Sensorless permanent magnet synchronous machine control based on stator feedforward voltage estimation

Abstract

Yapılan çalışmada sürekli mıknatıslı senkron makineler (SMSM) için düşük maliyetli, yüksek performanslı bir pozisyon sensörsüz kontrol metodu önerilmektedir. Önerilen metotta ileri beslemeli dq–ekseni stator gerilimleri, SMSM sürekli hal denklemleri kullanılarak sensörsüz kontrol algoritması elde dilmiştir. PI akım kontrolörlerinin çıkış değerlerinden faydalanılarak ileri beslemeli stator gerilim modelleri oluşturulmuştur. Önerilen yöntem hızlı değişim gösteren parametrelerin tahmininde ileri beslemeli stator gerilimi tahmin yöntemini kullanırken, yavaş değişim gösteren stator direnci ve rotor halkalanma akısı parametrelerini model referans adaptif sistem (MRAS) ile tahmin etmektedir. Önerilen metodun zıt-EMK tahminine dayalı bir yöntem olması sebebiyle parametre değişiminden kaynaklanan bozucu etkiler MRAS ile çoklu parametre tahmini yapılarak, online parametre güncellemesi ile giderilmektedir. Literatürde ve endüstride kullanılan diğer sensörsüz kontrol metotları ile karşılaştırıldığında basit, uygulanabilir ve geniş hız aralığında verimli çalışan bir metot elde edilmiştir. Geliştirilen metodun düşük maliyetli SMSM tahrik sistemlerine entegrasyonunu sağlamak amacıyla rotor pozisyon açısına ihtiyaç duymayan bir dört anahtarlı üç fazlı evirici yapısı için uzay vektör darbe genişlik modülasyonu (UVDGM) yöntemi önerilmektedir. Böylelikle küçük güçlü SMSM'de düşük hızlarda etkin bir kontrol yöntemi sağlanmış olacaktır. Yapılan çalışmanın akış organizasyonu sırasıyla ifade edilmektedir. Bölüm 1'de Giriş ve MATLAB/Simulink programında yer alan MATLAB fonksiyonları kullanılarak pozisyon sensörüne sahip bir SMSM'nin alan-yönlendirmeli kontrolünün modelleme, simülasyonu yapılmıştır. Bölüm 2'de MRAS metodu ile çoklu parametre tahmini yapılarak SMSM için basit ve verimli bir ileri beslemeli stator gerilim tahminine dayalı pozisyon sensörsüz kontrol metodu geliştirilmiş ve detaylı bir şekilde ifade edilmiştir. Bölüm 3'de pozisyon sensörlü SMSM'nin hız kontrolü için dört anahtarlı evirici topolojisi ve düşük maliyetli, verimli bir kontrol algoritması geliştirilmiştir. Bölüm 4'de SMSM hız kontrolü için ileri beslemeli stator gerilim tahminine dayalı bir sensörsüz kontrol algoritması geliştirilmiş ve Bölüm 3'de önerilen eksiltilmiş anahtarlı evirici topoloji kullanılarak düşük maliyetli bir tahrik sistemi elde edilmiştir. Bölüm 5'de ileri beslemeli stator gerilim tahminine dayalı sensörsüz kontrol algoritması çoklu parametre tahmini ile bir arada uygulanmış ve doğrudan tahrikli, küçük güçlü sürekli mıknatıslı senkron generatörlerin (SMSG) geniş bir hız aralığında çalışmasına imkan tanıyan bir sensörsüz kontrol metodu geliştirimiştir. Bölüm 6'da ise Bölüm 5'de önerilen sensörsüz kontrol algoritması düşük maliyetli ve eksiltilmiş anahtarlı, sırt-sırta bağlı, iki seviyeli çevirici kontrollü SMSG'ler için geliştirilmiş ve detaylı olarak anlatılmıştır. Geliştirilen metotlar simülasyon ve deneysel çalışmalar ile desteklenmiş ve Bölüm 7'de elde edilen bulgular ve sonuçlar ifade edilmiştir.

A low-cost, high-performance position sensorless control method for permanent magnet synchronous machine is proposed. In the proposed method, the dynamically enhanced stator feedforward dq–axes voltages derived from a steady-state PM synchronous machine model are modified for the speed sensorless PM synchronous machine drive. The dynamic resemblance of dq–axes PI current regulator outputs are composed of components of the feedforward voltage models. While the proposed method uses feedforward stator voltage estimation method in the estimation of variables showing rapid change, the stator resistance and rotor flux linkage values that change slowly are estimated with the model reference adaptive system (MRAS). Since the proposed method is based on back-EMF estimation, distortion effects caused from parameter changes are reduced with online parameter updates using multi-parameter estimation with MRAS. Compared to other sensorless control methods used in the literature and industry, an efficient method which is simple, applicable in wide speed range is achieved. With the aim of enabling integration of the developed method into low-cost permanent magnet synchronous machine (PMSM and PMSG) drive systems, the space vector pulse width modulation method is proposed for a four switch three-phase inverter structure without requiring the rotor position angle. Thus, an effective control method in wide speed range for low power PMSM and PMSGs are obtained. This study is organized as follows. Introduction and modeling, simulation of a speed sensored field-oriented control (FOC) of a permanent magnet synchronous motor (PMSM) drive are expressed in Chapter I. In Chapter II, a simple and efficient position sensorless speed control method based on feedforward voltage estimation for PMSM improved with multi-parameter estimation using MRAS method for SSTP is proposed and described in detail. In Chapter III, a simple, effective and low-cost position sensored speed control scheme for PMSM drive using four-switch three-phase inverter (FSTP) is developed and discussed. In Chapter IV, a position sensorless speed control method based on stator feedforward dq–axes voltage estimation (FFVE) has been designed and described in detail for low-cost four-switched three-phase (FSTP) PMSM drive. In Chapter V, a simple and efficient position sensorless control method based on feedforward voltage estimation for permanent magnet synchronous generator (PMSG) improved with multi-parameter estimation using MRAS method is designed and developed. In Chapter VI, the control of direct-drive PMSG along with load side inverter control are performed and discussed using a bi-directional, two-level, back-to-back voltage source rectifier/inverter with total of eight switches for the variable speed wind turbine. Finally, concluding remarks, are expressed in Chapter VII.