Akım ölçme yöntemlerinin servo motor dinamiğine etkilerinin incelenmesi

Abstract

Günlük hayatımızda aktif olarak kullandığımız Elektrik Motor uygulamaları, gelişen teknoloji ile beraber kullanım alanını arttırmaktadır. Kullanılan motor uygulamalarının verimliliğini arttırmak ve motorları daha hassas kontrol edebilmek için motor akımlarının daha az kayıpla ölçülmesi, doğruluğu, güvenirliği ve maliyeti, motor kontrol sistemlerinde tasarım kriterleri olarak kullanılmaktadır. Akım algılama devresini tasarlarken zor olanlardan birisi, motor faz akımında olduğu gibi son derece gürültülü bir ortamda hassas bir analog sinyalin galvanik izolasyonu ve uygun dinamik seviyede kaydırılmasını sağlamaktır. Zorluk, geniş ortak mod geriliminden, ortak mod geriliminin yüksek derecedeki değişkenliğinden ve eviricideki IGBT'lerin anahtarlanmasıyla üretilen yüksek frekanslı ani akımlardan kaynaklanır. Motor sürücü devrelerinde, motor akımlarının yüksek doğruluk ve uygun bant genişliği ile ölçülmesinin iki temel sebebi vardır. Birincisi, motor fazlarında aşırı akım durumu oluştuğu zaman en az gecikme ile kontrol birimine bilgiyi ulaştırmaktır. Diğer bir sebep ise fiziksel değişkenlerin (konum, hız, tork) dinamik yanıtlarının optimizasyonunu sağlamaktır. Motor akımının doğru ölçümü, akım kontrollü sabit mıknatıslı bir senkron makinenin (SMSM) tahrik sistemi için çok önemlidir. Kontrol algoritmasında, akım kontrol döngüsü, genellikle en içteki döngüdür ve akım ölçümünün bant genişliği, hız ve konum gibi diğer dış kontrol döngülerinin bant genişliğini artırmak için önemli bir faktördür. Akım ölçüm hatası, stator akımlarında sadece geçici değil, aynı zamanda kalıcı durum hatasına da neden olur. Her ikisi de tork kontrol performansını doğrudan bozabilir ve doğrusal olmayan tork ek kayıplara neden olabilir. Bu tez çalışmasında motor akımı ölçümünün; bant genişliği, ölçme yöntemine göre doğruluk oranları, sıcaklık değişimine göre doğrusallığı gibi farklı dinamik cevapların servo motor sistemlerine etkisi incelenmiştir. Servo motor sürücülerinde kullanılan akım ölçme yöntemlerinin hata toleransları ve güç kaybı analizleri detaylı bir şekilde hesaplanmış ve motor akımının şönt direnç ya da kapalı döngü alan etkili sensör ile ölçülmesindeki hata toleransı ve güç kaybı analizleri karşılaştırılmıştır. Motor akımı ölçme devrelerinin bant genişliği osiloskop yardımı ile ölçülerek, bu değer kontrol simülasyonunda oluşturulan geri besleme transfer fonksiyonunda kullanılmıştır. Aynı zamanda simülasyon sonucunda elde edilen bulgular ile akım ölçme cevabının, tork kontrolünü nasıl etkilediği incelenmiştir. Anahtar Kelimeler: Motor Akımı Ölçme Yöntemleri, Sabit Mıknatıslı Senkron Motor Modeli, Alan Etkili Kontrol Yöntemi, Dinamik Cevap

Electric motor applications that we actively use in our daily lives increase the usage area with the developing technology. In order to increase the efficiency of the motor applications and to control the motors more precisely, the measurement of motor currents with less loss, accuracy, reliability and cost are used as design criteria in motor control systems. One of the challenges in designing the current sensing circuit is to ensure that a sensitive analog signal is galvanically isolated and shifted to the appropriate dynamic level in an extremely noisy environment, such as in the motor phase current. The difficulty arises from the wide common mode voltage, the high degree of variability of the common mode voltage, and the high frequency inrush currents generated by switching the IGBTs in the inverter. There are two main reasons for measuring motor currents in motor drive circuits with high accuracy and appropriate bandwidth. The first is to transmit the information to the controller with the minimum delay when an overcurrent condition occurs in the motor phases. Another reason is to optimize the dynamic responses of physical variables (position, speed, torque). Accurate measurement of the motor current is very important for the drive system of a current-controlled permanent magnet synchronous machine (SMSM). In the control algorithm, the current control loop is usually the innermost loop, and the bandwidth of the current measurement is an important factor for increasing the bandwidth of other external control loops, such as speed and location. Current measurement error causes not only transient but also permanent state error in stator currents. Both can directly disrupt torque control performance and non-linear torque can cause additional losses. In this thesis, motor current measurement; bandwith, accuracy rates according to measurement method, the effects of different dynamic responses such as linearity according to temperature changes on servo motor systems were examineted. Fault tolerances and power loss analyzes of current measurement methods used in servo motor drives were calculated in detail and fault tolerance and power loss analyzes in measuring motor current with shunt resistance or closed loop field effect sensor were compared. By measuring the bandwidth of the motor current measuring circuits with the help of oscilloscope, this value is used in the feedback transfer function created in the control simulation. At the same time, the results of the simulation and the effect of current measurement response on torque control were examineted. Keywords: Motor Current Measurement Methods, Permanent Magnet Synchronous Motor Model, Hall Effect Control Method, Dynamic Response