FIELD ORIENTED CONTROL OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR

Yıl 2013, Cilt: 8 Sayı: 1, 67 - 85, 01.02.2013

Hakan Çelik Hasan Kürüm

Öz

With the recent developments in microprocessors technology and production of strong magnets the interest on Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSM) increases continuously. PMSM are begun to be used in driver set ups in which asynchronous motors were used before. Especially, with the use of PMSM in direct excitation systems it is now possible to work in a wide speed range. SMSMs are used in different areas like elevators, electrical vehicles, air planes and robotic technology. It is possible to achieve dynamic responses in variable speed applications in driver systems with Field Oriented Control (FOC), one of the vector control methods of PMSM. In this study, simulations are generated with Matlab/Simulink about FOC used in PMSM. Furthermore experimental driver system of SMSM is generated using DS1103 Ace Kit in the laboratory. Using the results of simulations and experimental driver set ups, it is shown that with FOC it is possible to achieve dynamic response in a wide speed range in the driver set up in which PMSM are used.

Anahtar Kelimeler

Permanent Magnet Synchronous Motors, Field Oriented Control, Voltage Source Inverter, Experimental Drive System, Simulation,

SABİT MIKNATISLI SENKRON MOTORUN ALAN YÖNLENDİRMELİ KONTROLÜ

Öz

Son zamanlarda mikroişlemci teknolojisindeki gelişmeler ve güçlü mıknatısların üretilmesi ile birlikte Sabit Mıknatıslı Senkron Motorlara (SMSM) olan ilgi giderek artmaktadır. Daha önce asenkron motorların kullanıldığı sürücü düzeneklerde artık SMSM`ler kullanılmaya başlanmıştır. Özellikle doğrudan tahrik sistemlerinde SMSM`lerin kullanılmasıyla birlikte geniş bir hız aralığında çalışma imkanı sağlanmıştır. SMSM`ler günümüzde, asansörler, elektrikli araçlar, uçaklar, robot teknolojisi vb. birçok alanda yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. SMSM`lerin vektör kontrol yöntemlerinden olan Alan Yönlendirmeli Kontrol (AYK) ile sürücü sistemlerde değişken hız uygulamalarında dinamik bir cevap elde edilebilir. Bu çalışmada SMSM`nin AYK`sına ilişkin Matlab/Simulink`te benzetimler yapılmıştır. Ayrıca laboratuvarda DS1103 Ace Kit kullanılarak SMSM`in deneysel sürücü sistemi gerçekleştirilmiştir. Deneysel ve benzetim çalışmalarından elde edilen sonuçlar kullanılarak, SMSM`nin kullanıldığı sürücü düzeneklerde AYK ile geniş bir hız aralığında yüksek dinamik cevaba sahip olunduğu gösterilmiştir.

Anahtar Kelimeler

Sabit Mıknatıslı Senkron Motor, Alan Yönlendirmeli Kontrol, Gerilim Kaynaklı İnverter, Deneysel Sürücü Sistem, Benzetim,

Kaynakça

• ve motordan ölçülen i q akımları karşılaştırılarak elde edilen hata değeri Oransal İntegral (PI) kontrolörün girişine uygulanmaktadır. Kontrolörün çıkışından V q değeri elde edilmektedir. Benzer şekilde referans ve motordan ölçülen i d akımları karşılaştırılarak elde edilen hata değeri PI kontrolörün girişine uygulanır. Kontrolörün çıkışından V d değeri elde edilmektedir. Daha sonra ters Clarke ve ters Park dönüşümleri kullanılarak V d ve V q gerilimlerinden üç fazlı V a , V b ve V c referans gerilimleri elde edilir. DGM bloğunda referans gerilimleri elde etmek için gerilim kaynaklı inverterin anahtarlarına uygulanacak sürme işaretleri oluşturulmaktadır. Şekil 3. SMSM’nin AYK sürekli durum vektör diyagramı (Figure 3. Continuous FOC vector diagram of PMSM) Şekil 3’de SMSM’nin AYK sürekli durumuna ilişkin vektör diyagramı gösterilmiştir. Bu diyagramda s V stator gerilim vektörünü, s i stator akım vektörünü, s  stator akı vektörünü, M  mıknatıs akı vektörünü, δ yük açısını, φ güç açısını, ω e elektriksel açısal hızı ve X s senkron reaktansı temsil etmektedir. SMSM’NİN ALAN YÖNLENDİRMELİ KONTROLÜNÜN BENZETİMİ (SIMULATION OF FIELD ORIENTED CONTROL OF PMSM) SMSM’nin AYK’sına ilişkin benzetim çalışmaları Matlab/Simulink’te yapılmıştır. Bu benzetimde ilk olarak daha önce verilen SMSM’nin matematiksel modeline ilişkin denklemler kullanılarak benzetimi yapılmıştır. SMSM’nin Matlab/Simulink benzetim bloğunun içeriği Şekil 4’te verilmiştir. Gerilim kaynaklı inverterin kontrolünde kullanılan uzay vektör DGM tekniğinin benzetim bloğunun içeriği Şekil 5’te verilmiştir. Şekil 6’da ise SMSM’nin kontrolünde kullanılan gerilim kaynaklı inverterin Matlab/Simulink benzetim bloğunun içeriği verilmiştir. Şekil 4. SMSM Matlab/Simulink benzetim bloğunun içeriği (Figure 4. The content of PMSM Matlab/Simulink simulation block) speed increases from 100 rad/s to 200 rad/s zaman(sn) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 Zaman (sn) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 -2 zaman (sn) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 -2 Zaman (sn) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 -2 zaman (sn) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 -2 Zaman (sn) Duru, H.T. ve Demiröz, R., (2008). Doğrudan Tahrikli Asansör Sistemlerinde Kullanılan Mıknatıs Uyartımlı Senkron Motorların Çalışma ve Boyutlandırma İlkeleri, Asansör Sempozyumu, İzmir.
• Demirbaş, Ş., (2001). Sürekli Mıknatıslı Senkron Motorun Konum Algılayıcısız Denetimi, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara.
• Nandam, P.K. and Sen, P.C., (1990). Electric Motor Drives and Control-Past, Present, and Future, IEEE Trans. Ind. Electronics, vol. 37, pp: 562-575.
• Öksüztepe, E., (2008). Sürekli Mıknatıslı Senkron Motorların Algılayıcısız Kontrolü, Doktora Tezi, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ.
• Bal, G., Özgenel, M.C. ve Demirbaş, Ş., (2007). Vektör Denetimli Kalıcı Mıknatıslı Senkron Mortorun Uzay Vektör Darbe Genişliği Modülasyonu ile Performans Analizi, Politeknik Dergisi, Sayı: 1, ss:7Teker, A., (2008). Sürekli Mıknatıslı Senkron Motorun Bulanık Mantık ile Hız Kontrolü, Yüksek Lisans Tezi, Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Kocaeli.
• Er, B.H., (2007). Sürekli Mıknatıslı Senkron Motorların Mekanik Algılayıcısız Konum Kontrolü, Yüksek Lisans Tezi, İ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
• Kaewjinda, W. and Konghirun, M., (2007). Vector Control Drive of Permanent Magnet Motor Using Resolver Sensor, ECTI Transactions on Electrical Eng., Electronics and Communications, Vol.:5, No.1, pp: 134-1
• Platnic, M., (1998). Implemantation of Vector Control for PMSM Using the TMS320F240 DSP., SPRA494 Application Reports, Texas Instruments.
• Comnac, V., Cernat, M., Moldoveanu, F., and Draghici, I., (2002). Sensorless Speed and Direct Torque Control of Surface Permanent Magnet Synchronous Machines Using an Extended Kalman Filter, IEEE 22nd Convention Electrical and Electronical Engineers, Israel.
• Ko, J.S., Lee, J.H., Chung, S.K., and Youn, M.J., (1993). A Robust Position Control of Brushless DC Motor with Dead Beat Load Torque Observer, IEEE Trans. on Industrial Electronics, Vol.: 40, No: 5, pp. 512-520.
• Sun, D., Zhu, J.G., and He, Y.K., (2003). Continuous Direct Torque Control of Permanent Magnet Synchronous Motor Based on SVM, IEEE Sixth International Conference on electrical Machines and systems (ICEMS 2003), China.
• Singh, B., Singh, B.P., and Dwivedi, S., (2006). DSP based implementation of fuzzy precompensated PI speed controller for vector controlled PMSM drive, in IEEE Conf. Proc. of Industrial Electronics and Applications, pp:1–6 (May).
• Zare, J., (2008). Vector control of permanent magnet synchronous motor with surface magnet using artificial neural networks, 43rd International Universities Power Engineering Conference (UPEC 2008), 1-4 Sept., p.1–4, Italy.
• Kaewjinda, W. and Konghirun, M., (2006). A DSP-Based vector control of PMSM servo drive using resolver sensor, Proc. IEEE TENCON, p.1-4.
• Hasse, K., (1968). Zum Dynamischen Verhalten der Asychronmachine bei Betriebmit Variable Standerfrequenz und Standerspannung, ETZA, H.4, pp:77.
• Blaschke, F., (1971). Das Prizip der Feldorientie Rung, Die Grundlage Fur Die TRNSVEKTOR-Relung von Asynchnmachinen, Siemens Zeitscfrift, 45, pp:757.
• Adam, A.A., (2007). Sabit Mıknatıslı Senkron Motorda Moment Dalgalanması ve Gürültünün Azaltılması, Doktora Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
• Kazan, F.A. ve Bilgin, O., (2008). Sabit Mıknatıslı Senkron Motorun Alan Yönlendirmeli Kontrolü ve Simülasyonu, ElektrikElektronik ve Bilgisayar Mühendisliği Sempozyumu (ELECO 2008), Bursa. EK.
• ÇALIŞMALARDA KULLANILAN SMSM’NİN PARAMETRELERİ (PMSM PARAMETERS USED IN THE STUDIES) Hem benzetim hem de deneysel çalışmalarda kullanılan SMSM’ye ait parametreler aşağıda verilmiştir; Nominal Gücü, P N :5 kW Stator Direnci, R s :0.26 Ω Stator İndüktansı, L s :01 mH Atalet Momenti, J :0.00119 kgm 2 Sürtünme Katsayısı, B :0.0000014161 Nm.s Mıknatıs Akısı, Ψ M :0.0946 Weber Kutup Sayısı, 2p :10