Sürekli mıknatıslı senkron motorlarda gözlemci temelli sensörsüz vektör alan kontrol tekniklerinin uygulamalı karşılaştırması
Applied comparison of observer-based sensorless vector control techniques on permanent magnet synchronous motors
Yazar: MUSTAFA KAYA
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET HADİ SUZER
Harran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Sürekli mıknatıslı senkron motorlar = Permanent magnet synchronous motors

Özet:
Sürekli mıknatıslı senkron motorlar (SMSM), verimlilik ve yüksek güç yoğunluğu özelliklerinden dolayı yaygın olarak kullanılırlar. Bir SMSM'yi en iyi şekilde kontrol edebilmek için rotorun konumu veya hızı bilinmelidir. Rotor konum bilgisini elde ederek ve stator ile rotor manyetik akıları arasındaki doğru açıyı koruyarak, SMSM, sıfır hızda tam tork sağlayacak şekilde kontrol edilebilir. Genel olarak rotor konumu/hızı, enkoder veya resolver gibi sensörler kullanılarak ölçülür. Konum sensörleri, kontrol sisteminin maliyetinde ve karmaşıklığında artışa sebep olduklarından tercih edilmezler. Bu sensörlerin oluşturduğu sorunları gidermek için araştırmacılar, sensörsüz kontrol teknikleri üzerinde çalışmaktadırlar. Sensörsüz kontrol tekniklerinden motor zıt-EMK'sının tahmin edilmesine dayanan gözlemci temelli yöntemler sıklıkla kullanılır. Çünkü SMSM'de zıt-EMK ve rotor konumu arasında mükemmel bir faz ilişkisi vardır. Bu tür kontrolde, çeşitli biçimlerdeki SMSM matematiksel modeli kullanılarak sanal bir sistem oluşturulur. Oluşturulan sisteme, gerçek sistemle aynı faz gerilimleri giriş olarak verilir. Daha sonra gerçek motor ve sanal modelin akım çıktıları karşılaştırılır. Ölçülen ve tahmin edilen motor akımları arasındaki anlık hata, bilinmeyen değişkenlerin (zıt-EMK) tahmini için kullanılır. Bu tez çalışmasında, SMSM'nin sensörsüz kontrolünde kullanılan gözlemci temelli tekniklerden Luenberger ve kayan mod gözlemciler incelenmiştir. Bu gözlemcilerin performans karşılaştırmaları MATLAB/Simulink simülasyonlarıyla ve deneysel çalışmalarla yapılmıştır. Deneysel uygulama için 0.4 kW'lık endüstriyel bir servo motor seçilmiş ve bu motoru sürebilecek bir motor sürücü devresi tasarlanmıştır. Kontrol kartında mikrodenetleyici olarak ST Nucleo F303RE kullanılmıştır. ST Motor Control Workbench yazılımıyla elde edilen motor kontrol algoritması esas alınarak Luenberger ve kayan mod gözlemci temelli kontrol sağlanmıştır. Simülasyon ve deneysel çalışma sonucunda kayan mod gözlemci ile elde edilen çıktılarda, kullandığı işaret fonksiyonundan dolayı çatırtı (chattering) problemi olduğu görülmüştür. Ancak kayan mod gözlemcinin Luenberger gözlemciye göre ölçümsel gürültülere karşı daha gürbüz olduğu gözlenmiştir.

Abstract:
Permanent magnet synchronous motors (PMSMs) are widely used due to their efficiency and power density characteristics. In order to best control a PMSM, the position or speed of the rotor must be known. By obtaining the rotor position information and maintaining the correct angle between the stator and the rotor magnetic fluxes, PMSM can be controlled to provide full torque at zero speed. Generally, rotor position/speed is measured using sensors such as encoders or resolvers. Position sensors are undesirable in the system as they increase the cost and complexity of the control system. To address the problems caused by these sensors, researchers are working on sensorless control techniques. Among the sensorless control techniques, observer-based methods utilizing an estimation of the motor back-EMF are frequently used. This is because of the perfect phase relationship between the back-EMF and rotor position in PMSM. In this type of control, a virtual system is created by using the various forms of PMSM mathematical model. The same phase voltages are fed into the actual system and the created system. Then the current outputs of the both systems are compared. The instantaneous error between measured and predicted motor currents is used for estimation of unknown variables (back-EMF). 
In this study, Luenberger and sliding mode observers, which are observer-based techniques used in the sensorless control of PMSM, are examined. Performance of these observers are compared using MATLAB/Simulink simulations and experimental studies. For the experimental application, an industrial servo motor of 0.4 kW is selected and a motor driver circuit that can drive this motor is designed. ST Nucleo F303RE was used as microcontroller on the control board. Based on the motor control algorithm obtained with the ST Motor Control Workbench software, Luenberger and sliding mode observers were carried out. As a result of the simulation and experimental study, it has been seen that the outputs obtained with sliding mode observer have a chattering problem due to the sign function it uses. However, it is observed that sliding mode observer is more robust against measurement noises comparing to Luenberger observer.