Sabit mıknatıslı senkron motor için kapalı çevrim sistem tanıma ve sensörsüz hız kontrolü

Abstract

Sabit Mıknatıslı Senkron Motorlar (SMSM) endüstride oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Özellikle elektrikli araçların da dünyada popülerlik kazanmasıyla birlikte SMSM'nin kullanım alanı her geçen gün daha da artmaktadır. Elektrikli araçlarda ve endüstride SMSM'nin yaygın olarak kullanılmasının sebepleri hacim başına yüksek tork üretebilmesi, verimliliğinin yüksek olması ve yüksek performansla kontrol edilebilmesidir. Bu tez çalışması üç ana kısımdan oluşmaktadır. İlk kısımda SMSM'nin farklı referans koordinatlarındaki matematiksel modellerine ek olarak referans koordinatlar arasındaki dönüşümler olan Clarke ve Park dönüşümleri incelenmiştir. Bu bağlamda SMSM'nin sabit stator eksenleri olan abc ve αβ koordinatlarındaki modelleri ve sabit olmayan rotor eksenindeki dq koordinatları modeli elde edilmiştir. Ardından SMSM'nin vektör kontrol yöntemlerinden olan Alan Yönlendirmeli Kontrol (AYK) ve Doğrudan Tork Kontrolü (DTK) yöntemleri incelenmiştir. Ardından sensörsüz hız kontrolü için kullanılan çeşitli gözleyiciler incelenmiş, kayan kipli gözleyici ve akı gözleyici için matematiksel modeller elde edilmiştir. İncelenen kontrolcü ve gözleyicileri bilgisayar ortamında simüle edebilmek için MATLAB/Simulink'te detaylı bir simülasyon ortamı oluşturulmuştur. Simülasyon ortamını oluştururken motor ve sürücünün modellenmesi için Simulink/Simscape kütüphanesindeki fiziksel modeller kullanılmıştır. Referans gerilimin üçgen DGM taşıyıcı sinyaller ile karşılaştırılarak kapı sinyallerinin üretilmesi ve ADC/DAC dönüşümleri gibi fiziksel sistemde gerçekleşecek olan süreçlerin hepsi simülasyon ortamında modellenmiştir. Ardından AYK ve DTK yöntemleri ile simülasyon ortamında hız kontrolü gerçekleştirilmiştir. Buna ek olarak kayan kipli gözleyiciler ve akı gözleyicisi de simülasyon ortamına aktarılmış ve gözleyici performansları incelenmiştir. İkinci kısımda, elde edilen yüksek doğruluktaki simülasyon modeli üzerinden SMSM'nin kapalı çevrim sistem tanıma deneyi gerçekleştirilmiştir. Sistem tanıma deneyinin fiziksel sisteme olabildiğince yakın olması için akım ölçümü ve hız ölçümüne ölçme gürültüleri eklenmiştir. Sistem tanıma deneyi için sırasıyla lineer bölge tespiti, bant genişliği tespiti, giriş işareti seçimi, veri toplama, model yapısı seçimi ve model doğrulama adımları gerçekleştirilmiştir. Lineer bölge seçiminde sistemin sinüzoidal hız referansına sinüzoidal hız cevabı verdiği aralık test edilmiştir. Sistemin bant genişliğini bulmak için değişken frekansta sinüzoidal referans işareti sisteme verilmiş, çıkış genliğinin giriş genliğinin %1'i olduğu frekans sistemin bant genişliği olarak kabul edilmiştir. Giriş işareti olarak filtrelenmiş sözde rastgele ikili dizi (SRİD) işareti seçilmiştir. Filtre, giriş işaretinin sistemin zengin frekans bölgesinde uyaracak şekilde tasarlanmıştır. Model yapısı olarak çıkış hatası modeli kullanılmıştır. Toplanan giriş-çıkış işaretlerinden System Identification Toolbox yardımıyla ayrık transfer fonksiyonu elde edilmiştir. Elde edilen ayrık transfer fonksiyonu 5 sıfır ve 5 kutuptan oluşmaktadır. Sistem tanıma deneyi ile elde edilen ayrık transfer fonksiyonu toplanılan veri ile %94.87 oranında uyuşmuştur. Simülasyon modeli ile transfer fonksiyonu karşılaştırıldığında elde edilen transfer fonksiyonunun geçici ve kalıcı hal yanıtının simülasyon yanıtı ile oldukça yakın sonuçlar verdiği görülmüştür. Son olarak tezin üçüncü kısmında tasarlanan AYK ve DTK algoritmaları fiziksel sisteme implemente edilmiştir. Fiziksel sistemde geliştirme kartı olarak TI F28069M Launchpad, sürücü olarak TI DRV8301, motor olarak StepperOnline 42BLS60 kullanılmıştır. AYK yönteminde gözleyici olarak kayan kipli gözleyici, DTK yönteminde ise gözleyici olarak akı gözleyici kullanılmıştır. SMSM kontrol algoritmalarının geliştirme kartına implementasyonu için Simulink Embedded Coder C2000 Support Package blokları kullanılmıştır. Bu sayede simülasyon modelinden implementasyon modeline doğrudan geçiş yapılmıştır. Fiziksel sistemde elde edilen sonuçlar ile simülasyon modelinde elde edilen sonuçların hem AYK hem de DTK modeli için birbirine oldukça yakın olduğu görülmüştür. Böylece simülasyon ortamı, kontrol yöntemleri ve gözleyiciler fiziksel sistem üzerinde doğrulanmıştır.