esnasında sargılar tarafından bu plakalar üzerinde akım indüklenmesiyle motor çalışır ancak tersi istendiğinde, yani rotorun çevrilmesiyle statorda gerilim indüklenmesi amaçlandığında rotor üzerinde değişen bir manyetik alan üretecek herhangi bir mıknatıs gibi bir bileşen bulunmadığı için sistem elektrik üretmez. Bu noktada gerekli araştırma yapıldığında bu sorunu çözebilmek adına reaktif güç sağlayabilecek kalıcı kapasitelerin indüksiyon motorlara bağlandığı görülmektedir. Bu kapasiteler sistemde kalıcı olarak bulunur ve indüksiyon motorun çalışabilmesi için gerekli olan reaktif gücü motora sağlarlar. İlk çalıştırma esnasında rotorun dönmesiyle aslında çok az miktarda bir akım sargılarda indüklenir, motorun bir süre boyunca çevrilmesiyle bu kapasiteler doldurulduktan sonra indüksiyon motor kendi kendini besleyerek elektrik üretebilir hale gelir. Ancak bu hale gelene kadar kapasitelerin dolabilmesi için sisteme yük bağlanmamalıdır. Gerekli gerilim seviyesine ulaşıldıktan sonra anahtar yardımıyla yük devreye alınır. Bu şekilde indüksiyon makinasının şebekeye bağlı olmadan elektrik üretmesi sağlanır. Bu sorunun çözümüyle beraber kapalı çevrimde çalışması doğrulandıktan sonra yük bağlanarak tüm sistemin hız kapalı çevriminde çalışması doğrulanmıştır. Bu testlerin tamamlanmasıyla beraber test ortamının devreye alınması çalışmaları tamamlanmıştır. Bu noktada tezde önerilen daldırma ve değişmezlik bozucu gözlemcisine dayalı ayrık zamanlı vektör kontrolü metodu bu test ortamı üzerinde test edilmiştir. Önerilen metodun kodunun yazılması yerine geliştirildiği Simulink ortamının sağlamış olduğu kod üretimi fonksiyonu kullanılmıştır. Bu metot sektörde oldukça fazla kullanılmaktadır. Kullanılacak olan işlemcinin tüm ayarlarının tek tek el ile yazılan C kodu ile yapılması yerine Simulink belli başlı desteklediği işlemciler için bu gerekli ayarları yapan blokları sunmaktadır. Geliştirilen algoritmanın bu işlemci bloklarıyla bağlanması ile birlikte direkt olarak o işlemcinin ayarları elle yazılmak yerine Simulink üzerinden elde edilir. Burada dikkat edilmesi gereken nokta her ne kadar Simulink bu işlemi kolaylaştırsa da yine de işlemcinin özelliklerinin bilinerek bu ayarların yapılması gerekmektedir. Bu Simulink özelliği kullanılarak gerekli PWM frekansı, işlemci çalışma frekansı, donanım kesmeleri gibi özellikler ayarlanmış ve geliştirilmiş önerilen metodun işlemciye aktarılması sağlanmıştır. Bu metot kullanılarak zamandan tasarruf edilmiştir. Öncelikle vektör kontrol yapısının çalışmasının doğrulanması adına bozucu kestirimi kapalı olarak kullanılmış ve vektör kontrol yapısıyla hız kapalı çevrimi öncelikle yüksüz sonrasında ise yüklü olarak gerçekleştirilmiştir. Vektör kontrolünün çalıştığı doğrulandıktan sonra önerilen metot aktive edilmiş ve sistem yeniden hız kapalı çevriminde öncelikle yüksük sonrasında yüklü olarak test edilmiştir. Simülasyon ortamında gerçekleştirilen testler ile test ortamında gerçek bir motorun üzerinde gerçekleştirilen testler karşılaştırılmış ve sonuç kısmında önerilen metodun çalışması ile uygulanabilirliği özetlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Nowadays, with the use of electric motors in every field of daily life, the amount of electricity consumed by these electric motors has increased and today's studies are focused on making both the control and driver designs of these electric motors more efficient and able to operate at higher power levels. Today, electric motors are not only limited to industry or production processes but also started to be used with the main traction drive motors in electric vehicles, and the efficiency of these motors has a significant effect on the total range of the vehicles, and more efficient motors have also started to be preferred in these vehicles. The relationship between efficiency and price is not a design criterion that can be ignored. Along with the increasing demand for efficiency in electric vehicles, the types of motors used also vary due to price reduction policies. Synchronous motors are mostly preferred in electric vehicles. Synchronous motors are motor types in which the magnetic field produced by the stator and the rotor rotate at the same speed. However, this is not the case in asynchronous motors, and the rotor speed follows behind the magnetic field produced by the stator. When these motors are compared in terms of efficiency and price, the following arguments emerge. Among asynchronous motors, the induction motor has become one of the first preferred motors in the electric vehicle sector. This type of motor has short-circuited conductive plates on the rotor. The working principle of this motor is that the magnetic field produced by the stator induces a current on these conductive plates and this induced current ensures that the rotor rotates. Induction motors provide a more affordable price advantage than synchronous motors due to their structure, only having windings on the stator and the simple structure on the rotor, but since there is no structure to produce a magnetic field on the rotor, they have lower power density and therefore less efficiency than synchronous motors. When focused on the PMSM or BLDC motors, which is the most used in the sector among synchronous motors, there are permanent magnets on the rotor parts of these motors. These magnets constantly produce a fixed magnetic field. Since the magnetic field is produced by the rotor, energy does not need to be spent to re-generate the entire magnetic field by the stator, so these machines are more efficient than induction machines. Thanks to the magnets in the rotor structures, these motors also have higher power density. PMSM and BLDC motors are similar to each other in their basic structures. Both motors have stator windings and permanent magnets on their rotors, and these magnets produce the necessary magnetic field. The difference between these two motors is the difference in the waveforms of their back EMFs. While the back EMF in PMSM machines is sinusoidal, this back EMF is square wave in BLDC motors. This thesis study focuses on developing a discrete-time vector control method based on immersion and invariance disturbance observer for BLDC motors. In this context, firstly the structures of BLDC motors are considered and electrical and mechanical equations are derived from these structures. Apart from electrical and mechanical equations, the electromechanical torque equation that acts as a bridge between these two structures and connects the two systems is derived. Using these equations, a state space equation is derived for the BLDC motor and then an immersion and invariance based disturbance or in other words, a disturbance torque observer is developed based on this derived state space equation. The main purpose of the immersion and invariance based disturbance observer is to observe and estimate the disturbance torque effects experienced by the system on the shaft of the BLDC machine. These disturbance torque factors are inherently dependent on variables that cannot be measured or are very difficult to measure. Examples of the parameters that produce this immeasurable distorting torque include friction in the motor's balls, unequal conditions experienced by the motor during the production phase, the ideal unequal phase resistances and inductances of the motor, and the unequal heating of the machine due to an unequal ventilation system. Later, the vector control structure, which is the most preferred method for three-phase synchronous motors, was studied and this control method was tested in a simulation environment. The main idea in the vector control method is to be able to control the magnetic field production and torque production in brushed DC machines separately. While brushed DC machines achieve this by having separate windings in their stators and rotors, this study cannot be achieved in BLDC machines because there are permanent magnets in the rotor section. At this point, the vector control method converts the three-phase rotating currents into two constant currents at ninety degrees to each other using the transformations called Clarke/Park. These currents are called d-q axis currents, and while the d current controls the magnetic field produced, the q current controls the torque produced by the machine. In this way, the components that produce the torque and magnetic field are separated from each other as in brushed DC machines. The most preferred external control loops in the vector control method are known as torque control and speed control. These controls actually send control signals to the d and a current controllers as reference values as muscle layers with the speed control being the outermost. In this study, the speed control structure was preferred instead of torque control. The disturbing torque estimated by the immersion and invariance-based observer was then connected to the vector control structure as a pre-fed term, thus eliminating the effects of the disturbing torque on the system and achieving a more robust control. Here, the estimated torque was added to the reference torque, which is the output of the speed controller, and fed to the system. The speed, d and q axis current controllers, an inverter model, a BLDC machine model and a load model required for vector control were modeled in the Simulink environment. The reason for including the inverter model in this modeling is that the system has an inverter in real-life operation. Therefore, it was aimed at creating a modeling environment that exhibits more realistic dynamics. All components modeled in this modeling environment were modeled modularly. In other words, each of these models was developed as a separate function and the components such as motor resistance, inductance, and number of poles they needed to operate were provided parametrically from outside. Thanks to this parametric structure, BLDC motors with different structures and parameters can be changed quickly without making major changes to the system, which increased the mentioned parametric structure of the system. The developed models were first tested one by one in the Simulink environment and their operation was verified, then all models were connected to each other and the entire system was first operated in open loop and then in closed loop. After verifying that the proposed method works, a test environment containing an isolation transformer, DC input capacitor, inverter, BLDC motor, controller, induction motor and load was designed so that this method could be tested in real life. Attention was paid to keeping the cost of this test environment low. The hardware and software design of the inverter used in this test environment was made within the scope of this thesis. At the same time, the system design for the test environment and the implementation of this test environment were provided. After this design was realized, the six-step control method, which is widely preferred in BLDC motors due to its simplicity, was first implemented and the commissioning and verification studies of the designed test environment were carried out. After the commissioning studies of the test environment, the proposed method was tested on this test environment. The tests carried out in the simulation environment were compared with the tests carried out on a real engine in the test environment and the results were presented with the study of the proposed method.