Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work proposes a sensorless speed control applied to single-phase induction motors (SPIM). The objective is to present an alternative for variable speed single-phase motor drives for residencial applications, which operate mostly with constant speed. For contextualization in the actual scenario, firstly a bibliographic review about variable speed operation of single-phase induction motors is presented. After, the mathematical model that represents the single-phase induction motor dynamic behavior is developed, and following, the model validation to obtain the electrical parameters is done with classical experimental tests. Then, a field orientation technique applied to single-phase induction motors is presented, where a new mathematical model is developed for the application of this technique in this motor. Also, this work proposes a method of single-phase induction motors rotor speed estimation using an MRAS (Model Reference Adaptive System) algorithm, based on the calculation of the motor s reactive power. So, some simulation results are presented for the validation of the proposed estimation technique. The speed controller used is a discrete PI because the simplicity of its implementation. Two discrete PI s controllers are used for current control. Finally, experimental results obtained in a computer based environment are presented to validate the proposed techniques with and without rotor speed sensor. / Este trabalho propõe um controle de velocidade sensorless aplicado a motores de indução monofásicos. Tem-se por objetivo proporcionar uma alternativa de acionamento com velocidade variável dos motores de indução monofásicos em aplicações residenciais, nas quais estes geralmente operam em velocidades fixas. Para contextualização do tema no cenário atual, inicialmente é apresentada uma revisão da literatura quanto aos acionamentos a velocidade variável de motores de indução monofásicos. A partir da revisão da literatura é desenvolvido o modelo matemático que representa o comportamento dinâmico do motor de indução monofásico e, juntamente com este tópico, a validação do modelo para obtenção dos parâmetros elétricos é feita a partir de ensaios clássicos. Em seguida, é apresentada uma técnica de controle por orientação no campo aplicada a motores de indução monofásicos, com a obtenção de um novo modelo matemático onde essa técnica possa ser aplicada. Além disso, esse trabalho propõe um método de estimação da velocidade rotórica de motores de indução monofásicos a partir de um algoritmo MRAS (Model Reference Adaptive System), baseado no cálculo da potência reativa deste motor. Com isso, são apresentados resultados de simulação para validação da técnica de estimação proposta. O controlador de velocidade escolhido é um PI discreto, que teve sua escolha definida pela simplicidade de implementação. Dois controladores PI s discretos também são usados para o controle das malhas de corrente. Por fim, são apresentados resultados experimentais desenvolvidos em plataforma computadorizada que validam as técnicas propostas, tanto no controle de velocidade com a medição da mesma, como no controle de velocidade sem o uso do sensor.

Neste trabalho é apresentado um estudo sobre o controle de velocidade sensorless aplicado ao Motor de Indução Trifásico (MIT) visando sobretudo, melhorar o desempenho da máquina de indução em aplicações na região de baixa frequência de operação. Para tanto, propõe-se uma abordagem utilizando a técnica de controle Direct Torque Control (DTC) com Space Vector Modulation (SVM) em conjunto com o Observador de Fluxo com Modelo de Tensão e Corrente (OFMTC), o que possibilita a estimação precisa da posição do vetor de fluxo do estator em baixa velocidade. Para a estimativa da velocidade do rotor é utilizado a estratégia Model Reference Adaptive System (MRAS) com mecanismo de adaptação fuzzy, a fim de se diminuir a sensibilidade aos parâmetros da máquina. O desempenho da estratégia de controle de velocidade sensorless proposta é testada em simulações com diferentes condições de operação buscando reproduzir alguns dos problemas encontrados em aplicações práticas, utilizando o software Matlab. Os resultados obtidos foram condizentes com resultados encontrados na literatura, comprovando o bom desempenho do sistema de controle de velocidade proposto. / This work deals with the sensorless speed control for Three-phase Induction Motor in order to improve its operation at low speed and low frequency. At first, a Direct Torque Control employing Space Vector Pulse with Modulation (SVPWM) based on Flux Observer (voltage and current model) is studied and evaluated due to its high accuracy of estimating the stator-flux at low speed. The Model Adaptive Reference (MRAS) with Fuzzy Controler is chosen in order to estimate the rotor speed. This choice is based on its capability of high performance during Three-phase Induction Motor operation even if the machines parameters and the load change during the operation. At last, some simulations with diferent operational conditions at low speed are carried out in order to test the sensorless control. The results show a good perfomance and agreed with the results shown in recent papers.

Neste trabalho é apresentado um estudo sobre o controle de velocidade sensorless aplicado ao Motor de Indução Trifásico (MIT) visando sobretudo, melhorar o desempenho da máquina de indução em aplicações na região de baixa frequência de operação. Para tanto, propõe-se uma abordagem utilizando a técnica de controle Direct Torque Control (DTC) com Space Vector Modulation (SVM) em conjunto com o Observador de Fluxo com Modelo de Tensão e Corrente (OFMTC), o que possibilita a estimação precisa da posição do vetor de fluxo do estator em baixa velocidade. Para a estimativa da velocidade do rotor é utilizado a estratégia Model Reference Adaptive System (MRAS) com mecanismo de adaptação fuzzy, a fim de se diminuir a sensibilidade aos parâmetros da máquina. O desempenho da estratégia de controle de velocidade sensorless proposta é testada em simulações com diferentes condições de operação buscando reproduzir alguns dos problemas encontrados em aplicações práticas, utilizando o software Matlab. Os resultados obtidos foram condizentes com resultados encontrados na literatura, comprovando o bom desempenho do sistema de controle de velocidade proposto. / This work deals with the sensorless speed control for Three-phase Induction Motor in order to improve its operation at low speed and low frequency. At first, a Direct Torque Control employing Space Vector Pulse with Modulation (SVPWM) based on Flux Observer (voltage and current model) is studied and evaluated due to its high accuracy of estimating the stator-flux at low speed. The Model Adaptive Reference (MRAS) with Fuzzy Controler is chosen in order to estimate the rotor speed. This choice is based on its capability of high performance during Three-phase Induction Motor operation even if the machines parameters and the load change during the operation. At last, some simulations with diferent operational conditions at low speed are carried out in order to test the sensorless control. The results show a good perfomance and agreed with the results shown in recent papers.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This doctoral thesis presents the development of sensorless methods aiming the rotor speed control of asymmetrical two-phase induction motors. Initially, the machine mathematical model is presented. From the machine model, two methods for identification of electrical parameters of the induction machine are presented. The first method is based on the classical tests for electrical parameter estimation on three-phase induction motors, while the second method uses a RLS algorithm for the electrical parameters identification. Moreover, a vector control scheme applied to asymmetrical induction machines is presented. The influence that the machine asymmetry impacts on the field indirect vector control rotating at synchronous speed is analyzed. Simulation results show the coupling and the oscillations on the stator currents. The rotor speed estimation is carried out firstly by a MRAS estimator applied to single-phase induction motor drive. Furthermore, three rotor speed estimation methods based on continuous and discrete time sliding mode observers are proposed. The proofs of stability and convergence of these algorithms are developed and presented. The limits for the switching gains of the sliding mode observer are presented for continuous and discrete time. These limits are distinct and are highlighted in this study. Besides, a geometric modulation technique for three-leg voltage source inverters driving two-phase machines is presented. The rotor speed control is carried out from two schemes. The first method uses a discrete-time PI controller, while the second scheme uses a RMRAC controller. Simulation and experimental results are presented to validate the proposed techniques. / Esta tese faz o desenvolvimento de técnicas sensorless para o controle de velocidade rotórica de motores de indução bifásicos assimétricos. Inicialmente, o modelo matemático deste motor é apresentado. A partir da obtenção deste modelo, dois métodos para realização de ensaios com o intuito de determinar os parâmetros elétricos da máquina são desenvolvidos. O primeiro método é baseado nos ensaios clássicos para estimação de parâmetros de máquinas de indução trifásicas, enquanto o segundo método faz o uso de um algoritmo RLS identificação dos parâmetros elétricos. Além disso, neste trabalho um método de controle vetorial aplicado a máquinas de indução assimétricas é desenvolvido. É demonstrada a influência que a assimetria da máquina resulta no uso do controle vetorial orientado indiretamente no campo em eixos síncronos. Resultados de simulações mostram o acoplamento e consequentes oscilações nas correntes estatóricas. A estimação da velocidade rotórica é realizada inicialmente a partir do desenvolvimento de um estimador MRAS aplicado a um motor de indução monofásico. São propostos três métodos de estimação da velocidade rotórica a partir de algoritmos por modos deslizantes em tempo contínuo, e três métodos desenvolvidos em tempo discreto. As provas de estabilidade e convergência destes algoritmos são desenvolvidas e apresentadas. Ficam evidentes as diferenças entre os métodos em tempo contínuo e tempo discreto, bem como os limites para os ganhos dos observadores. Ainda, uma técnica de modulação para conversores de três braços acionando carga bifásicas é apresentada. O controle da malha de velocidade rotórica é realizado a partir de dois esquemas, o primeiro usa um controlador PI, enquanto o segundo método faz o uso de um controlador RMRAC. Resultados de simulação e experimentais são apresentados para validação das técnicas propostas.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:56:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FlavioGD_DISSERT.pdf: 434327 bytes, checksum: 80a9ab9e6651a6af8ae71caa0fd3bfec (MD5) Previous issue date: 2011-09-09 / This paper describes the study, computer simulation and feasibility of implementation of vector control speed of an induction motor using for this purpose the Extended Kalman Filter as an estimator of rotor flux. The motivation for such work is the use of a control system that requires no sensors on the machine shaft, thus providing a considerable cost reduction of drives and their maintenance, increased reliability, robustness and noise immunity as compared to control systems with conventional sensors / Esta disserta??o apresenta o desenvolvimento de uma simula??o computacional com a finalidade de demonstrar o funcionamento do controle vetorial para velocidade de um motor de indu??o trif?sico utilizando m?todo de estima??o pelo Filtro de Kalman Estendido, bem como os procedimentos necess?rios para sua implementa??o pr?tica. A motiva??o maior que influenciou a pesquisa est? na utiliza??o de um sistema de controle inovador que n?o necessita de sensores no eixo da m?quina (t?cnica sensorless), proporcionando desta forma uma consider?vel redu??o nos custos de acionamentos e manuten??o, aumento da confiabilidade, da robustez e da imunidade a ru?dos em rela??o ao controle de motores convencionais com sensores

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This master thesis presents a sensorless speed control drive of Brushless DC motors used in reciprocating compressors. These compressors cause periodic load torque variations on the motor, consequently mechanical vibrations and acoustic noise are presented as well. As a result, a discrete speed controller based on the internal model principle is proposed. This controller aims to track the speed reference and to reduce the periodic torque disturbances caused by the compressor. The proposed controller consists of a rotor position and speed estimator, and a discrete speed controller with variable sampling frequency that depend on the rotor speed. The discrete estimator is based on the zero crossing point detection of the back-electromotive force. This method is optimized by using a Least Squares algorithm. The speed controller consists of two control actions, repetitive and proportional-derivative actions. In order to complement the drive system operation, a new procedure to start a BLDCM with current control is proposed. This technique ensures the maximization of the electromagnetic torque during startup and to avoid demagnetization of the permanent magnet by the stator current. Finally, simulation and experimental results are presented to demonstrate the performance of the techniques adopted, as well as the main advantages, disadvantages and operational limitations of the experimental implementation. In addition, the performance of the load torque rejection is evaluated by comparing the harmonic spectrum of the torques produced by the proposed speed controller and a PI controller. / Esta dissertação apresenta um sistema de acionamento e controle de velocidade sensorless para motores Brushless DC utilizados em compressores alternativos. Estes compressores provocam variações periódicas de carga sobre o motor causando vibrações mecânicas e ruído acústico. Em vista disso, um controlador discreto de velocidade baseado no princípio do modelo interno é proposto. Este controlador visa o rastreamento assintótico de uma velocidade de referência e a redução dos distúrbios cíclicos de conjugado provocados pelo compressor. Para isso, o sistema proposto é constituído por um estimador discreto da posição e da velocidade do rotor, e um controlador discreto de velocidade com frequência de amostragem variável em função da velocidade de rotação. O estimador discreto baseia-se na deteção do cruzamento da força contra-eletromotriz por zero, a qual é otimizada por meio de um algoritmo de Mínimos Quadrados. O controlador de velocidade é composto por duas ações de controle, uma ação repetitiva e uma proporcionalderivativa. De forma a complementar a operação do sistema de acionamento, um novo procedimento de partida com controle de corrente é proposto para o BLDCM. Este procedimento possibilita a maximização do conjugado eletromagnético do motor durante a partida e ainda evita a desmagnetização dos ímãs pela incidência de altas correntes estatóricas. Por fim, resultados de simulação e experimentais são apresentados para demonstrar o desempenho das técnicas adotadas, assim como as principais vantagens, desvantagens e limitações operacionais da implementação experimental. Além disso, a performance da rejeição parcial do conjugado de carga é avaliada com a comparação do espectro harmônico dos conjugados produzidos pelo controlador de velocidade proposto e por um controlador proporcional-integral.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This works proposes parameters estimation algorithm to auto-tune the control laws of a speed sensorless servo. The identification process of the electrical and mechanical parameters is based on recursive least squares method (RLS) and utilizes just measured stator currents. The electrical parameters are obtained by the transfer function of the motor with locked rotor. Hence, this eliminates the need to realize classical tests for the electrical parameters obtention and impose robustness to the controller for parameters variations caused by aging of materials. Thus, the electrical parameters are used to project the current controllers and the rotor speed is estimated by a model reference adaptive systems (MRAS). The structure of MRAS is composed by two systems (reference model and adaptive system) based on instantaneous reactive power and using an adaptation mechanism. On the other hand, to obtain a robust control when the system is subject to disturbances or load s variations, mechanical parameters are identified using estimated rotor speed and mechanical model of the induction motor (IM). Finally, for the speed control is used a proportional plus integral controller (PI) self-tuned through the estimated inertia. / Este trabalho propõe um algoritmo de identificação paramétrica para auto-ajuste da lei de controle de um servo de velocidade sem sensor mecânico. O processo de identificação dos parâmetros elétricos e mecânicos do servo é baseado em algoritmos do tipo mínimos quadrados recursivo (RLS) e utiliza apenas as medidas das correntes estatóricas. Os parâmetros elétricos são identificados através da função de transferência do motor com rotor bloqueado. Isso elimina a necessidade de realizar ensaios clássicos para obtenção dos parâmetros elétricos e impõe robustez ao controlador frente a variações paramétricas que ocorrem devido aos desgastes e envelhecimento dos materiais que constituem o motor. Uma vez identificados, os parâmetros elétricos são utilizados no projeto dos controladores de corrente e a velocidade rotórica é estimada utilizando um sistema adaptativo por modelo de referência (MRAS). A estrutura do MRAS é composta por dois sistemas (modelo de referência e sistema adaptativo) baseados na potência reativa instantânea e utiliza um mecanismo de adaptação. Por outro lado, para impor robustez ao controlador frente a variações de carga, os parâmetros mecânicos são identificados a partir da velocidade rotórica estimada e do modelo mecânico do motor de indução (MI). Finalmente, para o controle de velocidade é usado um controlador proporcional e integral (PI) com seus ganhos sintonizados a partir da inércia estimada.