| Popis: |
Daimi mıknatıslı senkron motor gerek moment/hacim oranının yüksek olmasıve verimi gerekse kararlı çalışma aralığının geniş olması nedeniyle günümüzde yaygın kullanım alanına sahiptir. Özellikle beyaz eşya uygulamalarında, gereklimomenti küçük hacimli ve verimli bir şekilde üretmek önemli bir önceliğe sahip olduğu için daimi mıknatıslı senkron motor çama¸sır makinesi, buzdolabı, bulaşıkmakinesi gibi uygulamalarda sıklıkla kullanılır. Her ne kadar skaler kontrolyüksek performans gerektirmeyen uygulamalarda geçerli bir alternatif oluştursa dagerek geçici haldeki kontrol performansının düşük olması gerekse motora ilişkinakı ve moment büyüklüklerinin ayrı ayrı kontrol edilememesi nedenleriyle yüksekperformans gerektiren uygulamalarda tercih edilmez. Bu nokta da alan yönlendirmelikontrol skaler kontrole göre ciddi avantajlar sunmaktadır.Doğru akım motorunda akı ve momentin ayrı ayrı kontrol edilebilmesi kontrol açısından büyük kolaylık sağlamaktadır. Ancak, alternatif akım motorlarında akıve momentin özel yöntemler kullanılmadan ayrı ayrı kontrol edilmesi söz konusudeğildir. Alan yönlendirmeli kontrol yöntemiyle alternatif akım motoru matematikselolarak doğru akım motorunun kolay kontrol edilebilirlik özelliklerini kazanabilir.Clarke ve Park dönüşümleri yardımıyla eksenleri bir birine dik ve rotor akısı ile aynıfrekansta dönen eksen takımında (d-q eksen takımı) ifade edilen motor modeli akı vemomente kontrol imkanı sağladığı gibi geçici hal performansının da kontrol edilmesinisağlar. Bu sayede hız kontrolü için kullanılan kontrolör moment kontrolörüne kaskatbağlanabilir. Ayrıca alan zayıflatma algoritması ve akı ilişkili akım kontrolörüyardımıyla motor akısı kontrol edilebilir ve motor dc bara gerilimi kısıtıyla belirlenennominal hız değerinin üzerindeki hız değerlerine ulaşabilir. Motor modelini dönereksen takımında ifade etmek için rotor konumun bilinmesi gerekmektedir. Her nekadar sensörler yardımıyla rotor konum bilgisi elde edilebilse de gerek maliyet gereksesensörden kaynaklanabilecek sorunların önüne geçmek amacıyla konum sensörsüzkontrol uygulaması tercih edilmektedir.Konum sensörsüz kontrol probleminde rotor konumu bir sensör yardımıyla değil,motor faz akımlarından alınan geri besleme yardımıyla matematiksel olarak kestirilir.Bunun için gözlenebilir bir matematiksel model oluşturulmuş ve rotor konumuylailgili olan büyüklükler (Ters elektromotor kuvvet veya akı) kestirilmiştir. Kestirilenbüyüklükler yardımıyla rotor konumu ve hızı hesaplanmış ve kontrol için gerekli eksentakımı dönüşümleri yapılmıştır.Her ne kadar motora ilişkin sistem parametreleri bilinse de çalışma koşullarınındegişmesi, modelleme hataları, üretimdeki saçınıklıklar ve sıcaklık gibi nedenlerlemodel belirsizlikleri söz konusudur. Eğer belirsizlikleri dikkate alan bir tasarım yapılmazsa kontrol sisteminin performansında ciddi azalmalar meydana gelecektir.Bu tezin amacı çamaşır makinelerinde kullanılmak üzere parametrik belirsizlikleridikkate alarak dayanıklı kontrolör ve gözleyici tasarımlarının yapılması ve tüm çalışmaaralığında istenilen performans kriterlerinin sağlandığının garanti edilmesidir.Daimi mıknatıslı senkron motor bu uygulamada çamaşır makinesinin tamburunun hızkontrolünü yapmak amacıyla kullanılmaktadır. Çamaşır makinesi gerek çalışma hızaralığının genişliği, gerek güç ihtiyacının büyük olması, gerekse çamaşır yükününbilinmezliği nedeniyle tüm beyaz eşya uygulamalarındaki en kapsamlı motor kontrolproblemidir. Çamaşır makinesinin tamburuna atılacak çamaşır yükü miktarı fizikselolarak sınırlanmış olsa da çok geniş bir aralıkta degişebilmektedir. Çamaşır yüküne ve tambura alınan su miktarına bağlı olarak yük momenti ve tamburun eylemsizlikmomenti geniş bir aralıkta degişmektedir. Bu büyüklükler makinenin çalışma hızınagöre de farklılaşmaktadır. Düşük hızlarda çamaşır sürekli tambura çarparak belirlibir profilde yük momenti uygularken, yüksek hızlarda tamburun çepere yapışmasınedeniyle tamburun eylemsizlik momenti degişmektedir. Ayrıca, bazı durumlarda çamaşırın tambur içinde çepere homojen bir şekilde dağılmamasından ötürü dengesiz yük oluşmakta, hem motor milinin gördüğü toplam eylemsizlik momenti hem de yük momenti çamaşırın konumuna bağlı olarak değişebilmektedir. Ayrıca, alan zayıflatma bölgelerinde hava aralığı akısı değiştiği için motorun moment sabiti de degişecektir. Dolayısı ile hız kontrol çevriminin bozucu bastırma performansının yüksek ve degişken eylemsizlik momenti, sürtünme katsayını ve moment sabitine karşı dayanıklı olması gerekmektedir.Motorun elektriksel modeli göz önünde bulundurulursa motor sargı direnci veendüktansı kapalı çevrim karakteristik polinomunun katsayılarını belirler. Motorunçalışma süresine ve çekilen akım miktarına bağlı olarak sargı direnci değişim göstermektedir. Ayrıca, endüktans değerleri akımın büyüklüğüne bağlı olarak degişmekte, yüksek akım çekildiğinde doymaya girebilmektedirler. Motorun akım çevrimi iki giriş ve iki çıkışlı sistem olarak modellenebilir. Farklı eksenler üzerindekiakımlar birbirlerine açısal hızla orantılı şekilde bağlıdırlar. Yüksek hızlara çıkıldığında bu etki kuvvetlendiği için kararlılığı garanti etmek amacıyla bu eksen takımları birbirlerinden ayrıştırılmıştır.Gözleyici matematiksel modelinde açısal hız degişkeni değişken parametre olarak ele alınmıştır. Motorun çalışma hızı aralığı saat yönü ve saat yönünün tersinde yönde genişbir aralığı kapsadığı için her koşulda kararlılığı garanti eden bir yöntem önerilmiştir. ˘Matematiksel modeldeki belirsizlikler parametrik belirsizlik yaklaşımıyla ele alınmıştır. Sistem parametrelerinin belirli aralıklarda degiştiği varsayılmış ve kapalı çevrime ilişkin kutup saçınımını en aza indirmek amacıyla dayanıklı tasarım yaklaşımıbenimsenmiştir. Bu amaçla, gerek kapalı çevrim karakteristik polinomunun sınıfınabağlı olmaması gerekse tasarım sonucunda ortaya çıkan kontrolörün statik olması nedeniyle kutup renklendirme yöntemi kullanılmıştır. Bu yaklaşımla her bir kutup içindayanıklılıkla ilişkili ayrı maliyet fonksiyonları tanımlanmış ve tasarımda bu maliyetfonksiyonları minimize edilmiştir. Modellenmeyen dinamiklere ilişkin belirsizliklerbu tez kapsamında ele alınmamıştır.Kutup renklendirme yöntemi, kullanılan kontrol yapısının serbestlik derecesinidayanıklılık kriterini sağlamak amacıyla kullanmaktadır. Bu amaçla dayanıklı kontrol problemi optimizasyon problemine dönüştürülmektedir. Yöntemin en büyükdezavantajı tasarım sürecinde yüksek matematiksel işlem gerektirmesidir. Ancak, tümmatematiksel işlemler gelişmiş tasarım ortamlarında yapılmakta, mikrodenetleyiciyeyazılan kontrol kodunda herhangi bir işlem yapılmamaktadır. Kontrolörlerinstatik olması bu yöntemi parametrik belirsizlikleri olan sistemlerde kullanılabilecekuyarlamalı kontrol yöntemlerine göre en büyük avantajlarından biridir.Bu amaçla dayanıklı bir gözleyici yapısı olan PI gözleyicisi tasarlanmış vegerçeklenmiştir. PI gözleyicisi integratör terimi sayesinde hatanın geçmiştekideğerlerini de geri besleme olarak kullandığı için modele etkiyecek farklı bozucuetkilere karşı dayanıklılık saglamaktadır. Ayrıca, PI gözleyicisinin tasarımda sağladığı serbestlik kutup renklendirme yöntemi sayesinde dayanıklı kutup atama probleminiçözmek için kullanılmıştır. Bu modelde bilinmeyen giriş olan ters elektromotorkuvveti kestirilmiştir. Gerçek rotor eksen takımı ile gözleyicinin gerçeklendiği eksen takımı arasındaki konum hatası bilgisi ters elektromotor kuvvet yardımıyla kestirilmişve açı takip gözleyici ile kompanze edilmiştir. Açı takip gözleyicisi yardımıyla rotorhızı ve konumu kestirilmiştir.Hız kontrolörü olarak geleneksel yaklaşım olan PI kontrolör yerine PI-P yapısı tercihedilmiş, farklı yük ve hız koşullarında doğrulama yapılmıştır. PI-P kontrolör yapısı hem bozucu bastırma performansının PI kontrolöre göre daha yüksek olması hem dekutup renklendirme yönteminde kullanılmak üzere optimize edilebilecek fazladan birparametre içermesi nedeniyle performans kriterlerini daha kolay sağlamıştır. Akım kontrolörleri olarak dayanıklı PI yapıları tercih edilmiştir. Moment ve akı ileilişkili eksenlerdeki akımlar arasında var olan kuplaj etkisini ortadan kaldırmak içinuygun bir ayrıştırıcı yapısı önerilmiştir. Direnç ve endüktans değerlerinin değişimi göz önünde bulundurularak dayanıklı tasarım gerçeklenmiştir.Konum sensörsüz kontrol uygulamalarında kestirilen büyüklüklerin düşük hızlardaçok fazla bozucu etkilere maruz kalması ve modellenmeyen dinamiklerden çoketkilenmesi nedeniyle problem teşkil eden değişken yüklerde başarılı bir kalkış gerçekleştirmek için özgün bir kalkış algoritması önerilmiştir. Özgün kalkışalgoritması geleneksel çözümde olduğu gibi kalkış durumunda gözleyiciyi devre dışında bırakma yaklaşımının aksine, gözleyiciden belirli oranda yararlanarak kalkışprofilini değiştirmektedir. Bu sayede çamaşır yüküne bağlı olarak kalkış profilinin değiştirilmesi ve belirli bir hıza kadar rotor konumu kestirilememesine rağmen motorun kritik hız seviyesine en az konum hatasıyla girmesi sağlanmıştır. Ayrıca makinanın tamburu yüksek hızlara çıkmadan evvel tambur içindeki dengesiz yüküölçmek amacıyla dengesiz yük algılama algoritması önerilmiştir.Yüksek hız koşullarında çalışma için alan zayıflatma algoritması gerçeklenmiştir.Bu sayede çamaşır makinesi her iki yönde maksimum hızda kararlı bir şekildeçalışabilmiştir. Tasarım, simülasyon ve deneysel sonuçlar tezde sunulmuştur. Tezkapsamında parametrik belirsizlikler altında konum sensörsüz DMSM kontrolüproblemi için farklı bir yöntem önerilmiştir.İlk defa endüstriyel bir uygulama çerçevesinde DMSM kontrolünde kutup renklendirme metodu kullanılmıştır. Ayrıca, basit yapılı ve dayanıklı PI gözleyici yapısıkonum sensörsüz kontrol probleminde ters elektromotor kuvvetleri kestirmek içinkullanılmıştır. Özgün bir kalkış algoritması önerilmiş ve farklı yük koşullarındayöntemin geçerliliği test edilmiştir. Permanent magnet synchronous motors are widely used in industry due to their hightorque per volume ratio, low noise, efficiency and wide stable operation region.Especially in the home appliance applications, obtaining high torque by using smallmotors and low audible noise has crucial importance. Therefore, conventional DCmotors have been replaced by the permanent magnet synchronous motors in themodern applications. Although, scalar control is a valid approach for many motorcontrol applications, it is not preferred for high performance applications due to itslow performance in the transient regions and lack of controllability of torque and fluxseparately. However, field oriented control presents important advantages over scalarcontrol.DC motors allow to control both air gap flux and torque separately, simplifying thecontrol problem. However, it is not possible to control torque and air gap fluxseparately without using special control techniques in the PMSM. By using fieldoriented control approach, PMSM is turned into a DC motor mathematically, allowingto control flux and torque separately. In order to perform field oriented control, itis mandatory having rotor flux position information somehow. Conventional approachsuggests to use position sensors such as hall effect sensors or resolvers. However, usingadditional sensors is not preferred due to the robustness concerns and cost constraints.In this study, position sensorless field oriented control approach have been carried out.Rotor flux position have been obtained by constracting an observable mathematicalmodel of PMSM instead of using a position sensor. Mathematical model uses statorcurrents in order to estimate position related variables such as back electromotive forceor flux.Purpose of the thesis is to perform position sensorless field oriented control of PMSMwhich drives a washing machine drum, by considering the parametric uncertainties.Although, the closed loop system nominal parameters are assumed to be known, thereare uncertainties due to operating conditions, changing temperature, unknown loadsand production imperfectness. In order to obtain such a design, a PI observer hasbeen designed to estimate the back electromotive force due to its simple and robuststructure. By using an angle tracking observer, speed and position of the rotor havebeen estimated by evaluating the back electromotive forces. A PI-P controller hasbeen designed in order to control the motor speed under changing moment of inertia,friction coefficient and torque constant conditions. This structure has also satisfactorydisturbance rejection capability.The current control loop consist of two part which are d axis and q axis control loops.Torque related q axes loop is coupled with the flux related d axes loop. In order to treatthis problem under single input single output paradigm, a decoupling control has been carried out. Current controllers have been designed by considering the uncertainties inthe winding resistance and inductances.Both observer and controllers have been designed by using pole coloring concept. Thisconcept uses the degree of freedom of the controller (observer) structure in order torestrict the closed loop pole spread within defined regions. By assigning robustnessrelated cost functions to each nominal closed loop poles, robust control problem hasbeen turned in to an optimization problem. Resulting controllers (observers) are staticand required complex mathematical calculations have been carried out offline. Byusing such an approach, computational effort of the microcontroller is minimized.Position sensorless control shows low performance at the low speed regions dueto presence of the effective unmodelled dynamics, noise and disturbances. So,the conventional approach is not to use observers until the rotor speed reaches acertain speed which the back electromotive forces are strong enough by comparisonto the noise and disturbances. However, unknown load strongly effects the startupperformance. A novel startup algorithm has been proposed in order to obtainsatisfactory performance during the startup.To sum up, rotor position sensorless control over wide speed range has been carriedout under parametric uncertainties. Pole coloring concept has been used in control ofa PMSM in an industrial setup for the first time. Novel startup algorithm has beenproposed. Designs, results and simulations have been presented in the thesis. 114 |
