Elektrikli tahrik sistemleri için gözleyici ve kontrolör tasarımı
Observer and controller design for electric drives
Yazar: ONUR GÜRLEYEN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ İLKER ÜSTOĞLU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Elektrikli tahrik sistemleri, elektriksel enerjiyi mekaniksel enerjiye dönüştürerek hareketi sağlayan, elektromekanik aygıtlardır. Elektrikli tahrik sistemleri, elektrik motoru, iletim mekanizması, elektrik enerji dönüştürücüsü (güç elektroniği ünitesi) ve kontrol sistemlerinden oluşmaktadır. Kontrol sistemleri de, haberleşme bağlantı arayüzlerine sahip olan mikrokontrolör, sensörler ve eyleyicileri içerir. Elektrikli tahrik sistemlerinin ana görevi, mekanizmaların hareket kontrolünü sağlamaktır. Elektrikli tahrik sistemleri aynı zamanda birkaç geribeslemeye sahip ve çeşitli kontrol algoritmalarının uygulandığı, otomatik kontrol sistemi olarak da tanımlanabilir. Bu tez çalışmasında elektrikli tahrik sistemi olarak, sabit mıknatıslı senkron motor (SMSM) sürücülerden bahsedilmiştir. Sabit mıknatıslı senkron motorlar (SMSM) yüksek verimlilik ve dayanıklılığa, yüksek tork-akım ve yüksek güç – ağırlık oranına sahiplerdir. Sahip oldukları bu avantajları nedeniyle SMSM'ler endüstriyel servo sistemlerinde ve elektrikli araçlarda sıklıkla kullanılır. SMSM'nin başka avantajları da vardır. SMSM'nin üç fazlı stator akımları, Clarke ve park dönüşümleri kullanılarak tork üreten q akımına ve akı üreten d akımına ayrılarak DA (Doğru Akım) motoruna benzetilerek, bir DA motoru gibi kontrol edilir. Ancak tork ve akı üreten elektriksel alt sistemler birbirine kuplajlıdır ve doğrusal değildir. Dolayısıyla, q ve d akımlarının doğrusal kontrolörle kontrol edilebilmesi için ileri beslemeli veya durum geribeslemeli kuplaj ayırma yöntemleri kullanılarak, kuplajlarının ayrılması gerekmektedir. SMSM sürücülerde kullanılan kontrol yapısı, kaskat kontrol yapısıdır. Kaskat kontrol yapısında en içte akım/tork kontrol çevrimi, ortada hız çevrimi ve en dışta pozisyon çevrimi bulunmaktadır. Bu kontrol yapısında, pozisyon kontrol işareti hız referansını, hız kontrol işareti, tork referansını oluşturur. Tork referansı oransal kazançla çarpılarak, q akım referansı elde edilir. Kontrol çevrimlerinin tasarımında en önemli kriterlerden biri bant genişliğidir. Yüksek bant genişliğine sahip kontrol döngüsü demek, daha düşük yerleşme zamanı anlamına gelmektedir ve bu da kontrolun ne kadar hızlı gerçekleştiğini ifade etmektedir. Yüksek bant genişliği elde edebilmek için, yüksek örnekleme frekansına ihtiyaç duyulur. Yüksek örnekleme frekansını elde edebilmek için yüksek anahtarlama frekansına yani yüksek frekanslı PWM sinyaline ihtiyaç duyulur. Genellikle mikrokontrolörler double PWM kullanmaya imkan verir ve örnekleme frekansı anahtarlama frekansının iki katı olarak elde edilir. Son zamanlarda, yüksek bant genişliğine sahip SMSM sürücülerde, mikrokontrolörün yanında FPGA'de kullanılır ve anahtarlama frekansı artırılmadan da, tasarlanan özel lojik devreyle daha yüksek örnekleme frekanslarına çıkılır. SMSM sürücülerde üç adet ana kontrol çevrimi bulunduğundan, kontrol çevrimlerinin bant genişlikleri birbirlerine bağlı olarak ayarlanır ve birbirleriyle ilişkililerdir. Tasarımlar bu ilişki göz önüne alarak gerçekleştirilir. Tork/akım kontrolünde %5 ve altı aşımlar Kabul edilebilir iken, pozisyon ve hız kontrolünde aşım kesinlikle istenmez. Aynı zamanda tüm kontrol çevrimlerinde basamak girişe karşılık oluşabilecek sürekli hal hatası da kabul edilemez. Yüksek bant genişliği elde edilirken, istenmeyen performans kriterlerinden de kaçınmak gerekmektedir. Bu tez çalışmasında, kök yer eğrisi ve bode analizleri kullanılarak çeşitli doğrusal kontrol algoritmaları kullanılarak, pozisyon, hız ve akım/tork çevrimleri tasarlanmıştır. Basamak girişe karşı sürekli hal hatasını engelleyen kontrolör tasarımları, sonsuz rampa girişte sürekli hal hatasını engelleyemez. Ancak SMSM sürücülerde, rampa referansları sonludur ve bunlar trapezoidal referans olarak adlandırılır. Trapezoidal referanslara karşı oluşan takip hatasını, en aza indirmek için hız ve pozisyon kontrolünde ileri beslemeli kontrol yapıları kullanılır. Aşım ve sürekli hal hatasını önleyen kontrolör tasarımları haricinde, hız ve bozucu gözleyicisi tasarımları da PMSM sürücülerin kontrol performansını artırmak için gereklidir. Özellikle düşük hız kontrolünde, artımlı enkoderlerin çözünürlüğü yetersiz kaldığından, hız ölçüm kalitesi düşmektedir. Dolayısıyla, düşük hız bölgesinde kullanılmak üzere tam mertebeden Luenberger hız gözleyicisi bu tez çalışmasında önerilmektedir. Luenberger hız gözleyicisi tez çalışmasında PID gibi tasarlanır ve kazançları PID gibi ayarlanır. Ayrıca, bozucuların kontrol performansındaki olumsuz etkilerini yok etmek amacıyla, bozucu etkilerin kestirilmesi gerekmektedir. Bu sebeple, bozucu gözleycisi tasarlanarak, kestirilen bozucu kontrol sistemine injekte edilmelidir. Bozucu gözleyicisi doğrusal olduğundan, doğrusal olmayan bozuculara karşı, örneğin; sürtünme, yüksek performans gösteremeyecektir. Bu sebeple doğrusal olmayan bozuculara karşı ileri beslemeli kompanzasyon tekniği de kullanılır. Bunlara ek olarak, kontrolörler ve gözleyiciler, elektriksel sistem (direnç ve endüktans) ve mekaniksel sistem (atalet ve viskoz sürtünme) parametrelerine bağlıdır.  Bu parametrelerdeki değişimler kontrol ve gözleyici performanslarını olumsuz şekilde etkiler. Bu nedenle, parametlerin değişimi durumunda kontrolör ve gözleyici kazanç değerlerinin güncellenmesi gerekmektedir. Elektriksel parametrelerin kestirilmesinde sinyal injeksiyon yöntemi, mekaniksel parametrelerin kestirilmesinde ise RLS algoritması kullanılmaktadır.

Abstract:
Electric drive is an electromechanical device for converting electrical energy into mechanical energy to impart motion to different machines and mechanisms for various kind of process control. It consists of an electric motor, a transfer mechanism, an electrical energy converter (power electronic unit), and a control system. The control system consists of a microcontroller with data connection interfaces, data channels (data network), sensors and actuators. The main task of the electric drive is the motion control of mechanism. An electric drive is also defined as automatic control system with number of feedback where different control principles are used. In that thesis, permanent magnet synchronous motor drives are mentioned as electric drives. Permanent-magnet synchronous motors (PMSM) are capable of providing high torque-to-current ratios, high power-to-weight ratios, high efficiency and robustness. Owing to these advantages, PMSM are widely used in industrial servo systems and in electric vehicles.  Other advantages of PMSM is that PMSM's three phases stator currents are decomposed into flux generating d current and torque generating q current by using clarke and park transformation to be controlled like DC motor with higher efficiency and higher performance than DC motor. However, that torque and flux generating sub-system are coupled and nonlinear. Thus q and d currents are needed to be decoupled to be controlled by linear controller using feedforward decoupling or state feedback decoupling techniques mentioned in that thesis. Control structure in PMSM servo drives is cascaded control consisting of two inner d and q currents loops, mid a speed loop and outer a position loop. In that structure, speed reference is generated by position controller, and current reference is obtained by multiplying coefficient with torque reference generated by speed controller. One of the most important criteria while designing all control loops, such as position, speed and current, is high bandwidth. Control loop with higher bandwidth means that lower settling time that defines how fast control is occured. High sampling time is required to obtain high bandwidth and sampling time is also related with switching frequency of inverter. Many microcontrollers supports double updated PWM to obtain higher sampling frequency than switching frequency. Nowadays, Servo drives with high bandwidth consist of FPGA with MCU, in this way it can be obtained much higher sampling frequency despite low switching frequency. Because PMSM drives consist of three main control loops, bandwidth of all loops is related with each other. Thus, all loops are designed separately to obtain desired performance criteria.  While small overshoot under %5 is acceptable for current (torque and flux) control, no overshoot is acceptable for speed and position control, and also steady state error to step reference signal is not acceptable for all loops that PMSM servo drives consist. In that thesis, torque and flux control with acceptable overshoot, speed and position control without overshoot are designed using several linear control structure by using root locus and bode techniques. Except linear controller providing high bandwidth without overshoot and steady state error, speed and disturbance observers are also needed to improve servo drives control performance. Control loops are designed to remove steady state error to step input. Thus, Feedforward control strategy are proposed to minimize following error to trapezoidal reference signal for speed and position control. Especially in low speed applications, incremantel encoders' resolution is not enough for high quality speed control. In order to obtain high quality speed control at low speed, full order speed Luenberger observer is preferred. In that thesis, Luenberger speed observer is designed and tuned liked PID controller by using root locus and bode analysis. Moreover, In order to remove disturbance effect, disturbance is estimated and injected into control loop. Estimating of disturbance is provided by reduced order disturbance observer. Disturbance observer is linear, so it is effectively works when disturbance linearly changes. In order to remove non-linear disturbance, such as friction, feedforward friction compensation methods are needed. Additonally, controllers and observers are related electrical and mechanical parameters that are inertia, viscous friction, resistor and inductance. If these mechanical and electrical parameters are changed, gains of controllers and observers must be updated. Thus, two estimation techniques which are signal injection to obtain electrical parameters and recursive least square algorithm to obtain mechanical parameters are proposed.