GENETİK TABANLI GELENEKSEL DENETLEYİCİLERLE ANAHTARLAMALI RELÜKTANS MOTORUN POZİSYON TAKİP KONTROLÜ

Transkript

1 Oguz Utun 66 SDU Intenational Jounal of Technological Science Vol. 8, No 1, Apil 216 pp Computational Technologie GENETİK TABANLI GELENEKSEL DENETLEYİCİLERLE ANAHTARLAMALI RELÜKTANS MOTORUN POZİSYON TAKİP KONTROLÜ Oğuz Ütün Geliş Taihi/ Received: , Kabul taihi/accepted: Özet Bu çalışmada oantı (P) ve oantı+integal (PI) gelenekel denetleyicile kullanılaak anahtalamalı elüktan motoun (ARM) poziyon takip kontolü geçekleştiilmişti. Poziyon döngüünde P ve hız döngüünde PI denetleyici kullanılmıştı. Gelenekel denetleyicilein katayılaının belilenmeinde deneme-yanılma ya da analitik metotla kullanılabili. Bu yöntemle doğual itemlede uygun olmaına kaşın ARM üme itemi gibi doğual olmayan itemlede yeteiz kalmaktadıla. Bu nedenle bu çalışmada katayıla genetik aama algoitmaı kullanılaak online olaak belilenmişti. Faklı poziyon koşullaında otaya koyulan denetim iteminin benzetim çalışmalaı geçekleştiilmişti. Elde edilen benzetim onuçlaı, motoun geçek poziyonunun efean poziyonu oldukça iyi biçimde takip ettiğini götemişti. Anahta kelimele: Anahtalamalı elüktan motola, genetik algoitmala, poziyon takip kontolü. A TRACKING POSITION CONTROL OF THE SWITCHED RELUCTANCE MOTOR WITH GENETIC BASED CONVENTIONAL CONTROLLERS Abtact In thi tudy, poition tacking contol of the witched eluctance moto (ARM) i ealized with the popotional (P) and the popotional + integal (PI) conventional contolle. P and PI contolle ae ued fo poition loop and peed loop, epectively. Howeve, tial-and-eo o analytical method can be utilized fo detemination of the coefficient of the conventional contolle. Thee method ae capable of linea ytem, but they ae incapable on uch that ARM dive ytem. Fo thi eaon, thee paamete ae defined a online uing genetic each algoithm in thi tudy. Simulation tudie ae achieved fo the pefomance of the popoed contol ytem unde diffeent poition condition. The obtained imulation eult how that the actual poition of the moto cloely follow the efeence poition of the moto. Key Wod: Switched eluctance moto, genetic algoithm, poition tacking contol. 1. Giiş Son yıllada elektik motolaı üme itemleinde bulanık mantık denetim, kayma kipli gibi doğual olmayan kontol tekniklei hız ve poziyon denetimleinde kullanılmaktadı. Fakat bu tip denetleyicile hem item taaımı hem de işlemci kapaitei açıından oldukça zahmetli olduğu açıktı. Buna kaşın gelenekel denetleyicile fazla işlem yükü geektimemei, taaımlaının gelişmiş denetim yöntemleine göe bait olmaı nedeniyle endütiyel uygulamalada kullanımlaı yoğun olaak devam etmektedi. Abant İzzet Bayal Üniveitei Mühendilik Fakültei, Elektik-Elektonik Mühendiliği Bölümü, 143, Bolu, Tükiye, E-pota: oguzutun@ibu.edu.t SDU Intenational Jounal of Technological Science e-issn

2 Genetik Tabanlı Gelenekel Denetleyicilele Anahtalamalı Relüktan Motoun Poziyon Takip Kontolü 67 Gelenekel denetleyicilede katayılaın bulunmaında bikaç metot bulunmaktadı. Deneme yanılma metodu poziyon ya da hız tepkiine bakılaak katayılaın manuel olaak ayalanmaı yöntemidi. Bu yöntem işlem yükü olmamaı nedeniyle en kolay yöntem olaak göülebili fakat en optimum katayılaın bulunmaı zodu aynı zamanda deneme-yanılma uzun zaman geektii. Bunun dışında analitik yöntemle geliştiilmişti. Analitik yöntemlede itemin kaakteitik denklemi elde edileek katayıla bulunabili. Katayılaın bu yöntemle belilenmeinde itemin mekanik paameteleinin bilinmei ve buna göe işlem yapılmaı geeki. Fakat elektomekanik itemlede bu paametelein elde edilmeinin güçlüğü ve paameteleden kaynaklanan beliizlikle itemin tam bi modelinin elde edilmeini he zaman mümkün kılmaz. Son yıllada gelenekel denetleyicilein katayılaının belilenmeinde tokatik yapıda aama algoitmalaı tecih edilmektedi. Online olaak katayılaın uyalanmaı ve item paameteleine ve dolayııyla item modeline ihtiyaç duymamaı nedeniyle ilgi çekici hale gelmişledi. Bu aama algoitmalaı içinde en dikkat çekici olanladan biii genetik algoitmaladı. Genetik algoitmala en iyi hayatta kalı ilkeine göe taklit edilmiş aama algoitmalaıdı. Genetik algoitmala eğimli iniş algoitmalaında olduğu gibi eğim bilgii geektimemei ve item modeline ihtiyaç duymamaı, çok boyutlu itemlede çözüm üetebilmei ve kolay biçimde lokal minimumlaa takılmamaı nedeniyle oldukça ık kullanılan aama algoitmalaıdı [1]. Anahtalamalı elüktan motola ağlam yapılaı, otolaında agı bulunmadığı için veimli olmalaı, tok kaakteitiği nedeniyle DC ei motolaa olan benzeliklei nedeniyle kalkınma toklaının yükek olmaı, çıkıntılı kutup yapılaı geeği oğutma geektimemelei, yükek hızlada çalışabilme kabiliyetlei nedeniyle endütiyel uygulamalada özellikle taşıma itemleinde kullanımlaı on yıllada gideek atmıştı [2]. Ululaaaı liteatüde doğual ARM le için çeşitli poziyon kontol çalışmalaı göüle de döne yapılı ARM lede poziyon kontolü ile ilgili çok az ayıda çalışma bulunmaktadı [3-6]. Bu çalışmada, anahtalamalı elüktan motoun poziyon takip kontolü için gelenekel denetleyicilein pefomanlaı tet edilmişti. Gelenekel denetleyicilein katayılaı genetik algoitmala kullanılaak online olaak elde edilmişti. Faklı poziyon koşullaında he bi denetleyici tet edilmişti. Elde edilen onuçla ayıntılı olaak veilmişti. 2. ARM Süme Sitemi Benzetim çalışmaında kullanılan ARM üme iteminin konfigüayonu Şekil 1 de velmişti. Süme iteminin güç taafı 4-fazlı, 8/6 kutuplu, 3HP, ARM ve 4 fazlı aimetik konvetö ve dc güç kaynağından oluştuulmuştu. Kontol taafında ie poziyon denetleyici, hız ınılayıcı, hız denetleyici, tok ınılayıcı, hebi fazın poziyonlaının üetildiği komutayon üeteci, efean akım üeteci, hiteeiz band akım denetleyici PWM olaak özetlenebili. Şekil 1 de efean poziyonu, oto poziyonu, e poziyon hataı, efean hız, mekanik hız, e hız hataı, faz akımlaı, i faz akımlaı, H S ve T efean tok, faz poziyonlaı, i efean L S anahtalama inyalleini götemektedi. Vol. 8, No 1, Apil 216

3 Oguz Utun 68 DC kaynak 4-phae aimetik konvetö ARM genetik aama algoitmaı denetleyici kazançlaı için komozom yapıı P+PI p K P K P K I H S hiteiiz bant PWM L S e poziyon döngü denetleyici hız ınılayıcı d dt e hız döngü tok ınılayıcı T denetleyici i efean akım üeteci faz poziyon üeteci i = 1,2,3,4 Şekil 1. ARM üme itemi 8/6 4 fazlı ARM keit göünümü Şekil 2 de veilmişti. 8 tato ve 6 oto kutbundan oluştuulmuştu. Genel ARM akı ve tok kaakteitiklei tandat elektik makinalaı teoiine göe aşağıda olduğu gibi elde edili [2], v dψ = i + (1) dt ψ ( i, ) = ( v i dt (1) ) W T ( i, ) = (3) i W ( i, ) = ψ ( i, ) di (4) J = 1 T ( i, i,, i, ) = T ( i, ). (5) e buada moto fazlaını temil etmektedi ve =1,2,..,4 aaında değe alabili. Ph2' STATOR Ph3' Ph4' 6 Ph4 Ph1 Ph2 Ph3 ROTOR 45 Ph1' Ph1 3 Ph4 Ph2 15 Ph3' tep 1/ e t Şekil 2. ARM keit göünümü ve faz poziyonlaı SDU Intenational Jounal of Technological Science e-issn

4 Genetik Tabanlı Gelenekel Denetleyicilele Anahtalamalı Relüktan Motoun Poziyon Takip Kontolü 69 Buada = 36 / N, = 36 / N ve tep = olaak heaplanı. N oto kutup ayıı ve N tato kutup ayıını götemektedi. Poziyona bağlı çalışan elektik makinalaında olduğu gibi ARM lede de uygun faz ıaının belilenmei çalışma iteminin temelidi. Şekil 2 de göteilen keit göünümü ve büyüklükle kullanılaak, oto poziyon değişimine bağlı olaak he bi fazın poziyon değişimi kompakt olaak aşağıda olduğu gibi ifade edili. ( + + ( 4) ) ) =, (6) mod tep Buada tato kutup açıı, oto kutup açıı, tep oto aım açıı ve oto poziyonunu götemektedi. mod fonkiyonu floating ayıla için alındığı vaayılmalı ya da tüm poziyon değeleinin tam ayı olaak ifade edilmelidi. Eşitlikten göüldüğü gibi, faz poziyonlaı tato kutup ayıı, oto kutup ayıı ve moto faz ayıına bağlı olaak göe belileni. Faz ıaının belilenmei ARM hız ve poziyon kontolleinde oldukça önemli bi ünitedi. Şekil 2 de göteilen faz poziyonlaı 8/6 moto için he bi 6 de anahtalamala tekalanı, yani elektikel olaak bi peiyot 1/ e tamamlanı. Buada e motoun elektikel hızını götei. Bi faz için yapılan işlemle diğe fazlaa da uygulanı, böylece işlemle daha ade olu. Bununla bilikte Eş. 7 de göteilen hiteeiz bant PWM fonkiyonu ile anahtalaın iletim ve keim duumlaı belileni. Bipola duumda, S H,S L 1, =, i i i i h b h b (7) Böylece poziyon ve akım gei belemei kullanılaak itenen efean akıma bağlı olaak konvete anahtalaı iletime ve keime götüülü. Bunun onucu olaak da moto fazlaında itenen akım değelei elde edili. Anahtalamalı elüktan makinalaın tok modelinin çıkatılmaına yönelik çok ayıda çalışma mevcuttu. Bunla kabaca doğual ve doğual olmayan tok modelleinden oluşu. Bu çalışmada Utun [2] taafından geliştiilen yapay ini ağı tabanlı tok ve akım modeli kullanılmıştı. 3. Genetik Tabanlı Gelenekel Poziyon Denetleyicilein Taaımı 3.1. P_PI poziyon denetleyici Poziyon döngü denetleyici olaak oantı (P) ve hız döngü denetleyici olaak oantı+integal (PI) kullanılmıştı. Poziyon döngü denetleyicinin üekli zaman çıkış ifadei, ( ) = K e ( t), (8) t P e ( t) = ( t) ( t) (9) Vol. 8, No 1, Apil 216

5 Oguz Utun 7 ve ayık zaman çıkış ifadei, ( ) = K e (1) e k P = (11) olaak veilebili. Hız döngü denetleyicinin üekli zaman çıkış ifadei, T ( t) = K e ( t) + K e ( t dt, (12) P I ) ve ayık zaman çıkış ifadei, T = K e + T K e (13) T e P I = T ( k 1) + T (14) = ( k) (15) e = e e ( k 1) (16) olaak veilebili. Buada götemektedi. T önekleme peiyodunu, k = 1,, N önekleme ayıını 3.2. Genetik aama algoitmaının yapıı Genetik algoitmalaın yapıı ıaıyla komozom yapıının teşkil edilmei, komozomu oluştuuken kullanılacak kodlama tekniğinin belilenmei, popülayon büyüklüğünün belilenmei, uygunluk fonkiyonunun eçimi, ailelein eçim yöntemi, genetik opeatö tipleinin belilenmeidi. Bu yapıal ayalamala belilendikten ona genetik yapı oluştuulu. Bu yapı ve yöntemle kullanılaak algoitma çıkatılı [7]. Komozom 3 genden oluştuulmuştu. He bi gelenekel denetleyici katayıı bi gen temil etmektedi. Klaik genetik algoitmalada ikili kodlama tekniği kullanılmaktadı. Bu çalışmada genetik algoitma işlem üeinin düşüülmei için geçek ayılala kodlama tecih edilmişti. Popülayonun belilenmeinde önemli olan popülayonun kaç bieyden oluştuulacağı ve başlangıç değeleinin naıl eçileceğidi. Genetik algoitmala taalanıken popülayon büyük eçilie, genetik algoitmanın itenen çözüme ulaşmaı daha uzun zaman alı. Teine popülayon çok küçük eçilie bu duumda popülayon içeiindeki bieylein çeşitliliği düşeceği için lokal minimumda kalmaına neden olacaktı. Bu nedenle algoitma çevim üei dikkate alınaak mümkün olduğunca popülayonun büyük eçilmei öneili. Bu çalışmada 1 bieyden oluşan bi popülayon deneme yanılma yöntemine göe belilenmişti. Uygunluk fonkiyonu poziyon hataının ıfıa çekilmei için aşağıda olduğu gibi tanımlanmıştı. SDU Intenational Jounal of Technological Science e-issn

6 Genetik Tabanlı Gelenekel Denetleyicilele Anahtalamalı Relüktan Motoun Poziyon Takip Kontolü 71 N fitne = e (17) k = 1 Uygunluk fonkiyonu hangi bieyin bi onaki neilde bulunup bulunmayacağını göteen temel paametedi. Bi komozoma ait uygunluk değei ne kada yükek olua o komozomun aile olaak eçimi daha güçlü bi olaılıktı. He bi komozom dizii için ARM üme itemi çalıştıılı. Popülayon içeiindeki tüm bieyle için uygunluk değelei bulunu. Genetik algoitma ya daha önce belilenen uygunluk değei yakalanıa onlandıılı. Uygunluk değei en yükek olan biey aklanı böylece en uygun etkinlik fonkiyonlaı elde edilmiş olu. Bi onaki nelin üetilmei için popülayon içeiindeki bieyle aaından uygunluk değeleine bağlı olaak ailele belileni. Bu çalışmada ailelein eçiminde özel bi yöntem uygulanmıştı. Rank-baed ve elitizm yöntemlei kullanılmıştı. Öncelikle uygunluk değeine göe popülayon içeiindeki bieyle en yükekten aşağıya doğu ıalanmıştı. En yükek uygunluk değeine ahip biey hem aile olaak eçilmiş hem de doğudan bi onaki neile dahil edilmişti. Böylece en iyi pefomanı ağlayan biey algoitma tamamlanana kada kounmaı ağlanmıştı. Üeme işleminde çapazlama ve mutayon olaak adlandıılan iki genetik opeatö kullanılı. Çapazlama işlemi aile eçiminden elde edilen ailele kullanılaak yeni dölle meydana getiili. Buada dikkat edilmei geeken huu popülayon içeiindeki çeşitliliğin kaybolmamaı ve bunun yanında uygun bieylein çapazlamada tamamen kaybedilmemeidi. Bu çalışmada bi onaki neil için geekli bieylein oluştuulmaı için çok noktadan çapazlama işlemi geçekleştiilmişti. Çapazlamaya giecek olan bieyle atgele eçilmiş ve.75 olaılık değei kullanılmıştı. Çapazlama noktalaı yine atgele eçim ile belilenmişti. Çapazlama onucu elde edilen bieylee popülayondaki çeşitliliği atımak için mutayon uygulanaak yeni popülayonun oluşumu tamamlanı. Bu genetik opeatöde de mutayon oanlaına dikkat edilmei geeki. Mutayon oanı büyük eçilide popülayondaki bieylein çeşitliliği ataken uygun bieylein tamamen kaybedilmeine de yol açabili. He bi bieyin mutayon olaılığı.25 olaak eçilmişti. 4. Benzetim Çalışmaı İkinci ve üçüncü bölümde anlatılan ARM üme itemi ve denetleyici yapılaı kullanılaak faklı poziyon efeanı için tetle geçekleştiilmişti. Otaya koyulan denetleyicinin pefomanını belileyen özellik motoun geçek poziyonunun efean poziyonu yakından takip edebilmeidi. Bu amaçla 3 faklı tip tet düzeneği oluştuulmuştu. İki yönlü tapez fonkiyonu, iki yönlü PI fonkiyonu ve inüzoidal fonkiyon efean poziyon olaak alınaak tetle geçekleştiilmişti. Tet fonkiyonlaı eçiliken iki yönlü poziyon denetimi olmaı ve 4 bölgeli çalışma ea alınmıştı. Bunun onucu olaak motoun tüm çalışma koşullaında tetlei geçekleştiilmiş olmaktadı. Böylece geçek itemlede ARM nin poziyon takip denetimleinde ahatlıkla kullanılabilmei amaçlanmıştı. Şekil 3 de makimum değei 2 π olan çift yönlü tapez efean poziyonu için elde edilen onuçla veilmişti. Tetle 1Nm yük için geçekleştiilmişti. Bu poziyon takip tipi doğual poziyon değişiminin geektiği uygulamalada kullanılabili. Şekil 3(a) gafiğinde poziyon Vol. 8, No 1, Apil 216

7 Oguz Utun 72 onuçlaı göülmektedi. Refean, geçek ve poziyon hataı gafiklei veilmişti. Gafikle incelendiğinde geçek poziyonun efean poziyonu yakından takip ettiği ve poziyon hataının tüm duumlada ıfıa yakın olduğu göülmektedi. Bu çalışma duumu için denetleyici pefomanı gayet iyi onuç vemişti. Şekil 3(b) de hız değişim gafiği göülmektedi. Poziyon değişimleinin olduğu noktalada hızlada dabele olduğu göülmektedi. Hızın poziyonun tüevi olduğu düşünülüe bu davanışın nomal olduğu göülebili. Bu geçiş noktalaında poziyon değişimleinde çok küçük alınımlaın olmaı doğal bi duumdu. Bu nedenle poziyon takip denetimleinde poziyon değişimleinin çok büyük olmamaına dikkat edilmei geeki. Sınılayıcı faktö budu. 8 6 efean geçek hata 4 2 poziyon (ad) zaman () (a) hız (d/d) zaman () (b) Şekil 3. Çift yönlü tapez efean poziyonu için benzetim onuçlaı a) poziyon b) hız. SDU Intenational Jounal of Technological Science e-issn

8 Genetik Tabanlı Gelenekel Denetleyicilele Anahtalamalı Relüktan Motoun Poziyon Takip Kontolü 73 Şekil 4 de makimum değei 2 π olan çift yönlü PI efean poziyonu için elde edilen onuçla veilmişti. Tetle 1Nm yük için geçekleştiilmişti. Bu tip çalışmala üel değişime ahip olduğu için poziyon başlangıcı ve bitim noktalaı daha yumuşak bi değişime ahip olacaktı. Hem üel değişim hem de abit poziyon haeketlei geeken duumlada elveişli bi çalışma ağla. Şekil 4(a) gafiğinde poziyon onuçlaı göülmektedi. Refean, geçek ve poziyon hataı gafiklei veilmişti. Bu çalışma için de gafikle incelendiğinde geçek poziyonun efean poziyonu yakından takip ettiği ve poziyon hataının tüm duumlada ıfıa yakın olduğu göülmektedi. Bu çalışma duumunda da denetleyici pefomanı gayet iyi onuç vemişti. Şekil 4(b) de hız değişim gafiği göülmektedi. Bu çalışma duumu için hız tepkiinde piklein olmadığı göülmektedi. Dolayııyla poziyon değişim noktalaında tapeze göe alınımla çok daha az olacaktı. 8 6 efean geçek hata 4 2 poziyon (ad) zaman () (a) hız (d/d) zaman () (b) Şekil 4. Çift yönlü PI efean poziyonu için benzetim onuçlaı a) poziyon b) hız. Vol. 8, No 1, Apil 216

9 Oguz Utun 74 Şekil 5 de makimum değei 2 π olan inüzoidal efean poziyonu için elde edilen onuçla veilmişti. Tetle 1Nm yük için geçekleştiilmişti. Bu tip çalışmala üekli olaak poziyon haeketinin olduğu duumlada kullanılabili. Şekilleden de göüldüğü gibi poziyonun abit olduğu duum yoktu. Şekil 4(a) gafiğinde poziyon onuçlaı göülmektedi. Refean, geçek ve poziyon hataı gafiklei veilmişti. Bu çalışma için de gafikle incelendiğinde geçek poziyonun efean poziyonu yakından takip ettiği ve poziyon hataının tüm duumlada ıfıa yakın olduğu göülmektedi. Bu çalışma duumunda da denetleyici pefomanı gayet iyi onuç vemişti. Şekil 4(b) de hız değişim gafiği göülmektedi. Bu çalışma duumu için adece başlangıç duumunda hızda pikle göülmektedi. Dolayııyla adece poziyon alınınımlaı bu noktada oluşabili. 8 6 efean geçek hata 4 2 poziyon (ad) zaman () (a) hız (d/d) zaman () (b) Şekil 5. Sinüzoidal efean poziyonu için benzetim onuçlaı a) poziyon b) hız. He üç çalışma duumunda da denetim pefomanının oldukça iyi olduğu göülmektedi. Refean poziyonla çalışma yeine göe eçilmelidi ve alınımlaın en az olacağı biçimde fonkiyonla belilenmelidi. SDU Intenational Jounal of Technological Science e-issn

10 Genetik Tabanlı Gelenekel Denetleyicilele Anahtalamalı Relüktan Motoun Poziyon Takip Kontolü Sonuçla Bu çalışmada gelenekel P-PI denetleyicilein katayılaı online olaak genetik algoitmala kullanılaak belilenmiş ve gübüz bi denetim geçekleştiilmişti. ARM poziyon takip kontolü geçekleştiilmişti. Tapez, PI ve inüzoidal poziyon efeanlaı için benzetim onuçlaı alınmıştı. He üç çalışma içinde geçek poziyonun efean poziyonu yakından takip ettiği göülmüştü. Tepkilede alınımla oldukça azdı ve poziyon hataı ıfıa yakındı. Bu yöntem ve efean poziyon çalışmaı geçek itemde ahatlıkla kullanılabili. 6. Kaynakla [1] Man, K. F., Tang, K. S., Kwong, S. (1996). Genetic algoithm: concept and application, IEEE Tanaction on Indutial Electonic, 43(5), [2] Utun, O. (29). A nonlinea full model of witched eluctance moto with atificial neual netwok, Enegy Conveion and Management, 5 (9), [3] Mademli, C., Kiokeidi, I. (21). Gain-cheduling egulato fo high-pefomance poition contol of witched eluctance moto dive, IEEE Tanaction on Indutial Electonic, 57(9), [4] Rafael, S., Banco, P. J., Pie, A. J. (212). A tudy and deign of a poition tacking contol fo an 8/6 witched eluctance machine, The 38th Annual Confeence on IEEE Indutial Electonic Society, [5] Niwa,Y., Abe, T., Higuchi, T. (213). A tudy of oto poition contol fo witched eluctance moto, IEEE 1th Intenational Confeence on Powe Electonic and Dive Sytem, [6] Reay, D.S., Moud, M. M., William, B.W. (1995). On the appopiate ue of fuzzy ytem: fuzzy liding mode poition contol of a witched eluctance moto, IEEE Intenational Sympoium on Intelligent Contol, [7] Utun, O. (29). Detemining of activation function in a feedfowad neual netwok by uing genetic algoithm, Jounal of Engineeing Science, Pamukkale Univeity Engineeing Faculty, 15(3), Vol. 8, No 1, Apil 216