Vektör kontrollü hız sensörsüz asenkron motor için HFSTSMC hibrit denetleyici ve AGSTSMO hız gözlemci tasarımı
HFSTSMC hybrid controller and AGSTSMO speed observer design for vector controlled speed sensorless induction motor
Yazar: ABDÜLHAMİT NURETTİN
Danışman: PROF. DR. NİHAT İNANÇ
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Alan yönlendirme = Field orientation ; Asenkron motorlar = Induction motors ; Bulanık mantık = Fuzzy logic ; Kayan kipli denetim = Sliding mode control

Özet:
Bu tez çalışmasında, rotor akı yönlendirmeli yöntemi ile kontrollü üç fazlı asenkron motor (IM) için hibrit bulanık üstün burulma kayan kipli denetleyici (HFSTSMC) şeması tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir. Üstün burulma kayan kipli kontrol (Super twisting sliding mode control STSMC); izleme doğruluğunu ve dayanıklılığını etkilemeden, geleneksel kayan kipli kontrolde bulunan titreşim (chattering) sorununu sınırlamak için potansiyel bir çözüm olarak kullanılmıştır. STSMC şeması; kayma yüzeyinin herhangi bir türevinin bilgisine ihtiyaç duymayan, değiştirilmiş ikinci mertebeden bir kayan kipli kontrol (SOSMC) şemasıdır ancak, kontrol yasasında bulunan kazanç değerlerinin titreşimi azaltma ve dinamik performansı iyileştirmede önemli bir etkisi vardır. Bu nedenle, bu kazançları en uygun şekilde ayarlamak için bulanık mantık kontrol (FLC) yaklaşımına dayalı olarak sağlam bir hibrit HFSTSMC denetleyici önerilmiştir. Bulanık mantık denetleyicisi; yüksek dinamik performansına, yüksek dayanıklılığa, izleme doğruluğuna ulaşmak, titreşim sorununun azaltılmasını sağlamak için hem geçici hem de kararlı durumlarında sistemin durumuna göre kazanç değerini ayarlamak için bir gözetmen denetleyici olarak kullanılmıştır.
Elektrikli sürücü algoritmalarının performansının dayanıklılığını ve dengesini arttırmak için, motor eksenine bağlı mekanik veya optik sensörler kullanmak yerine motor hızını tahmin etme yöntemleri kullanılmıştır. Bu nedenle, bu tez çalışmasında; çok düşük ve sıfır hızlar da dahil olmak üzere, geniş bir hız aralığında sensörsüz asenkron motor sürücü sistemleri için tahmin doğruluğu ile titreşim sorunu arasında bir denge sağlamak için, uyarlanabilir kazanç üstün burulma kayan kipli gözlemcisinin (AGSTSMO) tasarlanması ve gerçekleştirilmesi amaçlanmıştır.
Kontrol yasasındaki uyarlanabilir kazançların değeri (gözlemci katsayıları), çok düşük ve sıfır hızda çalışmasında doğruluğu artırmak ve titreşimi bastırmak için tahmin edilen değişkenlerin hızlı yakınsamasını sağlamak için Lyapunov kararlılık teorisi kullanılarak ayarlanmaktadır. AGSTSM gözlemci; eşdeğer kontrol tahmin etmede, gecikmeye neden olan geleneksel birinci dereceden kayan kipli gözlemcide olduğu gibi, eşdeğer kontrol yasasını elde etmek için düşük geçişli bir filtre kullanma ihtiyacını ortadan kaldırmaktadır.
Önerilen şemaların geçerliliği, MATLAB/Simulink benzetim modelleri ile DSPACEDS1104 sayısal işaret işlemcisi kullanılarak, deneysel düzeneği ile doğrulanmıştır. Ayrıca benzetim modelleri ve deneysel devresinden elde edilen sonuçlar karşılaştırılarak sistemin doğruluğu gösterilmiştir. Önerilendenetleyicinin geleneksel ve gelişmiş denetleyicilerle karşılaştırılmasıyla elde edilen benzetim ve deneysel sonuçlar, önerilen denetleyicinin; yüksek dinamik performansa, yüksek dayanıklılığa, izleme doğruluğuna ve titreşim sorununun azaltılmasına sahip olduğunu kanıtlamıştır. Ayrıca önerilen gözlemci için STSM gözlemcisi ile karşılaştırılarak elde edilen benzetim ve deneysel sonuçları, önerilen gözlemcinin mükemmel tahmin hassasiyetine ve aynı anda titreşim giderme kabiliyetine sahip olduğunu, böylece motor parametrelerindeki sapmalara karşı dayanıklılığı arttırdığını göstermiştir.

Abstract:
The purpose of this thesis is to design and implement a new scheme of a hybrid fuzzy super-twisting sliding mode controller (HFSTSMC) for a three-phase induction motor (IM) controlled by the rotor flux orientation technique. Super-twisting sliding mode control (STSMC) is employed as a potential solution to limit the inherent chattering effect in the conventional sliding mode control without affecting the tracking accuracy and robustness. STSMC is employed as a potential solution to limit the inherent chattering effect in the conventional sliding mode control without affecting the tracking accuracy and robustness. STSMC scheme is a modified second-order sliding mode control (SOSMC) scheme that does not need the information of any derivative of the sliding surface, but the gain values found in the control law have a significant effect on chattering reduction and the system response speed. Therefore, a robust hybrid HFSTSMC controller based on the fuzzy logic control (FLC) approach is proposed for optimally tuning these gains. Whereas, the fuzzy logic controller is used as a supervisory controller to tune the gain value according to the state of the system in both transient and steady state situations to provide the system with high dynamic performance, high durability, tracking accuracy and chattering effect reduction.
To increase the robustness and stability of the performance of electric drive algorithms, several techniques for estimating motor speed have been used instead of using mechanical or optical sensors connected to the motor axis. Therefore, this thesis is aimed to design and implement an adaptive-gain super-twisting sliding mode observer (AGSTSMO) to achieve a balance between estimation accuracy and chattering problem for sensorless IM drive systems over a wide speed range, including very low
and zero speeds.
The value of the adaptive gains (observer's coefficients) in the control law is adjusted utilizing Lyapunov stability criteria to ensure expeditious convergence of the estimated variables to improve the accuracy and suppress chattering at very low and zero speeds operation. The AGSTSM observer eliminates the need to use a low-pass filter to obtain the equivalent control, as in the traditional first-order sliding-mode observer, which causes a delay in estimating the equivalent control law.
The validation of the proposed schemes is verified by realizing the experimental implementation setup using the DSPACE-DS1104 digital signal processor with MATLAB/Simulink simulation models. In addition, the accuracy of the system is shown by comparing the results obtained from the simulation models and the experimental application platform.
The simulation and experimental results obtained for the proposed controller by comparing it with conventional and advanced controllers have demonstrated high dynamic performance, high durability, tracking accuracy and reduction of chattering problems. In addition, the simulation and experimental results obtained for the proposed observer by comparing it with the STSMO have shown that it has excellent estimation precision and chattering elimination capability simultaneously, thus increasing robustness versus deviations of the motor parameters.