Asenkron motorun sensörsüz alan yönlendirmeli vektör kontrollü bir hız tahmin yönteminin geliştirilmesi
Development a field oriented controlled sensorless speed estimation method of induction motor
Yazar: SADIK ÖZDEMİR
Danışman: PROF. DR. NURETTİN UMURKAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Tesisleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Elektrik makineleri = Electric machinery ; Kontrol yöntemleri = Control methods

Özet:
Endüstriyel uygulamalarda ve elektrikli araç çekiş motoru uygulamalarında sincap kafesli üç faz asenkron motor(IM) yoğun olarak kullanılmaktadır. Asenkron motorlar güvenilir, sağlam, üretimi kolay ve ucuz motorlardır. IE4 verimlilik standartlarında üretilen modelleri geniş güç ve hız aralığında yüksek verimde çalışabilmektedir. Mıknatıslı motorlar gibi nadir bulunan materyellere bağımlı olmaması, bu motorların daha kolay üretilebilir ve ucuz bir motor tipi olmasını sağlamaktadır. Ayrıca, asenkron motorlar, bakım gereksinimi çok az olan, zorlu çalışma şartlarına dayanıklı ve yanıcı ve patlayıcı ortamlarda kullanılabilen bir motor türüdür.
Vektör kontrol olarak da bilinen Alan yönlendirmeli kontrol (FOC) AC motorlar için ayarlanabilir bir frekans kontrol tekniğidir. Bu yöntemde, üç fazlı AC makinesinin stator akımı iki dikey vektör bileşenine dönüştürülür bunlar: motorun akı ve torku olarak tanımlanır. FOC, yüksek performanslı uygulamalar için IM kontrol etmek için kullanılır. Bu kontrol tekniği ile IM sıfır hızda tam yük altında kontrol edilebilir. Ayrıca bu yöntem ile ım geniş hız aralığında makine kontrol edilebilir ve kontrolün dinamik tepkisi yüksektir. FOC'de doğrudan ve dolaylı alan yönlendirmeli kontrol (IFOC) olmak üzere alan yönlendirme koşulunun sağlanması için iki temel yöntem bulunmaktadır. Motorun hava boşluğu alanını doğrudan FOC'de ölçmek gerekir. IFOC yönteminde, kayma frekansı hesaplanarak stator frekansı ve rotor mekanik hızı arasında geçiş yapılabilir. Motorun açısal hızı ve motorun hava boşluğu alanı, enkoder ve hall sensörleri ile ölçülebilir.
Bununla birlikte, bazı vektör kontrol uygulamalarında, özellikle zorlu çalışma koşulları, yüksek hızlı uygulamalar ve boyut kısıtlamaları v.b. gibi koşullarda konum bilgisi alabilmek için enkoder, takometre gibi sensörlerin motora monte edilebilmesi mümkün değildir. Motor içerisine sensör yerleştirmek yüksek gürültülü çalışma bölgelerinde enkoder sinyali bozunumları sistem güvenirliğini azaltmaktadır. Bu gürültülerin azaltılarak sistem güvenliğine yönelik yapılacak her ek işlem maliyet ve tasarım zamanını arttıracaktır. Bu nedenle, sensörsüz konum tahmini IM'nin kontrolünde bir tercih ve gereksinim haline gelmiştir.
Sensörsüz terimi, yalnızca hız ve konum sensörlerinin kullanılmadığını gösterir. Başka bir deyişle, stator akımları ve gerilimleri akım ve gerilim sensörleri yardımıyla okunmaya devam etmektedir. Hız sensörsüz kontrolün ana avantajı maliyetin düşürülmesidir. Aynı zamanda sensör kablolarının ortadan kaldırılmasıyla sistemin karmaşıklığı azaltılır ve sistemin boyutu en aza indirgenebilir. Enkoderi olmayan sistem daha iyi gürültü toleransına sahiptir, bu nedenle güvenilirlik ve dayanıklılık artırılabilir.
Literatürde IM sürücülerinin vektör kontrolünde uygulanan çeşitli hız ve konum tahmin teknikleri vardır. Bu temel makine modeli teknikleri anlık stator akımları ve gerilimleri kullanır ve rotorun konumunu ve hızını hesaplamak için bu değerleri dinamik makine denklemleriyle birlikte kullanırlar. Bu dinamik denklemler makine parametrelerini içerir ve bunların bazıları tam olarak bilinmelidir, çünkü bunlar üzerindeki herhangi bir değişim yanlış hız tahminlerine sebep olabilir. Bu parametrelerin varyasyonuyla ilgili olarak, çok düşük hız ve sıfır hız dahil olmak üzere tüm operasyon kademelerinde yüksek performanslı sensörsüz hız tahmini stabilitesini korumak için gereklidir.
Bu tezin amacı, IM için sensörsüz, dolaylı, alan yönlendirmeli vektör kontrollü bir hız tahmin yönteminin geliştirilmesidir. Önerilen yöntem, yeni bir Model referans adaptif sistemdir ve motorun hızını hesaplamak için sadece kararlı hal alan yönlendirme durumunda stator q-eksen gerilim denklemine ihtiyaç duyar. Hesaplanan gerilim doğrudan ölçülen değer ile karşılaştırıldığından, bu yöntem bir referans modele ihtiyaç duymaz. Bu basit denklemde herhangi bir rotor parametresi yoktur ve bu sistemin rotor parametrelerinin değişimine karşı bağışıklık kazandırır. Dahası, bu benzersiz hesaplama akı tahmini gerekliliğini ortadan kaldırdığı için yöntem saf entegrasyon sorunlarına karşı daha az duyarlıdır. Böylece önerilen MRAS çok düşük ve sıfır hızlarda oldukça doğru hız tahmini yapabilir. Önerilen yöntem, sıfır hız, çok düşük hızlarda başarıyla gerçek hızı takip edebilmektedir. Yüklü ve yüksüz koşullar altında çalışabilmektedir. Motorun dört bölge çalışma durumunda hızı doğru tahmin edebilmektedir. Yöntem parametre değişimine karşı oldukça bağışıklıdır, % 100 stator direnci değişiminde yaptığı hız tahmini gerçek hıza oldukça yakındır. Bu çalışmada simülasyon çalışmaları MATLAB / SIMULINK ortamında tamamlanmıştır ve laboratuvar testlerinde 2.2 KW'lık bir 3-faz IM kullanılmış, d-SPACE Microautobox kontrolör kullanılarak anahtarlama sinyalleri 20 kHz'de üretilmiştir.

Abstract:
The squirrel-cage type induction motors are the one of the mostly used electric machines in industrial and traction applications since they are reliable, economical, sturdy and high efficient with having IE4 efficiency standards and also need less maintenance requirement since they have no brushes. These motors also easy to produce and cheap motors because they do not have rear earth magnets. 
Vector control is also known field oriented control (FOC) is an adjustable-frequency control technique for AC motors. In this method, the stator currents of three phase AC machine are transformed to two orthogonal vector components and they are defined as flux and torque of the motor. FOC is used to control induction motors for high-performance applications. The full torque of the induction motor can be extracted at zero speed, have fast dynamic response and be controlled over full speed range using FOC. There are two main methods to achieve the field oriented condition which are: direct field oriented control(DFOC) and indirect field oriented control(IFOC). The airgap field of motor is needed to measure in DFOC and IFOC requires the angular position of stator flux which is calculated integrating angular electrical speed of rotor by adding slip frequency. The angular speed of motor and air gap field of motor is measured with rotational transducers and hall sensors.
However, the knowledge of rotor position is required in vector control implementation, in some cases and some special applications such as in high-speed motor drive and hostile environment etc., installing tacho-generators/speed encoders cannot be possible or using them can bring some difficulties. Using these sensors can reduce reliability of the system and needs extra effort for noise reduction. So having benefits of induction motor drive system is lost. Therefore, sensorless position estimation has become a preference and requirement in control of IM. 
The sensorless term indicates that the only speed and position sensors are missing. In other words, the stator currents and voltages are still sensing to estimate position and speed of rotor.
The main advantage of sensorless control is decreased cost. At the same time, the complexity of system is reduced by eliminating of the sensor cables and the size of system is minimized. The system without encoders have better noise tolerance so reliability and robustness is enhanced. 
There are various speed and position estimation techniques that have been implemented in vector control of IM drives in literature. These fundamental machine model techniques require the instantaneous stator currents and voltages and utilize these values with dynamic machine equations to estimate the position and speed of the rotor. These dynamic equations include machine parameters and some of them must be known exactly since any variation on them may lead to incorrect estimation. The concerning of variations of these parameters are essential to maintain the high-performance sensorless speed estimation stability in all quadrants of operation including very low speed and zero speed.  
The aim of the study is to develope a high-performance speed sensorless indirect field oriented control for an induction motor. The proposed method is a novel Model Adaptive Controller and needs only steady-state stator q-axis voltage equation to estimate rotor speed. And this loop does not need a reference loop since the calculated voltage is directly compared with measured. This simple equation does not require any rotor parameter and this makes the system immune to the variation of rotor parameters. Moreover, this unique calculation eliminates the requirement of flux estimation thus, the method is less sensitive to pure integration problems. This makes the estimator quite accurate at very low and zero speeds. The proposed method overcomes almost all problems of sensorless speed control of IMs. Therefore the estimator can follow measured speed accurately at zero speed, very low speed and rated speed in four quadrat operation.  And the estimated speed is very close to actual speed under same conditions and +%100 stator resistor variation. Which are validated in simulations using MATLAB/SIMULINK and in experiments.