Yenilikçi bir aşırı modülasyon tekniği ve kompleks akım kontrolörü tasarımı ile algılayıcısız cer motoru kontrolü
Sensorless traction motor control with innovative overmodulation technique and complex current controller design
Yazar: GÖKHAN ALTINTAŞ
Danışman: DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Evirgeç kontrol sistemi = Inverter control system ; Gerilim kontrolü = Voltage control ; Motor kontrol = Motor control ; Tahrik motorları = Drive motors ; Üç fazlı asenkron motorlar = Three phase induction motors

Özet:
Günümüzde tercih edilen kara yolu ulaşım araçları oldukça gelişmiş yapıdadır. Özellikle elektrikli araçlara olan ilginin artması ve toplumlar tarafından benimsenen çevreci hedefler araştırmaları bu yöne kaydırmıştır. Raylı ulaşımda kullanılan araçların çekiş kuvvetleri elektrik motorları tarafından sağlanmaktadır. Bu motorlar cer motoru olarak adlandırılırken kontrollerinde yüksek kalkış torku, maksimum güç ve geniş bir hız aralığında çalışma hedeflenir. Endüstriyel motor kontrol uygulamalarında klasik akım kontrolörleri, hız-tork hesaplama işlemleri ve modülasyon teknikleri yüksek anahtarlama frekansı sayesinde yeterliyken cer motorlarının kontrolünde yüksek güçten dolayı anahtarlama frekansı kısıtlıdır. Kısıtlanan anahtarlama frekansı dolayısıyla motor kontrol uygulamasında örnekleme frekansı da düşüktür bu durum da kontrol, ölçüm ve çıkış işaretlerinin çözünürlüğünün ve kararlılığının düşük olmasına neden olur. Tüm bunlardan dolayı klasik yaklaşımların dışına çıkmak gerekmektedir. 
Bu tez raylı sistemlerde kullanılan araçlarda hareketi sağlayan cer motorlarının kontrolünde yaşanan problemlerin, zorlukların çözümüne yönelik olarak üç ayrı yaklaşım ortaya koymaktadır. Tez kapsamında yapılan ilk çalışma DA bara geriliminden en yüksek oranda faydalanabilmek için bir modülasyon algoritması tasarımıdır. Modülasyon algoritması uzay vektör darbe genişlik modülasyonunu kare dalgaya kadar genişleterek DA bara geriliminden en yüksek faydalanma oranını sağlar. Yüksek hassasiyet ile çözülmesi gereken uzay vektör denklemlerini doğrusal bölgedeki halleriyle aşırı modülasyon bölgesinde aynı şekilde kullanmak mümkün değildir. Geliştirilen modülasyon algoritmasında doğrusal olmayan bölge iki alt bölgeye ayrılarak ilk bölgede referans gerilim vektörünün genliği düzenlenirken ikinci bölgede hem genlik, hem de açı düzenlenmektedir. Özellikle 2. aşırı modülasyon bölgesinde kararlılığı sağlamak, istenen hassasiyete erişmek, evirici çıkışında düzgün bir gerilim dalga formu elde etmek ve istenmeyen etkileri bastırmak için geliştirilen modülasyon algoritmasında sanal bir "değiştirilmiş açı" terimi ifade edilmiştir. Yeni hesaplanan değiştirilmiş açı, referans gerilim vektörünü, uzay vektörü altıgeni içinde tutarak cer motoru kontrolünün kararlı çalışmasını sağlar. Ayrıca, önerilen yöntem doğrusal modülasyondan aşırı modülasyona ve sonrasında da aşırı modülasyondan kare dalga modülasyonuna kadar düzgün bir çalışma ve çalışma bölgeleri arasında yumuşak bir geçiş sağlar. Önerilen yöntemde örnekleme frekansı, anahtarlama frekansının iki katı olarak seçilmiştir ve böylece modülasyon sinyali hesaplamalarında örnekleme periyodunun yer almaması sağlanmıştır. Hesaplama süresinin düşürülmesiyle kesme tabanlı yazılım akışında kesme süresiyle iç içe geçme durumu yaşanmasının önüne geçilmiş olur. Geliştirilen yöntem dijital kontrol ünitesinde TI C2000 TMS320F28335 işlemcisi üzerinde koşturularak raylı araç cer motoru test düzeneği ile test edilmiştir. Düşük anahtarlama frekansı temelli geliştirilen teorik yaklaşımların deney düzeneğinde elde edilen sonuçlar ile uyumlu olduğu gösterilerek geliştirilen yöntemin performansı değerlendirilmiştir. Geliştirilen yöntem sadece raylı araçlarda kullanılan cer motorlarının kontrolünde değil, otomotiv gibi benzer çekiş kontrol isterlerinin yer aldığı uygulamalar için de uygundur. 
Tez kapsamında gerçekleştirilen ikinci çalışma, cer motorlarında kullanılan hız sensörlerinden kaynaklı sorunları bertaraf edebilmek için sensörsüz cer motoru kontrolü üzerine olmuştur. Asenkron motorlu çekiş sistemlerinde motorlarda kullanılan kodlayıcılardan kaynaklı bozulmalar ve işaret değişimleri meydana gelebilmektedir. Ayrıca bu işaretler filtrelenerek meydana gelen gecikmeler ve bozulmalar yüksek güçlü sistemlerde anahtarlama-örnekleme frekansının düşük olması dolayısıyla cer motoru kontrol algoritmasını özellikle de cer motoru dinamik davranışını oldukça yüksek şekilde etkilemektedir. Ek olarak, tork büyüklüğünün de kestiriminin yapılması ve tren kontrol yönetim sisteminden gelen tork isteğini başarılı şekilde takip edip edemediğini değerlendirilmesi gerekmektedir. Tüm bunlar göz önüne alınarak endüklenen gerilim tabanlı hız ve tork gözleyicisi geliştirilmiştir. Gözleyicide, yalnızca ölçülen faz akımlarını kullanarak endüklenen gerilimi tahmin etmek için asenkron motorun RST-αβ-dq matematiksel modeli kullanılmıştır. Kestirim sürecinin herhangi bir noktasında gecikme etkisi yaratmamak için yazılımsal filtre kullanılmamıştır. Örnekleme frekansı anahtarlama frekansının iki katı seçilerek örneklemenin anahtarlama gürültülerini içermemesi için DGM çıkışlarının etkinleştirilmediği durumlarda gerçekleştirilmesi amaçlanmıştır. Ayrıca, gözleyicinin dört bölgede çalışmasını sağlamak için gözleyiciye otomatik açı düzeltme metodolojisi uygulanmıştır. Bu tarz uygulamaların en büyük problemi olan sıfır hızdan motor kalkışını başarılı bir şekilde sağlayabilmek için bir motor kalkış stratejisi uygulanmıştır. Geliştirilen yaklaşım cer motoru deney düzeneğinde test edilerek sonuçların beklentilerle örtüştüğü görülmüştür. 
Tez kapsamında geliştirilen son çalışma ise cer motoru kontrolünde uygulanan alan yönlendirmeli kontrol stratejisinin en önemli birimi olan akım kontrolörü tasarımıdır. Düşük anahtarlama frekansı/stator besleme gerilimi frekansı oranı, kuvvetli çapraz bağlantı ve yetersiz bozucu performansı nedeniyle klasik PI kontrolörleriyle gerçekleştirilemeyen cer motoru akım kontrolünü gerçekleştirebilmek için değiştirilmiş yapıda bir kontrolör yapısı geliştirilmiştir. Klasik kontrol yaklaşımı dışında kontrol ve sistem modeli kompleks vektör gösterimiyle ifade edilmiştir. Böylece sistem derecesi düşürülerek analizler ve tasarımlar daha uygun şekilde yapılmıştır. Alan yönlendirmeli kontrol stratejisiyle asenkron motor stator akımı birbirinden 90o faz farklı d-q olmak üzere iki akım bileşenine dönüştürüldüğünde senkron hızda dönen eksen takımına geçilmesinden dolayı d ve q gerilim referansı ifadelerinde birbirine etki eden çapraz bağlantı bileşenleri ortaya çıkar. Ayrıca dijital motor kontrol uygulamalarında hesaplamadan, örneklemeden kaynaklı ve DGM doğası gereği gecikmeler mevcuttur. Ek olarak düşük frekanslı ve DA işaretleri bastırmak cer motoru kontrol uygulamasından beklenen çıktılardır. Tüm bunlar göz önüne alınarak düşük anahtarlama-örnekleme frekansı uygulamalarında kullanılabilecek çapraz bağlantı giderme performansı yüksek ve gecikmeleri kompanze edecek bir dijital kompleks akım kontrolörü önerilmiştir. Önerilen kontrolörde çapraz bağlantıyı gidermek için klasik uygulamaların aksine kontrolör iç yapısını düzenleyerek kontrolör sıfırının sistem kutbuna götürülmüştür. Geliştirilen kontrolöre düşük frekanslı ve DA işaretleri sönümleyebilmesi için sistemin toplam direncini artırmak amacıyla aktif sönümleme direnci de eklenmiştir. Akım kontrolörünün başarım testleri farklı çalışma koşullarında cer motoru dinamometresinde gerçekleştirilmiştir. Bir raylı aracın hızlanma, yavaşlama, yüklenme koşulları dinamometrede gerçekleştirilerek akım kontrolörünün iyi sonuçlar verdiği görülmüştür. Geliştirilen kontrolörün yüksek takip performansı, gecikme kompanzasyonu, çapraz bağlantı giderme ve dinamik sertlik özellikleri sayesinde diğer çekiş uygulamalarında ve diğer çekiş motoru türlerinde de başarıyla uygulanabilecek boyutta olduğu gösterilmiştir. 
Sonuç olarak cer motorlarının kontrolünde yaşanan problemler irdelenmiş ve bu problemlerden en önemlilerine yenilikçi yaklaşımlarla çözüm önerilmiştir. DA bara geriliminden maksimum fayda sağlayabilmek için uzay vektör darbe genişlik modülasyonu düşük örnekleme frekansında yenilikçi bir yaklaşımla aşırı modülasyon bölgesine genişletilerek kare dalga modülasyonuna başarılı şekilde geçilmiştir. Cer motorlarının en önemli iki büyüklüğü olan hız ve tork için endüklenen gerilim tabanlı kestirim algoritması tasarlanarak uygulanmıştır. Tasarlanan yapı ile çekiş sistemi maliyeti azaltılabilir ve sensör kaynaklı hatalardan dolayı işletmenin kesilmesi önlenebilir. Düşük anahtarlama frekansı dolayısıyla anahtarlama frekansı/stator besleme gerilimi frekansı oranının düşük olması nedeniyle ortaya çıkan problemleri ortadan kaldırmak için cer motorları kontrolünde kompleks vektörlerle ifade edilen akım kontrolörü önerilmiştir. Önerilen kontrolör çapraz bağlantı giderme ve referans takibi konusunda yüksek performansa sahiptir.

Abstract:
In these days, road transportation is very popular and the vehicles used in road transportation are quite advanced. Especially the increasing interest in electric vehicles and the environmentalist targets adopted by the societies have shifted the researches in this direction. The traction forces of the vehicles used in rail transportation are provided by electric motors. These motors are called traction motors, and their controls are aimed at high starting torque, maximum power and operation in a wide speed range. Railway vehicles are very popular due to factors such as being efficient and comfortable, less troublesome in long-term use and low maintenance costs. While direct current motors were frequently preferred as traction motors in the traction systems of these vehicles many years ago, alternating current machines are now preferred with the developing semiconductor and digital signal processor technology. However control of these machines and power electronic components are not easy as direct current ones. In industrial motor control applications, while conventional current controllers, speed-torque calculation processes and modulation techniques are sufficient thanks to high switching frequency, the switching frequency is limited due to high power in the control of traction motors. Due to the restricted switching frequency, the sampling frequency is also low in the motor control application, resulting in poor resolution and stability of the control, measurement and output signals. For all these reasons, it is necessary to go beyond the classical approaches. 
Control strategies regarding the traction motors are based on different strategies such as field oriented control and direct torque control. Each one has advantages and disadvantages. Field oriented control algorithm is used in most of the traction control systems. The control algorithm is consisted of different modules such as current controller, modulator, observers and so on. Each module can be designed and configured application specific based on requirements and difficulties. 
This thesis presents three different approaches to solving the problems and difficulties experienced in the control of electric locomotive traction motors. The first study within the scope of the thesis is the design of a modulation algorithm in order to increase DC bus voltage utilization. The modulation algorithm extends the space vector pulse width modulation up to a square wave, providing the highest utilization ratio of the DC bus voltage. It is not possible to use the space vector equations that need to be solved with high precision in the same way in the overmodulation region as they are in the linear region. In the developed modulation algorithm, the nonlinear region is divided into two sub-sections and modifying the amplitude of the reference voltage vector in the first region, and both its amplitude and angle in the second region. An imaginary "modified angle" term is expressed in the modulation algorithm developed especially in the 2nd overmodulation region to ensure stability, achieve the desired sensitivity, obtain a smooth voltage waveform at the inverter output, and suppress undesired effects. The newly calculated modified angle keeps the reference voltage vector within the space vector hexagon, ensuring stable operation of the traction motor control. In addition, the proposed method provides a smooth operation and transition between operating zones from linear modulation to overmodulation and then from overmodulation to square wave modulation. In the developed method, the sampling frequency is chosen as twice the switching frequency, so that the sampling period is not included in the modulation signal calculations. By reducing the computation time, aliasing with the interrupt time in interrupt-based software flow is avoided. All the development was provided step by step with mathematical equations. Whole modulation range was implemented up to square wave mode. The developed method was loaded on the TI C2000 TMS320F28335 digital signal processor in the digital control unit and tested with the railway vehicle traction motor test setup. The performance of the developed method was evaluated by showing that the theoretical approaches developed based on low switching frequency were compatible with the results obtained in the experimental setup. The developed method is not only suitable for the control of traction motors used in railway vehicles, but also for applications with similar traction control requirements such as automotive. 
The second study carried out within the scope of the thesis was on sensorless traction motor control in order to eliminate the problems caused by the speed sensors used in the traction motors. In induction motor traction systems, distortions and spikes may occur due to the encoders used in the motors. In addition, delays and distortions caused by filtering these signals affect the traction motor control algorithm especially the dynamic behavior of the traction motor considerably, due to the low switching frequency and low sampling period in high-power systems. In addition, the amplitude of the torque also needs to be estimated and evaluated whether it can successfully track the torque demand comes from the train control management system. Considering all these, an induced voltage-based speed and torque monitor was developed. The RST-αβ-dq mathematical model of the induction motor is used to predict the induced voltage in the observer using only the measured phase currents. In order not to create a delay effect at any point in the estimation process, no software filter was used. By choosing twice the sampling frequency switching frequency, it is intended to be performed in cases where the PWM outputs are not activated so that sampling does not include switching noises. In addition, automatic angle correction methodology has been applied to the observer to ensure that the observer operates in four quadrant. An motor startup strategy has been applied in order to provide motor start from zero speed, which is the biggest problem of such applications. The developed approach was tested in the traction motor experimental setup. Startup performance, dynamometer running performance, torque loading performance and regenerative region performance were evaluated. As the result of the experimental studies conducted, it was seen that the results matched with the expectations. 
The last study developed within the scope of the thesis is the current controller design, which is the most important unit of the field oriented control strategy applied in traction motor control. A modified controller structure has been developed in order to realize the traction motor current control, which cannot be achieved with conventional controllers used in industrial motor drives due to low switching frequency/stator supply voltage frequency ratio, strong cross-coupling and insufficient disturbance performance. Apart from the classical control approach, the control and system model is expressed with complex vector representation. Thus, the system degree was reduced, and analyzes and designs were made more appropriately. When the stator current of the induction motor is converted into two current components, d-q, which is 90o out of phase from each other, with the field-oriented control strategy, cross-coupling components affecting each other arise in the voltage reference expressions d and q due to the transformation to the synchronous reference frame. In addition, the delays are existed due to calculation, sampling and nature of PWM in digital motor control applications. In addition, suppressing low frequency and DC signals are expected outputs from the traction motor control application. Considering all these, a digital complex current controller, which can be used in low switching-sampling frequency applications, has high cross-coupling decoupling performance and can compensate for delays, is proposed. In order to eliminate the cross-coupling in the proposed controller, contrary to classical applications, the controller's internal structure has been arranged and the zero of the controller has been taken to the system pole to provide pole-zero cancellation. Active damping resistor has been added to the developed controller in order to increase the total resistance of the system so that it can dampen low frequency and DC signals. Performance tests of the current controller were carried out on the traction motor dynamometer under different operating conditions. Acceleration, deceleration and loading conditions of a railway vehicle were performed on the dynamometer and it was seen that the current controller satisfied good results. The developed controller has been shown to be a component that can be successfully applied in other traction applications and other traction motor types, thanks to its high tracking performance, delay compensation, cross-coupling decoupling and dynamic stiffness features. 
In conclusion, the problems experienced in the control of traction motors were explored and comprehensive approaches were proposed to solve the most important of these problems. In order to get the maximum utilization from the DC bus voltage, the space vector pulse width modulation was expanded to the overmodulation region with an innovative approach at low sampling frequency, and square wave modulation was successfully achieved. An induced voltage-based estimation algorithm has been designed and applied for speed and torque, which are the two most important dimensions of traction motors. With the designed structure, the cost of the traction system can be reduced and the interruption of the operation due to sensor-related errors can be prevented. In order to eliminate the problems caused by low switching frequency and low switching frequency/stator supply voltage frequency ratio, a current controller expressed with complex vectors has been proposed in the control of traction motors. The proposed controller has high performance in cross-coupling decoupling and reference tracking.