Field Oriented Sliding Mode Control of Surface-Mounted Permanent Magnet AC Motors: Theory and Applications to Electrified Vehicles

Permanent magnet ac motors have been extensively utilized for adjustable-speed traction motor drives, due to their inherent advantages including higher power density, superior efficiency and reliability, more precise and rapid torque control, larger power factor, longer bearing, and insulation life-time. Without any proportional-and-integral (PI) controllers, this paper introduces novel first- and higher-order field-oriented sliding mode control schemes. Compared with the traditional PI-based vector control techniques, it is shown that the proposed field oriented sliding mode control methods improve the dynamic torque and speed response, and enhance the robustness to parameter variations, modeling uncertainties, and external load perturbations. While both first- and higher-order controllers display excellent performance, computer simulations show that the higher-order field-oriented sliding mode scheme offers better performance by reducing the chattering phenomenon, which is presented in the first-order scheme. The higher-order field-oriented sliding mode controller, based on the hierarchical use of supertwisting algorithm, is then implemented with a Texas Instruments TMS320F28335 DSP hardware platform to prototype the surface-mounted permanent magnet ac motor drive. Last, computer simulation studies demonstrate that the proposed field-oriented sliding mode control approach is able to effectively meet the speed and torque requirements of a heavy-duty electrified vehicle during the EPA urban driving schedule

Sürekli mıknatıslı senkron motorun doğrusal olmayan ve uyarlamalı geri adımlı hız denetimi

06.03.2018 tarihli ve 30352 sayılı Resmi Gazetede yayımlanan “Yükseköğretim Kanunu İle Bazı Kanun Ve Kanun Hükmünde Kararnamelerde Değişiklik Yapılması Hakkında Kanun” ile 18.06.2018 tarihli “Lisansüstü Tezlerin Elektronik Ortamda Toplanması, Düzenlenmesi ve Erişime Açılmasına İlişkin Yönerge” gereğince tam metin erişime açılmıştır.Sürekli Mıknatıslı Senkron Motor (SMSM)’lar, doğru akım motorları ve asenkron motorlar gibi diğer elektrik motorlarına göre, daha verimli, daha uzun ömürlü ve daha yüksek güç yoğunluğuna sahiptir. Böyle önemli üstünlüklerinden dolayı, SMSM’lar hız ve konum denetim uygulamaları başta olmak üzere ev uygulamaları, robotlar ve elektrikli taşıtlar gibi çok çeşitli alanlarda yaygın biçimde kullanılmaktadır. Bununla birlikte, her elektromekanik sistem gibi, SMSM’lar da çalışma esnasında ölçülemeyen dış bozuculara ve parametre değişimlerine maruz kalmaktadır. Elektriksel parametreler sıcaklık ve manyetik doyum etkileri, mekanik parametreler ise uygulanan yük momenti ile çalışma esnasında değişmektedir. Bu bakış açısı altından, SMSM’ların parametre ve dış bozucu belirsizlikleri içeren doğrusal olmayan dinamiklere sahip olduğu açıkça anlaşılmaktadır. Sabit kazançlı doğrusal denetleyiciler parametre değişimleri ve dış bozuculara karşı duyarlı oldukları için, SMSM’un hız ve/veya konum denetiminde yüksek performans gereksinimlerini karşılayamayabilirler. Bu tez çalışmasında, belirsiz SMSM’un yüksek performanslı hız izleme denetimi için, iki farklı ve yeni doğrusal olmayan ve uyarlamalı geri adımlı denetleyici tasarımları önerilmektedir. İlk denetleyici dört parametre belirsizliği altında ve ikinci denetleyici beş parametre belirsizliği altında tasarlanmıştır. Her iki denetleyici tasarımında da yük momenti belirsiz kabul edilmiştir. İkinci denetleyici, ilk denetleyicinin sahip olduğu bazı sakıncalara sahip değildir, bu yüzden sadece ikinci denetleyicinin gerçek zamanlı uygulaması yapılmıştır. Bu denetleyici tasarımında, kutup sayısı hariç olmak üzere diğer tüm parametreler ile yük momentinin bilinmediği kabul edilmekte ve bütün doğrusal olmayan dinamikler göz önüne alınmaktadır. Her iki denetleyici tasarımı için, kapalı çevrim denetim sisteminde SMSM’u besleyen üç fazlı akımlar ve rotor hızı ölçülmekte ve geri beslenmektedir. Uygun Lyapunov fonksiyonlarının seçimi ile parametre tahmin yasaları ve denetim girişleri tasarlanmaktadır. Tasarlanan denetleyiciler parametre aşımı ve sonsuzluk hatası sakıncalarına sahip değildir. Ayrıca, denetleyici tasarımlarında bağlanım matrisleri kullanılmamakta ve dolayısıyla tasarım karmaşıklığı azalmaktadır. Kararlılık analizi sonuçlarına göre, kapalı çevrim denetim sistemleri genel asimptotik kararlılığa sahiptir ve kapalı çevrim denetim sistemlerindeki tüm işaretler sınırlı kalmaktadır. Kutup-sıfır yok etme ve ayrıştırma tabanlı bir oransal-integral (PI) denetleyici tasarımı yapılmış ve ardından bu iki denetleyici arasında (önerilen ve PI) bir performans analizi de gerçekleştirilmiştir. Simülasyon çalışmaları temelinde yapılan performans analizine göre, önerilen yöntemin daha az model bilgisine ihtiyaç duyduğu, belirsizliklere karşı daha dayanıklı olduğu ve sonuçta genel olarak daha yüksek performansa sahip olduğu anlaşılmıştır. Deneysel çalışma sonuçları, herhangi bir başlangıç koşulu için, zamanla değişen bir referans hız profilinin asimptotik olarak yüksek performanslı bir şekilde izlendiğini, SMSM ve yük dinamiklerindeki tüm belirsizliklere karşı dayanıklılık sağlandığını ve önerilen denetleyicinin uygulanabilir olduğunu ispatlamaktadır.Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSMs) have high efficiency, long life and high power density over the other kinds of electric motors such as direct current motors and induction motors. By virtue of these superiorities, PMSMs are widely used in, primarily position and speed control, various fields such as home applications, robotics and electric vehicles. However, as all electromechanical systems, PMSMs are also subject to parameter variations and immeasurable external disturbances in the course of operation. During operation, electrical parameters vary with temperature and magnetic saturation effects, as for mechanical parameters, they vary with applied load torque. From this perspective, it is clearly understood that PMSMs have the nonlinear dynamics containing parameter and external disturbance uncertainties. Since fixed gain linear controllers are sensitive to parameter variations and external disturbances, they may fail to meet the high performance requirements for position and/or speed tracking control of PMSMs. In this thesis study, two different and novel nonlinear and adaptive backstepping controller designs are proposed for high performance speed tracking control of an uncertain PMSM. The first controller design takes four parameter uncertainties into account and five parameter uncertainties are considered in the second controller design. Load torque is supposed to be uncertain in both controller designs. The second controller does not possess some drawbacks that the first controller has, for this reason; real time implementation of the second controller is only carried out. In this controller design, except for the pole pairs, all the other parameters together with load torque are assumed uncertain and all the nonlinear dynamics are taken into consideration. For both controller designs, in the closed loop control system, three phase currents feeding the PMSM and rotor speed are available for feedback. Control inputs and parameter estimation laws are designed by choosing appropriate Lyapunov functions. Proposed controllers do not have the drawbacks of singularity and overparameterization. In addition, regression matrices are not used in the design of the controllers and thereby the design complexity decreases. According to the result of the stability analysis, the closed loop control systems are globally asymptotically stable and all the signals in the closed loop control system stay bounded. The design of PI controller is carried out based on decoupling and pole-zero cancellation, and afterwards a performance analysis between these two controllers, the proposed and PI, is also concluded. According to the results of the performance analysis based on simulation studies, it is understood that the proposed controller requires less model knowledge, ensures more robustness against uncertainties and hence has a higher performance in general. The results of the experimental studies demonstrate, whatever the initial conditions, that the proposed controller ensures high performance asymptotic tracking of a time varying reference speed profile, robustness against all the uncertainties in both PMSM and load dynamics respectively and hence feasibility of the proposed controller