Kalıcı mıknatıslı senkron motorun farklı gözlemleyici tabanlı sensörsüz alan yönlendirmeli kontrol yöntemlerinde donanım ve yazılım bileşenlerinin işletme başarımına etkilerinin tespiti

Abstract

Motor sürücüleri robotik, otomotiv, enerji piyasası gibi birçok endüstriyel uygulamalarda önemli bir alan haline gelmiştir. Yüksek enerji verimliliği, yüksek güç yoğunluğu, küçük boyutlu olması gibi özelliklerinden dolayı birçok uygulamada tercih sebebi olan kalıcı mıknatıslı senkron motorlarda rotordaki mıknatıslar ile statordaki sargıların oluşturduğu manyetik alanın etkileşiminin kontrolü için rotorun pozisyonu bilinmelidir. Bu durum konum algılayıcı sensörler ya da rotorun konumunu elektriksel parametrelere göre hesaplayan sensörsüz algoritmalarla yapılabilmektedir. Konum algılayıcı sensörlerin fazladan alan işgal etmesi, motora montajının zorlukları ve ek maliyet getirmesi gibi sebeplerden ötürü sensörsüz kontrol yöntemleri son zamanlarda temel araştırma konularından biri haline gelmiş ve bu yöntemler, donanım ve yazılım bileşenlerinde birçok yenilikçi yöntemler geliştirilmiştir. Bu tezin amacı doğrultusunda yapılan çalışmada, Luenberger gözlemleyicili farklı algoritmalara sahip iki farklı sensörsüz motor kontrol projesi oluşturulmuştur. Bu algoritmaların motor kontrol uygulamasının başarımına etkileri karşılaştırmalı olarak ortaya konulmuştur. Literatür incelendiğinde bu motorların adlandırılması araştırmadan araştırmaya farklılık göstermiştir. Rotoru mıknatıstan, statoru bakır sargılardan oluşan bu motorlar literatürde kalıcı mıknatıslı senkron motor, kalıcı mıknatıslı AC motor, kalıcı mıknatıslı DC motor, fırçasız doğru akım motoru gibi farkı isimlerle anılmaktadır. Sürüş yöntemindeki farklılıklar, rotordaki mıknatısların farklı konumlarda yerleştirilmesi, stator sargılarının sarım şekillerinin uygulamadan uygulamaya farklılık göstermesinden dolayı isimlendirmeler de literatürde farklılıklar göstermiştir. Bu isimlendirmeler kavram karmaşasına yol açsa da literatürde popüler olarak kullanılanlar; ters-EMK dalga şekli sinüzoidal olan motorlar kalıcı (daimî) mıknatıslı senkron motorlar ve ters-EMK dalga şekli trapezoidal olanlar fırçasız doğru akım motoru olarak kabul görmektedir. Temelde bu tip adlandırmalara sahip motorların rotorları mıknatıslı olup fırçasız motorlar olarak sınıflandırılır. Kalıcı mıknatıslı senkron motorların özellikle hız ve moment kontrolünde alan yönlendirmeli kontrol kullanılmaktadır. Literatürde vektör kontrol olarak da geçen bu yöntem; eğer motor kontrol uygulaması moment kontrolü ise, motor referans bir moment değerini; eğer yapılan uygulama hız kontrolü ise motor referans bir hızı takip eder. Bu çalışmada hız kontrolü için alan yönlendirmeli kontrol gerçeklenmiştir. Bu çalışmada gerçeklenen motor kontrol uygulamasında kalıcı mıknatıslı senkron motorun alan yönlendirmeli kontrolünde ve gözlemleyici tabanlı sensörsüz kontrol algoritmasında yapılan trigonometrik hesaplamalar CORDIC algoritması kullanılarak gerçeklenmiş, bu algoritmanın avantajları ve dezavantajları karşılaştırmalı olarak ortaya konulmuştur. CORDIC algoritmasının gerçeklemesinde STM32G431 mikrodenetleyicisinde bulunan CORDIC yardımcı işlemci (coprocessor) ünitesi kullanılmıştır. Mikrodenetleyicinin bu donanımının karşılaştırmalı analizini yapabilmek için; CORDIC yardımcı işlemcisi kullanılarak Luenberger gözlemleyicili sensörsüz motor kontrol projesinin yazılımı gerçeklenmiş ve CORDIC yardımcı işlemci kullanılmadan Luenberger gözlemleyicili faz kilitlemeli döngülü sensörsüz motor kontrol yazılımı oluşturulmuştur. Bu iki proje için farklı referans hızlar seçilerek incelenmiştir. Kalıcı mıknatıslı senkron motorların sensörsüz kontrol yönteminde en mühim nokta, rotor konumunun hatayı en aza indirecek bir yöntemle belirlenmesidir. Özellikle moment ve konum kontrolü gibi uygulamalarda daha hassas kestirimler yapabilen sensörsüz kontrol yöntemleri seçilmelidir. Bu tezin kapsamında yapılan sensörsüz alan yönlendirmeli motor kontrol uygulamasında, yüzey mıknatıslı KMSM'nin faz kilitlemeli döngülü algoritma ve CORDIC (Koordinat döndüren sayısal bilgisayar) algoritması kullanılarak iki farklı Luenberger gözlemleyicili alan yönlendirmeli sensörsüz kontrolü gerçeklenmiştir. Deney sonuçları her iki algoritma için de iki farklı referans hız için gerçeklenmiş ve bu iki algoritmanın; işlemci çalışma zamanı, motor kalkış hızı ölçümleri ve kararlı haldeki hız hatası hesabı, kestirilen rotor açısı ve hata hesabı, kestirilen alfa-beta zıt-EMK değerleri, kestirilen alfa-beta akım bileşenleri bakımından üstünlükleri karşılaştırılmıştır. Ortaya çıkan sonuçlar yorumlanarak motor kontrol uygulamasının amacına uygun, donanım ve yazılım gereksinimlerine dayalı öneriler sunulmuştur. Yapılan çalışma ile elde edilen sonuçlar doğrultusunda CORDIC algoritmasının işlemci çalışma süresinin daha az olmasından dolayı yazılımsal başarımının daha yüksek olduğu saptanmıştır. Dolayısıyla zaman kritik uygulamalar için CORDIC algoritması alternatif bir çözüm olmaktadır. Buna rağmen PLL tipi Luenberger gözlemleyicinin daha hassas motor kontrol uygulamaları için CORDIC algoritmasına kıyasla daha uygun olduğu görülmektedir. Her iki algoritmanın da düşük hızlarda başarımının düştüğünü, bu sebepten dolayı Luenberger tipi gözlemleyicinin düşük hızlardaki motor kontrol uygulamaları için uygun olmadığı görülmektedir.