Vektör kontrol yöntemi için deney düzeneği tasarımı, gerçeklemesi ve bu yöntemin üç fazlı elektrik motorlarında performans karşılaştırması
Design and implementation of experiment setup for vector control method and performance comparison of this method in three phase electric motors
Yazar: MERTCAN ÖZDAĞ
Danışman: DR. SIDDIK MURAT YEŞİLOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, fırçasız üç fazlı elektrik motorları için sürücü tasarımı ve gerçekleştirilmesi üzerine odaklanılmıştır. Bu bağlamda sürücüyü oluşturacak şekilde donanım ve yazılım tasarımı yapılmıştır. Tasarlanan sürücünün performansı yüzey mıknatıslı senkron motor üzerinde test edilmiştir. Günümüzde elektrik motorlarının kullanımı sürekli olarak artmaktadır. Neredeyse üretilen elektronik her üründe farklı tiplerde elektrik motorları bulunmaktadır. Yüksek miktarda elektrik motoru kullanımı günümüzde tüketilen elektriğin büyük bir kısmının elektrik motorların tarafından tüketilmesine yol açmaktadır. Bu sebepten dolayı elektrikli tahrik sistemlerinin verimli olması istenmektedir. Bu bağlamda hem elektrik motorlarının hem de kontrol ve sürücü sistemlerinin daha verimli olması amacıyla çalışmalar yapılmaktadır. Endüstride farklı tiplerde elektrik motorları bulunmaktadır. Fırçasız üç fazlı elektrik motorları ele alındığında bu motor ailesinin senkron ve asenkron motorlar olmak üzere iki gruba ayrılabildiği söylenebilir. Asenkron ve senkron elektrik motorlarının birbirlerine göre avantajları ve dezavantajları bulunmaktadır. Asenkron motorlar dayanıklı fiziksel özellikleri ile öne çıkmaktadır. Elektrik motorlarındaki üretim maliyetini oldukça arttıran mıknatısların asenkron motorlarda bulunmaması üretim maliyetini düşürür ve asenkron motorların diğer fırçasız üç fazlı motorlara göre ucuz olmasını sağlar. Asenkron motorlar çalışma teorisi gereği doğrudan şebekeye bağlanarak çalışabilir. Bu durum sürücü gereksinimini ortadan kaldırdığı için asenkron motorların operasyonel maliyetini oldukça düşürür. Asenkron motorlar doğrudan şebekeye bağlanarak sabit hız gerektiren ve hassasiyetin önemsiz olduğu uygulamalarda sıklıkla kullanılır. Diğer bütün fırçasız motorlarda olduğu gibi asenkron motorlar da oldukça az bakım gerektirir. Asenkron motorlar rotor akısını üretmek için stator akımlarını kullanırlar. Bunun sonucu olarak rotor akısını mıknatısların ürettiği mıknatıslı senkron motorlara göre çoğu çalışma bölgesinde daha verimsiz çalışırlar. Asenkron motorların mıknatıslı motorlara göre daha düşük güç yoğunluğuna sahip olduğu bilinmektedir. Bu sebepten ötürü, ağırlığın ve verimliliğin önemli olduğu askeri uygulamalarda, otomotivde, robotikte ve uzay uygulmalarında genellikle mıknatıslı motorlar tercih edilmektedir. Asenkron motorlar çalışma teorileri gereği pozisyon kontrolüne hiç uygun değillerdir. Senkron motorlar ailesinde bir çok farklı tip motor vardır. Bunlardan biri olan alan sargılı senkron motorların rotorunda sargılar bulunur. Bu sargılara bilezikler yardımı ile doğru akım verilir ve rotor akısı oluşturulur. Bu tip motorlarda mıknatıs kullanılmaz ve mıknatısların ürettiği rotor akısını rotor sargıları üretir. Alan sargılı senkron motorlar çoğunlukla elektrik üretiminde kullanılır. Bir diğer tip olan sürekli mıknatıslı senkron motorların rotorunda mıknatıslar bulunur. Bu tip motorların rotor akısı mıknatıslar vasıtası ile oluşturulur. Sürekli mıknatıslı senkron motorların çalıştırılması için sürücülere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu motorlar mıknatıs içerdiğinden ötürü üretim maliyetleri yüksektir. Sürekli mıknatıslı senkron motorlar konum, hız ve tork kontrolü için oldukça uygundur. Sürekli mıknatıslı senkron motorlar mıknatısların rotorun yüzeyinde veya içerisinde yer alma durumuna göre iki gruba ayrılır. Mıknatısların rotor yüzeyinde yer aldığı motorlara yüzey mıknatıslı senkron motor, mıknatısların rotorun içerisinde yer aldığı motorlara gömülü mıknatıslı senkron motor adı verilir. Gömülü mıknatıslı senkron motorlar relüktans torku adı verilen yeni bir tork bileşeni oluştururlar. Relüktans torku sayesinde gömülü mıknatıslı senkron motorlar aynı miktarda akım için yüzey mıknatıslı senkron motorlara göre daha fazla tork üretir. Bu durum gömülü mıknatıslı senkron motorların yüzey mıknatıslı senkron motora göre daha verimli olmasını sağlar. Gömülü mıknatıslı senkron motorlar yüksek verimleri sebebiyle otomotiv sektörü gibi yüksek verim gerektiren alanlarda sıkça kullanılırlar. Gömülü mıknatıslı senkron motorların alan zayıflatma kapasitesi yüzey mıknatıslı senkron motorlardan daha yüksektir. Yüzey mıknatıslı senkron motorlar çok düşük tork dalgalanmasına sahiptir. Bu sebepten ötürü pozisyon kontrolüne çok uygundur ve servo motor uygulamalarında sıkça kullanılır. Yüzey mıknatıslı senkron motorlarda relüktans tork bileşeni yoktur ve gömülü mıknatıslı senkron motorlara göre kontrolü daha basittir. Bu tip motorların üretimi gömülü mıknatıslı senkron motorlara göre daha kolaydır bu sebepten ötürü yüzey mıknatıslı senkron motorlar gömülü mıknatıslı senkron motorlara göre daha ucuzdur. Bu tez çalışmasında tasarlanan ve gerçeklenen test sisteminde tasarlanan evirici devresini ve vektör kontrol algoritmasını test etmek amacıyla yüzey mıknatıslı senkron kullanılmıştır.
Üç fazlı fırçasız elektrik motorları evirici adı verilen güç elektroniği devreleri kullanılarak sürülür. Çeşitli motor kontrol algoritmalarının ürettiği kontrol sinyalleri evirici kullanılarak motora uygulanır. Evirici ile kontrol edilen üç fazlı fırçasız elektrik motorlarını çalıştırmak için komütasyon algoritması gerekir. Bu algoritma motordan gerekli akımın akması için ihtiyaç duyulan gerilimin motora verilmesini sağlar. Komütasyon algoritmasının gerçeklenmesi için donanımsal ve yazılımsal bileşenlere ihtiyaç vardır. Üç fazlı fırçasız elektrik motorlarını kontrol etmek için üç fazlı eviriciler kullanılır. Üç fazlı evirici bünyesinde bulunan her yarım-köprüde iki adet güç elektroniği anahtarı bulunur ve toplamda üç yarım-köprü için altı adet güç elektroniği anahtarı bulunmaktadır. Endüstride çeşitli tiplerde güç elektroniği anahtarları bulunmaktadır. Maliyet, gerilim, akım ve anahtarlama frekansı göz önünde bulundurularak bu tez çalışması için MOSFET kullanılmasına karar verilmiştir. Seçilen güç anahtarlarını sürmek için sürücü devresine ihtiyaç vardır. Literatürde çok çeşitli güç anahtarı sürme devreleri bulunmaktadır. Tez kapsamında maliyet göz önünde bulundurularak bootstrap tekniği kullanılmasına karar verilmiştir. Bu kapsamda, ilgili sürücü devreleri tasarlanmıştır. Daha sonra tasarlanan devreler Multisim programı üzerinde test edilmiş ve gerçeklenmiştir. Motor kontrol algoritmalarında evirici girişindeki gerilimin, motorun pozisyonunun ve motorun faz akımlarının ölçülmesi gerekmektedir. Tez kapsamında tasarlanan sürücüde kullanılmak üzere gerekli bütün ölçümleri yapacak şekilde sensörler seçilmiştir. Eviricilerin her bir yarım-köprü devresinde bulunan üst ve alt anahtarlar aynı anda açık olamaz. Bu durum, eviricinin her bir yarım-köprü devresinin iki farklı durumda olabilmesine yol açar. Motor kontrol algoritmaları motorun her bir fazının bağlı olduğu yarım-köprü devresinde bulunan üst veya alt anahtarı doğru anda iletime geçirerek motoru kontrol etmeyi amaçlar. Literatürde farklı bir çok motor kontrol algoritması bulunmaktadır. Bunların en basiti, altı-adım kontroldür. Bu kontrol algoritmasında bir elektriksel tur altı evirici durumu kullanılarak taranmakta ve motorun dönmesi sağlanmaktadır. Sayısal kontrol yönteminde ise kontrol algoritması eviriciyi arzu edilen genlikte ve frekansta sinüs gerilimlerini üretmek amacıyla kontrol etmektedir. Bu yöntem daha çok açık çevrim kontrol olarak karşımıza çıkmakta ve endüstriyel uygulamalarda asenkron motorun hız kontrolünün herhangi bir sensör gerektirmeden uygulanmasında kullanılmaktadır. Vektör kontrol yöntemi rotor akısı düzleminde gerçekleştirilmektedir. Sinüsoidal olan motor büyüklükleri rotor akısının açısı kullanılarak D ve Q ekseni olarak adlandırılan büyüklüklere dönüştürülür. Vektör kontrol algoritması arzu edilen torku üretmek için gerekli olan D ve Q eksen stator akımlarını hesaplar. Bu akımları sağlamak için gerekli olan D ve Q eksen stator gerilimleri akım kontrolörleri vasıtasıyla elde edilir. Elde edilen D ve Q eksen stator gerilimleri rotor akısı açısı kullanılarak tekrar sinüsoidal gerilimlere dönüştürülür ve evirici kullanılarak darbe-genişlik modülasyonu sinyalleri olarak motora uygulanır. Bu tez çalışmasında, yüzey mıknatıslı senkron motoru kontrol etmek için vektör kontrol algoritması seçilmiş ve vektör kontrol algoritmasını hesaplayacak olan yazılım tasarlanmıştır. Daha sonra tasarlanan yazılım ve donanım kullanılarak vektör kontrol yöntemi ile yüzey mıknatıslı senkron motorun hız ve konum kontrolü gerçekleştirilmiştir. Vektör kontrol yönteminde en az iki en çok ise dört farklı kontrolör bulunmaktadır. Bu kontrolörler D eksen ve Q eksen akım kontrolörleri, hız kontrolörü ve pozisyon kontrolörüdür. Bahsi geçen kontrolörler genellikle PI veya P kontrolör tipi olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu tez kapsamında, yüzey mıknatıslı senkron motorun transfer fonksiyonları verilmiştir. Verilen transfer fonksiyonlarını kararlı yapan bütün PID katsayıları tekil frekanslar kullanılarak hesaplanmıştır. Hız kontrolü yapan bir vektör kontrol şu şekilde çalışmaktadır; referans verilen hız ile motorun hızı karşılaştırılır ve elde edilen hata hız kontrolörüne verilir. Hız kontrolörünün çıktısı tork referansı olur. Bu torku üreten D ve Q eksen stator akım referansları hesaplanır ve motorun faz akımları kullanılarak elde edilen D ve Q eksen stator akımları ile karşılaştırılır. Elde edilen hata akım kontrolörüne girer ve D ve Q eksen stator kontrol gerilimleri elde edilir. Elde edilen gerilimler tekrar faz gerilimlerine dönüştürülerek motora uygulanır. Elde edilen faz gerilimlerini motora uygulamak için bir takım darbe-genişlik modülasyonu algoritmaları kullanılır. Bunların arasından en gelişmiş olanı uzay vektör modülasyonudur. Bu tez kapsamında altı-adım modülasyonu ve klasik uzay-vektörü modülasyonu algoritmaları üzerinde durulmuştur. Uzay vektörü modülasyonu algoritması gerçeklenmiş ve vektör kontrol yöntemi ile birlikte hem simulasyon üzerinde hem de gerçek sistem üzerinde test edilmiştir.
Bu tezin kapsamı, elektrik motoru kontrolünde oldukça popüler olan vektör kontrol yönteminin farklı tipte fırçasız elektrik motorları için ayrıntılı olarak irdelenmesi ve elektrikli araç uygulamalarını göz önünde bulundurarak karşılaştırılmasıdır. İrdenelenen vektör kontrol yöntemlerinden biri olan ve yüzey mıknatıslı senkron motorların kontrolü için önerilen vektör kontrol algoritması ile birlikte tez kapsamında tasarlanan evirici devresi kullanılarak düşük maliyet ve basitlik dikkate alınarak sürücü tasarımı yapılmıştır. Tasarlanan sürücü kullanılarak bir yüzey mıknatıslı senkron motorun hız ve pozisyon kontrolü yapılmıştır. Bunlara ek olarak tekil frekanslar yöntemi verilmiştir ve vektör kontrol algoritmasında kullanılan kontrolörlerin farklı bakış açısıyla kararlılık analizi yapılmıştır. Bunların akabinde verilen kontrol yöntemlerinin irdelenmesi sonucunda elde edilen bilgiler kullanılarak farklı tipte motorlar için vektör kontrol yöntemlerinin elektrikli araçlar uygulamaları kapsamında karşılaştırılması yapılmıştır ve sonuç kısmında tablo halinde verilmiştir.

Abstract:
The scope of this thesis is mainly designing and implementing motor driver for the three-phase permanent magnet synchronous motors. In this context, related hardware and software designed. The performance of the designed motor driver has been tested with the selected three-phase permanent magnet synchronous motor.
At the present time, the use of the electric motors is increasing day by day. Almost every electronic product from military applications to the space industry, automotive industry, robotic applications, white goods applications, and the industrial automation areas include different types of electric motors. The intensive use of the electrical motors brings the high amount of electricity consuming. For this reason, systems that have electrical motors wanted to be efficient. In this context, improvements both to the electrical motors and the electrical drive control systems are in progress. At the present time, a wide variety of electrical motor types exist. When the three-phase brushless electrical motors are considered, this type of motors can be separated mainly into two big groups. These groups are called as synchronous motors and induction motors. These induction and synchronous motors have advantages and disadvantages against each other. Induction motors have come to the forefront with their durable structures. The rare-earth magnet that increases the cost of the electric motors is not included in the induction motors. This situation makes induction motors the most cheap brushless three-phase motors than the others. The induction motors can be operated by directly connecting to the grid by means of their working theory. Thanks to this, the necessarity of the motor controller can be removed from the system. As a result, induction motor operating costs are also reduced for these type of applications. Induction motors are often used directly connected to the grid in industrial applications, those that require constant speed and low cost. Like the other brushless motors, induction motors also need almost no maintenence. Induction motors use the stator currents in order to produce the rotor flux; for this reason, induction motors work with worse efficient than the brushless motors that have magnets on their rotors. It is observed that induction motors have less power density than permanent magnet motors. Because of that, induction motors have lower power density than permanent magnet motors, permanent magnet motors mostly preferred for the automotive, robotics, military and the space industries. Induction motors are not used in position control applications. This is because induction motors are not suitable for position control because of their working principle. There are lot of different type synchronous motors in the synchronous motors family. Field winding synchronous motors have windings on their rotors. The rotor flux of this type motors is produced by means of the direct current flowing throught the field windings by means of the metal rings. This type of synchronous motors does not include the rare-earth magnets and the rotor flux that is produced by the magnets is produced by the rotor windings. The field winding synchronous machines generally used as a generator at the power plants and generally built as a big and high power machines. Synchronous motors that have rare-earth magnets on their rotors, called as a permanent magnet synchronous motors. The placement of the rare-earth magnets separates the permanent magnet synchronous motors into two main group, first one called as surface magnet synchronous motors and the second one called as interior magnet synchronous motors. The rotor flux is produced by magnets in this type of motors. The motor drivers are necessary for operate the permanent magnet synchronous motors. Because of this type of motors have magnets on their rotors, the production cost generally higher than the other types motors that have no magnet. Permanent magnet synchronous motors are very suitable for applications that need sensitive position, speed, torque control. This type motors also suitable for the applications that need high power density and high efficiency. The rare-earth magnets can be placed either on the surface of the rotor or buried in the rotor. The placement of the magnets creates some different characteristics. The interior magnet synchronous motors create a new torque component called reluctance torque. This torque can be combined with the torque that produced by magnets. This provides the interior magnet motors create more torque with the same amount of the current than the surface magnet synchronous motors. This characteristic makes interior magnet synchronous motors more efficient than the surface magnet synchronous motors. This makes interior magnet synchronous motors are the most popular electric motors for the applications that very sensitive to the efficiency like electric vehicle applications. In addition, because of the reluctance torque, the field weakening capability of the interior magnet synchronous motor higher than the surface magnet motors. Surface magnet synchronous motors have low torque ripples. This characteristic makes the surface magnet synchronous motors very suitable for the servo applications. The reluctance torque component does not exist with surface magnet synchronous motors. The existing only one torque component makes the control of surface magnet synchronous motors easier and cheaper than the interior magnet synchronous motors. The production cost of the surface magnet synchronous motors fewer than the interior magnet synchronous motors. Because of this, surface magnet synchronous motors generally cheaper than the interior magnet synchronous motors. The driver that is designed within scope of the this thesis also includes the position control mode apart from the speed control mode, that's why surface magnet synchronous motor selected in order to test the designed driver's speed and position control performance. Only induction motors can work by directly connecting to the grid. When the brushless three-phase motors do not connect to the grid directly, commutation is needed in order to operate the motors. By means of the commutation, the necessary phase voltages applied to the motor in order to make the correct phase currents flow into the motor windings. The commutation needs the hardware and software parts. The three-phase electric motors work with the power electronic circuits called inverter. The inverters can be controlled by various electric motor control algorithms. The electric motor control algorithm creates the software part of commutations and the inverter ( and several support circuits ) creates the hardware part of the commutation. In this way, three-phase brushless electrical motors are controlled by the inverters. Because of the three-phase electric motors have three phase windings, the inverter must have three half-bridges. There is two power electronic switches for each half-bridges. It means that the three-phase inverter have total six power electronic switches. By considering the cost, rated voltage value, rated current value and switching frequency; MOSFET is selected as power electronic switch type within the scope of this thesis. For the purpose of the switching the power electronics switches the gate drivers are necessary. There are many different kinds of switching methods for switching the power electronic switches in the literature. The bootstrap gate driving method is selected within the scope of this thesis. Within the scope of this thesis, related gate driving circuits are designed, simulated and implemented. In close loop three-phase electric motor control applications it is necessary to measure the inverter input voltage, the rotor position of the motor, and the motor phase currents. Suitable sensors that will sense the terms, that is currents, voltages and rotor position are selected and the corresponding sensing circuits are implemented within the scope of this thesis. The upper and bottom switches of the single half-bridge have not to be short-circuited at the same time. Either only the upper or bottom switch have to be short-circuited at the same time. Short-circuited the bottom and the upper switches at the same time is forbidden because this short-circuit the positive side of inverter to the ground. Because of this, there are only two operational state for each half-bridges. As a result, the motor phases can be connected to the inverter-positive side or the inverter-negative side. Basically, the main purpose of the motor control algorithms is the connect the motor phases to the inverter-positive or inverter-negative side at the correct time. There are a lot of different types of motor control algorithms exist in the literature. The most basic motor control algorithm for brushless motors is so-called six-step control. In this control algorithm, by means of the six different inverter states, one electrical cycle is scanned and this allows the motor to rotate. At the scalar control method, the algorithm controls the inverter in order to produce the sinosoidal phase voltages with the desired amplitude and frequency. Scalar control is generally applied as an open loop control algorithm and used in induction motor driving applications without needing any kind of feedback sensors. Vector control method is one of the most popular control method among the all possible motor control methods. Vector control algorithm works at the rotor flux domain. At the vector control, the sinusoidal quantities of the motor are transformed into the rotor flux domain quantities called D and Q axis quantities by means of the rotor flux angle. Vector control algorithm calculates the necessary D and Q currents in order to provide the desired torque. In order to make the calculated D and Q currents flow through the windings, necessary D and Q voltages are obtained as current controllers outputs. These D and Q voltages are then transformed back to the sinusoidal quantities with the rotor flux angle and applied to the motor phases by using the several modulation techniques with the inverter. The desired torque on the vector control can be output of the speed or the position controllers. In order to control selected surface magnet synchronous motor, vector control is selected, related algorithms (software) designed. Speed control and position control performance are tested within the scope of this thesis. Depends on the application, vector control may have a minimum two, maximum four number of controllers. These controllers are D and Q axis current controllers, speed controller, and position controller. These mentioned controllers are generally P or PI controllers at the vector control algorithm. Within the scope of this thesis, the all transfer functions of the permanent magnet synchronous motors given and the all possible stable coefficient set of the PID controller of the given transfer functions calculated based on the singular frequencies. For the purpose of calculating the all possible stable PID coefficients set for the given transfer functions, the terms of even and odd functions, jacobian matrix and singular frequencies also given. After that, according to the transient and steady state time domain behavior of the transfer functions, PID coefficients were calculated via Matlab. Here's how a vector control algorithm with control the speed of motor works: the reference speed and the actual motor speed are compared and speed error is obtained. This error is an input signal for the speed controller. The speed controller calculate the necessary torque. According to the desired torque, D and Q current references are calculated. Here some different D and Q current reference values calculating method exist. The calculated D and Q axis current references than compared to the actual D and Q currents and current errors are obtained. According to the current errors, control voltages are calculated regarding the current controllers. This control voltages than transformed back to the sinusoidal voltages and applied to the motor phases by means of inverter and pulse-width-modulation techniques. There are different kind of pulse-width-modulation techniques. Among the several pulse-width-modulation techniques, the most common pulse-width-modulation technique is the space-vector modulation technique. Within the scope of this thesis, the classical space-vector modulation algorithm have been worked on and designed. The designed space vector pulse-width-modulation algorithm than simulated and tested on the test system with the real motor. Generally, the main purpose of this thesis is to examine, explain and implement the vector control algorithm in detail. In this sense, vector control algorithms for different types of three-phase electric motors are given. After that, the electric motor driver software and hardware are designed. The design details of the designed driver are given within the scope of this thesis. The simulation results of the given vector control algorithms are given. Real time test results are also given of the designed driver software and hardware within the scope of this thesis. In addition, the controllers used in the vector control algorithm were analyzed from different perspectives by using singular frequencies. Finally, the comparison table for all given three vector control methods of electric motors for electric vehicle applications is given at the result section of the thesis.