Asenkron motor için adaptif kesirli kayan kipli gözlemci tasarımı

Abstract

Tez çalışmasında, bir asenkron motorun sensörsüz hız kontrolü için adaptif kesirli kayan kipli gözlemci tasarlanmıştır. Bu gözlemcide, ikinci derece üstün burulmalı kayan kipli algoritma kullanılmıştır. Klasik kayan kipli kontrolörler dayanıklı bir yapıya sahip olmasına rağmen kontrol işaretindeki çatırtı ektisi bir dezavantaj olarak ortaya çıkmaktadır. Asenkron motorun hız kestiriminde kullanılan kayan kipli gözlemcideki çatırtı etkisinin azaltılması için üstün burulmalı algoritma önerilmiştir. Tasarlanan gözlemcinin duyarlılık ve kararlılığını artırmak için hafıza tabanlı yapıya sahip kesirli integral kontrolör bu algoritmayla birlikte kullanılmıştır. Önerilen gözlemcinin kararlılık analizi Lyapunov kriterlerine göre yapılmıştır. Gözlemcinin başarısını göstermek için PI, kesirli PIλ, kayan kip, üstün burulmalı kayan kip ve kesirli kayan kip olmak üzere beş farklı gözlemci yöntemi analiz edilmiştir. Benzetim çalışmaları motorun 500 dev/dk, 1000 dev/dk ve 1500 dev/dk referans hız değerlerindeki çalışma durumları için yapılmış ve elde edilen sonuçlar grafiksel ve sayısal olarak birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Her bir hız kademesi için motor %50 ve %100 oranında yüklenerek çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Benzetim çalışmaları, parametre değişimlerinin gözlemcilere olan etkisinin incelenmesi için her bir hız kademesinde, eylemsizlik momenti J ve sürtünme katsayısı F değerleri değiştirilerek yapılmıştır. Kullanılan tüm gözlemcilerin katsayıları, Yanıt Yüzey Yöntemi ile optimize edilmiştir. Optimizasyon işleminde, minimize edilmesi için seçilen sistem çıktıları sürekli hal hatası ve çatırtı genliğidir. Yapılan çalışmalar incelendiğinde kayan kip tabanlı gözlemcilerde sürekli hal hatasının daha az olduğu gözlemlenmektedir. Kesirli integral kontrolör tabanlı gözlemcilerde ise çatırtı genliği daha az olmaktadır. Sürekli hal hatası ve çatırtı genliği değerlerine aynı anda bakıldığında, en iyi sonuçların her iki kontrolör yapısına da sahip olan önerilen gözlemci ile elde edildiği görülmektedir. Önerilen gözlemcinin diğer yöntemlere göre, sürekli hal hatası ve çatırtı genliğinin azaltılmasında daha başarılı, parametre değişikliklerine karşı daha dayanıklı olduğu görülmüştür.

In the thesis, adaptive fractional sliding mode observer is designed for sensorless speed control of an induction motor. In this observer, the second order super twisting sliding mode algorithm is used. Although the classical sliding mode controllers have a robust structure, the chattering of the control signal appears to be a disadvantage. The super twisting algorithm is proposed to reduce the chattering effect of the sliding mode observer used in the speed estimation of the induction motor. In order to increase the sensitivity and stability of the designed observer, the fractional integral controller with memory-based structure was used with this algorithm. Stability analysis of the proposed observer was performed according to Lyapunov criteria. Five different observer methods PI, fractional PIλ, sliding mode, super twisting sliding mode and fractional sliding mode were studied to analyze the success of the observer. Simulation studies were carried out for 500 rpm, 1000 rpm and 1500 rpm reference speed and the results were compared graphically and numerically. For each speed level, the motor has been loaded with 50% and 100% loads. In order to investigate the effect of parameter changes on observers, simulation studies were carried out by changing the moment of inertia J and friction coefficient F in each speed level. The coefficients of all observers used are optimized with Response Surface Method. In the optimization process, the system outputs selected for minimization are the steady state error and the chattering amplitude. The studies show that that sliding mode based observers have less steady state error. Fractional integral controller based observers have less chattering amplitude. When the steady state error and chattering amplitude values are examined at the same time, it is seen that the best results are obtained with the proposed observer having both controller structures. It is seen that the proposed observer was more successful in decreasing the steady state error and chattering amplitude compared to other methods and more robust to parameter changes.