Sabit mıknatıslı senkron motorda moment dalgalanmalarının azaltılması
Torque ripple reduction of permanent magnet synchronous motor
Yazar: FARUK ERKEN
Danışman: PROF. DR. HASAN KÜRÜM
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Sabit Mıknatıslı Senkron Motorlar (SMSM) yüksek güç yoğunluğu, yüksek verim ve yüksek moment/atalet oranı nedeniyle en çok tercih edilen elektrik motorlarından biridir. SMSM'ler aynı zamanda küçük boyutlu olup, az bakım gerektirmektedir. Bu üstün özellikleri nedeniyle farklı alanlarda yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır.
SMSM'lerde Alan Yönlendirmeli Kontrol (AYK), Doğrudan Moment Kontrolü (DMK) ve v/f kontrol yöntemleri uygulanabilmektedir. Bu çalışmada, motorun kontrolünde, diğer kontrol yöntemlerine göre daha düşük bir moment dalgalılığı sağlayan AYK yöntemi tercih edilmiştir.
SMSM'lerin temel dezavantajı moment dalgalanmalarıdır. Bunlar, motordan kaynaklanabileceği gibi, ölçme ve kontrol sisteminden de kaynaklanabilmektedir. SMSM'lerde ortaya çıkan moment dalgalanmaları genellikle periyodiktir. Bu nedenle moment dalgalılığının bastırılmasında en etkili yöntemlerden biri uygun akım harmoniklerinin enjekte edilmesidir. Ancak enjekte edilecek harmoniklerin motorun farklı çalışma koşullarına uygun olması gerekmektedir. Bu durum ancak çevrimiçi ve adaptif bir kontrol mekanizması ile sağlanabilir. Bu çalışmada önerilen Adaptif Veri Birleştirme (AVB) tabanlı yöntemler ile motora, uygun genlik ve fazda akım harmonikleri enjekte edilmektedir. Bu yöntemlerde, veri değerleri, çevrimiçi olarak, bu verileri tanımlayan dış bükey kümeler üzerine izdüşümler yapmaya dayalı bir aktif birleştirme yöntemi ile güncellenen ağırlıklar kullanılarak, doğrusal bir biçimde birleştirilmektedir.
Harmonik enjeksiyonunda, hızdaki hatanın değişimi esas alınmıştır. Bu hata değeri kullanılarak motordaki üç ayrı büyüklüğe ait değerler kompanze edilerek, üç farklı yöntemle hız ve momentteki dalgalanmalar azaltılmaya çalışılmıştır. Birinci yöntemde q eksen akımı, ikinci yöntemde q eksen gerilimi ile üçüncü ve son yöntemde q eksen akımı referans değeri uygun harmonikler enjekte edilerek kompanze edilmiştir. Uygun harmonik dereceleri belirlenirken literatürde bahsedilen 1., 2., ve 6. harmoniklerin yanında, motorun önceden farklı çalışma koşullarında çalıştırılması suretiyle, dalgalanmalarda etkili olan diğer baskın harmonikler de olabilmektedir. 
Farklı hız ve yük değerlerinde yapılan deneysel çalışmalarda, uygulanan her üç yöntemde de hız ve momentteki dalgalanmaların etkin bir şekilde azaldığı görülmektedir. Düşük hızlarda ve yüklü çalışma durumlarında hız ve momentteki dalgalanmalar daha fazla olduğundan, özellikle düşük hızlarda yöntemin geçerliliği daha belirgin bir şekilde ortaya çıkmaktadır.
Anahtar kelimeler:  Sabit Mıknatıslı Senkron Motor, Alan Yönlendirmeli Kontrol, moment dalgalanması, Adaptif Veri Birleştirme

Abstract:
Torque Ripple Reduction of Permanent Magnet Synchronous Motor
Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSM) are one of the most preferred electric motors because of their high power density, high efficiency and high torque/inertia ratio. Besides, PMSM's are small in size and require less maintenance. Because of these outstanding features, they have been widely used in various applications.
In PMSM's Field Oriented Control (FOC), Direct Torque Control (DTC) and v/f control methods can be applied. In this study, the FOC method which provides a lower torque ripple compared to other control methods is preferred.
The main disadvantage of PMSM's is torque ripples. These ripples can be caused from the structure of motor, and may be due to measurement and control systems. The torque ripples emerged in PMSM's are generally periodic. Therefore one of the most effective methods for the suppression of the torque ripples is the injection of optimal current harmonics. However, the injected harmonics should also be appropriate with respect to varying motor operating conditions. This requirement can be satisfied using an online and adaptive control mechanism. In this study, Adaptive Decision Fusion (ADF) based methods are developed to inject current harmonics in appropriate amplitude and phase. In these methods, decision values are linearly combined with weights which are updated online according to an active fusion method based on performing orthogonal projections onto convex sets describing these values.
In harmonic injection, gradient of the speed error is used. By using the value of this error, speed and torque ripples have been tried to be reduced with three different methods by compensating the values of three different magnitudes in the motor. In the first method the q-axis current, in the second method q-axis voltage and in the last method, the reference value of the q-axis current has been compensated by injecting the appropriate harmonics. When determining the appropriate harmonic orders, in addition to the 1st, 2nd, and 6th harmonics mentioned in the literature, initially by running the motor in different operating conditions, the dominant harmonics that are effective in ripples have been specified.  
Experimental results show that, the speed and torque ripples are effectively decreased by all the three methods at different speeds and loads. Since at lower speeds and on load operating conditions more ripples occur, the validity of the method significantly arises. 
Keywords: Permanent Magnet Synchronous Motor, field oriented control, torque ripple, Adaptive decision fusion