Elektrikli araç tahrik sistemlerinde kullanılan SMSM'ninminimum kayıp kontrolü
Minumum loss control of PMSM used in electric vehicle traction systems
Yazar: FURKAN AYDOĞAN
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: Elektrikli araçlar = Electric vehicles ; Sürekli mıknatıslı senkron motorlar = Permanent magnet synchronous motors ; Tahrik motorları = Drive motors

Özet:
Elektrikli araç tahrik sistemlerinde kullanılan elektrik motoru tipleri incelendiğinde, sürekli mıknatıslı senkron motorlar, geniş sabit güç hız aralığı, yüksek güç yoğunluğu ve yüksek verimlilik sebebiyle tercih sebebidir. Bu çalışmada elektrikli araç tahrik sistemlerinde kullanılan sürekli mıknatıslı senkron motorların (SMSM) minimum kayıp kontrolü üzerine  çalışılmıştır. 
Yapılan çalışmada ilk olarak, hibrit ve tam elektrikli araçların tahrik sistemlerinin yapısı incelenmiştir. Elektrikli araçlarda kullanılan elektrik motoru tipleri ve enerji depolama sistemleri ele alınarak, çalışmada kullanılması planlanan gömülü sürekli mıknatıslı (GSM) senkron motorunun matematiksel modeli verilmiştir.
Daha sonra yaygın elektrik motoru kontrolünde yaygın olarak kullanılan doğrudan moment kontrolü ve alan yönlendirmeli kontrol (AYK) yöntemleri incelenmiştir. GSM motorların verimini ve güç yoğunluğunu artırmada önemli bir yöntem olan amper başına maksimum moment (ABMM) yöntemleri detaylı olarak incelenmiştir. Ayrıca SMSM'nin sabit güç bölgesi kontrolü için kullanılan alan zayıflatma yöntemleri hakkında bilgi verilmiştir.
Kontrol yöntemlerinin incelenmesi sonrasında prototip GSM motordan ve elektrikli araçtan beklenen performans kriterleri ortaya konulmuş, ABMM ve alan zayıflatma yöntemleri için kontrolcü tasarımları yapılmıştır. Tasarlanan kontrolcülerin benzetim modelleri oluşturularak, prototip GSM motorun matematiksel modeli ile birlikte benzetim çalışmaları gerçekleştirilmiştir. GSM motorun sabit moment bölgesi performansı, ABMM kontrolcüleri ile ve ABMM kontrolcüsü olmadan gerçekleştirilmiş, elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Alan zayıflatma kontrolcüsünün benzetim çalışmaları ile GSM motorun anma koşulları altında alan zayıflatma yöntemi ile ulaşabileceği maksimum hız tesbit edilerek, motorun sabit moment ve sabit güç bölgesi karakteristiği ortaya koyulmuştur.
Sonraki aşamada tasarlanan kontrolcünün üzerinde çalışacağı motor sürücüsünün ve prototip motorun gerçeklenmesinden bahsedilmiştir. Motor sürücüsünün genel tasarım diyagramı verilerek, kontrolcü yazılımının oluşturulma aşamaları verilmiştir. Tasarlanan kontrolcünün akış diyagramı verilmiş, yazılımı C dilinde otomotiv seviyesi bir mikrodenetleyici için yazılmıştır.
Tasarlanan kontrolcü, elektrikli aracı simüle etmek için tasarlanan bir deney düzeneğinde testlere tabi tutulmuştur. Farklı yükleme koşulları altında ABMM ve alan zayıflatma kontrolcülerinin performansı incelenmiştir. Deneysel çalışmaların tamamlanmasından sonra elde edilen deney ve benzetim sonuçları karşılaştırılmıştır. Yapılan deney ve benzetim çalışmalarında, ABMM kontrolcüsünün amper başına elde edilen momenti artırdığı gözlenmiştir. Çalışma kapsamında tasarlanan kontrolcüde sürekli mıknatıs akısının sıcaklığa bağlı değişimi göz önünde bulundurulmamış, yalnızca eksen endüktanslarının doyumu dikkate alınmıştır. Gelecekte, ABMM kontrolcüsünün sıcaklık gibi değişken çalışma koşulları altında iyi performans verebilmesini sağlayan kontrolcü tasarımları üzerine çalışılması düşünülmektedir.

Abstract:
Permanent magnet synchronous machines widely used in electric vehicle drive systems. In this thesis, minimum loss control of permanent magnet synchronous machine studied for electric vehicle traction application. MTPA controller designed for constant torque region, field weakening controller designed for constant power region to reduce losses and increase efficiency of machine. First, designed control system simulated on Matlab Simulink, then it realized. Realized controller tested on experimental setup with a prototype IPM motor and prototype inverter, which designed for an electric vehicle. After all, comparison of simulations and test results performed.
First, hybrid and all electric vehicle traction systems are investigated in this study. Traction system configurations are given for serial hybrid, parallel hybird, serial-parallel hybrid complex hybrid and all electric vehicles.Then, electric machine types which is popular in traction systems are studied. Comparison and general specifications of machine types are given. After that, energy storage systems used in electric vehicles are given. Commonly used storage technologies (flywheel, battery, fuel-cell, supercapacitor) and their advantages/disadvantages among each other are presented. Mathematical model of IPMSM are given at the end of the chapter, which is primary machine type of this study.
Popular PMSM control strategies mentioned in the third chapter. Control diagram and general mathematical model of direct torque control (DTC) strategy are given. Field oriented control (FOC) examined in detail. Maximum torque per ampere (MTPA) and field weakening control strategies studied. Considering some advantages of FOC over DTC, it is choosen as main strategy to control PMSM. 
Permanent magnet synchronous machines classify into two categories, according to placement of magnet; surface permanent magnet (SPM), interior permanent magnet (IPM). Main difference between SPM and IPM is the reluctance torque. While SPM machines has only magnetic torque, saliency ratio of IPM brings reluctance torque as well. Therefore, torque production of SPM machines is proportional to permanent magnet flux and q-axis current component. Because of the saliency ratio is higher than one for IPM machine, torque production related with dq-axis inductances and d-axis current additionally. Therefore, some negative d-axis current has to inject to take the advantage of reluctance torque.
There are infinite number of current vector that results same torque. Strategy to choose minimum current vector for a particular torque called maximum torque per ampere (MTPA). Considering that SPM machine torque equation, d-axis current should kept zero to achive maximum torque per ampere. However, there are different strategies for MTPA operation of IPM. Commonly used three strategies mentioned in this study. Control strategies based on; solving the torque equation, relationship of dq-axis currents at MTPA and signal injection investigated.
Two different MTPA strategy applied in this study. First, d-axis current calculated from stator current with basic formula, which calculates from nominal machine parameters. Other controller designed using finite element method (FEM) analysis results of designed machine. Torque production of IPM analyzed with JMAG for different current vector angles. Optimum current vectors, which produce maximum torque, calculated for each current magnitude. Therefore, a look-up table obtained for MTPA trajectory. 
PMSM has wide constant power speed range. Above the base speed (constant power region), field weakening (FW) control applied. There are different strategies to control PMSM at constant power region. First, constant voltage constant power (CVCP) and constant current constant power strategies given. Then current vector control strategy mentioned which is more suitable for IPM. Current vector control rely on modification of current vector coming from MTPA controller. Output of MTPA controller  modified by voltage limit regulator.  Voltage limit regulator calculates error between inverter voltage limit and applied stator voltage then integrate the error. When stator voltage reaches inverter limits, regulator start to generate negative d-axis current or impose additional phase angle to current vector.  Modification of current vector angle coming from MTPA choosen as FW strategy in this study.
After that,  field oriented control simulation model designed in Matlab Simulink. MTPA and FW simulation models also designed which is mentioned in the study.    Designed controller simulated with prototype IPM machine which is designed for electric vehicle traction application . For constant torque region, simulations done for no load and full load conditions.  Under various load torque levels, controller simulated with and without designed MTPA controllers. Simulation results investigated and performance of MTPA controllers revealed.  
Field weakening controller simulated  for constant power region operation.  Maximum achievable speed of IPM is indicates field weakening performance of machine. Field weakening controller simulated with no load, under nominal conditions of IPM. Therefore, maximum achievable speed with field weakening determined for prototype IPM.  Then, constant power and constant torque region characteristic of machine obtained with several simulations. Simulation results indicates that prototype IPM machine has limited field weakening capability  and it does not provide constant power sufficiently over base speed.  Then field weakening controller simulations done with and alternative IPM motor which has better contant power region.
After simulations, realization of controller, inverter and IPM motor presented. General diagram of inverter and its technical specifications given. Software of controller written in C language, for an automotive grade microcontroller. Then experimental setup to test controller and IPM performance given. To simulate vehicle conditions better, lithium-polymer type battery pack and cooling system instruments of vehicle integrated to setup. Experimental setup has four channel power analyzer and torque sensor to measure efficiency of machine and controller system. Load torque of prototype motor can adjusted from brushed DC motor inverter.
Designed controller tested with prototype IPM and inverter under similar conditions on simulations. For different load conditions, performance of controller measured. Also efficiency map obtained for constant torque region of IPM. Performance of designed MTPA controllers investigated on experimental setup. 
Finally, simulation results compared with experimental results. In result, more torque obtained for same amount of current with MTPA controller as expected. Future work will focus on improving performance of MTPA controller under variable working conditions of IPM like temperature. Because for MTPA controller designed in study, reduce of permenant magnet flux with temperature is not considered.