Yenilikçi bir aşırı modülasyon tekniği ve kompleks akım kontrolörü tasarımı ile algılayıcısız cer motoru kontrolü

Abstract

Günümüzde tercih edilen kara yolu ulaşım araçları oldukça gelişmiş yapıdadır. Özellikle elektrikli araçlara olan ilginin artması ve toplumlar tarafından benimsenen çevreci hedefler araştırmaları bu yöne kaydırmıştır. Raylı ulaşımda kullanılan araçların çekiş kuvvetleri elektrik motorları tarafından sağlanmaktadır. Bu motorlar cer motoru olarak adlandırılırken kontrollerinde yüksek kalkış torku, maksimum güç ve geniş bir hız aralığında çalışma hedeflenir. Endüstriyel motor kontrol uygulamalarında klasik akım kontrolörleri, hız-tork hesaplama işlemleri ve modülasyon teknikleri yüksek anahtarlama frekansı sayesinde yeterliyken cer motorlarının kontrolünde yüksek güçten dolayı anahtarlama frekansı kısıtlıdır. Kısıtlanan anahtarlama frekansı dolayısıyla motor kontrol uygulamasında örnekleme frekansı da düşüktür bu durum da kontrol, ölçüm ve çıkış işaretlerinin çözünürlüğünün ve kararlılığının düşük olmasına neden olur. Tüm bunlardan dolayı klasik yaklaşımların dışına çıkmak gerekmektedir. Bu tez raylı sistemlerde kullanılan araçlarda hareketi sağlayan cer motorlarının kontrolünde yaşanan problemlerin, zorlukların çözümüne yönelik olarak üç ayrı yaklaşım ortaya koymaktadır. Tez kapsamında yapılan ilk çalışma DA bara geriliminden en yüksek oranda faydalanabilmek için bir modülasyon algoritması tasarımıdır. Modülasyon algoritması uzay vektör darbe genişlik modülasyonunu kare dalgaya kadar genişleterek DA bara geriliminden en yüksek faydalanma oranını sağlar. Yüksek hassasiyet ile çözülmesi gereken uzay vektör denklemlerini doğrusal bölgedeki halleriyle aşırı modülasyon bölgesinde aynı şekilde kullanmak mümkün değildir. Geliştirilen modülasyon algoritmasında doğrusal olmayan bölge iki alt bölgeye ayrılarak ilk bölgede referans gerilim vektörünün genliği düzenlenirken ikinci bölgede hem genlik, hem de açı düzenlenmektedir. Özellikle 2. aşırı modülasyon bölgesinde kararlılığı sağlamak, istenen hassasiyete erişmek, evirici çıkışında düzgün bir gerilim dalga formu elde etmek ve istenmeyen etkileri bastırmak için geliştirilen modülasyon algoritmasında sanal bir "değiştirilmiş açı" terimi ifade edilmiştir. Yeni hesaplanan değiştirilmiş açı, referans gerilim vektörünü, uzay vektörü altıgeni içinde tutarak cer motoru kontrolünün kararlı çalışmasını sağlar. Ayrıca, önerilen yöntem doğrusal modülasyondan aşırı modülasyona ve sonrasında da aşırı modülasyondan kare dalga modülasyonuna kadar düzgün bir çalışma ve çalışma bölgeleri arasında yumuşak bir geçiş sağlar. Önerilen yöntemde örnekleme frekansı, anahtarlama frekansının iki katı olarak seçilmiştir ve böylece modülasyon sinyali hesaplamalarında örnekleme periyodunun yer almaması sağlanmıştır. Hesaplama süresinin düşürülmesiyle kesme tabanlı yazılım akışında kesme süresiyle iç içe geçme durumu yaşanmasının önüne geçilmiş olur. Geliştirilen yöntem dijital kontrol ünitesinde TI C2000 TMS320F28335 işlemcisi üzerinde koşturularak raylı araç cer motoru test düzeneği ile test edilmiştir. Düşük anahtarlama frekansı temelli geliştirilen teorik yaklaşımların deney düzeneğinde elde edilen sonuçlar ile uyumlu olduğu gösterilerek geliştirilen yöntemin performansı değerlendirilmiştir. Geliştirilen yöntem sadece raylı araçlarda kullanılan cer motorlarının kontrolünde değil, otomotiv gibi benzer çekiş kontrol isterlerinin yer aldığı uygulamalar için de uygundur. Tez kapsamında gerçekleştirilen ikinci çalışma, cer motorlarında kullanılan hız sensörlerinden kaynaklı sorunları bertaraf edebilmek için sensörsüz cer motoru kontrolü üzerine olmuştur. Asenkron motorlu çekiş sistemlerinde motorlarda kullanılan kodlayıcılardan kaynaklı bozulmalar ve işaret değişimleri meydana gelebilmektedir. Ayrıca bu işaretler filtrelenerek meydana gelen gecikmeler ve bozulmalar yüksek güçlü sistemlerde anahtarlama-örnekleme frekansının düşük olması dolayısıyla cer motoru kontrol algoritmasını özellikle de cer motoru dinamik davranışını oldukça yüksek şekilde etkilemektedir. Ek olarak, tork büyüklüğünün de kestiriminin yapılması ve tren kontrol yönetim sisteminden gelen tork isteğini başarılı şekilde takip edip edemediğini değerlendirilmesi gerekmektedir. Tüm bunlar göz önüne alınarak endüklenen gerilim tabanlı hız ve tork gözleyicisi geliştirilmiştir. Gözleyicide, yalnızca ölçülen faz akımlarını kullanarak endüklenen gerilimi tahmin etmek için asenkron motorun RST-αβ-dq matematiksel modeli kullanılmıştır. Kestirim sürecinin herhangi bir noktasında gecikme etkisi yaratmamak için yazılımsal filtre kullanılmamıştır. Örnekleme frekansı anahtarlama frekansının iki katı seçilerek örneklemenin anahtarlama gürültülerini içermemesi için DGM çıkışlarının etkinleştirilmediği durumlarda gerçekleştirilmesi amaçlanmıştır. Ayrıca, gözleyicinin dört bölgede çalışmasını sağlamak için gözleyiciye otomatik açı düzeltme metodolojisi uygulanmıştır. Bu tarz uygulamaların en büyük problemi olan sıfır hızdan motor kalkışını başarılı bir şekilde sağlayabilmek için bir motor kalkış stratejisi uygulanmıştır. Geliştirilen yaklaşım cer motoru deney düzeneğinde test edilerek sonuçların beklentilerle örtüştüğü görülmüştür. Tez kapsamında geliştirilen son çalışma ise cer motoru kontrolünde uygulanan alan yönlendirmeli kontrol stratejisinin en önemli birimi olan akım kontrolörü tasarımıdır. Düşük anahtarlama frekansı/stator besleme gerilimi frekansı oranı, kuvvetli çapraz bağlantı ve yetersiz bozucu performansı nedeniyle klasik PI kontrolörleriyle gerçekleştirilemeyen cer motoru akım kontrolünü gerçekleştirebilmek için değiştirilmiş yapıda bir kontrolör yapısı geliştirilmiştir. Klasik kontrol yaklaşımı dışında kontrol ve sistem modeli kompleks vektör gösterimiyle ifade edilmiştir. Böylece sistem derecesi düşürülerek analizler ve tasarımlar daha uygun şekilde yapılmıştır. Alan yönlendirmeli kontrol stratejisiyle asenkron motor stator akımı birbirinden 90o faz farklı d-q olmak üzere iki akım bileşenine dönüştürüldüğünde senkron hızda dönen eksen takımına geçilmesinden dolayı d ve q gerilim referansı ifadelerinde birbirine etki eden çapraz bağlantı bileşenleri ortaya çıkar. Ayrıca dijital motor kontrol uygulamalarında hesaplamadan, örneklemeden kaynaklı ve DGM doğası gereği gecikmeler mevcuttur. Ek olarak düşük frekanslı ve DA işaretleri bastırmak cer motoru kontrol uygulamasından beklenen çıktılardır. Tüm bunlar göz önüne alınarak düşük anahtarlama-örnekleme frekansı uygulamalarında kullanılabilecek çapraz bağlantı giderme performansı yüksek ve gecikmeleri kompanze edecek bir dijital kompleks akım kontrolörü önerilmiştir. Önerilen kontrolörde çapraz bağlantıyı gidermek için klasik uygulamaların aksine kontrolör iç yapısını düzenleyerek kontrolör sıfırının sistem kutbuna götürülmüştür. Geliştirilen kontrolöre düşük frekanslı ve DA işaretleri sönümleyebilmesi için sistemin toplam direncini artırmak amacıyla aktif sönümleme direnci de eklenmiştir. Akım kontrolörünün başarım testleri farklı çalışma koşullarında cer motoru dinamometresinde gerçekleştirilmiştir. Bir raylı aracın hızlanma, yavaşlama, yüklenme koşulları dinamometrede gerçekleştirilerek akım kontrolörünün iyi sonuçlar verdiği görülmüştür. Geliştirilen kontrolörün yüksek takip performansı, gecikme kompanzasyonu, çapraz bağlantı giderme ve dinamik sertlik özellikleri sayesinde diğer çekiş uygulamalarında ve diğer çekiş motoru türlerinde de başarıyla uygulanabilecek boyutta olduğu gösterilmiştir. Sonuç olarak cer motorlarının kontrolünde yaşanan problemler irdelenmiş ve bu problemlerden en önemlilerine yenilikçi yaklaşımlarla çözüm önerilmiştir. DA bara geriliminden maksimum fayda sağlayabilmek için uzay vektör darbe genişlik modülasyonu düşük örnekleme frekansında yenilikçi bir yaklaşımla aşırı modülasyon bölgesine genişletilerek kare dalga modülasyonuna başarılı şekilde geçilmiştir. Cer motorlarının en önemli iki büyüklüğü olan hız ve tork için endüklenen gerilim tabanlı kestirim algoritması tasarlanarak uygulanmıştır. Tasarlanan yapı ile çekiş sistemi maliyeti azaltılabilir ve sensör kaynaklı hatalardan dolayı işletmenin kesilmesi önlenebilir. Düşük anahtarlama frekansı dolayısıyla anahtarlama frekansı/stator besleme gerilimi frekansı oranının düşük olması nedeniyle ortaya çıkan problemleri ortadan kaldırmak için cer motorları kontrolünde kompleks vektörlerle ifade edilen akım kontrolörü önerilmiştir. Önerilen kontrolör çapraz bağlantı giderme ve referans takibi konusunda yüksek performansa sahiptir.