Sürekli mıknatıslı senkron motorun doğrusal olmayan denetleyici ile sensörsüz hız denetimi: Lyapunov yaklaşımı
Sensorless speed control of a permanent magnet synchronous motor with nonlinear controller: Lyapunov approach
Yazar: AHMET İLKKAN AÇIKGÖZ
Danışman: DOÇ. DR. İBRAHİM ALIŞKAN
Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Doğrusal olmayan kontrol teorisi = Nonlinear control theory ; Güç elektroniği = Power electronics ; Motor kontrol = Motor control ; Sürekli mıknatıslı senkron motorlar = Permanent magnet synchronous motors

Özet:
Bu tezde alan yönlendirmeli kontrol tekniği (AYK) ile sürekli mıknatıslı senkron motorun (SMSM) sensörsüz kontrolünde kalıcı durum hız hatasının en aza indirgenmesi üzerine odaklanılmıştır. Bunun için hız hatasını içeren bir Lyapunov aday fonksiyonu tanımlanmış ve Lyapunov teorisi tabanlı (LTT) hız denetleyicisi tasarlanmıştır. Bu denetleyici, genişletilmiş kalman filtresi (EKF) ile SMSM' nin sensörsüz hız kontrolünde kullanılmıştır. Bu çalışmanın özgün yönü EKF algoritması ile sensörsüz SMSM kontrolünde doğrusal olmayan denetleyicilerin referans hız fonksiyonu olarak yumuşatıcı ön filtre kullanılması durumunda stabil çalışmasının garanti edilmesidir. Ön filtre tasarımı, basamak cevap karakteristiklerinden biri olan oturma zamanına negatif bir etki yapmayacak şekilde gerçekleştirilmiştir. Karşılaştırma için oransal integral (PI) hız denetleyicisi tasarlanmıştır. PI hız denetleyici katsayıları kutup atama yöntemi ile belirlenmiştir. Bunun için denetleyiciyi istenilen sönüm oranı ve seçilmiş frekansta çalıştıracak PI katsayıları hesaplanmıştır. SMSM' nin AYK tekniği ile EKF algoritması kullanılarak sensörsüz kontrolü, PI ve LTT hız denetleyicileri ile ayrı ayrı tasarlanmış ve MATLAB/Simulink ortamında benzetim çalışmaları yapılmıştır. PI ve LTT hız denetleyicileri için kararlılık analizi yapılmıştır. LTT hız denetleyicisinde kullanılan referans hızın türevinin tanımsız olduğu aralığı ortadan kaldırmak için sisteme yumuşatılmış referans hız uygulamaya olanak veren alçak geçiren bir filtre tasarlanmıştır. Dört farklı benzetim modellenmiştir. İlk benzetimde sabit yük torku altında ön filtresiz referans hız, basamak fonksiyonu ile her iki yönde değiştirilmiştir. İkinci benzetimde sabit yük torku altında ön filtreli referans hız basamak fonksiyonu ile her iki yönde değiştirilmiştir. Ayrıca gürbüzlük testi olarak yük tork bozukluğunu modellemek için sabit ön filtreli referans hız altında referans yük değişimlerini içeren üçüncü bir benzetim ve stator sargı direncindeki olası değişiklikleri modellemek için dördüncü bir benzetim yapılmıştır. İlk iki benzetimde Ön filtreli ve ön filtresiz PI hız denetleyicileri karşılaştırılmıştır. İkinci ve üçüncü benzetimlerde ise EKF algoritmasıyla desteklenen PI ve LTT hız denetleyicilerinin kalıcı ve geçici rejim cevapları incelenmiştir. Son benzetimde ise stator sargı direncindeki değişim anında hız denetleyicilerinin geçici rejim tepkileri incelenmiştir. Her iki hız kontrol denetleyicisinde EKF algoritmasıyla tahmin edilen d-q eksen akımları, rotor konumları ve rotor hızları için grafikler oluşturulmuştur. Denetleyicilerin EKF algoritmasıyla tahmin edilen hızları; hıza ait oturma zamanı (ST), üst aşım değeri (OSV) ve zamanı (OST), alt aşım değeri (USV) ve zamanı (UST), maksimum hata (ME), ortalama mutlak hata (MAE), ortalama karesel hatanın karekökü (RMSE), örnek küme varyansı, standart sapması, zaman ağırlıklı mutlak hataların integrali (ITAE) performans kriterleri ile karşılaştırılmıştır. Önerilen LTT denetleyicisi ile, hızın geçici ve kararlı durum yanıtı hem referans hız değişimi sırasında hem de referans tork değişimi sırasında iyileştirilir. Sonuçlar şekil ve çizelgelerde verilmiştir.

Abstract:
In this thesis, with field-oriented control technique (FOC), the focus is on minimizing the steady state speed error in sensorless control of permanent magnet synchronous motor (SMSM). For this purpose, a Lyapunov prospective function involving the velocity error is defined and a velocity controller Based on Lyapunov theory (BLT) is designed. This controller with extended Kalman filter (EKF) is used in SMSM's sensorless control. The original aspect of this study is to ensure stable operation of nonlinear controllers in the case of usage of a smoothing pre-filter as a reference speed function under the control of sensorless SMSM with EKF algorithm. The pre-filter design has been carried out in such a way that it does not have a negative effect on the settling time, which is one of the performance indexes of response of a system. Proportional integral (PI) speed controller is designed for comparison. PI speed controller coefficients are determined employing the pole assignment method. For this purpose, PI coefficients that will operate the controller at the desired damping ratio and selected frequency are calculated. The sensorless control of SMSM with FOC technique through EKF algorithm is separately designed with PI and BLT controllers and then simulation studies are carried out in MATLAB / Simulink environment. Stability analysis is carried out for PI and BLT speed controllers. In order to eliminate the range in which the derivative of the reference speed used in the BLT speed controller is undefined, a low pass filter which enables the system to apply a smoothed reference speed is designed. Four different simulations are modelled. In the first simulation, without pre-filter, reference speed under constant load torque is changed in both directions with step function. In the second simulation, filtered reference speed under constant load torque is changed in both directions with step function. In addition, a third simulation containing reference load changes under a constant filtered reference speed is made to model the load torque disturbance as a robustness test , and a fourth simulation is performed to model possible changes in stator winding resistance. In the first two simulations, PI speed controllers with and without a pre-filter are compared. In the second and third simulations steady state responses and transient responses of PI and BLT speed controllers supported by EKF algorithm are investigated. In the last simulation, the transient responses of the speed controllers are investigated when the stator winding resistance changes. Figures are created for d-q axis currents, rotor positions and rotor speeds estimated with EKF algorithm in both speed control controllers. The speed of the controller estimated with EKF algorithm is compared to settling time (ST), overshoot value (OSV), overshoot time (OST), undershoot value (USV), undershoot time (UST), maximum Error (ME), mean absolute error (MAE), root mean squared error (RMSE), sample variance, standard deviation and integral of time weighted absolute error (ITAE) performance criteria. With the proposed BLT controller, the transient and steady state response of the speed is improved both during reference speed change and during reference torque change. The results are given in figures and tables.