Kalıcı mıknatıslı senkron motorun farklı gözlemleyici tabanlı sensörsüz alan yönlendirmeli kontrol yöntemlerinde donanım ve yazılım bileşenlerinin işletme başarımına etkilerinin tespiti
Determination of the effects of hardware and software components on operational performance for different observer-based sensorless field oriented control methods of permanent magnet synchronous motor
Yazar: MUHAMMET CEMAL DEMİR
Danışman: DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Motor sürücüleri robotik, otomotiv, enerji piyasası gibi birçok endüstriyel uygulamalarda önemli bir alan haline gelmiştir. Yüksek enerji verimliliği, yüksek güç yoğunluğu, küçük boyutlu olması gibi özelliklerinden dolayı birçok uygulamada tercih sebebi olan kalıcı mıknatıslı senkron motorlarda rotordaki mıknatıslar ile statordaki sargıların oluşturduğu manyetik alanın etkileşiminin kontrolü için rotorun pozisyonu bilinmelidir. Bu durum konum algılayıcı sensörler ya da rotorun konumunu elektriksel parametrelere göre hesaplayan sensörsüz algoritmalarla yapılabilmektedir. Konum algılayıcı sensörlerin fazladan alan işgal etmesi, motora montajının zorlukları ve ek maliyet getirmesi gibi sebeplerden ötürü sensörsüz kontrol yöntemleri son zamanlarda temel araştırma konularından biri haline gelmiş ve bu yöntemler, donanım ve yazılım bileşenlerinde birçok yenilikçi yöntemler geliştirilmiştir. Bu tezin amacı doğrultusunda yapılan çalışmada, Luenberger gözlemleyicili farklı algoritmalara sahip iki farklı sensörsüz motor kontrol projesi oluşturulmuştur. Bu algoritmaların motor kontrol uygulamasının başarımına etkileri karşılaştırmalı olarak ortaya konulmuştur. 
Literatür incelendiğinde bu motorların adlandırılması araştırmadan araştırmaya farklılık göstermiştir. Rotoru mıknatıstan, statoru bakır sargılardan oluşan bu motorlar literatürde kalıcı mıknatıslı senkron motor, kalıcı mıknatıslı AC motor, kalıcı mıknatıslı DC motor, fırçasız doğru akım motoru gibi farkı isimlerle anılmaktadır. Sürüş yöntemindeki farklılıklar, rotordaki mıknatısların farklı konumlarda yerleştirilmesi, stator sargılarının sarım şekillerinin uygulamadan uygulamaya farklılık göstermesinden dolayı isimlendirmeler de literatürde farklılıklar göstermiştir.  Bu isimlendirmeler kavram karmaşasına yol açsa da literatürde popüler olarak kullanılanlar; ters-EMK dalga şekli sinüzoidal olan motorlar kalıcı (daimî) mıknatıslı senkron motorlar ve ters-EMK dalga şekli trapezoidal olanlar fırçasız doğru akım motoru olarak kabul görmektedir. Temelde bu tip adlandırmalara sahip motorların rotorları mıknatıslı olup fırçasız motorlar olarak sınıflandırılır.
Kalıcı mıknatıslı senkron motorların özellikle hız ve moment kontrolünde alan yönlendirmeli kontrol kullanılmaktadır. Literatürde vektör kontrol olarak da geçen bu yöntem; eğer motor kontrol uygulaması moment kontrolü ise, motor referans bir moment değerini; eğer yapılan uygulama hız kontrolü ise motor referans bir hızı takip eder. Bu çalışmada hız kontrolü için alan yönlendirmeli kontrol gerçeklenmiştir. 
Bu çalışmada gerçeklenen motor kontrol uygulamasında kalıcı mıknatıslı senkron motorun alan yönlendirmeli kontrolünde ve gözlemleyici tabanlı sensörsüz kontrol algoritmasında yapılan trigonometrik hesaplamalar CORDIC algoritması kullanılarak gerçeklenmiş, bu algoritmanın avantajları ve dezavantajları karşılaştırmalı olarak ortaya konulmuştur. CORDIC algoritmasının gerçeklemesinde STM32G431 mikrodenetleyicisinde bulunan CORDIC yardımcı işlemci (coprocessor) ünitesi kullanılmıştır. Mikrodenetleyicinin bu donanımının karşılaştırmalı analizini yapabilmek için; CORDIC yardımcı işlemcisi kullanılarak Luenberger gözlemleyicili sensörsüz motor kontrol projesinin yazılımı gerçeklenmiş ve CORDIC yardımcı işlemci kullanılmadan Luenberger gözlemleyicili faz kilitlemeli döngülü sensörsüz motor kontrol yazılımı oluşturulmuştur. Bu iki proje için farklı referans hızlar seçilerek incelenmiştir.  
Kalıcı mıknatıslı senkron motorların sensörsüz kontrol yönteminde en mühim nokta, rotor konumunun hatayı en aza indirecek bir yöntemle belirlenmesidir. Özellikle moment ve konum kontrolü gibi uygulamalarda daha hassas kestirimler yapabilen sensörsüz kontrol yöntemleri seçilmelidir.
Bu tezin kapsamında yapılan sensörsüz alan yönlendirmeli motor kontrol uygulamasında, yüzey mıknatıslı KMSM'nin faz kilitlemeli döngülü algoritma ve CORDIC (Koordinat döndüren sayısal bilgisayar) algoritması kullanılarak iki farklı Luenberger gözlemleyicili alan yönlendirmeli sensörsüz kontrolü gerçeklenmiştir. Deney sonuçları her iki algoritma için de iki farklı referans hız için gerçeklenmiş ve bu iki algoritmanın; işlemci çalışma zamanı, motor kalkış hızı ölçümleri ve kararlı haldeki hız hatası hesabı, kestirilen rotor açısı ve hata hesabı, kestirilen alfa-beta zıt-EMK değerleri, kestirilen alfa-beta akım bileşenleri bakımından üstünlükleri karşılaştırılmıştır. Ortaya çıkan sonuçlar yorumlanarak motor kontrol uygulamasının amacına uygun, donanım ve yazılım gereksinimlerine dayalı öneriler sunulmuştur.
Yapılan çalışma ile elde edilen sonuçlar doğrultusunda CORDIC algoritmasının işlemci çalışma süresinin daha az olmasından dolayı yazılımsal başarımının daha yüksek olduğu saptanmıştır. Dolayısıyla zaman kritik uygulamalar için CORDIC algoritması alternatif bir çözüm olmaktadır. Buna rağmen PLL tipi Luenberger gözlemleyicinin daha hassas motor kontrol uygulamaları için CORDIC algoritmasına kıyasla daha uygun olduğu görülmektedir. Her iki algoritmanın da düşük hızlarda başarımının düştüğünü, bu sebepten dolayı Luenberger tipi gözlemleyicinin düşük hızlardaki motor kontrol uygulamaları için uygun olmadığı görülmektedir.

Abstract:
Motor drives have become essential in many industrial applications such as robotics, automotive, energy market and so on. Since permanent magnet synchronous motors have high efficiency and high-power density, and small size, they are preferred in many applications. To control the interaction between the magnetic field created by the magnets in the rotor and the stator windings, it is necessary to know the position of the rotor. In order to determine the rotor position of permanent magnet synchronous motors, there have been many techniques developed recently. The main classification of the techniques is that the rotor position can be determined using sensors or sensorless algorithms using electrical parameters. Sensorless control methods have lately become one of the main research topics due to the extra space occupied by position sensors, the difficulty of mounting them on the motor and additional cost of these sensors. What is more, sensors on the brushless motor make the motor incompact and heavy. Therefore, in recent years, many innovative methods have been developed in the hardware and software for sensorless control drive methods. For the purpose of this thesis, two different sensorless motor control projects with different Luenberger observer algorithms have been implemented. The effects of these algorithms on the performance of the motor control application are presented comparatively.
In literature, the nomenclature of these motors has varied from study to study. It is important to note that these motors which consist of a rotor containing magnets and a stator containing copper windings, are referred by various names in literature, such as permanent magnet synchronous motors, permanent magnet AC motors, permanent magnet DC motors, and brushless DC motors. Since differences between driving method, placement of the magnets in the rotor in different positions, and stator winding types vary from application to application, terminology of these motors has also varied in literature.
In spite of the fact that these classifications lead to incomprehensibility, the most commonly used ones are motors with sinusoidal back-EMF waveforms are accepted as permanent magnet synchronous motors and those with trapezoidal back-EMF waveforms are accepted as brushless direct current motors. Essentially, motors with these names that have magnets on the rotors are classified as brushless motors. In this study, the permanent magnet synchronous motor with sinusoidal back-EMF waveform is used.
For the purpose of controlling the speed and torque of permanent magnet synchronous motors, field-oriented control is mainly used. This technique is also referred to as vector control in the literature. When the motor control application is torque control, the motor follows a reference torque value. Provided that the application is speed control, the motor follows a reference speed. In this study, field-oriented control is implemented for the speed control of the motor.
Software implementation of computing trigonometric functions is carried out by using different techniques such as curve fitting algorithms, CORDIC, Taylor series and so on. Industrial motor drive control applications extensively use trigonometric functions in almost all steps of the motor control algorithm. For instance, when the field-oriented control is used in motor drive control application, software implementation of trigonometric functions is needed for Clarke Transform, Park Transform, Inverse Clarke and Inverse Park Transform. Furthermore, if back-EMF based sensorless motor control application is considered, trigonometric functions such as arctangent will be used to estimate the rotor position.  In order to increase the performance of the motor control algorithm, computation speed of the trigonometric functions is an important criterion.
The Coordinate Rotation Digital Computer (CORDIC) algorithm is an iterative method to compute trigonometric functions. This algorithm was proposed by Jack Volder in 1956. Although this technique is an old technique to compute trigonometric functions, it is one of the fastest algorithms to compute trigonometric functions for various applications such as motor control drive control, digital signal processing and so on.
In the motor control application implemented in this study, trigonometric calculations made in the field-oriented control of the permanent magnet synchronous motor and the observer based sensorless algorithm were performed using CORDIC algorithm, and advantages and disadvantages of this algorithm were presented comparatively. In the implementation of CORDIC algorithm, CORDIC coprocessor unit in STM32G431 MCU is used. In order to make a comparative analysis of this hardware of the MCU, Luenberger observer was implemented using CORDIC coprocessor unit, and Luenberger observer with phase locked loop was implemented without using CORDIC coprocessor. Different reference speeds were selected for these two projects and examined.
Determination of the rotor position using a method that minimizes error is the most crucial step in the sensorless control method for permanent magnet synchronous motors. In particular applications such as torque and position control, sensorless control methods that can make more accurate estimation of the rotor position should be selected. Sensorless control methods for brusless motors can be divided into two categories that are saliency based and back-EMF based sensorless control. Saliency based sensorless control method is not suitable for surface-mounted permanent magnet synchronous machines. Back-EMF based sensorless control techniques mostly rely on observer based sensorless control that are Luenberger observer, sliding-mode observer, flux observer, extended Kalman filter. Luenberger observer is the simplest sensorless algorithm to implement the sensorless motor control. However, the performance of Luenberger observer in terms of steady state response is not as good as extended Kalman filter. Sliding mode observer has a better control performance than Luenberger observer yet, it has some drawbacks that are chattering effect and uncertain response time. In this study, Luenberger observer based sensorless control is used in order to determine the performance of the CORDIC algorithm. Luenberger Observer is also known as state observer which is used as an estimator for linear systems.
Within the scope of this thesis, by using phase-locked loop algorithm and CORDIC (Coordinate Rotation Digital Computer) algorithm for surface mounted PMSM, two different Luenberger observer based sensorless field-oriented control methods were implemented. Experimental results were obtained for two different reference speed values. The advantages and features of these two algorithms were compared in terms of processor execution time, motor startup speed measurements and steady-state speed error calculation, rotor estimated angle and error calculation, estimated alpha and beta back-EMF results, estimated alpha and beta currents. By interpreting the results, suggestions are presented over the algorithms implemented according to the purpose of the motor control application and software-hardware requirements. 
In line with the results obtained with this study, it has been determined that the software performance of CORDIC algorithm is higher due to less processor execution time. Therefore, CORDIC algorithm is an alternative solution for time-critical applications since it considerably reduces the execution time of the processor. That is to say, CORDIC algorithm speeds up the trigonometric computations that makes it use less processor execution cycles. However, it has been observed that PLL type Luenberger observer is more suitable for more precise motor control applications compared to CORDIC algorithm. It has also been observed that the performance of both algorithms decreases at low speed applications; therefore, Luenberger type observers are not suitable for low speed sensorless motor control applications when the accurate rotor position is required.