Asenkron motorun farklı kontrol yöntemleri ile hız kontrolü ve raylı sistemlere uygulanması
Different control methods for speed control of asynchronous motor and application to railway systems
Yazar: ALP EREN ÇALICIOĞLU
Danışman: PROF. DR. MEHMET TURAN SÖYLEMEZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Asenkron motorlar = Induction motors ; Doğrusal olmayan dinamik sistemler ve yöntemler = Nonlinear dynamical systems and methods ; Kontrol yöntemleri = Control methods ; Raylı sistemler = Railway systems

Özet:
Hareketin olduğu tüm alanlarda motorlara da ihtiyaç vardır. Başta üretim, ulaşım, enerji gibi genel sektörler olmak üzere gündelik hayatımızda karşımıza çıkan küçük ev aletleri, beyaz eşyalar ve akla gelen çoğu alanda motorlar kullanılmaktadır. Artan dünya nüfusu ve modernizasyon ile birlikte motorlara olan ihtiyaç gün geçtikçe artmaktadır.
Motor, kaba bir tabirle kullandığı enerjiyi hareket enerjisine çeviren makinelerdir. Kullanılan enerji katı yakıt, sıvı yakıt ve elektrik gibi çeşitli türlerde olabilir, bu yakıtları kullanan motorların farklı kullanım alanları vardır.  Bu motorların birbirlerine göre avantajları ve dezavantajları bulunmaktadır. 
Çevre kirliliği günümüzde oldukça artmıştır ve gün geçtikçe de artmaya devam etmektedir, bu sebeple her alanda karşımıza çıkan ve çok yaygın şekilde kullanılan motorların çevre kirliliği açısından zararsız olması oldukça önemlidir. Elektrik motorları, yüksek verimleri, geniş tork ve hız karakteristikleri ve çevre dostu olmaları sebebiyle geniş bir kullanım alanı bulmaktadırlar.
Farklı sınıflandırmalara göre çeşitli tipte elektrik motorları bulunmaktadır ve bu elektrik motorlarının farklı kullanım alanları, avantajları ve dezavantajları bulunmaktadır.  Tez kapsamında simülasyonu yapılacak olan asenkron motorlar çok basit yapılıdırlar, bu sebeple oldukça ucuz, küçük boyutlu ve dayanıklı bir elektrik motoru türüdür. Benzer şekilde yapılarında fırça ve komütatör olmadığı için kıvılcım gibi güvenlik sorunları da oluşturmazlar ve bakım gereksinimleri yoktur veya çok kısıtlıdır. Asenkron motorlar, ulaşım ve üretim sektörü başta olmak üzere endüstride çok yaygındır.
Asenkron motorlar, çalışma mantıkları gereği tek bir alternatif akım ile beslenirler. Statorun beslendiği bu akım yardımıyla rotorda akım endüklenir ve hareket oluşur, bu sebepten dolayı indüksiyon motoru ismiyle de isimlendirilirler. Basit çalışma mantığının getirdiği avantajlarının yanı sıra bazı dezavantajları da bulunmaktadır. Bunların başında DC motorlar gibi ayrı akımlar kullanılarak tork ve akı kontrolünün yapılamadığı gelmektedir, bu sebeple asenkron motorların kontrol yapıları ayrı akım ile sürülen elektrik motorlarına göre zordur. Ayrıca asenkron motorların doğrusal olmayan yapıları kontrol edilmelerini zorlaştırmaktadır.
Asenkron motorların farklı kontrol yöntemleri mevcuttur, bunların başında skaler ve vektörel kontrol gelmektedir. Belirtilen iki yöntemin kullanım amaçları ve avantajları farklıdır. Bu çalışma kapsamında daha hassas kontrol sonuçları verebilen vektörel kontrol çalışılmıştır. Vektörel kontrol de kendi içerisinde doğrudan ve dolaylı vektörel kontrol olmak üzere ikiye ayrılmaktadır, çalışma kapsamında akı değerine ve pozisyonuna doğrudan ihtiyaç duyulmayan dolaylı vektörel kontrol yöntemi tercih edilmiştir. Vektörel kontrol ile birlikte asenkron motor bir DC motor gibi iki ayrı akım ile birlikte kontrol edilir ve bu sebeple yapılan kontrol işlemi nispeten basit bir hale getirilmiş olur. 
Ulaşım sektöründeki araç sayısı gün geçtikçe artmaktadır, bu sebeple ulaşım sektöründe kullanılan motorların çevreci ve yüksek verimli olması oldukça önemlidir.  Demiryolu ulaşım araçları düşünüldüğünde yüksek çalışma saatleri,  uzun süreli kullanım ömürleri ön plandadır, dolayısıyla itki sisteminin en önemli parçası olan motorun verimi çok önemlidir. Mıknatıslı elektrik motorları, verimin yüksek olduğu tüm alanlarda iyi bir alternatif olmaktadır, fakat yaşanan mıknatıs temini problemleri sebebiyle mıknatıslı elektrik motorlarındaki yaygın kullanım gün geçtikçe azalmaktadır.
Metrolar, büyük şehirler için iyi bir ulaşım aracı alternatifidir, çünkü demiryollarını kullandıkları ve yer altından gittikleri için ek bir kara yolu şeridi işgal etmezler. Benzer sebeple insan yoğunluğunun fazla olduğu büyük şehirlerde, trafiksiz bir çözüm sundukları için kullanımları gün geçtikçe yaygınlaşmaktadır.
Çalışma kapsamında MATLAB Simulink ortamında modellenen asenkron motor modeli bir metro aracında kullanılacak şekilde tasarlanmıştır. Metrolar çalışma prensipleri gereği genelde şehir içlerinde çalıştıkları için emniyet sebebiyle belirli bir hızın üstünde çalışmaları istenmez, ayrıca yolcu konforu ve emniyeti sebebiyle de belirli bir ivme üstüne çıkmaları engellenir. Bu limitler modelleme yapılırken dikkate alınmıştır, ayrıca asenkron motorun yapısı gereği oluşturulan modelin maksimum gerilim, maksimum tork ve maksimum güç üstüne çıkması engellenmiştir.
Asenkron motor kontrolü düşünüldüğünde yukarıda bahsedilen emniyet ve konfor sebebiyle ivme kontrol altında tutulmalıdır, hız ve konum ise hassas bir şekilde kontrol edilmelidir, çünkü metrolardan belirlenen konumlarda ve çok küçük hata payı içerisinde durmaları beklenir. Ayrıca hız ve konum kontrolü için aşım istenen bir durum değildir. Bu performans kriterleri oluşturulan kontrol yapıları için göz önüne alınmıştır.
Asenkron motorlar, diğer elektrik motorları gibi çalışırken ısınırlar, bu sebeple motor parametrelerinde ısınma sonucu değişimler oluşur. Ayrıca yukarıda bahsedildiği gibi asenkron motorların doğrusal olmayan yapılarından dolayı oluşturulan modelde belli kabuller yapılmıştır. Tüm bu model kaynaklı bilinmezlikler ve parametrik değişimlere ek olarak, metronun hareketini sürdürdüğü yoldan kaynaklı bilinmezlikler ve değişimler ve metro içerisine binen yolculardan dolayı oluşan toplam ağırlık değişimi yapılan kontrol yapısının dayanıklı olmasını gerektirir. Bu sebeple tasarlanan kontrol yapısının dayanıklı olması ve sistemi farklı koşullarda da başarılı bir şekilde kontrol edebilmesi de bir performans kriteri olarak göz önüne alınmıştır.
Asenkron motor kontrolünde PID, PI-PD, bulanık kontrol, kayan kipli kontrol ve doğrusal olmayan dinamik tersleme yöntemleri kullanılmıştır. Bu kontrol yöntemleri asenkron motorun hız kontrolünü yapabilmek için tasarlanmıştır. Tasarımları yapılan kontrol yapıları istenen performans kriterlerine göre kıyaslanmıştır. Kullanılan kontrol yöntemlerinde tasarım yapılırken Osman Kaan Erol ve İbrahim Eksin tarafından ortaya atılan büyük patlama büyük çöküş optimizasyon yönteminden faydalanılmıştır. Çalışmada son olarak yapılan tasarımların karşılaştırmalı sonuçları yer almaktadır.

Abstract:
Motors are also needed in every area where there is movement. They are used in most areas that come to mind, especially in general sectors (such as production, transportation, energy) and routine life (such as household appliances,white goods). The need for motors is increasing day by day with the increasing world population and modernization.
The motor is the machine that converts the energy it uses into the energy of motion in a rough term. The used energy can be various types such as solid fuel, liquid fuel, and electricity. These engines using different fuels have divergent usage areas; also, every types have different advantages. Environmental pollution is a serious problem, and it increases considerably today and continues to increase day by day, so it is very important that the motors are harmless in terms of environmental pollution because the motors are widely used in today.
Among all these motors, electric motors find a wide usage area due to their advantages. The main advantages of electric motors are high efficiency, wide torque and speed characteristics, absence of gas emissions (environmental friendliness), silent operation, easy running, and basic structure.
There are different types of electric motors, and these types have different usage areas, advantages and disadvantages. Electric motors can be classified according to working principle (induction motor, syncronous motor, DC motor, and special types), rotor type (inner, outer), working trajectory (linear, circular), current type (AC, DC), and so on.
The induction motor or asynchronous motor is one of the oldest type of electric motors working with three-phase alternating current. There are two types of asynchronous motors as follows; slip ring and squirrel cage. In this thesis, a squirrel cage asynchronous motor is used for simulations. The asynchronous motors have a very simple structure, so they are a very cheap, small-sized and stable electric motors. Similarly, they do not cause safety problems such as sparks, since there are no brushes and commutators in their structures; moreover, they do not require maintenance. Asynchronous motors are very common in industry, especially in the transportation and manufacturing sectors.
Asynchronous motors are fed with a single alternating current thanks to their working logic, and the rotor part can rotate with the help of rotating field of stator. Therefore, asyncronous motor is also called induction motor. Asyncronous motors have very basic structure, so they have lots of advantages. However, asyncronous motors have also some disadvantages because of their working principle. These disadvantages are having nonlinear mathematical model and having one fed currents. Having nonlinear model brings the uncertainty and using complex controllers. Also, there is no seperated fed currents, so the moment and speed cannot be controlled seperately that means controlling of asyncronous motor is more difficult than other types of electric motors that fed with two currents such as DC motors.
There are different control methods of induction motors. Scalar and vector control are the leading ones. These two methods have different purposes and advantages. Scalar control is a basic control method which control the speed to keep the ratio of voltage and frequency. However, scalar control is very weak in low and high speeds. In general, it is not preferred in precise applications. In this study, vector control, which can give more precise control results, is studied. Vector control is also divided into two types as direct and indirect vector control. Indirect vector control method, which does not directly need flux value and position, is preferred in this study. The induction motor is controlled with two separated currents like a DC motor with the help of some transformations in the vector control; therefore, the control process is more simplified and easier. Direct vector control is expensive solution because it need sensors to measure flux value and position in the rotor side. However, it has also advantages against indirect vector control such as indirect vector is very depend on model, and it is affected by changing the mathematical model.
The number of vehicles in the transportation sector is increasing day by day; therefore, it is very important that the motors used in the transportation sector are environmentally friendly and highly efficient. When considering railway transportation vehicles, high working hours and long-term lifetime are at the forefront, so the efficiency of the motor, which is the most important part of the propulsion system, is very important. Permanent magnet electric motors are a good alternative in all areas where efficiency is high, but due to the magnet supply problems, the usage of permanent magnet electric motors is decreasing day by day.
Subways are a good transportation alternative for big cities because they which use the railways and go underground do not occupy an additional lane of roads. In addition, in big cities where there is a high density of people, usage volume of subways is increasing in big cities where have a high density of people because traffic-free solutions are preferred.
The asynchronous motor model is prepared in MATLAB Simulink environment, and the motor is designed to be used in a subway vehicle. Since subways generally work in cities due to their working principles and advantages, they are not required to operate above a certain speed for safety reasons, and they are prevented from exceeding a certain acceleration due to passenger comfort and safety. These limits were taken into account while modelling; besides, the model has different limits that are created from the structure of the asyncronous motor such as maximum torque, maximum voltage, and maximum power.The simulations are done under the whole saturations.
The acceleration should be kept under control considering the asynchronous motor control due to the safety and comfort issues mentioned above. However, the acceleration is not controlled directly. Besides, the speed should be controlled precisely because it is expected from the subways keep in safe speeds. In addition, overshoot is not desirable for speed control. These performance criteria are taken into account for the control structures.
Asynchronous motors, like other electric motors, get warm while working, so the changing of motor parameters as resistance and inductance occur as a result of heating. Moreover, as mentioned above, certain assumptions are made in the model due to the nonlinear structure of asynchronous motors. In addition to, all these model related obscurities and parametric changes, the uncertainty and changes caused by the way of the subway, and the changing of total weight owing to the passengers requires the control structure to be robust. For this reason, the robustness of the designed control structure and the ability to successfully control the system under different conditions are also considered as a performance criterion. Uncertainty is added to motor resistances, inductances, total weight,  angle of path, and path (tunnel) coefficients after that whole controller performances is examined, and compared each other.
While controlling the speed of asyncronous motor, the current controllers are firstly designed. After that, the speed is controlled.$d$ and $q$ axes of currents are controlled with the help of PI controllers in order to vector control of asyncronous motor.  The current controllers are designed in the linear model, and they are used in the non-linear model.The simulation results of the linear and non-linear models are very similar according to current control because there is no saturation and it is very simple control structure.The design criterias of these PI controllers are selected as rise time and settling time because the most important thing for currents is following the desired current as fast as possible.
PID, PI-PD, fuzzy control, sliding mode control and non-linear dynamic inversion methods are used to control of the induction motor. These control methods are designed for speed controls which are designed in the non-linear model. The designed control structures are compared according to the desired performance criteria such as overshoot, ISE and settling time. 
The results of PID and PI-PD control methods are similar; however, PI-PD controller has lower control signal and lower overshoot. Besides, PI type fuzzy controller is used to control the induction motor. 
Under the influence of parametric uncertainities, fuzzy control and sliding mode control have robust behaviour. Also, non-linear dynamic inversion have limited robust behaviour under some spesific uncertainities. Nevertheless, PID and PI-PD controllers are not robust.
While designing the control methods, the big bang big crunch optimization method which is found by Osman Kaan Erol and İbrahim Eksin is used. $K_P$, $K_I$ and $K_D$ coefficients for PID and PI-PD controllers, scaling coefficients for fuzzy logic controller, gain coefficients for sliding mode control and nonlinear dynamic inversion controllers are found and optimised with the help of this optimization method. Biggest advantage of big bang-big crunch method is finding optimum value very fast. 
The comparative results of the whole controllers are shared in the study. These results are for nominal values and modified values with the parametric uncertainties.