Motorlar için Saha Yönelimli Kontrol

05 Mart 2010 Dergi: Mart-2010

Mikroişlemci kontrolü, değişken hızlı Kalıcı Mıknatıslı Senkron Motorların (PMSM) enerji tasarrufunu artırmaktadır.

Komplike motor kontrolü artık sadece özel donanımların ve tescilli kontrol tekniklerinin ilgi alanı olmaktan çıkmıştır. Güçlü, düşük maliyetli dijital sinyal kontrolörleri (DSC) tasarımcıların gelişmiş motor kontrol tekniklerini kullanmalarına imkân tanır. Örneğin, güç faktör düzeltme (PFC) ve saha yönelimli kontrol (FOC) enerji tasarrufunu artırırken dönen aksamın gürültüsünü de azaltır.

Dijital sinyal kontrolörlerinin piyasaya çıkışından önce, güç faktör düzeltme ve saha yönelimli kontrol teknikleri, maliyetli, özel yapım ve uygulamaya özel tümleşik devrelere ihtiyaç duymakta idi. Hususi motor kontrolü, esnek olmamakta ve başka bir uygulamaya uyum sağlamakta yetersiz kalmakta idi.

Eski motor kontrol düzenleri, güç yarı iletkenleri ile skalar motor kontrolüne dayanırdı. Skalar kontrol sinusoidal bir dalganın voltaj ile değişimine bağlı olarak çalışır. Geri besleme, motor hızı gibi en kaba ve basit fonksiyonların izlenmesi ile yapılır. Kontrol elemanları, motor sargısındaki anlık akımın değerini ölçebilecek kadar verileri hızlı işleyememekteydi. Eski motor kontrol sürücüleri (saha yönelimli kontrol için tasarlananlar gibi), maliyetli dijital kontrol işlemcilerine sahiptirler. Yüksek akımlı MOFSET’ler (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ve diğer yarı iletken cihazlar sürücüleri fiziksel olarak hacimli hale getirmekteydi. Günümüz motor sürücüleri, MOFSET ve IGBT’lere (Insulated Gate Bipolar Transistor) hala ihtiyaç duysa da, çok daha kompakt ve verimliler. Daha önemlisi, yeni motor sürücüleri, dijital sinyal kontrolörlerini mantık ve kontrol kapasitesi içerisinde dahil olarak kullanarak ek bileşenlerin maliyeti ve kurulumunu ortadan kaldırmıştır. Bu çözüm, daha az elektrik enerjisi harcayan, küçük, daha gelişmiş kontrol fonksiyonlarını işleme hızı ve gücü olan sürücülerin tasarlanabilmesini sağlamıştır. Dinamik tepkili Daimi Mıknatıslı Senkron Motorlar, çamaşır makinelerindeki yıkama işleminden sıkmaya geçiş gibi çok hızlı değişimlere anında reaksiyon gösterirler.

Dinamik Daimi Mıknatıslı Senkron Motorları kontrol eden sensörsüz saha yönelimli kontrol algoritmaları, bu tip tepkileri, standart endüsksiyon motorlarındaki skalar kontrole göre daha büyük verimle vermektedirler. Statör akımının FOC ile kontrol edilmesi, tork dalgalanmalarını azaltarak daha sessiz bir motor çalışması sağlar.

Dijital Sinyal Kontrolörleri, darbe genliği modülatöreri (PWM), analogtan dijitale çeviriciler (ADC) ve dört evreli kodlayıcı girdileri gibi motor kontrol için uygun olan arayüzler içermektedir. Bunların birçoğunun talimatları için kısa tepki sürelerine sahip olmaları için tekil bir saat döngüsünde çalışırlar. Kombinasyon, yazılım bazlı dijital filtrelerin kullanılmasını mümkün kılarak, ek bir donanıma gerek kalmadan aksiyon tepki sürelerini geliştirir.

Dijital sinyal kontrolörlerindeki bazı analogdan dijitale dönüştürücüler, aynı anda dört simultane girdi ile meşgul iken saniyede bir milyon örnek dönüştürebilir. Motor kontrolünde yüksek örnekleme hızı akım algılama için çok önemlidir. Motor faz sargısı akımlarının ölçümü için gerekli olan tek ek bileşenler, ucuz algılama rezistörleridir. Kabul edilmelidir ki, dijitial sinyal kontrolörleri, yüksek performans gerektirmeyen bazı düşük sınıf uygulamalar için fazla gelmektedir. Motor kontrolü, uygulamaya özel entegre devreler ve özel motor kontrollü 8 bit MCU’lar ile karşılaştırıldığında, dijital sinyal kontrolörlerin tasarım çevrimlerini uzatan ve maliyeti artıran aksesuarlara sahip olduğu görülür. Mühendisler C kod derleyicileri ve diğer matematiksel yazılım kütüphaneleri gibi yüksek seviyeli geliştirme araçlarını kullanmak zorunda hissedebilirler. Bu ilk kurulum maliyetlerinin artmasına neden olur. Daha basit kontrol teknikleri yeterli iken bu ek maliyetleri ayarlamakta zorlanabilirler. Diğer yandan, dijital motor kontrolörlerinin “blackbox” ASIC yaklaşımı üzerine birçok alanda avantajları vardır. Bu alanlar içerisinde, cihazlarda sensörlü ve sensörsüz motor kontrolü, benzin pompaları, araçlarda servo direksiyon sistemleri ve robotikte otomasyon bulunmaktadır. Tüm bunlarda, motorlar değişken yükler altında yüksek hızlı tepkiye ihtiyaç duymaktadırlar.

Mikroişlemci kontrolü değişken hızlı PMSM’lerin enerji tasarrufunu artırır

DSC’ler, dijital girdiler ile uyarılan tehlikeli hatalarda PWM’leri kapatabilirler. Avrupalı müşteriler, kıtanın enerji yaptırımlarını karşılamak için DSC bazlı aktif PFC kullanabilirler. PFC için gerekli olan ek bileşenler, sadece bir endüktör, güç anahtarı ve bir diottur. DSC’lerdeki ADC’ler akım ve voltajı doğru akım güç veri yolundan okurlar. Bu girdiler baz alınarak DSC, güç anahtarını PWM modülü ile bir PID kontrol döngüsü aracılığıyla güç faktörünü bire yakın tutacak şekilde ayarlar. DSC ve PFC’nin yokluğunda, ekstra ASIC ve birçok ek bileşene ihtiyaç duyulur.

FOC nasıl çalışır?

Kalıcı mıknatıslı senkron motorların (PMSM) saha yönelimli kontrolü (FOC) ia ve ib faz akımlarının ölçülmesi ile başlar. Üçüncü faz akımı diğer ikisinden hesaplanabildiği için (ia + ib + ic = 0) sadece iki akım sensörü yeterlidir. Clarke Dönüşümü, üç fazlı akımların iki eksenli grafiğe dönüştürerek Iα ve Iβ değişkenlerini yaratır. Statör perspektifinden bakıldığında, Iα ve Iβ zamanla değişen dört evreli değerlerdir.

İki eksenli grafik, rotor akısı ile aynı hizaya getirilmesi için dönüştürme açısı θ kullanılarak döndürülür. θ açısı kontrol döngüsünün son iterasyonunda hesaplanır. Bu dönüşüm, Iα ve Iβ’den id ve iq değişkenlerinin oluşturulmasını sağlar. Park Dönüşümü, dört evreli akımlar id ve iq’yu dönen grafik ile aynı hizaya getirir. Hem id hem de iq denge durumunda sabit kalır.

Id, ig ve her birinin referans değerleri hata sinyalleri oluştururlar. İd’nin referansı rotoru magnetize eden akı iken, iq’nun referansı ise motor tork çıktısıdır. Bu hata sinyalleri, PI kontrollere iletilerek motora voltaj vektörleri Vd ve Vq olarak gönderilirler.

Vd ve Vq, dört evreli voltaj değerlerini elde etmek için dönüştürme açısı kullanılarak sabit referans koordinat eksen değerlerine geri döndürülürler, Vα ve Vβ. Vα ve Vβ daha sonra matematiksel yollarla yeni PWM görev döngüsünü belirleyen üç fazlı voltajlara dönüştürülürler, Va, Vb ve Vc. Yeni koordinat dönüştürme açısı Vα, Vβ, Iα, Iβ değerleri girdi olarak kullanılarak tahmin edilir. Yeni akım düzenleme açısı FOC algoritmasına rehberlik ederek yeni voltaj vektörünün yerini belirler. Gerekli faz voltajlarının belirlenmesi için rotorun üç faz sargısına göre anlık konumlarının bilinmesi gereklidir. Bu bilgiyi bir kodlayıcı veya çözücü sağlayabilir ama maliyet ve karmaşıklık yaratır. Fakat, rotor pozisyonunu motor akım ve voltajlarını kullanarak da tahmin edebilirsiniz. Pozisyon tahmin edici, motor pozisyonunu dolaylı olarak bir gözlemci ile ölçmek için bir matematik model kullanır. Motor pozisyonu, PMSM’in doğru akım bir motor gibi kabul edilerek tahmin edilir. Bu model, sargı direnci R, sargı endüktansı L, elektro motor kuvveti e, içeren bir seri devreden meydana gelir.

Günümüz gözlemleyicileri, geri EMF’yi, girdinin motor ve modele eşit olduğunu doğrulayarak dolaylı yoldan ölçerler. Motor ve modeli aynı girdi ile beslendiğinde, modelin kapalı devre kontrolörü, tahmin edilen değerin ölçülen değere eşit olduğunu doğrular. Kayma modlu bir kontrolör, girdi referansının ve kuvvetleri takip ederek hatayı sıfıra yaklaştırır. Bu şekilde modeli düzenleyerek daha kesin hale getirir. Hatanın işaretine göre, kayma modlu kontrolör pozitif veya negatif geri besleme katsayısı, K, uygulayarak tahmin edilen akım ile ölçülen akımın aynı olmasını sağlar. Ölçülen ve tahmin edilen akım tuttuğunda ve motor ile modelin girdi voltajları aynı olduğunda, motor geri EMF’si denklemin e_s için çözülmesi ile bulunur. Giriş akımları ve voltajlarının modeldeki ve gerçek motordaki değerleri eşleşerek, modelin düzeltme faktörü, z, modelin geri EMF değerinin bulunması için filtrelenir. FOC algoritması, üç operasyonel durumdan meydana gelir: motor durma konumunda, açık döngü FOC ve sensörsüz FOC. Çalıştır tuşuna basıldığında, algoritma ilk olarak başlangıç durumuna girerek değişkenlere ilk değerler atanır.

Rotor pozisyonunun doğru bir şekilde tahmin edilmesi için, motorun minimum hızda dönerek yararlı bir geri EMF değeri vermesi gereklidir. Bir açık döngü çalıştırma prosedürü, motoru minimum hızda çalıştırmada yardımcı olur. Motorun çalıştırılmaya başlama aşamasında, DSC’den alınan sinüsoidal voltajlar motoru döndürür. Tork (iq) ve akı üretimi (id) gibi akım bileşenleri FOC tarafından model bazda yönetili çünkü bu noktada yeterli geri EMF yoktur. Akım bileşenleri iq ve id motorun çalışmaya başlama aşamasında torkun sabit tutulması için kontrol edilirler. Motoru çalıştırma prosedürü rotoru dahili bir rampa fonksiyonu ile her kontrol döngüsünde motor minimum hızına ulaşana ve artış açısı değerine θ kadar ivmelendirir. Minimum hıza ulaşıldığında, hız kontrolörü çalışma zincirine eklenerek algoritma sensörsüz FOC işletimine geçer. Burada istenilen hız sürekli olarak harici bir voltaj referansı ile okunarak motor devri ayarlanır. Hatalı girdiler, açma/kapama düğmesinde olduğu gibi sürekli görüntülenir. Kontrolördeki herhangi bir hata, motoru durdurur ve algoritmayı “motor durdu” durumuna geri getirir. Birçok bayi FOC algoritmalarını bedavaya sağlamaktadır. Genellikle kaynak kodu WEB’den yüklenebilir halde veya motor kontrol geliştirme kartı ile beraber gelmektedir. Bazı geliştirme yazılımlarındaki grafikli kullanıcı arayüzleri hızlı analiz için geri besleme sağlamakta ve mühendislerin test için program değişkenlerinin hızlı bir şekilde değiştirebilmesine imkan vermektedir.

Resim 4 : Makine durum diyagramı, FOC algoritmasının PMSM’lerdeki üç işletim durumunu detaylandırmaktadır

MOTOR STOPPED : Motor duruyor

Reset : İlk duruma getir

Initialise Variables and Peripherals : Değişkenler ve aksesuarları ilk konuma getir.

Inıtialise variables for running motor: Değişkenleri motoru çalıştırmak için ilk konuma getir.

Initialise PI controller parameters: PI kontrol parametrelerini ilk konuma getir.

Enable interrupts: Hata kaynaklı kesilmeleri devreye sok

Stop motor : Motoru durdur

Stop buton pressed or fault : stop tuşuna basıldı veya hata

Start buton pressed : Start tuşuna basıldı

OPEN LOOP FOC : Açık Döngü FOC

Motor running startup : Motor çalışmaya başlama aşamasında dönüyor