Sürekli mıknatıslı senkron motorun FPGA ile konum tahmin yöntemi ile alan yönlendirmeli kontrollü sürücü tasarımı ve gerçeklenmesi
Design and implementation of pmsm driver controlled by field oriented control method with using FPGA and position estimation method
Yazar: ALİCAN YILDIZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT YILMAZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Elektrik makineleri = Electric machinery ; Sürekli mıknatıslar = Permanent magnets

Özet:
Teknolojinin ilerlemesi ile birlikte elektrik makineleri ve elektrik makinelerini kontrol eden sistemler gelişmektedir. Bu gelişmelere bağlı olarak yüksek verimli, yüksek güç-ağırlık oranına sahip ve bakım maliyeti olmayan, yüksek güvenilirlikli, sürekli mıknatıslı senkron motorlar piyasada yaygın olarak kullanılan asenkron motorları ve doğru akım motorlarının yerini almaya başlamıştır. Tüm bu üstünlüklerinden dolayı literatürde sürekli mıknatıslı senkron motorun kontrolü ile ilgili çalışmalar artmıştır. Mevcut topolojiler geliştirilerek kontrol yöntemi verimi arttırılmakta ve kontrolcü maliyeti azaltılmaktadır. Sürekli mıknatıslı senkron motorlarda rotor yüzeyine ya da rotor içine yerleştirilen sürekli mıknatıslar endüvi alanını oluşturarak, motorun dönmesi için gerekli olan uyarma akısını oluşturmaktadır. Bu özelliği ile doğru akım motorlarında kullanılan fırça-kolektör düzeneğinin gerektirdiği yapı yerine elektronik komutasyon yöntemi kullanılarak, fırça-kolektör düzeneğinin yarattığı kıvılcım ve kayıpların önüne geçilmiş olur. Böylece verimin artması sağlanır. Ayrıca, fırça-kolektör düzeneğinin aşınması ile oluşan bakım gerekliliği de sürekli mıknatıslı senkron motorda önlenmiş olur. 
Sürekli mıknatıslı senkron motorlar elektronik komutasyon ile sürülmek zorundadır. Elektronik komutasyon eviriciler ile sağlanmaktadır. Sürekli mıknatıslı senkron motorlar genelde üç fazlı sistemler olduğu için üç fazlı evirici ile komutasyonu sağlanır. 
Sürekli mıknatıslı senkron motorlarda faydalı moment üretilmesi için rotorda mıknatısların oluşturduğu manyetik alana dik bir manyetik alan oluşturulması gerekmektedir. Bu nedenle rotorun konumunun bilinmesine ya da tahmin edilmesine ihtiyaç vardır. Bunun için konum geri besleme elemanlarına (konum algılayıcılarına) ya da konum tahmin algoritmalarına ihtiyaç duyulmaktadır. Konum geri besleme elemanlarının başlıcaları; Hall Effect algılayıcılar, enkoder elemanları, resolver elemanları, takogeneratörler olmaktadır. Bu algılayıcılardan Hall Effect algılayıcılar dışındaki algılayıcılar, maliyetinin fazla olması, boyutlarının büyük ve ağır olması, güvenilirliğinin az olması gibi nedenlerden dolayı tercih edilmemekle birlikte, algılayıcısız konum tahmin algoritmalarına yönelim artmıştır. Ayrıca, sürekli mıknatıslı senkron motorların zıt elektromotor kuvvetinin dalga şekli sinüzoidal olmakta ve stator faz akımlarının sinüzoidal dalga şekline sahip bir akım ile sürülmesi gerekmektedir. Bu nedenle, sürekli mıknatıslı senkron motorlar, hassas rotor konumu bilgisine ihtiyaç duymaktadır. Hall Effect algılayıcılar ise, hassas rotor konumu bilgisi veremediğinden, sürekli mıknatıslı senkron motorlar için yeterli olmamaktadır. Ancak, Hall Effect algılayıcılarından yararlanılarak, hassas konum tahmini yapan algoritmalar ile sürekli mıknatıslı senkron motorlar düzgün bir şekilde sürülebilir. Hall Effect algılayıcılarından yararlanılması ile, hem algılayıcısız konum tahmin yöntemlerinin karmaşıklığı, motor parametrelerine bağımlılığı gibi dezavantajlarının önüne geçilmekte, hem de konum geri besleme elemanlarının yüksek maliyeti, büyük boyut ve ağırlığı gibi dezavantajları ortadan kaldırılmaktadır.
Algılayıcısız motor kontrol algoritmaları genellikle, sürekli mıknatıslı senkron motorun hız kontrolü uygulamalarında kullanılmakta olup, hassas konum kontrolü gerektiren, servomotor gibi konum kontrol uygulamalarında kullanılamamaktadır. Çünkü konum kontrol uygulamalarında sürekli mıknatıslı senkron motorlar genellikle sabit bir konumda tutulduğu için rotor hızı sıfır veya sıfıra yakın olmaktadır. Ayrıca, konum kontrol uygulamalarında hassas konum kontrolü yapılırken rotorun ilk konumunun bilinmesi önemlidir. Algılayıcısız konum tahmini algoritmalarında ilk konumun bilinmesi hiç de kolay değildir.
Motor kontrol yöntemi uygulamalarında, kontrolcü tümdevresi olarak alanda programlanabilir kapı dizileri (FPGA) kullanılması pek yaygın bir uygulama değildir. FPGA'nın mikroişlemcilere göre fiyatlarının yüksek olması, yüksek hızlı tümleşik devreler için donanım tanımlama Dili (VHDL) kodunun yazımının zor olması gibi nedenlerden dolayı mikroişlemci uygulamaları daha yaygındır. Ancak FPGA'nın yüksek güvenilirlikli olması, paralel ve fonksiyon bağımsız işlem yapma kabiliyeti, mikroişlemciler gibi kilitlenmediği için güvenlik zamanlayıcısı (watchdog) tümdevrelerine ihtiyaç duymaması nedenleri ile özellikle askeri, havacılık ve uzay uygulamalarında sıklıkla tercih edilmektedir.
Bu çalışmada, sürekli mıknatıslı senkron motorlar için Hall Effect algılayıcılardan yararlanılarak rotor konumunun tahmin edildiği, bir alan yönlendirmeli kontrolcü tasarımı, üretimi ve testi yapılmıştır. Kontrolcü tümdevresi olarak FPGA kullanılmıştır. Histerezis ve sinüzoidal darbe genişlik modülasyonlu (SPWM) alan yönlendirmeli kontrol yöntemi tasarlanmış, VHDL kodu yazılmış, motor sürücü devresi üretilmiş kontrolcü ile sürekli mıknatıslı senkron motor deneysel olarak test edilmiştir.

Abstract:
Electrical machines and their control systems are developing with the advancement of technology. High efficiency, high power-to-weight ratio and maintenance-free, high reliability permanent magnet synchronous motors has started to take places of asynchronous motors and direct current motors due to depending on these developments. Because of all these advantages, studies on the control of permanent magnet synchronous motor are increased in literature. As developing existing topologies makes control method efficiency increased and control cost reduced. At permanent magnet synchronous motors, permanent magnets, which are placed on the rotor surface or in the rotor, produce the excitation flux required for the rotation of the motor by producing armature field. With this feature, instead of the structure required by the brush-collector assembly used in direct current motors, using electronic commutation prevents arches and losses caused by brush-collector assembly. Thus, efficiency is improved. Also, the need for maintenance caused by wear of the brush-collector assembly, at permanent magnet synchronous motors is avoided. 
Permanent magnet synchronous motors must be driven by electronic commutation. Electronic commutation is provided by inverters. Since permanent magnet synchronous motors are generally three-phase systems, they are commutated by a three-phase inverter.
In order to produce a useful moment for permanent magnet synchronous motors, a magnetic field perpendicular to the magnetic field generated by the magnets in the rotor must be produced. Therefore, the position information of the rotor needs to be known or estimated. This requires position feedback elements (position sensors) or position estimation algorithms. The main elements of the position feedback elements are; Hall Effect sensors, encoders, resolvers and tachogenerators. Due to their high cost, large and heavy dimensions and low reliability, the position sensors, except Hall Effect sensors, are not preferred and tendency to sensorless position estimation algorithms has increased. Furthermore, the Hall Effect sensors are not sufficient for permanent magnet synchronous motors. Permanent magnet synchronous motors require precise rotor position information, because the waveform of the back electromotive force of the permanent magnet synchronous motors is sinusoidal, and the stator phase currents need to be driven by a sinusoidal waveform. However, by using Hall Effect sensors, permanent magnet synchronous motors can be driven smoothly with algorithms for precise position estimation. By using Hall Effect sensors, the disadvantages such as the complexity of sensorless position estimation methods, dependence on motor parameters are avoided and disadvantages such as costly, bigger and heavier position feedback elements are eliminated. 
Sensorless motor control algorithms are often used in speed control applications of a permanent magnet synchronous motor and cannot be used in position control applications such as servomotor, which require precise position control. Because, permanent magnet synchronous motors are generally kept in a fixed position, so rotor speed is zero or close to zero in position control applications. It is also important to know the initial position of the rotor when performing precise position control in position control applications. It is not easy to know the first position in sensorless position estimation algorithms. 
In motor control applications, it is not common to use FPGA as a controller integrated circuit. Microprocessor applications are more common due to the high prices of FPGAs compared to microprocessors and the difficulty of writing VHDL code. However, FPGAs are preferred especially in military, avionics and aerospace applications because of its high reliability, ability to perform parallel and function independent processes, and no need for watchdog integrated circuits which is used in microprocessors applications when microprocessors are stacked.
In this thesis, a field oriented controlled system for a permanent magnet synchronous motor where the rotor position is estimated by using Hall Effect sensors is designed, produced and tested. FPGA is used as controller IC. Hysteresis and sinusoidal pulse width modulated field oriented control methods are designed, VHDL code is written, motor driver circuit is produced and the permanent magnet synchronous motor with the controller is experimentally tested.
In this thesis, the waveform of the phase currents was investigated experimentally and the waveform of the phase currents are observed to be sinusoidal waveform and it has been seen that the position estimation algorithm obtained by using Hall Effect sensors works correctly. It has been observed that the moment and current ripples of the sinusoidal pulse width modulated field-oriented control method is less than that of the hysteresis modulated field-oriented control method. The permanent magnet synchronous motor was operated at 8000 rpm in both methods and was able to perform its load and no load conditions performance accurately.
The controller system consists of one controller board. The controller board includes FPGA as a controller integrated circuit, ADCs for measuring current and voltage, a three-phase inverter structure, a MOSFET driver to control switches on a three-phase inverter, and an RS422 circuit to communicate with the controller. All these structures are designed and manufactured in the control board. The controller board input voltage is designed to operate in the 15-30V range and the nominal current value that can be drawn from the input is designed to provide 6A value. The control board also has reverse voltage and short circuit protection.
In the design process of the controller board, firstly schematic design was made and then printed circuit board design was made. Altium program was used for schematic and printed circuit board design. In the production stage, the ordered printed circuit board and components are assembled with an assembly machine. Connectors are provided and the connectors are wired. 
The position of the Hall Effect sensors is used to estimate the rotor position and the rotor speed value was calculated from the change of the Hall Effect sensors. Using the calculated rotor speed value, the rotor position was estimated by linear estimation method. In the linear estimation method, first and second order estimation was made separately and the results of these estimations were compared with simulations by using MATLAB/Simulink tool.
The design and simulation of hysteresis field oriented control method and Sinusoidal pulse width modulated field oriented control methods were performed in MATLAB/Simulink tool. According to the results, the design was optimized. The design was converted to VHDL code from MATLAB/Simulink environment for FPGA integrated circuit with the MATLAB/HDL Coder tool and the programming file was created. FPGA was programmed with the programming file, test setup was established for the experimental results and tests were performed.
According to the experimental results, the rotor position is predicted properly by the first order linear estimation algorithm and the current applied to the motor phases is sinusoidal. When the input voltage is 24 V, it is seen that the current drawn by hysteresis field directed control method is 170 mA at no load condition and at 8000 rpm rotor speed value. Under the same conditions, the current drawn by sinusoidal pulse width modulated field oriented control method was observed to be 150 mA. In addition to that, current ripple was observed to be ± 0.6 A in hysteresis field oriented control method and ± 0.15 A in sinusoidal pulse width modulated field oriented control method.