This document discusses sensorless motor control. It describes two categories of sensorless control: signal injection-based and induction motor model-based flux and speed observer. It provides mathematical analysis of the direct torque control (DTC) method. DTC controls torque by adjusting the rotor and stator magnetic field angles. An adaptive motor model is used to estimate torque, stator flux, and rotor speed based on measured current and voltage values. The model updates estimates every 25ms in the torque control loop.

1. Sensorless Motor Control.
Νικολαΐδης Δημήτριος 2019/241 .
Εργασία στο μάθημα: Ηλεκτροκίνηση και ευφυή Δίκτυα .
Θεσσαλονίκη- Απρίλιος 2021
Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής και Ηλεκτρονικών Συστημάτων.
ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ

2. Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής και Ηλεκτρονικών Συστημάτων.
ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ.
2
Η μέθοδος αναφέρετε ως Sensorelles Motor Control και στα ελληνικά μπορεί να αποδοθεί ως
Έλεγχος Κινητήρα χωρίς Αισθητήριά.
Υπάρχουν δυο κατηγορίες.
 Signal-injection-based [1]
Η φιλοσοφία της μεθόδου αυτής είναι η εφαρμογή σήματος στα τυλίγματα του στατη Μελετώντας
την απόκριση του συστήματος μπορούμε να υπολογίσουμε την θέση του ροτορα και αρα την
ταχύτητα περιστροφής.
 Ιnduction Motor model -based flux and speed observer [12].
Βασική ιδέα είναι η δημιουργία ενός μαθηματικού μοντέλου του κινητήρα .Το μαθηματικό μοντέλο
αυτό θα μπορεί να υπολογίζει την ταχύτητα περιστροφής και την ροπή έχοντας σαν δεδομένα
εισόδου τιμές λειτουργίας του κινητήρα όπως το ρεύμα και η τάση τροφοδοσίας του .
Γενική περιγραφή.

3. Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής και Ηλεκτρονικών Συστημάτων.
ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ.
3
Inverter της εταιρίας ΑΒΒ σειρά ΑCS 600.
Η φωτογραφία είναι από το εργοστάσιο διελασης αλουμινίου Alumil Μυλωνάς στην ΒΙ.ΠΕ Κιλκίς όπου
εργαζόμουν στο τμήμα Συντήρησης .
D.T.C ( Direct Torque Control )

4. ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ D.T.C
Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής και Ηλεκτρονικών Συστημάτων.
ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ.
4
𝛵𝑒 = 𝑃𝑛 ∗
1−𝜎
𝜎∗𝐿𝑚
∗ 𝛹𝑟 × 𝛹𝑠 [1]
 Te είναι η Ροπή του κινητήρα .Το ζητούμενο .
 Ψr είναι το διανυσμα του μαγνητικού πεδίου του ροτορα .
 Ψs είναι το διανυσμα του μαγνητικού πεδίου του στατη
Κατά συνέπεια των παραπάνω μπορώ να ρυθμίσω και αρα να ελέγξω την ροπή του κινητήρα
μεταβάλλοντας μόνο την γωνία των διανυσμάτων Ψr και Ψs .
Ελέγχοντας το μαγνητικό πεδίο του στατη ελέγχω άμεσά την ροπή του κινητήρα. [5]

5. IV. ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ D.T.C
Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής και Ηλεκτρονικών Συστημάτων.
ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ.
5
 Η γωνία του γ εξαρτάται από την ένταση του ρεύματος και αρα από την τάση που δίνει το Inverter
. Αρα ρυθμίζοντας καταλληλά την τάση μπορώ να ρυθμίσω άμεσά την ροπή του κινητήρα
Εικόνα 5 : H τροφοδοσία ενός τριφασικού κινητήρα από inverter. [5]
Βασικό ερώτημα είναι :
 Ποια είναι ακριβής τιμή της πραγματικής ροπής έτσι ώστε ανάλογα να ρυθμίσω και την τάση .
 Πως μπορώ να την μάθω αφού δεν την μετρώ με αισθητήρα.

6. Μαθηματική ανάλυση της μέθοδού D.T.C. -Μοντέλο Κινητήρα – Adaptive motor model
Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής και
Ηλεκτρονικών Συστημάτων. ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ
ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ.
6
 Κύρια δουλειά του μοντέλου είναι να υπολογίσει την ροπή του κινητήρα και την ταχυτητα
περιστροφης τoυ μαγνητικό πεδίο στον στατη Ψs.
 Το μαγνητικό πεδίο δίνεται με την βοήθεια των σχέσεων:
 Για τον υπολογισμό της ταχύτητας περιστροφής χρησιμοποιούνται οι παρακάτω
μαθηματικές εξισώσεις 4 , 5 και 6 .
 𝛹𝑠 =
𝐿𝑟
𝐿𝑚
∗ 𝛹𝑠 − 𝜎 ∗ 𝐿𝑠 ∗ 𝑖𝑠 = 𝛹𝑟𝑥 + 𝑗 𝛹𝑟𝑦[5] (4)
 Θr = arctan(
𝛹𝑟𝑦
𝛹𝑟𝑥
) [5] (5)
 ωr = 𝑃𝑛 ∗ ( 𝜔𝑒 − 𝑅𝑟 ∗
𝑇𝑒
𝜃𝑟2 ) (6)
𝛹𝑠 = 𝐿𝑠 ∗ 𝑖𝑠 + 𝐿𝑚 ∗ 𝑖𝑟 Ψ𝑠 = 𝑈𝑠 − 𝑅𝑠 ∗ 𝐼𝑠 𝑑𝑡
Το μοντέλο εκτός από τον υπολογισμό της ροπής μπορεί να υπολογίζει, εκτιμά και την
ταχύτητα περιστροφής του άξονα ωr.

7. Ιnduction Motor model -based flux and speed observer.
Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής και Ηλεκτρονικών Συστημάτων.
ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ.
7
Block Διάγραμμα του συστήματος D.T.C με τις βαθμίδες ελέγχου και
ρύθμισης
 Η εταιρία ABB Asea Brown Boveri ήταν η πρώτη που παρουσίασε inverter με την δυνατότητα
ελέγχου ροπής κινητήρα χωρίς αισθητήριά .Το σύστημα αναφέρεται στα white papers της εταιρίας
ως D.T.C ( Direct Control System ) Άμεσος Έλεγχος Pοπης

8. V.2. Adaptive motor model.
 3 εξόδους
 Ροπή
 Το μαγνητικό πεδίο στον στατη .
 Την ταχύτητα του δρομέα .
 3 εισόδους
 Eντάσεις του ρεύματος στις δυο από τις τρεις φάσεις του κινητήρα
 H τάση D.C bus
 Ο υπολογισμός αυτός γίνεται κάθε 25μs.
Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής και Ηλεκτρονικών Συστημάτων.
ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ.
8
ΤORQUE CONTROL LOOP .
Adaptive motor model

9.  To Κύκλωμα αυτό ελέγχει τον χρόνο αγωγιμότητας των ΙGBT .
 H καρδιά του συστήματος αυτού είναι ένας D.S.P επεξεργαστής Digital Signal Processor
 Όλα τα σήματα ελέγχου μεταδίδονται μέσω οπτικών ινών για να διασφαλιστεί η ταχύτητα και η
ατρωσια στον ηλεκτρομαγνητικό θόρυβο .
Ας μην ξεχνάμε ότι τα inverter δουλεύουν σε βρώμικο βιομηχανικό περιβάλλον γεμάτο παρεμβολές
και θόρυβο.
Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής και Ηλεκτρονικών Συστημάτων.
ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ.
9
ΤORQUE CONTROL LOOP - Οptimal pulse selector.
Τροφοδοσία τριφασικού κινητήρα από διάταξη ΙGBT.

10. V.4. Τorque Reference Controller - Eλεγκτής ροπής αναφοράς .
Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής και Ηλεκτρονικών Συστημάτων.
ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ.
10
SPEED CONTROL LOOP.
 Το speed reference είναι το set point δηλαδή είναι η επιθυμητή από τον χρήστη ροπή που
θέλουμε να έχουμε στον άξονα .
 Η άλλη είσοδος παίρνετε από την έξοδο ενός ελεγκτή ταχύτητας τεχνολογίας P.I.D . Με το
κύκλωμα αυτό διασφαλίζεται ο περιορισμός της ροπής λειτουργίας για την ασφάλεια του
κινητήρα και ο περιορισμός του D.C bus για την ασφάλεια του inverter .

11. V.5.Ελεγκτής ταχύτητας- Speed controller .
Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής και Ηλεκτρονικών Συστημάτων.
ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ.
11
SPEED CONTROL LOOP.
O Ελεγκτής ταχύτητας αποτελείται από έναν ελεγκτή P.I.D proportional–integral–derivative controller.
 Το speed reference είναι το set point δηλαδή είναι η επιθυμητή από τον χρήστη ταχύτητα που θέλει
να έχει ο κινητήρας (Εικόνα 9 , θα μπορούσε να ήταν το γκαζι για τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα )

12. Flux Reference Control- Ελεγκτής αναφοράς Ροής .
Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής και Ηλεκτρονικών Συστημάτων.
ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ.
12
SPEED CONTROL LOOP.
Το κύκλωμα αυτό σετάρει την επιθυμητή ροή που θέλουμε να έχει ο κινητήρας και έχει δυο εισόδους.
 Η λειτουργία Flux optimizing χρησιμοποιείται για την εξοικονόμηση ενεργείας.
 Η άλλη είσοδος έχει να κάνει με την επιλογή Flux braking .Flux braking είναι ένα είδος
φρεναρίσματος που βασίζεται στην τεχνολογία D.T.C μεταβάλλοντας το μαγνητικό πεδίο του
κινητήρα .

13. Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής και Ηλεκτρονικών Συστημάτων.
ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ.
13
 Τorque control at low speed. Με το σύστημα D.T.C έχουμε έλεγχο στις χαμηλές στροφές αυτό είναι
πάρα πολύ σημαντικό και αναγκαίο σε περιπτώσεις όπως ανελκυστήρες και γερανούς .
Βλέπουμε εδώ έκδηλά πως με την χρήση του D.T.C αλλάζουμε ριζικά την συμπεριφορά του κινητήρα
VII Πλεονεκτήματα της τεχνολογίας D.T.C .
Διάγραμμα ροπής σε σχέση με την
ταχύτητά περιστροφής σε τριφασικό
κινητήρα τροφοδοτούμενο από inverter
σειράς ΑCS800 τεχνολογίας D.T.C
Διάγραμμα ροπής σε σχέση με την ταχύτητά
περιστροφής σε ασύγχρονο τριφασικό κινητήρα
τροφοδοτούμενο κατευθείαν από την γραμμή

14. Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής και Ηλεκτρονικών Συστημάτων.
ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ.
14
 Τorque control at low speed..
Πλεονεκτήματα της τεχνολογίας D.T.C .
Ο έλεγχος της ροπής στις χαμηλές ταχύτητες με την μέθοδο D.T.C είχε σαν συνέπεια την αντικατάσταση των
κινητήρων συνεχούς με αυτών του εναλλασσόμενου .
Συσχέτιση των επιδόσεων σε ροπή και ταχύτητα ενός inverter τεχνολογίας D.T.C και ενός inverter
τεχνολογίας P.W.M. [13]

15. Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής και Ηλεκτρονικών Συστημάτων.
ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ.
15
 Low audible noise
Πλεονεκτήματα της τεχνολογίας D.T.C .
Mε την τεχνολογία D.T.C έχουμε λιγότερες μηχανικές δονήσεις αυτό οφείλεται και στο γεγονός ότι η
τάση που δίνεται στον κινητήρα δίνεται για τις ανάγκες της δεδομένης στιγμής ανά 2 ms. Αυτό
έχει σαν αποτέλεσμα ομαλή λειτουργεία λιγότερη καταπόνηση στα μηχανικά μέρη της κατασκευής
όπως ρουλεμάν ,μειωτηρες , γρανάζια.
Κινητήρας συνεχούς ρεύματος με ταχύμετρο .Οι κλινήρες D.C τείνουν να αντικατασταθούν από αυτούς του A.C

16. Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής και Ηλεκτρονικών Συστημάτων.
ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ.
16
Λόγω της μεγάλης ταχύτητας επεξεργασίας των σημάτων η απόκριση του είναι πολύ γρήγορη και φτάνει στα 1 με
2 ms την στιγμή που τα αντίστοιχα dc driver με ανάδραση έχουν χρόνο απόκρισης μεταξύ 10 και 20 ms .Ενώ τα
παλιά inverter τ για κινητήρες εναλλασσόμενου έχουν απόκριση μεγαλύτερη από 100ms.
O μικρός χρόνος απόκρισης έχει σαν συνέπεια να μην μειώνονται οι στροφές όταν αυξάνεται το φορτίο και κατά
συνέπεια μεγάλη γραμμικότητα και ακρίβεια .
Πλεονεκτήματα της τεχνολογίας D.T.C .
 Extremely fast response

17. Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής και Ηλεκτρονικών Συστημάτων.
ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ.
17
Πλεονεκτήματα της τεχνολογίας D.T.C .
.
 Torque repeatability
Επαναληψημοτητα Το σύστημα D.T.C δίνει στην έξοδο του την ίδια τιμή ροπής για την ίδια τιμή
εισόδου reference torque .Οι επιδόσεις στην Επαναληψημοτητα είναι ίδιες με αυτές των κλειστών
συστημάτων ελέγχου είτε για ac κινητήρα είτε dc ενώ είναι δυο φορές καλύτερες από αυτές των
προγενέστερων ανοικτών συστημάτων a.c
 Torque linearity.
Το σύστημά D.T.C έχει στην έξοδο του μεγάλη γραμμικότητα .Αυτό είναι πολύ σημαντικό σε
εφαρμογές στην βιομηχανία επεξεργασίας χαρτιού οπού απαιτείται κατά την διαδικασία τυλίγματος
σταθερότητα και ακρίβεια

18. Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής και Ηλεκτρονικών Συστημάτων.
ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ.
18
Πλεονεκτήματα της τεχνολογίας D.T.C .
Με Το σύστημα D.T.C ο κινητήρας μπορεί να κάνει flying starting δηλαδή να ξανακινήσει ακόμα και
εάν ο άξονας ακόμα γυρνάει λόγω αδράνειας όπως στην περίπτωση παραδείγματος χάρη ενός
ανεμιστήρα . Με το σύστημα D.T.C δεν χρειάζεται να περιμένουμε να πέσουν οι στροφές .
 Flying starting
To DC Βus είναι όπως φαίνεται και στην εικόνα 8 η συνεχή τάση μετα την ανόρθωση .Πολλές
φορές λόγω κακής παραμετροποίησης η τάση αυτή υπερβαίνει κάποια όρια σφάλεις με συνέπεια το
inverter βγαίνει εκτός λειτουργίας ( trip ) λόγω υπέρτασης συνήθως και σταματά.
 DC Bus Observation.
H τάση DC bus μετα την ανόρθωση

19. Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής και Ηλεκτρονικών Συστημάτων.
ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ.
19
Πλεονεκτήματα της τεχνολογίας D.T.C .
 H λειτουργία των inverter με D.T.C προκαλούν λιγότερη αρμονική παραμόρφωση
και ο συντελεστή ισχύος τους cosφ είναι σχεδόν ένα 0.99 .
 Έτσι έχω ποιο καθαρό περιβάλλον από άποψη ηλεκτρομαγνητικού θορύβου και αρα
λιγότερες παρεμβολές στα γειτονικά ηλεκτρονικά κυκλώματα
 Low harmonics Distortion.
Παράδειγμα αρμονικής παραμόρφωσης Λόγω μη γραμμικότητας του φορτιού

20. Συμπεράσματα
 Η μεγάλή καινοτομία και αλλαγή στην φιλοσοφία του αυτοματισμού είναι ότι δεν υπάρχει
συγκεκριμένο pattern οδήγησης του κινητήρα. Όλα υπολογίζονται on the fly . Το σύστημα
αποφασίζει την δεδομένη στιγμή για τις ανάγκες του φορτίου εκείνης της στιγμής με τι
τάση θα τροφοδοτήσει τον κινητήρα .
 Παρόλη την πολυπλοκότητα της μεθόδου τα inverter που ενσωματώνει την τεχνολογία
D.T.C έχουν φιλικό μενού χωρίς να απαιτούν εξειδικευμένες γνώσεις για την
παραμετροποίηση τους αφού η διαδικασία id run παραμετροποίει το μοντέλο αυτόματα .
Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής και
Ηλεκτρονικών Συστημάτων. ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ
ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ.
20
Inverter - κινητήρας - βιομηχανικό πεδίο

21. Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής και Ηλεκτρονικών Συστημάτων.
ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ. 21
[1] Diangue Xu,Bo Wang,Caolin Wang , Published in: CES Transactions on Electrical Machines and Systems ( Volume: 2, Issue: 1, March 2018) A Review of Sensorless
Control Methods for AC Motor Drives Fellow, IEEE- https://ieeexplore.ieee.org/document/8326456
[2] ABB DRIVES Technical guide No. 8 Electrical braking ,2018
[3] ABB DRIVES Technical guide No. 1 Direct torque control -the world’s most advanced AC drive technology ABB DRIVES 2011
[4 ] Gaolin Wang, Yong Yu, Guoqiang Zhang, Bo Wang, Xu School of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin, China , CES
TRANSACTIONS ON ELECTRICAL MACHINES AND SYSTEMS, VOL. 2, NO. 1, MARCH 2018 ,Sensorless Control of Motor Drives
[5] P. Tiiten, M Suranndra , published in: Proceedings of International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems for Industrial Growth ,1996 , THE NEXT
GENERATION MOTOR CONTROL METHOD, DTC DIRECT TORQUE CONTROL
[6] https://www.s-cool.co.uk/a-level/physics/electromagnetic-induction/revise-it/flux-flux-linkage-and-how-do-you-induce-an-elect
[7] J.S. Hsu Monitoring of Defects in Induction Motors through air-gap torque observation IEEE transactions of Energy Conversion Vol 11 ,no3, pp 489- 494 , 1995
[8] Scott A. Rhodes , The Effects of Separable Cores on High Power Transformer Design Massachusetts Institute of Technology ,August 26, 1996
[9] https://www.slideshare.net/satyakamdeo/l11-magnetic-circuits
[10] Galina Mirtzaeva , Luke Sazdanoff , The effect of flux optimization on energy efficiency of induction motors in fan and pump applications , Published in: 2015 Australasian
Universities Power Engineering Conference (AUPEC), Sept. 2015
[11] https://www.ramcoi.com/blog/553/abb-acs880-id-run-options
[12] Dianguo Xu, Bo Wang ,Gaolin Wang , A review of sensorlees control methods for AC motor drives Sensorless Control of MotorDrives, CES TRANSACTIONS ON
ELECTRICAL MACHINES AND SYSTEMS, VOL. 2, NO. 1, MARCH 2018
[13] Nader Barsoum PERFORMANCE OF DIRECT TORQUE CONTROL IMPLEMENTED IN SPEED DRIVE Transaction on Machines, power electronics and drives
ISSN: 2229-8711 Online Publication, June 2012
Βιβλιογραφία- Αναφορές

22. Q&A
Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής και Ηλεκτρονικών Συστημάτων.
ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ
22

23. EYΧΑΡΙΣΤΩ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΧΗ ΣΑΣ
Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής και Ηλεκτρονικών Συστημάτων.
ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ.
23