Sincap Kafesli Asenkron Motorların Algılayıcısız Yüksek Başarımlı Kontrolüne Yönelik Genişletilmiş Kalman Filtresi Tasarım Ve Uygulaması

Abstract

Bu çalışmanın temel katkısı, sıfır hızı da içeren geniş bir aralıkta hız kontrolü yapamak üzere sincap kafesli asenkron motorların (SKASM’lerin) hız algılayıcısız DMK’sı ve doğrudan AYK’sı için elektrik ve/veya mekanik belirsizlikleri hesaba katan yeni GKF temelli kestirim algoritmalarını geliştirme ve gerçeklemedir. Bu açıdan, hız algılayıcısız kontrol için herhangi bir yüksek frekanslı işarete gereksinim duymaksızın rotor direnci ve/veya rotor açısal hızı w ile birlikte yük momenti tL’nin eş zamanlı olarak kestirildiği GKF temelli kestirim üzerine bilinen ilk çalışmadır. Ayrıca, açısal hızın sabit parametre gibi düşünüldüğü önceki GKF temelli kestirim çalışmalarından farklı olarak, bu çalışmada w, mekanik hareket eşitliğinin kullanımı ile bir durum olarak kestirilmiştir. Ayrıca, SKASM’lerin algılayıcısız hız ve/veya pozisyon kontrolünde sürtünme etkilerinin de başarımı kötüleştirdiği bilinmektedir. Yapılan çalışmada bu konuyu adreslemek için tL’nin kestirimi özellikle sürekli durumdaki kulomb ve viskoz sürtünme etkilerini hesaba katmak üzere sabit bir parametre gibi gerçekleştirilmiştir. Önerilen GKF algoritmalarında, çıkış olarak da ölçülen stator akımlarına (duran stator ekseninde) ilave olarak, stator ve/veya rotor akı bileşenleri de kestirilmiştir. Ayrıca, iyileşmiş bir kestirim doğruluğu için geliştirilen GKF algoritmaları, analog sayısal dönüştürücüdeki sınırlı kelime uzunluğundan kaynaklanan kontrol giriş hatasını da dikkate almaktadır. İlave olarak, geliştirilen kestirim şemalarını daha gerçekçi bir yaklaşımla değerlendirmek için a.a sürücüsü ile darbe genişlik modülasyonlu gerilimler SKASM’ye uygulanmıştır. Son olarak kestiriciler, sıfır hızda sürekli çalışmayı da içeren geniş bir hız aralığındaki başarımı kapsayacak şekilde yükün (hız ile doğrusal ve basamak biçimli) ve hızın ani değişimleri altında deneysel ve/veya benzetimlerle zorlanmıştır. Önceki çalışmalarla karşılaştırıldığında, kestirim şemalarının tatmin edici başarımı, belirsiz yükler ve/veya değişen rotor direncinde gösterilmiştir.

The major contribution of this study is the development and implementation of new EKF based estimation algorithms that take electrical and/or mechanical uncertainties into account for the speed sensorless DTC and direct FOC of induction motors (IMs), aiming velocity control over a wide speed range, also including zero speed. In this regard, this is the first known study on EKF based estimation for speed sensorless control, for which the rotor resistance, and/or the load torque, tL together with the rotor angular velocity, w are estimated simultaneously without the need for injecting high frequency signals. Also, unlike previous EKF based estimation studies taking the angular velocity into consideration as a constant parameter, in this study, w, is estimated as a state with the utilization of the equation of motion. Friction effects are also known to deteriorate performance in the sensorless velocity and/or position control of IMs. To address this issue in this study, the estimation of tL is performed as a constant, to account for friction effects,- particularly Coulomb and viscous friction at the steady-state. In the proposed EKF algorithms, the stator and/or rotor flux components are also estimated, in addition to the stator currents (referred to the stationary stator frame), which are also measured as output. Also, for an improved estimation accuracy, the EKF algorithms take into consideration the control input error, arising due to the limited word-length of the ADC. Additionally, for a more realistic evaluation of the developed estimation schemes, PWM input voltages have been applied to the IM via the ac drive. Finally, the estimators are forced experimentally and/or with simulations under instantaneous load (linear with velocity and step-type) and velocity variations, covering the performance over a wide speed range as well as during persistent operation at zero speed. A satisfactory performance of the estimation schemes has been demonstrated at uncertain loads and/or varying rotor resistance when compared to previous studies.