Hüseyin Cemre YILMAZ, Esra KANDEMİR BEŞER

Sürekli Mıknatıslı Senkron Motorun Alan Yönlendirmeli Kontrolü ve Kontrol İçin Geliştirilen Özel Amaçlı Motor Sürücüsünün Tasarımı ve Prototip Üretimi

Son dönemde elektrik makinaları alanında yapılan çalışmalar neticesinde popülerlik kazanan sürekli mıknatıslı senkron motorlar (SMSM), günümüzde endüstriyel uygulamalardan son kullanıcı ürünlerine kadar geniş bir kullanım alanına sahiptir. Sürekli mıknatıslı senkron motorların uygun kontrolü ile endüstride sıklıkla karşılaşılan birçok uygulama, robotik sistemler, talaşlı imalatın temel yapı taşı haline gelmiş metal işleme tezgâhları vb. uygulamalarda, düşük hacimde yüksek performans elde etmek mümkün hale gelmiştir. Bunun yanı sıra yine endüstride karşılaşılan yüksek dinamizm ve/veya hassas pozisyon kontrolü gerektiren uygulamalarda da sıklıkla sürekli mıknatıslı senkron motorlar tercih edilmektedir. Sürekli mıknatıslı senkron motorların yüksek performanslı kontrolünü sağlamak amacıyla geliştirilen birçok yöntem bulunmakla birlikte, bunlardan en çok öne çıkan iki tanesi Alan Yönlendirmeli Kontrol ve Doğrudan Moment Kontrolü teknikleridir. Alan yönlendirmeli kontrol tekniğinin pozisyon geri besleme elemanı ile birlikte uygulanması durumunda çoğu uygulamada ihtiyaç duyulan yüksek kalkış momenti, düşük devirlerde yüksek hız kararlılığı ve farklı hız referans değerlerine karşı dinamik tepki ihtiyaçlarını karşılayabilmesi bu tekniğin birçok endüstriyel hız kontrol cihazında da tercih edilmesine sebep olmuştur. Bu çalışmada, alan kontrolü yapmak üzere geliştirilen mikro denetleyici tabanlı motor sürücüsü üzerinde alan yönlendirmeli kontrol tekniği uygulanarak, miline artımsal enkoder bağlı bir sürekli mıknatıslı senkron motorun hız kontrolü ve ayrıca dolaylı moment kontrolü sağlanmıştır. Hız kontrolü ve moment kontrolü yapılırken sistemin verilen referans değerlere karşı tepkisi ölçülmüştür. Yapılan ölçümler farklı kontrol parametreleri ile tekrarlanarak karşılaştırmalar yapılmıştır.

Field Oriented Control of Permanent Magnet Synchronous Motor and Design and Prototype Production of a Special Purpose Motor Drive

Permanent magnet synchronous motors (PMSMs) are getting popularity thanks to too many studies in the electric machinery field, and can be used in many applications from consumer products to industry. It is possible to get high performance in small volumes with using proper permanent magnet synchronous motor control methods, in frequently encountered industry applications like robotic systems, metal processing workbenches which has become most important part of the machining processes. And also, permanent magnet synchronous motors are mostly preferred for such applications which need high dynamism and/or high precision position control in industry. Although there are many different techniques to control permanent magnet synchronous motors with high performance, in the literature Field Oriented Control and Direct Torque Control stand out. Field oriented control with position feedback sensor is able to provide high start-up torque, higher speed control accuracy at low speeds and dynamic response against to different speed set values, which are needed for most of applications, thus it is widely preferred in industrial variable speed drives. On a newly developed microcontroller based motor drive, field oriented control technique is applied to a permanent magnet synchronous motor equipped with an incremental encoder to control motor speed and torque. The response of motor against to different set points is measured while working in speed control and torque control modes. Measurements are repeated with different control parameters and the results are compared with each other.

PDF

___

[1] Günaydın F.Y., Özkara Y. 2016. İmalat Sanayisinde Kullanılan Elektrik Motorları Envanteri Analiz Raporu, T.C. Bilim Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı.
[2] Başar M.S., Bech M.M., Andersen T.O., Scavenius P., Thomas-Basar T. 2013. Comparison of Sensorless FOC and SVM-DTFC of PMSM for Low-Speed Applications. 4th International Conference on Power Engineering, Energy and Electrical Drives, 14-16 Mayıs, İstanbul.
[3] Brandstetter P., Neborak I., Kuchar M. 2017. Analysis of Steady-State Error in Torque Current Component Control of PMSM Drive. Advances in Electrical and Computer Engineering, 17 (2): 39-46.
[4] Zhang X., Xiaohua X., Yao R. 2015. Field Oriented Control for Permanent Magnet Synchronous Motor Based on DSP Experimental Platform, The 27th Chinese Control and Decision Conference, 23-25 Mayıs, Qingdao.
[5] Yeşilbağ E., Ergene L.T. 2014. Field Oriented Control of Permanent Magnet Synchronous Motors Used in Washers. 16th International Power Electronics and Motion Control Conference and Exposition, 21-24 Eylül, Antalya.
[6] Adhavan B., Kuppuswamy A., Jayabaskaran G., Jagannathan V. 2011. Field Oriented Control of Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) Using Fuzzy Logic Controller. IEEE Recent Advances in Intelligent Computational Systems, 22-24 Eylül, Trivandrum.
[7] Harib K.H., Khousa E.A., Ismail A. 2004. Field Oriented Motion Control of a 3-Phase Permanent Magnet Synchronous Motor. 2nd International Conference on Electric Power and Energy Conversion Systems, 16-19 Ağustos, Sharjah.
[8] Çelik H., Yiğit T. 2018. Field-Oriented Control of the PMSM with 2-DOF PI Controller Tuned by Using PSO. International Conference on Artificial Intelligence and Data Processing, 28-30
[9] Wang X., Liu N., Na R. 2009. Simulation of PMSM Field-Oriented Control Based on SVPWM. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, 7-11 Eylül, Dearborn.
[10] Samat A.A.A., Ishak D., Saedin P., Iqbal S. 2012. Speed-sensorless Control of Parallel-connected PMSM Fed by a Single Inverter Using MRAS. IEEE International Power Engineering and Optimization Conference, 6-7 Haziran, Melaka.
[11] Wang Z., Chen J., Cheng M., Chau K. T. 2016. Field-Oriented Control and Direct Torque Control for Paralleled VSIs Fed PMSM Drives with Variable Switching Frequencies. IEEE Transactions on Power Electronics, 31 (3): 2417-2428.
[12] Lara J., Xu J., Chandra A. 2016. Effects of Rotor Position Error in the Performance of Field- Oriented-Controlled PMSM Drives for Electric Vehicle Traction Applications. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 63 (8): 4738-4751.
[13] Yao H., Yan Y., Shi T., Zhang G., Wang Z., Xia C. 2021. A Novel SVPWM Scheme for Field Oriented Vector Controlled PMSM Drive System Fed by Cascaded H-Bridge Inverter. IEEE Transactions on Power Electronics, 36(8): 8988-9000.
[14] Sun T., Liu C., Lu N., Gao D., Xu S. 2012. Design of PMSM Vector Control System Based on TMS320F2812 DSP. Proceedings of the 7th International Power Electronics and Motion Control Conference, Harbin, China.
[15] Sang Y., Li F., Dai Y., Duan F. 2015. The Practical Control Technology Design for AC Servo Motor Based on STM32 Micro-controller, IEEE Advanced Information Technology. Electronic and Automation Control Conference, 19-20 Aralık, Chongqing, China.
[16] Belhamel L., Buscarino A., Cucuccio A., Fortuna L., Rascona G. 2020. Model-Based Design Streamlines for STM32 Motor Control Embedded Software System. 7th International Conference on Control, Decision and Information Technologies, 29 Haziran-2 Temmuz, Prague, Czech Republic.
[17] Qian Z., Guo Q., Pham M. -T., Li W. 2019. Design of a Low Power Consumption Control System of Permanent Magnet Synchronous Motor for Automated Guided Vehicle. 22nd International Conference on Electrical Machines and Systems, 11-14 Ağustos, Harbin, China.
[18] Duesterhoeft W.C., Schulz M.W., Clarke E. 1951. Determination of Instantaneous Currents and Voltages by Means of Alpha, Beta, and Zero Components. Transactions of the American Institute of Electrical Engineers, 70 (2): 1248-1255.
[19] Pillay P., Krishnan R., 1988. Modeling of Permanent Magnet Motor Drives. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 35 (4): 537-541.
[20] Zhou K., Wang D. 2002. Relationship Between Space-Vector Modulation and Three-Phase Carrier-Based PWM: A Comprehensive Analysis. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 49 (1): 186-196.
[21] Ahmed W., Ali S. 2013. Comparative Study of SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation) & SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation) Based Three Phase Voltage Source Inverters for Variable Speed Drive. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 24-26 Haziran, Karachi.
[22] Yılmaz H.C. 2020. Sürekli Mıknatıslı Motorun Alan Yönlendirmeli Kontrolü. Yüksek Lisans Tezi, Kocaeli Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kocaeli.