3 fazlı aa servo motorun akıllı yöntemlerle gerçek zamanlı yörünge kontrolü
Real time trajectory control of 3 phase aa servo motor based on intelligent methods
Yazar: KÜBRA BALTACI
Danışman: DOÇ. DR. DAVUT ERTEKİN ; DOÇ. DR. GÖKAY BAYRAK
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, 3 fazlı AA servo motorun hız ve konum kontrolünü sağlamak 
amacıyla Uzay Vektör Darbe Genişlik Modülasyonu (UVDGM) tabanlı bir alan 
yönlendirmeli kontrol (AYK) yöntemi uygulanmıştır. AYK prensibi, üç fazlı stator 
akımının akı ve tork bileşenlerini ayırmaya dayanmaktadır. Bu sayede üç fazlı akımın, 
akı üreten ve tork üreten iki akım bileşeni ile ayrı ayrı kontrol edildiği, SMSM'nin ayrı 
uyarımlı bir DA makinesi gibi kontrol edilmesi amaçlanmaktadır. UVDGM 
anahtarlama tekniği ise, AYK yönteminde, motorun daha hassas ve verimli bir şekilde 
kontrol edilmesini sağlar. Üç fazlı gerilim veya akım vektörlerini optimize ederek, 
çıkış sinyalini sinüs dalgasına yakınlaştırır. Bu sayede motorun tork üretimi artırılır, 
verimlilik iyileştirilir ve harmonik bozulma azaltılır. Üç fazlı inverter ile beslenen 
vektör kontrollü bir senkron motor sürücü sistemi geliştirmek için, yeni bir 
anahtarlamalı indüktör tabanlı transformatörsüz yükseltici DA-DA dönüştürücü 
tasarlanmış, anahtarlama tekniği olarak yeni bir YSA modeli kullanılmıştır. Daha sonra 
yükseltilmiş DA gerilimi üç fazlı H köprüsüyle AA gerilime dönüştürülmüştür. Temel 
yükseltici dönüştürücüler, gerçek zamanlı uygulamalar için gerekli gerilim artırma 
performansını karşılayamamaktadır. Gerilim kazancını yükseltmek amacıyla 
dönüştürücüler genellikle yüksek görev döngülerinde çalıştırılmakta, ancak bu durum 
diyotlarda ters kurtarma sorunlarına neden olabilmektedir. Ayrıca, yüksek görev 
döngüleri yarı iletken anahtarlar ve diyotlar üzerinde ciddi gerilim streslerine neden 
olmaktadır. Bu nedenle, yük gereksinimlerini karşılayabilecek ve yüksek performans 
sağlayan alternatif dönüştürücülere ihtiyaç duyulmaktadır. Önerilen yapı diğer 
topolojilerle karşılaştırılmış ve yüksek kazanç, yüksek verimlilik, düşük gerilim 
dalgalanmaları, daha az anahtarlama kaybı, kolay kontrol gibi özelliklikleriyle başarılı 
bir performans sergilemiştir. Önerilen DA-DA dönüştürücü, gerilim dalgalanmalarını 
ve güç değişimlerini azaltarak motorun performansını ve kontrol hassasiyetini 
artırmıştır. Bu sayede servo motor, yörüngede daha doğru ve kararlı bir şekilde hareket 
etmektedir. Düşük anahtarlama kayıplarının olması daha verimli enerji dönüşümü 
sağlayarak sistem performansını artırmakta, hız ve konum kontrol sinyallerinin daha 
temiz ve kararlı olmasını sağlayarak yörüngedeki değişikliklere daha iyi yanıt 
vermesine yardımcı olmaktadır. Önerilen yükseltici dönüştürücünün anahtarlama 
tekniğinde Yapay Sinir Ağı (YSA) kullanılmıştır. PI kontrolörünün giriş ve çıkış 
verilerinden yararlanılarak YSA'nın eğitimi için bir veri seti oluşturulmuştur. YSA, 
başarılı bir şekilde eğitilmiş ve tek bir ara katman ile 25 nörondan oluşan bir model 
kullanılarak oluşturulmuştur. Bu yapı, hem donanım hem de yazılım açısından oldukça 
basit ve uygulanabilir nitelikte olup, kolayca gerçeklenebilecek bir sistem tasarımı 
sunmaktadır. DA-DA tasarımı ve YSA anahtarlama tekniği, SMSM hız ve konum 
kontrolünü de doğrudan etkilemiştir. PI ile karşılaştırıldığında; hız-tork çevrimi için 
YSA yerleşme süresi 0.36 sn iken, PI için yerleşme süresi 0.55 sn'de olmaktadır. PI ile 
kıyaslandığında referans hız ve konum değerine yerleşme süresinin daha az, sistem
tepki hızının daha iyi olduğu benzetim sonuçlarından anlaşılmaktadır. Sonuçlar, DA
DA yükseltici dönüştürücüsünde YSA anahtarlama tekniğinin kullanılmasının olumlu 
bir yaklaşım olduğunu göstermektedir. Gerçek zamanlı modellemede ise Texas 
Instrument TMDSDOCK28335 DSP tabanlı deney kiti kullanılmıştır. Sistem 
performansı analiz edilmiş, model çıkışının referans girişlerini başarılı bir şekilde 
izlemesi ile model performansı sunulmuştur. Tüm sonuçlar ele alındığında, hız ve 
konum değişimi durumunda sistemin tepki hızının, stator akımının ve torkunun, 
kontrol modeli çalışma özelliklerine göre SMSM'lerle uyumlu sonuçların hızlı bir 
şekilde kararlı duruma geçme eğiliminde olduğunu göstermektedir.

Abstract:
In this thesis, a Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) based Field-Oriented 
Control (FOC) method was applied for speed and position control of a three-phase AC 
servo motor. The FOC principle is based on separating the flux and torque components 
of the three-phase stator current. This allows the three-phase current to be controlled 
separately using two current components: one generating flux and the other generating 
torque, thus enabling the control of the Permanent Magnet Synchronous Motor 
(PMSM) as if it were a separately excited DC machine. The SVPWM switching 
technique allows for more precise and efficient control of the motor within the FOC 
method. By optimizing the three-phase voltage or current vectors, it brings the output 
signal closer to a sinusoidal waveform. This increases the motor's torque production, 
improves efficiency, and reduces harmonic distortion. To develop a vector-controlled 
synchronous motor drive system powered by a three-phase inverter, a novel switched
inductor-based transformerless boost DC-DC converter was designed, and a new 
Artificial Neural Network (ANN) model was used for the switching technique. The 
boosted DC voltage was then converted to AC through a three-phase H-bridge. 
Conventional boost converters cannot meet the required voltage boost performance for 
real-time applications. To achieve a higher voltage gain, converters are often operated 
at high duty cycles, which can lead to reverse recovery issues in diodes. Moreover, 
high duty cycles can impose significant voltage stresses on semiconductor switches 
and diodes. Therefore, there is a need for alternative converters that can meet load 
requirements and provide high performance. The proposed topology was compared 
with other designs and demonstrated superior performance with characteristics such 
as high gain, high efficiency, low voltage ripples, reduced switching losses, and ease 
of control. The proposed DC-DC converter enhanced motor performance and control 
precision by reducing voltage fluctuations and power variations, allowing the servo 
motor to move more accurately and steadily along its trajectory. The low switching 
losses contributed to more efficient energy conversion, improving system performance 
and resulting in cleaner and more stable speed and position control signals, allowing 
the motor to respond better to changes in trajectory. In the switching technique of the 
proposed boost converter, an Artificial Neural Network (ANN) was used. A dataset 
was created using the input and output data of the PI controller to train the ANN. The 
ANN was successfully trained, and a model was created with a single hidden layer and 
25 neurons. This structure is quite simple in terms of both hardware and software, 
offering a system design that can be easily implemented. The DC-DC design and ANN 
switching technique directly affected the speed and position control of the PMSM. 
Compared to the PI controller, the settling time for speed-torque convergence with 
ANN was 0.36 seconds, while it was 0.55 seconds with PI. The simulation results 
showed that the settling time to the reference speed and position values was shorter 
and the system response speed was better with ANN compared to PI. The results
demonstrate that using the ANN switching technique in the DC-DC boost converter is 
a favorable approach. In real-time modeling, the Texas Instruments 
TMDSDOCK28335 DSP based experiment kit was used. The system's performance 
was analyzed, and the model's performance was presented by successfully tracking the 
reference inputs with the model's output. Considering all the results, it was shown that 
in the case of speed and position changes, the system's response speed, stator current, 
and torque tend to quickly stabilize according to the control model's operating 
characteristics, yielding results compatible with PMSM performance.