Asenkron motorun sayısal işaret işleyici tabanlı vektör kontrolü
Digital signal processor based vector control of induction motor
Yazar: İBRAHİM ERTÜRK
Danışman: YRD. DOÇ. DR. YÜKSEL ÖZBAY
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2006
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu çalışma asenkron motorun sayısal işaret işleyici tabanlı hız algılayıcısızvektör kontrolünü inceleme amacıyla yapılmıştır. Öncelikle bu konuyla ilgili dahaönce yapılmış çalışmalar araştırılmıştır. Çalışmamızda uygun bir vektör kontrolyöntemi bulunması için incelenen kaynaklarda kullanılan vektör kontrol yöntemleriçeşitli simülasyon yazılımları üzerinde test edilmiştir.Daha sonra, simülasyon çalışmalarında, farklı simülasyon yazılımları ve buyazılımların sağladığı simülasyon yöntemleri incelenmiştir ve simülasyonçalışmasında kullanılacak simülasyon yöntemi ve uygun yazılım araştırılmıştır.Simülasyon yazılımı ve yöntemi seçilirken simülasyon hızına, programınkararlılığına ve simülasyon çalışması sonucunda elde edilen verilerin incelenmesiiçin kullanılan araçlara dikkat edilmiştir. Böylece simülasyon içinMATLAB/SIMULINK yazılım paketi ve C S-Function kullanılmasına kararverilmiştir.Simülasyon ortamında test edilen vektör kontrol yöntemlerinin pratikte de testedilebilmesi için asenkron motora ve DSP tabanlı sürücüye ihtiyaç duyulmuştur.Sürücü sistemden beklenen en önemli özellik düşük-maliyettir. Sürücü sistem içintest amaçlı kullanılabilecek bir DSP kartı araştırılmıştır ve TMS320F243 sabit-noktalı DSP içeren düşük-maliyetli bir kart satın alınmıştır. Bu DSP kartla uyumlubir motor kontrolör kartı piyasada mevcut olmasına rağmen, oldukça pahalıolduğundan daha düşük-maliyetli benzer bir kart tasarlanmış ve imal edilmiştir.Böylece, araştırılan kaynaklarda verilen vektör kontrol yöntemlerini hem simülasyonortamında hem de pratikte test etme imkanı sağlanmıştır.Kaynak araştırması sırasında, hız algılayıcısız vektör kontrolünde rotor hızı vedurum değişkenleri ile makine parametrelerinin kestirilmesi için genellikle ModelReferans Adaptif Sistem (MRAS) ve gözetleyici tabanlı yöntemlerle karşılaşılmıştır.iiÇalışmamızda, öncelikle diğerlerinden daha basit algoritması olan MRAS üzerindedurulmuştur. Rotor hız kestirimi için MRAS kullanan vektör kontrol yöntemlerisimülasyon ortamında düşük rotor hızları haricinde iyi sonuçlar vermiştir. Fakatpratikte anlamlı sonuçlar elde edilememiştir.kinci olarak Genişletilmiş Kalman Filtresi (EKF) içeren gözetleyici tabanlıkestirim yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntem karmaşık bir algoritma gerektirir. Fakatparametre değişimlerine ve ölçüm gürültülerine karşı bağışıklığı nedeniyle hemsimülasyon ortamında hem de pratikte sıfırdan nominal değerine kadar tüm rotorhızlarında uygun sonuçlar vermiştir.Denemelerden sonra, vektör kontrol için gerekli tüm verilerin stator akımlarıile inverter DC besleme voltajı ölçümleri yardımıyla EKF tabanlı gözetleyicitarafından kestirilen hız algılayıcısız doğrudan vektör kontrol yöntemi kullanılmasınakarar verilmiştir. Önerilen yöntem simülasyon ortamında ve pratikte test edilmiştir.Önerilen yöntem her rotor hızında ve değişik yük şartları altında kararlı olmuştur.Ayrıca önerilen yöntem referans rotor hızının ve yükünün değişimlerine karşı iyi birdinamik performans sergilemiştir.Hız kestiriminde ortalama yaklaşık % 2.5 olarak bulunmuştur ve referans rotorhızının ve yükünün değişimlerine karşı ortalama cevap zamanı yaklaşık 300 ms dir.Bundan başka, kestirilen hız referans hızı ile tam olarak aynıdır. laveten, önerilenEKF tabanlı kestirim yöntemi sabit v/f orantısına dayanan altı-adım inverter ile testedilmiştir ve rotor hızının kestirimi önerilen yöntem tarafından doğru bir şekildeyapılmıştır ve bu uygulamalarda arzulanan sonuçlar elde edilmiştir.Anahtar Kelimeler : Asenkron motor, alan yönlendirme kontrolü, algılayıcısızkontrol, vektör kontrol, DSP, Kalman Filtresi, MRAS, C S-Funtion.

Abstract:
This study was conducted to examine Digital Signal Processor (DSP) basedspeed sensorless vector control of induction motor. Firstly, previously conductedstudies related with this subject were investigated. Used vector control methods inexamined resources were tested on various simulation softwares to find suitablevector control method for our application.Nextly, in simulation studies, different simulation softwares and simulationmethods that provided by these softwares were examined and suitable software andsimulation method that will be used in simulation study were investigated. Whileselecting simulation software and method, simulation speed, stability of program andexamining tools used for obtained data from simulation study were considered. Thus,use of MATLAB/SIMULINK software package and C S-Function was decided forsimulation.To test vector control methods that were tested on simulation environment inpractice, induction motor and DSP based driver were required. Most importantproperty that expected from driver system is low-cost. A DSP card that can be usedas test purpose was investigated for drive system and low-cost card that includedTMS320F243 fixed-point DSP was bought. Additionally, a motor controller card thatis suitable with this DSP card is available on the market. But, since it is extremelyexpensive, low-cost card that is similar to this card was designed and built in thisstudy. Thus, the possibility of testing given vector control methods in investigatedresources was provided in simulation environment and practice.While examining literature, generally Model Reference Adaptive System(MRAS) and observer based methods were encountered to estimating rotor speed,state variables and machine parameters in speed sensorless vector control. In ourstudy, firstly MRAS whose algorithm is simpler than others was considered. Vectoriicontrol methods that use MRAS to rotor speed estimation gave good results insimulation environment except for lower rotor speed. But any meaningful resultswere not obtained in practice.The secondly, observer based estimating method that included ExtendedKalman Filter (EKF) was used. This method requires a complex algorithm. But,because of its immunity to parameter variations and measuring noise, it gave suitableresults in simulation and practice for every rotor speed from zero to nominal value.After the experimentations, the use of speed sensorless direct vector controlmethods that requires information estimated by EKF based observer that uses statorcurrent and inverter supply voltage measurement was decided. Proposed method wastested in simulation environment and practice. It was stable on every rotor speed andunder different load condititions. Furthermore, it was exhibited good dynamicperformance against the variations of reference rotor speed and load.Average error on speed estimation was found to be about 2.5% and averageresponse time against to variations of reference rotor speed and load was about 300ms. Furthermore, estimated speed was exactly the same with reference rotor speed.In addition, proposed EKF based estimating method was tested with six-step inverterbased on fixed v/f ratio and estimate of rotor speed was accurately made byproposed method and desired results were obtained in these applications.Key Words : Induction motor, field oriented control, sensorless control, vectorcontrol, DSP, Kalman Filter, MRAS, C S-Funtion.