Sensorless control of induction motor

Abstract

ÖZET Sayısal kontrol yöntemlerine dayalı asenkron ve senkron motor sürücüleri düşük ve yüksek performanslı sistemlerin yer aldığı çok geniş bantlı uygulamalarda olgunlaşan teknoloji seviyesine ulaşmıştır. Bu alandaki mevcut araştırma motorun mevcut maliyetini ve performansını iyileştirirken motor mekanik koordinatlarını ölçen sensörlerin (takojeneratör, enkoder v.b.) sistemden ayrılmasına yöneliktir. Endüksiyon motoru sürücülerinde rotor hızı motor manyetik alanı dönme hızından farklı olduğundan hız kestirimi ayrı bir önem arz etmektedir. Sensörsüz sürücülerin en önemli avantajları düşük maliyet, makine ebatlarında azalma, sensör kablosunun çıkanlaması ve güvenilirliliktir. Buna rağmen, endüksiyon motorunun yüksek dereceli ve doğrusal olmayan dinamikleri sistemin mekanik durumlarını ölçmeden yapılan hız kestirimlerini zorlayıcı bir problem haline getirmektedir. Literatürde bu problemi çözmek için birçok yöntem önerilmiştir. Bu tezde, değişken yapılı sistem ve Lyapunov tasarım yöntemleri kullanılarak endüksiyon motoru için yeni bir kayan kipli gözlemleyici modeli önerilmiştir. Bunun için, vektör kontrolünün manyetik alan büyüklüğünün sıfır hızdan anma hızına kadar sabit tutulması prensibine dayalı olarak motor akısının başlangıç koşullarından bağımsız olarak kestirilmesi için bir Lyapunov fonksiyonu seçilmiştir. Ayrıca akı kestiriminden faydalanarak motor şaft hızı ve zaman sabitini kestirilmesi için bir gözlemleyici önerilmiştir. Önerilen gözlemleyiciler kapalı-çevrim yüksek performans sensörsüz sürücüler için çok uygundur ve önerilen bu yeni fikrin bu alanda çalışan birçok araştırmacıya ileriki sensörsüz vektör kontrol alanındaki çalışmalarında yardımcı olacağına inanılmaktadır. Önerilen algoritma Sabancı Üniversitesi Mekatronik yüksek lisans laboratuarında benzeşim ve deneylerle test edilmiş ve doğrulanmıştır. v

ABSTRACT AC drives based on fully digital control have reached the status of a maturing technology in a broad range of applications ranging from the low cost to high performance systems. Continuing research has concentrated on the removal of the sensors measuring the mechanical coordinates (e.g. tachogenerators, encoders) while maintaining the cost and performance of the control system. Speed estimation is an issue of particular interest with induction motor electrical drives as the rotor speed is generally different from the speed of the revolving magnetic field. The advantages of sensorless drives are lower cost, reduced size of the machine set, elimination of the sensor cable and reliability. However, due to the high order and nonlinearity of the IM dynamics, estimation of the angle speed without the measurement of mechanical variables becomes a challenging problem. Variety of solutions has been proposed to solve this problem in the literature. In this thesis work, by combining the variable structure systems and Lyapunov designs a new sensorless sliding mode observer algorithm for induction motor is developed. A Lyapunov function is chosen to estimate the rotor flux of an induction motor under any initial condition based on the principle that the aim of the vector control of IM is to keep the rotor flux magnitude constant from zero to nominal speed. Additionally, an observer estimating the rotor speed and the rotor time constant of the machine simultaneously has been proposed that stems from the flux estimation. The proposed method is very suitable for closed loop high-performance sensorless drives and it is believed that with its new approach it will help many researchers in their further work in the field of sensorless vector control of IM. The proposed algorithm has been tested and verified via simulation and experimental results on an IM in the graduate laboratory of Mechatronics at the Sabanci University. IV