Fırçasız doğru akım motor sürücülerinde komütasyon moment salınımının azaltılmasına yönelik yeni bir topoloji
A new topology for commutation torque ripple reduction in brushless direct current motor drives
Yazar: MEHMET KARAYEL
Danışman: DOÇ. DR. EMRE ÇELİK
Düzce Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Fırçasız doğru akım motor (FDAM)'nin komütasyon (Faz akımı değişimi) anında devreye alınan faz akımı ile devreden çıkarılan faz akımının yükselme ve düşme süreleri arasındaki fark, akım ve moment salınımlarının oluşmasına neden olmaktadır. Komütasyon moment salınımı (KMS) FDAM'da hız dalgalanması, vuruntu, titreşim ve akustik gürültü gibi etkilere neden olmakta ve yüksek performans gerektiren servo sistemlerde kullanımını önemli ölçüde kısıtlamaktadır. KMS, komütasyona uğrayan faz akımlarının değişim sürelerinin eşitlenmesi ile yok edilebilir. Bu iki sürenin birbirine eşit olduğu durumda Kirchhoff'un akım kanunu gereğince moment salınımı teorik olarak sıfır olmaktadır (i_a+i_b+i_c=0). Aynı zamanda bu durum, FDAM için evirici doğru akım (DA) bara geriliminin (V_bara), FDAM'ın ürettiği sinüsoidal zıt elektromotor kuvvet (emk, E)'in 6 katına eşit olduğu anlamına gelmektedir. FDAM zıt emk değeri motor hızı ile doğru orantılıdır. Dolayısıyla düşük hızlarda V_bara>6E, yüksek hızlarda ise V_bara<6E olmaktadır. Düşük hızlarda KMS azaltma işlemi için basit olarak devreye giren faz akımına darbe genişlik modülasyonu (DGM) uygulamak yeterli iken yüksek devirlerde KMS'yi azaltmak için daha yüksek gerilime ihtiyaç duyulmaktadır. Bu yaklaşım dikkate alınarak bu tez çalışmasında yüksek hızlarda KMS azaltılması için bara gerilimi genliğini kontrol edecek yardımcı yükseltme devre topolojisi sunulmuştur. Önerilen topoloji DA güç kaynağı ile giriş üç fazlı eviricinin arasına bağlanmıştır. Çalışmada normal çalışma sırasında devredeki kondansatör şarj edilmektedir. Komütasyon anında ise DA bara gerilimini yükseltmek için şarj edilen kondansatör anahtar devresi üzerinden DA güç kaynağına seri bağlanmakta ve DA bara gerilimi (V_bara) zıt emk'nın 6 katına eşit olacak şekilde yükseltilmektedir. Önerilen yöntemin performansı değerlendirmek için Matlab®/Simulink® ortamında benzetim ve uygulama çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Uygulamada EzDSP TMS320F28335 sayısal işaret işlemci (Sİİ) kullanılmıştır. Benzetim ve uygulama sonuçlarına göre, geleneksel yönteme kıyasla önerilen yöntem ile komütasyon moment salınımında %57,14 'e kadar ve komütasyon süresinde ise %57,2'e kadar iyileştirme sağlanmıştır.

Abstract:
During the commutation period in brushless direct current motors (BLDCMs), discrepancies between the rise and fall times of the incoming and outgoing phase currents lead to the generation of current and torque ripples. These ripples, known as commutation torque ripple (CTR), result in adverse effects such as speed fluctuations, knocking, vibration, and acoustic noise. These phenomena significantly restrict the utilization of BLDCMs in high-performance servo systems. Theoretically, CTR can be eliminated by equalizing the rise and fall times of the commutated phase currents. When these durations are balanced, torque ripple is effectively nullified, in accordance with Kirchhoff's current law (i_a+i_b+i_c=0). It also means that the inverter's direct current (DC) bus voltage (V_bus) for the BLDCM is equal to 6 times the sinusoidal back electromotive force (emf, E) generated by the BLDCM. The BLDCM's back emf value is directly proportional to the motor speed. Therefore, it is satisfied that at low speeds V_bus>6E and at high speeds V_bus<6E. While it is sufficient to simply apply pulse width modulation (PWM) to the phase current to reduce the CTR at low speeds, a higher voltage is needed to reduce the CTR at high speeds. Considering this, an auxiliary boost circuit topology that will control the bus voltage amplitude for reducing the CTR at high speeds is presented in this thesis. The proposed topology is connected between the input DC power supply and the three-phase inverter. The capacitor in the circuit is charged during the normal conduction period. During the commutation period, the charged capacitor is connected in series with the DC power supply via the switch circuitry to increase the DC bus voltage and the DC bus voltage (V_bus) is raised to a value equal to 6 times the back emf. To evaluate the performance of the proposed method, simulation and experimental studies were conducted at the Matlab®/Simulink® environment. For the practical implementation, digital signal processor (DSP) of EzDSP TMS320F28335 was utilized. According to the results of the simulation and experimentation, the proposed method could achieve an improvement up to %57.14 for the commutation torque ripple and a %57.2 for the commutation time comparing with the traditional method.