Yüksek Hızlı Uygulamalar için Vektör Kontrollü PMSM'nin Hız Tahmini

Abstract

Sürekli mıknatıslı senkron motorlar (SMSM), yüksek verimlilikleri, kompakt yapıları ve üstün kontrol kabiliyetleri sayesinde günümüzde hem endüstriyel uygulamalarda hem de savunma sanayii gibi ileri teknolojilerin kullanıldığı alanlarda yaygın olarak tercih edilmektedir. Bu motorların hassas kontrolü için rotor konum bilgisinin doğru şekilde elde edilmesi büyük önem taşımaktadır. Bu bilgi genellikle enkoder veya Hall sensörü gibi konum algılayıcılarla sağlanmaktadır. Ancak sensörlerin sistem maliyetini artırması, yapıyı karmaşıklaştırması ve bakım ihtiyacını yükseltmesi gibi dezavantajlar, sensörsüz kontrol yöntemlerini ön plana çıkarmıştır. Sensörsüz kontrol, hem sistem maliyetini azaltmakta hem de çevresel koşullara bağlı arıza riskini düşürerek sistem güvenilirliğini artırmaktadır. Bu nedenle son yıllarda, özellikle maliyet ve güvenilirlik açısından kritik öneme sahip uygulamalarda, sensörsüz kontrol yöntemlerine olan ilgi artmıştır. Bu tez kapsamında, SMSM'ler için yaygın olarak kullanılan iki sensörsüz hız tahmin yöntemi olan Model Referans Adaptif Sistem (MRAS), Kayma Kipli Gözlemleyici (SMO) ve iki yöntemin birleştirildiği hibrit gözlemci yapıları detaylı şekilde incelenmiştir. Geliştirilen yapılar MATLAB/Simulink ortamında modellenmiş ve hem farklı referans değişimlerinde hem de motor parametrelerinin değiştiği senaryolarda test edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, SMO yönteminin değişen motor parametrelerine karşı daha dayanıklı olduğu, MRAS yapısının ise daha az işlem yükü ile çalışabildiği görülmüştür. Simülasyon analizlerinden elde edilen bulgular doğrultusunda, deneysel çalışmalar için SMO yöntemi tercih edilmiştir. Bu amaçla, TMS320F280025 mikrodenetleyicisi tabanlı bir gömülü kontrol sistemi tasarlanmış ve sistemin gerçek zamanlı kontrol yetenekleri değerlendirilmiştir. Geliştirilen yazılımda, alan yönlendirmeli kontrol (FOC) yapısı uygulanmış; rotor konum ve hız bilgisi SMO gözlemleyicisi üzerinden tahmin edilerek kontrol algoritmasına entegre edilmiştir. Sonuç olarak, bu tez çalışması sensörsüz kontrol yapılarının hem teorik hem de pratik düzeyde uygulanabilirliğini ortaya koymakta ve özellikle PMSM sürüş sistemlerinde SMO tabanlı yaklaşımların sahada kullanılabilirliğini desteklemektedir.

Permanent magnet synchronous motors (PMSM) are widely preferred today in both industrial applications and in areas where advanced technologies are used, such as the defense industry, due to their high efficiency, compact structure and superior control capabilities. It is of great importance to obtain rotor position information accurately for the precise control of these motors. This information is usually provided by position sensors such as encoders or Hall sensors. However, disadvantages such as increasing system cost, complicating the structure and increasing maintenance requirements have brought sensorless control methods to the forefront. Sensorless control both reduces system cost and increases system reliability by reducing the risk of failure due to environmental conditions. For this reason, interest in sensorless control methods has increased in recent years, especially in applications that are critical in terms of cost and reliability. In this thesis, two sensorless speed estimation methods commonly used for PMSM, namely Model Reference Adaptive System (MRAS), Sliding Mode Observer (SMO) and hybrid observer structures combining the two methods, have been examined in detail. The developed structures have been modeled in MATLAB/Simulink environment and tested in scenarios where both reference changes and engine parameters change. According to the results obtained, it has been observed that the SMO method is more robust against changing engine parameters, while the MRAS structure can operate with less processing load. In line with the findings obtained from simulation analyses, the SMO method was preferred for experimental studies. For this purpose, an embedded control system based on TMS320F280025 microcontroller was designed and the real-time control capabilities of the system were evaluated. In the developed software, field-oriented control (FOC) structure was applied; rotor position and speed information were estimated via the SMO observer and integrated into the control algorithm. As a result, this thesis study demonstrates the applicability of sensorless control structures at both theoretical and practical levels and supports the field usability of SMO-based approaches, especially in PMSM driving systems.