Sürekli Mıknatıslı Senkron Motorların Öz-Ayarlamalı Bulanık-PID Denetleyici ile Benzetim Çalışması ve Hız Denetimi

Transkript

1 KSU Mühnislik Bilimlri Drgisi, 18(1), KSU. Journal of Enginring Scincs, 18(1), 215 Sürkli Mıknatıslı Snkron Motorların ÖzAyarlamalı BulanıkPID Dntlyici il Bnztim Çalışması v Hız Dntimi Mustafa ŞEKKELİ 1, Hakan AÇIKGÖZ 2, Ahmt GANİ 1, Ö.Fatih KEÇECİOĞLU 1 1 Kahramanmaraş Sütçü İmam Ünivrsitsi, ElktrikElktronik Mühnisliği, Kahramanmaraş, Türkiy 2 Kilis 7 Aralık Ünivrsitsi, ElktrikEnrji Bölümü, Kilis, Türkiy ÖZET: Son yıllara sürkli mıknatıslı snkron motorlar (SMSM) yüksk güç, momnt v vrim gibi üstünlüklrinn olayı küçük v orta güçlü srvo motor sürücülrin yaygın olarak kullanılmaktaır. Bu çalışmaa, vktör ntim yöntmi uygulanan bir SMSM un hız ntim çalışması Matlab/Simulink pakt programı yarımıyla grçklştirilmiştir. Bu ntim yöntmin, ilk olarak Özayarlamalı bulanıkpid ntlyici v PID btlyici SMSM'nin hız ntim birimin uygulanmak için tasarlanmıştır. Özayarlamalı bulanıkpid ntlyici MATLAB/SimulinkFuzzy Logic Toolbox yarımıyla tasarlanmıştır. Hr iki ntlyici için aynı koşullar altına bnztim çalışmaları grçklştirilmiştir. PID ntlyicin v Özayarlamalı bulanıkpid ntlyicin l iln sonuçlar, rfrans hızı izlm, yük momnti gibi bozucu tknlr gör inclnmiş v karşılaştırılmıştır. El iln bnztim sonuçlarına gör Özayarlamalı bulanıkpid ntlyici PID ntlyiciy gör aha iyi hız cvabı vriği gözlmlnmiştir Anahtar Klimlr: SMSM, ktör Dntimi, PID Dntlyici, ÖzAyarlamalı BulanıkPID Simulation Stuy an Sp Control of Prmannt Magnt Synchronous Motor By Using SlfTuning FuzzyPID Controllr ABSTRACT: In rcnt yars, prmannt magnt synchronous motors (PMSM) ar wily us in th mipowrful srvo motor riv bcaus of thir high powr, toru an fficincy. Simualtion stuy was carri for sp control of PMSM using Matlab/Simulink softwar packag. In this control mtho, Slftuning fuzzypid controllr an PID controllr is first sign to apply to sp control unit of PMSM. Slftuning FuzzyPID controllr is vlop using MATLAB/Simulink Fuzzy Logic Toolbox. Simulation stuis ar implmnt for both of th controllrs unr sam conitions. Th rsults obtain from convntional PID controllr an Slftuning fuzzypid controllr ar analyz an compar accoring toisturbanc ffcts such as tracing iffrnt rfrncs sp an loa toru. Accoring to obtain simulation rsults, it is obsrv that Slftuning fuzzypid controllr provis bttr sp rspons than PID controllr. Kywors: PMSM, ctor Control, PID Controllr, SlfTuning FuzzyPID 1. GİRİŞ Yakın gçmiş kaar gnl olarak nüstri, inamik prformanslarının çok iyi olması v ntlnbilirliğinin basit olmasınan olayı oğru akım (DA) motorları trcih ilmktyi. Fakat DA motorlarının komütatör v fırça yapısı, motorun hm blirli aralıklarla bakım grksinimin hm fırça kollktör tması nniyl hr ortama kullanılmamasına nn olmaktaır [12]. Asnkron motorlar is yüksk vrim, az bakım istmsi, üşük ürtim maliytlri, basit v ayanıklı yapıları nniyl nüstri sıklıkla kullanılmaktaır [35]. Son yıllara, Mikroişlmcilr, güç lktroniği vr lmanlarınaki hızlı ilrlmlr v malzm tknolojisinki glişmlrl altrnatif akımla çalışan yüksk vrimliliğ sahip SMSM lr gliştirilmiştir. SMSM lr, snkron motorların uyartım sargılarının sürkli mıknatısla ğiştirilmsi sonucu l ilmiştir [15]. Bu motorlaraki n önmli özllik uyartım alanının sargı yrin sürkli mıknatıslar il l ilmsiir. Bu nnl lktriksl uyartım yrin sürkli mıknatıs kullanımıyla bakır kayıpları yok ilmktir. Sürkli mıknatıslar il oluşturulan motorlar iğrlrin gör aha basit yapıaırlar, aynı işlm için kullanılan iğr motorlaran aha hafif v küçüktürlr. Ayrıca kayıpları aha küçük v vrimlri aha yüksktir. Bu motorlara kullanılan sürkli mıknatıs malzmlrinin pahalı olması v yin bu malzmlrin manytik karaktristiklrinin zamanla ğişiyor olması is bu motorların n büyük zavantajlarıır [51]. SMSM lr asnkron motorlara bnzmktir. Bu nnl asnkron motorlar için gliştiriln ntim yöntmlri SMSM lr için kullanılabilmktir. Biliniği gibi srbst uyartımlı DA motoruna nüvi v uyartım sargıları birbirin iktir Sorumlu Yazar: Mustafa ŞEKKELİ, mskkli@ksu.u.tr

2 KSU Mühnislik Bilimlri Drgisi, 18(1), KSU. Journal of Enginring Scincs, 18(1), 215 v bu urum nüvi v uyartım akımlarının birbirinn bağımsız olarak ntlnmsin olanak vrir. Son yıllara, mikroişlmcilr v güç lktroniği vr lmanlarınaki hızlı ilrlmlr v yapılan çalışmaların aha a gliştirilmsiyl asnkron v snkron motorların srbst uyartımlı oğru akım motorları gibi ntlnbilcği vktör ntim yöntmi ortaya çı kmıştır v ilk olarak 1971 yılına Blashck [7] tarafınan ilri sürülmüştür. ktör ntimin amacı momnt v akı arasınaki kntlnm tkisini ortaan kalırarak momntin v akının birbirinn bağımsız ntlnmsini sağlamaktır. Akı sabits v snkron ksn takımının ksni üzrin yönlnirilmiş is, momnt akımın ksni bilşni tarafınan ntlnir. Snkron ksn takımı rotor akısı, stator akısı vya hava aralığı akısı ksn takımı olabilir [78]. ktör ntim yöntmi altrnatif akım motorlarına kullanılmaya başlaığınan bri, bu yöntmin prformansını arttırmak için birçok çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalaran biri, 1965 yılına Lotfi A.Zah [11] tarafınan ilri sürüln bulanık mantık ntlyici (BMD) tkniğiir. Bu tknik birçok alana başarılı bir şkil uygulanmaktaır. Bu özllik BMD yi ilgi çkici hal gtirmiş v birçok nüstriyl uygulamaa kullanılmasını sağlamıştır. Özayarlamalı BulanıkPID ntlyici is PID ntlyicinin Kp, Ki v K kazanç paramtrlrinin sabit olmaan sistmin cvabına gör BMD tarafınan bulunması prnsibin ayanır[1121]. Bu çalışmaa vktör ntim yöntmi uygulanan bir SMSM nin bnztim çalışması anlatılmaktaır. İkinci bölüm SMSM nin matmatiksl moli v vktör ntim yöntmi anlatılmaktaır. Üçüncü bölüm is Özayarlamalı BulanıkPID ntlyici v PID ntlyici il l iln bnztim çalışması sonuçları vrilmiştir. Dörüncü bölüm is yapılan çalışmaan l iln sonuçlar tartışılmaktaır. 2. SMSM nin MATEMATİKSEL MODELİNİN ÇIKARTILMASI Üç fazlı altrnatif akım motorların mollri iki fazlı (abc>αβ) mol çvrilrk motorun inamik nklmlrinki karmaşıklık azaltılır. Stator büyüklüklrinin rotor rfrans üzlmin ifa iliği 2 fazlı moli, srbst uyartımlı DA motor molin bnzmkt olup bu mol kullanılığına motorun ntimi kolaylaştırılmış olur. İyi tasarlanmış vktör ntim torisi momnt v akı arasına bağımsız ntim sağlamaktaır. Akı sabits v snkron ksn takımının ksni üzrin yönlnirilmiş is, momnt akımın ksni bilşni tarafınan ntlnir. SMSM nin rotor rfrans çatısınaki matmatiksl moli şkil 1 v 2 n aşağıaki gibi l ilbilir [11]: = RI λ rλ (1) t = RI λ rλ (2) t Buraa; R:stator sargı irnci,, : ksninki stator grilimlrini, I, I: ksninki stator akımlarını, L, L: ksninki stator nüktanslarını, λ, λ: ksninki stator akı halkalanmalarını v r is rotor hızını tmsil tmktir. Motorun v ksni manytik akıları sırasıyla nklm (3) v (4) t vrilmiştir. λ = L I λ (3) m λ = L I (4) λ m ifasi sabit mıknatıstan olayı myana gln karşılıklı manytik akıyı simglmktir. L v L is ksni nüktanslarını ifa tmktir. Motorun ürtcği lktriksl momnt is nklm 5 t vrilmiştir. T [ I I I ( L L )] 3 = P λ m (5) 2 Buraa; P, motorun çift kutup sayısını tmsil tmktir. Dnklm bakılığına motorun ürtcği momntin ksn akımlarına bağlı oluğu görülmktir. Motorun inamik nklmi is T L: yük momnti, B:sürtünm katsayısı v J:ylmsizlik il aşağıaki gibi l ilbilir. T = TL j r Br (6) t SMSM nin hız ntiminin grçklştirilmsi amacıyla Şkil 3 t vriln ntim yapısı kullanılmıştır. I R L r λ Şkil 1. SMSM un ksni şğr vrsi I R L r λ Şkil 2. SMSM un ksni şğr vrsi

3 KSU Mühnislik Bilimlri Drgisi, 18(1), KSU. Journal of Enginring Scincs, 18(1), 215 BulanıkPID Dntlyici I I I I PI PI >> abc θ a b c abc >> a PWM b İnvrtr c I a,i b,i c SMSM GİRİŞ ri Tabanı Kural Tabanı Bulanırma Çıkarım Mkanizması Durulaştırma ÇIKIŞ Şkil 3. SMSM nin BulanıkPID ntlyici il hız ntim bloğu 3. PID E ÖZAYARLAMALI BUNALIKPID DENETLEYİCİ TASARIMI PID ntlyicilr ayanıklı prformans v basit yapıları nniyl ntim sistmlrin n sık kullanılan ntlyicilrir. PID ntlyicilr oransal (P), intgral (I), türv (D) kazançlarınan oluşmaktaır v PID ntlyici bu üç tml kazançların üstünlüklrini tk bir birim için birlştirn bir ntlyiciir. Bu kazançların hr biri ntlnck sistmlr için farklı ğrlr alır v PID ntlyicinin kazanç ğrlri sistm üzrin faklı tkiy sahiptir. PID ntlyicilr nüstriyl uygulamalara yaygın olarak kullanılıkları için PID ntlyicinin Kp, Ki v K ğrlrinin n uygun ğr olması sistmin prformansı için çok önmliir. Bu amaç için PID ntlyici kazanç paramtrlrini blirlmy yönlik birçok optimizasyon yöntmi mvcuttur[15]. Bulanık mantık ilk olarak 1965 yılına Lütfi Zah tarafınan ortaya atılmıştır [11]. O tarihtn sonra önmi gittikç artarak günümüz kaar gln bulanık mantık, blirsizliklrin anlatımı v blirsizliklrl çalışılabilmsi için kurulmuş katı bir matmatik üzn olarak tanımlanabilir. Klasik mantıkta bir lman bir kümnin lmanıır ya a ğilir mantığına sahip oluğu için klasik mantık yöntmlriyl karmaşık sistmlri mollmk v ntlmk zorur. Çünkü vrilr tam v nt olmalıır [1113]. Bulanık mantık a is ksinlik yoktur v aha nitliksl tanımlama mvcuttur. Bulanık mantığın n ilgi çkn tarafı is uzman kişinin bilgilri ntlyicinin içrisin gömülrk sistm ntlnir. Yani sistmin hrhangi bir matmatiksl molin ihtiyaç yoktur. BMD, gnl olarak bulanırma, çıkarım mkanizması, urulaştırma v bilgi tabanı (vri v kural tabanı) olmak üzr ört tml bilşnn oluşmaktaır. Bu yapı şkil 4 t vrilmiştir. Şkil 4. Gnl BMD Yapısı Şkil 5 bulanıkpid ntlyici yapısına ait blok iyagramı vrilmiştir. BulanıkPID ntlyiciki amaç, PID kazanç paramtrlrinin BMD il oluşturularak onlin olarak sistm uygun PID kazanç ğrlrinin bulunmasıır. PID ntlyicinin kazanç paramtrlri sabit oluğu için zamanla ğişn v linr olmayan sitmlr için başarılı sonuçlar vrmybilir. BulanıkPID ntlyici il PID kazanç ğrlri otomatik olarak ayarlanarak PID ntlyicinin bu olumsuz urumu ortaan kalırılır [1521]. Tasarlanan ntlyici kullanılan ilsl ğişknlri NB (Ngatif Büyük), N (Ngatif), Z(Sıfır), P(Pozitif), PB(Pozitif Büyük) olmak üzr bş ğişkn kullanılmıştır. W /t BULANIK MANTIK DENETLEYİCİ Kp Ki K PID DENETLEYİCİ BULANIK PID DENETLEYİCİ SENKRON MOTOR MODELİ Şkil 5. BulanıkPID Dntlyici Blok Diyagramı Şkil 6 a is 2 giriş v 3 çıkışa sahip bulanık mantık sistmi göstrilmktir. Şkil BMD nin 2 girişi varır. Bunlar hata () v hata ğişimi (Δ) olarak tanımlanabilir. Çıkışlar is Kp, Ki v K için oluşturulmuştur. Hata v hata ğişimi, Kp, Ki v Kp için oluşturulan üçgn üylik fonksiyonları şkil 7 vrilmiştir [114]. Kp, Ki v K çıkışları için oluşturulan kural tabanları is tablo 1 vrilmiştir.

4 KSU Mühnislik Bilimlri Drgisi, 18(1), KSU. Journal of Enginring Scincs, 18(1), 215 NB c BULANIK MANTIK DENETLEYİCİ Şkil 6. Bulanık Mantık Dntim Sistmi N Z P PB Şkil 7. BulanıkPID Dntlyici için Üylik Fonksiyonları Tablo 1. Kp, Ki v K Kazançları için Kural Tablosu Kp Ki K BulanıkPID ntlyici aşma yapmaan yaklaşık olarak.1 saniy sonra rfrans hızı yakalamış v kalıcı urum hatası yapmaan rfrans hızı başarılı bir şkil izlmktir. Şkil 9 a is PID ntlyicin l iln hız cvabı görülmktir. Şkiln görülüğü gibi PID ntlyici yaklaşık olarak %8 aşma yapmış v.1 saniy sonra rfrans hızı yakalamıştır. Hr iki ntlyici motor hızı, arzu iln hızı sürkli urum hatası olmaksızın başarılı bir şkil izlmktir. Şkil 1 a is motor başlangıçtan itibarn yüksüz uruma ikn motor hızının PID v Özayarlamalı BulanıkPID ntlyici il 15/ ra/sn lik ğişik sabit rfrans hızları izlm başarımı göstrilmiştir. Şkiln görülüğü gibi PID ntlyici yaklaşık olarak %8 lik aşma yaptıktan sonra sürkli urum hatası olmaan başarılı bir şkil rfrans hızı izlmktir. Özayarlamalı BulanıkPID ntlyici is tüm ğişik sabit rfrans hızları aşma yapmaan izlmiştir. Motorun bozucu girişlr karşı başarımının inclnbilmsi amacıyla, motora t=.3 sn n 3 N.m lik sabit yük momnti uygulanmıştır. Hr iki ntlyicin l iln hız cvabının taylı karşılaştırılması şkil 11 vrilmiştir. t=.3 saniy hr iki ntlyici yaklaışık olarak 194 ra/sn y üşmüş v çok hızlı bir şkil tkraran rfrans hızı izlmy başalmışlarır. Özayarlamalı BulanıkPID ntlyici rfrans hızı.32 saniy yakalarkn PID ntlyici.34 saniy yakalamıştır. 25 Kp NB N Z P PB NB NB/PB/NB NB/PB/NB NB/PB/NB N/N/P Z/NB/PB N NB/PB/NB N/P/N N/P/N N/Z/Z Z/NB/PB HIZ (Ra/sn) 15 1 Z NB/P/Z N/P/N Z/Z/Z P/N/P Z/NB/PB PS Z/P/Z N/P/N P/N/P P/N/P Z/NB/PB 5 PM Z/Z/Z P/N/P PB/NB/PB PB/NB/PB Z/NB/PB 4. BENZETİM ÇALIŞMASI SONUÇLARI SMSM nin hız ntiminin grçklştirilmsi amacıyla şkil 3 vriln ntim yapısı, motorun rotor rfrans çatısınaki nklmlri kullanılarak v vktör ntim yöntmi ilksin gör MATLAB programına tasarlanmış v grçklştirilmiştir. ktör ntimli SMSM nin hız ntim ünitsin Özayarlamalı BulanıkPID ntlyici v PID ntlyici uygulanmıştır. Hr iki ntlyici MATLAB/simulink pakt programı yarımıyla oluşturulmuştur. Bu kısıma vktör ntim yöntmi uygulanan SMSM nin hız ntim başarımı inclnmiştir. Şkil 8 motor yüksüz uruma ikn motor hızının Özayarlamalı BulanıkPID ntlyici il sabit ra/sn lik rfrans hızı izlm başarımı göstrilmiştir. Özayarlamalı Şkil 8. ra/sn basamak hıza v yüksüz uruma Özayarlamalı BulanıkPID ntlyicin l iln sonuçlar HIZ (Ra/sn)

5 KSU Mühnislik Bilimlri Drgisi, 18(1), KSU. Journal of Enginring Scincs, 18(1), 215 HIZ (Ra/sn) HIZ (Ra/sn) Şkil 9. ra/sn basamak hıza v yüksüz uruma PID ntlyicin l iln sonuçlar HIZ (Ra/sn) PID Şkil 1. 1/ ra/sn sabit basamak hızlara v yüksüz uruma hr iki ntlyicin l iln sonuçlar REFERANS HIZ BULANIKPID Şkil 11. ra/sn sabit hıza v t=.3 sn n itibarn 3 N.m yüklü uruma hr iki ntlyicin l iln sonuçlar 5. SONUÇLAR Bu çalışmaa vktör ntim yöntmi uygulanan SMSM nin hız ntim çalışması grçklştirilmiştir. Dntim sistmi MATLAB/Simulink pakt programı yarımıyla oluşturulmuştur. SMSM nin hız ntimin ilk olarak klasik PID v Özayarlamalı BulanıkPID ntlyici tasarlanmıştır. Daha sonra hr iki ntlyici SMSM nin hız ntim ünitsin uygulanmıştır. PID v Özayarlamalı BulanıkPID ntlyicin l iln sonuçlar inclnmiş v karşılaştırılmıştır. El iln bnztim sonuçlarına gör Özayarlamalı BulanıkPID ntlyicin l iln hız cvabının yüksm zamanı, yrlşm zamanı v aşma PID ntlyicin aha iyi sonuç vriği gözlmlnmiştir. 6. KAYNAKLAR [1] S.A.Nasar, I. Bola, an L. E. Unnwhr, Prmamnt magnt, rluctanc an slfsynchronous motors, CRC Prs, Nw York [2] Spoonr E, Chalmrs BJ, ElMissiry MM, Wi W, Rnfrw AC. Motoring Prformanc of th Toroial Prmannt Magnt Machin. 5th IEEE Intrnational Confrnc on Elctrical Machins an Drivs, pp. 36 4, [3] Bogani T, Liozzi A, Solro L, Di Napoli A. Synrgtic control of PMSM rivs for high ynamic applications. IEEE Conf. Elctric Machins an Drivs, pp , Dc., 5. [4] Bos, B. K., Morn Powr Elctronics an AC Drivs, PrnticHall, Uppr Sal Rivr,NJ, 2. [5] Ozcira, S., Bkiroglu, N., Aycick E., Sp Control of Prmannt Magnt Synchronous Motor Bas on Dirct Toru Control Mtho, Procings on Intrnational Symposium on Powr Elctronics, Elctrical Drivs, Automation an Motion SPEEDAM, pp. Ischia, , 8. [6] Bola, I., Nasar, S.A., ctor Control of AC Drivs, CRC Prs, Nw York, [7] F.Blaschk., Th principl of fil orintation as appli to th nw Transvctor clos loop control systm for rotating fil machins, Simns Rv., vol. 34, pp , [8] Y. S. Lai, Machin Moling an Univrsal Controllr for ctor Controll Inuction Motor Drivs, in Proc. IEEE Trans.nrgy con.,ol.18,no.1,march.3. [9] Y. S. Lai, J. H. Chn, an C. H. Liu, A univrsal vctor controllr for inuction motor rivs f by voltagcontroll voltag sourc invrtr, in Proc. IEEE Powr Eng. Soc. Summr Mting,, pp [1] Y. S. Lai., Moling an vctor control of inuction machina nw unifi approach, in Proc. IEEE Powr Eng. Soc. Wintr Mting, 1999, pp [11] L. A. Zah, fuzzy sts, Inform, Control, ol.8, pp , [12] Ross, T. J., Fuzzy Logic with Enginring Applications, McGrawHill Inc., ISBN , [13] Danıl B., Gökbulut M., Sabit Mıknatıslı Snkron Motorların Bulanık Sinir Ağı Dntlyici il Dayanıklı Hız Dntimi, F. Ü. Fn v Mühnislik Bilimlri Drgisi, 16(4), , 4 [14] G. Ziglr, N.B. Nichols, Optimization Stting for Automatic Controllr, Trans. ASME, ol. 64, pp , [15] L. A. Zah, Fuzzy sts, Inform, Control, ol.8, 1965, pp [16] D. Hu, Linhang Li, Th rsarch of fuzzy PID controllr bas on DSP, Sichuan: Xihua Univrsity, pp. 2124, 7. [17] Guns Mahit, Fuzzy an thrstp control of rfinr systm to gt stabl frnss for rcycl papr Scintific Rsarch an Essays ol. 6(1), pp , 4 January, 211.

6 KSU Mühnislik Bilimlri Drgisi, 18(1), KSU. Journal of Enginring Scincs, 18(1), 215 [18] J. Kim, S. Oh, A Fuzzy PID Controllr for Nonlinar an Uncrtain. Systms, Soft Computing, 4: ,. [19] Zhiiang Gao, Thomas A. Trautzsch an Jams G. Dawson, A Stabl SlfTuning Fuzzy Logic Control Systm for Inustrial Tmpratur Rgulation, Inustry Application IEEE, ol.38 No.2, pg , 2. [2] Cao G., Lou C., an D. An, Application of fuzzy slftuning PID control to air conitioning systm, Hat ntilating an Air Conitioning, vol. 34, No.1, 1619, Octobr 4. [21] Açıkgöz H., Kçioğlu O.F, Günş M., Şkkli M., Simulation Stuy Of Hyraulic Turbin By Using SlfTuning Fuzzy PID Controllr,Acamic Platform Journal of Enginring an Scinc, ol.31, 215.