High sensitive torque control of permanent magnet synchronous motor for national military applications

thumbnail.default.placeholder
Tarih
2021-07-26
Yazarlar
Köse, Mehmet Eralp
Süreli Yayın başlığı
Süreli Yayın ISSN
Cilt Başlığı
Yayınevi
Graduate School
Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
Özet
Electric motors are systems that convert electrical energy into mechanical energy, and they have a very important place in the industry. DC motors are often preferred for applications that do not require driving precision due to their ease of use and low cost. On the other hand, alternating current motors have many superior features over direct current motors. Alternating current motors have higher efficiency, lower maintenance costs, and high torque to volume ratio. They are more reliable and durable motors. One of the most important advantages of alternating current motors is that they offer superior motor control opportunities. With these motors, speed and torque control can be done with appropriate control methods. With the appropriate control method, torque control can be done at very low speeds. Because of these features, alternating current motors are preferred in control applications that require precision. With the developing magnet technology, permanent magnet electric motors come to the fore with their high efficiency. Power electronics and control applications are used together for the control of alternating current motors, and there are different methods and circuit structures in the literature for this. Control methods are basically divided into two as scalar and vector control. In scalar control, the "voltage/frequency" ratio is kept constant so that the flux remains constant, and the speed and torque are adjusted with the change in frequency. In this method, only the magnitudes of flux and current are controlled, rotor position information is not received as feedback and is not included in the control loop. In vector control, in addition to the magnitude of the flux and the current, the angle between them is also controlled, and rotor position information is required as feedback while speed and torque controls are being made. Direct torque control and field-oriented control are sub-branches of vector control. In field-oriented control, which is the focus of this study, the rotor position is needed. This information can be obtained with sensors, or it can be detected by sensorless estimation methods, and position information is used in control. In this way, while precise speed and torque controls are carried out, a more stable control is provided in a steady-state condition. In this thesis, high precision torque control of permanent magnet synchronous motors for use in military systems has been studied. The main goal is to design motor drivers that are imported and provide torque control in military stabilization systems and to reduce foreign dependency by using domestic and national motor drivers in these systems. Since high precision torque control is aimed even at low speeds in military applications, field-oriented control was used. Due to the high military expectations, sensor control was preferred, and an absolute encoder was preferred as a position sensor. This method can be applied in many areas with different power and torque requirements. Stabilization systems were chosen as the application. Based on filed-oriented control, a national control algorithm has been applied, and an infrastructure adaptable to the power and torque requirements of the application to be used has been established. In this context, TMS320F28069M type numbered processor from Texas Instruments (TI) company, and the trial card was used as controller. Inverter design is implemented with modular circuits of TI company, and MOSFET switches are used. Algorithm development studies were carried out in MATLAB/Simulink environment. An absolute encoder is used to increase sensitivity. With this encoder, absolute position information can be accessed and position information is not lost even if there is a power cut. The position information obtained from here is transferred to the field-oriented torque control loop. By carrying out the load test, the moment ripple in the steady-state and its performance at the rated load have been determined. Different communication methods have been used to determine the interaction of the performance of the system. Since it was seen that the method called "external mode" which works over Simulink, became insufficient and did not work efficiently as the algorithm became more complex, CAN communication was started, and it was ensured that the instantaneous torque value could be controlled with the P and I coefficients that can be changed instantly via the PI controller. Input and output feedbacks were instantly observed via Simulink, algorithms were written in Simulink, and all hardware was communicated with Simulink via CAN communication. The effect of switching frequency on torque ripple was investigated with appropriate P, I coefficients, and as a result of the optimization, this ripple was reduced below the values expected by the standards. In the second part of the study, compliance checks were made in terms of military standards, and temperature and electromagnetic compatibility tests were completed. Since a device with a chassis was not aimed directly, mechanical compatibility tests were not needed. Temperature tests were carried out between -40°C and +55°C in accordance with the standards, and the distortions observed in the clock frequency of the processor at values close to the limit temperatures in the first tests were overcome by the use of an external oscillator. Although an increase in torque fluctuation was observed in this test, the maximum value remained below 3%. In electromagnetic compatibility tests, MIL-STD 461 CE101 and CE102 tests were carried out, and the noise emitted by the device in various frequency ranges was measured. Although the noise remained above the acceptable level in the first CE102 test, the circuit passed the tests successfully with the appropriate filter design. In addition, with the study, infrastructure was created for the selection of materials for further studies. As a result, within the scope of this thesis, low torque vibration, high precision field-oriented torque control of a permanent magnet synchronous motor in accordance with military temperature and EMC standards have been realized. With the output of the thesis, domestic equivalents of hardware and software products supplied from abroad and used in national applications have been obtained, contributing to the country's economy and reducing foreign dependency in this area.
Elektrik motorları elektrik enerjisini mekanik enerjiye çeviren sistemlerdir ve endüstride çok önemli bir yere sahiptirler. Doğru akım motorları, sürüş hassasiyeti gerektirmeyen uygulamalar için kullanım kolaylığı, düşük maliyeti gibi sebeplerden dolayı sıklıkla tercih edilmektedir. Bunun yanı sıra, alternatif akım motorları doğru akım motorlarına karşı pek çok üstün özelliğe sahiptir. Alternatif akım motorları daha yüksek verimliliğe sahiptirler, bakım masrafları daha düşüktür, yüksek bir "moment / hacim" oranına sahiptirler. Güvenilirliği ve dayanıklılığı daha yüksek motorlardır. Alternatif akım motorlarının en önemli avantajlarından birisi üstün motor kontrolü fırsatları sunmasıdır. Bu motorlarla uygun kontrol metotları ile hız ve moment kontrolü yapılabilir. Uygun kontrol yöntemi ile çok düşük hızlarda da moment kontrolü yapılabilir. Bu özelliklerden dolayı hassasiyet gerektiren kontrol uygulamalarında alternatif akım motorları tercih edilir. Gelişen mıknatıs teknolojisi ile daimi mıknatıslı elektrik motorları yüksek verimleri ile ön plana çıkmaktadırlar. Alternatif akım motorlarının kontrolü için güç elektroniği ve kontrol uygulamaları bir arada kullanılır ve bunun için literatürde değişik yöntemler ve devre yapıları yer almaktadır. Kontrol yöntemleri temel anlamda skaler ve vektör kontrol olarak ikiye ayrılmaktadır. Skaler kontrolde akı sabit kalacak şekilde "gerilim/frekans" oranı sabit tutulur ve frekansın da değişimi ile hız ve moment ayarlanır. Bu yöntemde akı ile akımın sadece büyüklükleri kontrol edilir, rotor konum bilgisi geri bildirim olarak alınmaz ve kontrol döngüsüne katılmaz. Vektör kontrolde ise akı ile akımın büyüklüklerinin yanısıra aralarındaki açı da kontrol edilir, hız ve moment kontrolleri yapılırken rotor konum bilgisi de geri bildirim olarak gereklidir. Doğrudan moment kontrolü ve alan yönlendirmeli kontrol vektör kontrolünün alt dallarıdır. Bu çalışmanın odağı olan alan yönlendirmeli kontrolde rotor konumuna ihtiyaç duyulur. Bu bilgi algılayıcılı olarak elde edilebileceği gibi algılayıcısız kestririm yöntemleri ile de tespit edilerek kontrolde kullanılabilir. Bu sayede hassas hız ve moment kontrolleri gerçekleştirilirken sürekli halde daha kararlı bir kontrol sağlanır. Bu tez kapsamında askeri sistemlerde kullanılmak üzere daimi mıknatıslı senkron motorlarda yüksek hassasiyetli moment kontrolü üzerinde çalışılmıştır. Temel hedef, ithal edilerek temin edilen ve askeri stabilizasyon sistemlerinde moment kontrolü yapan motor sürücülerini tasarlamak, bu sistemlerde yerli ve milli motor sürücü kullanımı ile dışa bağımlılığı azaltmaktır. Askeri uygulamalarda düşük hızlarda dahi yüksek hassasiyetli moment kontrolü hedeflendiğinden alan yönlendirmeli kontrol kullanılmıştır. Askeri beklentilerin yüksek olması sebebiyle algılayıcılı kontrol tercih edilmiş olup, algılayıcı olarak mutlak kod çözücü (absolute encoder) tercih edilmiştir. Bu sayede düşük hızlarda dahi pozisyon bilgisi net ve kesin şekilde alınabilmiş ve işlenmiştir. Bu kontrol yöntemi farklı güç ve moment isterlerine sahip birçok alanda uygulanabilir. Yüksek güç isteyen enerji sistemleri, özellikle son yıllarda önemi giderek artan elektrikli araçlar, daha düşük gücün yeterli olduğu çamaşır makinası ve askeri uygulamalarda büyük öneme sahip sabit konumlandırma (stabilizasyon) sistemleri daimi mıknatıslı elektrik motor kontrolünün yapıldığı uygulama alanlarından bazılarıdır. Bu tez kapsamında uygulama olarak sabit konumlandırma (stabilizasyon) sistemleri seçilmiştir. Alan yönlendirmeli kontrol temel alınmış ve yerli kontrol algoritması geliştirilerek kullanılacak uygulamanın güç ve moment isterlerine uyarlanabilir bir altyapı tesis edilmiştir. Bu kapsamda kontrolcü olarak Texas Instruments (TI) firmasının TMS320F28069M tip numaralı işlemcisi ve deneme kartı kullanılmıştır. Evirici tasarımı TI firmasının modüler yapıdaki devreleri ile gerçeklenmiş olup MOSFET anahtarlar kullanılmıştır. Algoritma geliştirme çalışmaları MATLAB/Simulink ortamında gerçekleştirilmiştir. Hassasiyeti artırmak amacıyla mutlak kodlayıcı (absolute encoder) kullanılmıştır. Bu kodlayıcı ile mutlak pozisyon bilgisine erişilebilmekte ve güç kesintisi olsa dahi konum bilgisi kaybolmamaktadır. Buradan alınan pozisyon bilgisi alan yönlendirmeli moment kontrolü döngüsüne aktarılmıştır. Algılayıcı kod çözücü ile işlemcinin haberleşmesi için uygun veri dönüşümleri yapılmıştır ve SPI haberleşme protokolü kullanılmıştır. Yük testi yapılarak sürekli halde moment dalgalılığı ve anma yükündeki başarımı tespit edilmiştir. Sistemin performansının etkileşiminin tespit edilebilmesi için farklı haberleşme yöntemleri kullanılmıştır. Simulink üzerinden çalışan "external mode" adı verilen yöntemin algoritma karmaşıklaştıkça yetersiz kaldığı ve verimli çalışmadığı görüldüğünden CAN haberleşmesine geçilmiş ve anlık moment değerinin, PI kontrolcü üzerinden anlık değiştirilebilen P ve I katsayıları ile kontrol edilebilmesi sağlanmıştır. Giriş ve çıkış geri beslemeleri Simulink üzerinden anlık olarak gözlemlenmiş, algoritmalar Simulink'te yazılmış ve tüm donanım CAN haberleşmesi vasıtasıyla Simulink ile haberleştirilmiştir. Uygun P,I katsayılarında anahtarlama frekansının moment dalgalılığı üzerindeki etkisi incelenmiş olup en uygunlaştırma sonucunda bu dalgalılık, standartların beklediği değerlerin altına düşürülmüştür. Çalışmanın ikinci kısmında askeri standartlar açısından uygunluk denetimi yapılmış, sıcaklık ve elektromanyetik uyumluluk testleri tamamlanmıştır. Doğrudan şaseli bir cihaz hedeflenmediğinden mekanik uygunluk testlerine ihtiyaç duyulmamıştır. Askeri çevre koşulları testleri kapsamında standartların gerekliliği olarak sıcaklık testleri fırın ortamında -40°C ile +55°C arasında gerçekleştirilmiş olup ilk testlerde sınır sıcaklılara yakın değerlerde işlemcinin saat frekansında gözlemlenen bozulmalar harici osilatör kullanımı ile aşılmıştır. Bu testte moment dalgalanmasında bir artış görülse de en büyük değer %3'ün altında kalmıştır. Elektromanyetik uyumluluk testlerinde standartlarda belirlenen test ortamları kurulmuştur. MIL-STD 461 CE101 ("İletilen Emisyonlar Ses Frekans Akımları, Güç Kabloları") ve CE102 ("İletilen Emisyonlar Radyo Frekansı Potansiyelleri, Güç Kabloları") testleri yapılmış olup cihazın çeşitli frekans aralıklarında ortama yaydığı gürültüler ölçümlenmiştir. CE101 testinde 10 kHz'e kadar olan frekans aralığı taranmış olup CE102 testinde 10 kHz ile 10 MHz arasındaki frekans bandı incelenmiştir. Kontrollü deney yapabilmek adına başlangıçta ortam gürültüsü ölçülmüştür ve ortama gürültü yayan başka bir cihaz olmadığının doğrulaması yapılmıştır. Motor sürücüler çalıştırıldıktan sonra yapılan ilk CE102 testinde başlangıçta gürültü kabul edilebilir seviyenin üzerinde kalsa da uygun filtre tasarımı ile devre testlerden başarı ile geçmiştir. Elektromanyetik uyumluluk testlerinde kabul edilebilir gürültü limitleri farklı olan hava, kara ve deniz platformlarının her biri için gözlemlemeler yapılmış ve hepsinde başarı sağlanmıştır. Ayrıca yapılan çalışma ile sonraki çalışmalar için malzeme seçimi konusunda da bir altyapı oluşturulmuştur. Sonuç olarak, bu tez kapsamında askeri sıcaklık ve EMC standartlarına uygun, daimi mıknatıslı senkron motorun düşük moment titreşimli, yüksek hassasiyetli alan yönlendirmeli moment kontrolü gerçekleştirilmiştir. Tez çıktısı ile milli uygulamalarda yurt dışından temin edilerek kullanılan donanım ve yazılım ürünlerinin yerli muadilleri elde edilerek ülke ekonomisine katkı yapılmış olup bu alandaki dışa bağımlılık azaltılmıştır.
Açıklama
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Graduate School, 2021
Tez (Yüksek Lisans)-- İstanbul Teknik Üniversitesi, Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021
Anahtar kelimeler
Torque, Electric motors, Electronic control, Defense industries, Tork, Elektrik motorları, Elektronik denetim, Savunma endüstrileri
Alıntı