bulanık mantık kontrollü rejeneratif frenleme...

6
Bulanık Mantık Kontrollü Rejeneratif Frenleme Sistemi Regenerative Braking System using Fuzzy Logic Controller Yakup Şahin 1 , Uygar Güneş 2 , Furkan Umman 3 , Ahmet Can Ceceloğlu 4 , H. Emre Güner 5 , H. Metin Ertunç 6 1,2,3,4,5,6 Mekatronik Mühendisliği Bölümü Kocaeli Üniversitesi Üniversitesi, Umuttepe { [email protected] 1 , [email protected] 2 , [email protected] 3 , [email protected] 4 , [email protected] 5 , [email protected] 6 } Özetçe Bu çalışmada, elektrikli araçların sorunlarından biri olan menzil sorununa bir çözüm bulmak için daha verimli bir sürüş algoritmasının oluşturulması amaçlanmıştır. Sistemin dinamik modeli Matlab/Simulink ortamında oluşturularak rejeneratif frenleme sistemi için olası bir sürüş çevrimi altında sistemin simulasyonu yapılmıştır. Rejeneratif modda sistemin daha verimli çalışması ve güvenli şarj durumu için bulanık mantık kontrolör (Fuzzy) ile PID kontrolör bir arada kullanılmıştır. Bulanık kontrol giriş parametresi olarak 3 faktör göz önüne alınmıştır. Bu faktörler; aracın anlık hız bilgisi, batarya şarj durumu ve frenleme kuvvetidir. Kontrol çıktısı ile rejeneratif frenleme seviyesi tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlar motor ve rejeneratif çalışma modu için karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Abstract In this study, the range problem of electric vehicles is one of the most important issues that finding a solution and creating more efficient algorithm is aimed. Working on engine mode and regenerative mode are considered separately for electric motors. The dynamic models of the system is done using Matlab/Simulink environment. A simulation model is made under a driving cycle for regenerative braking system. Fuzzy logic and PID control are used together for working the system more efficient and safely charge mode at regenerative mode. Three factors are taken into account as a fuzzy control input parameters. These factors are instantaneous vehicle speed information, the battery charge status and braking forces. Regenerative braking level is determined by the control output. The results of motor and regenerative mode is comparatively evaluated. 1. Giriş Elektrikli araçlar, günümüzde revaçta olup özellikle şehir içi kullanım için oldukça verimli sonuçlar alınmıştır [1]. Elektrikli araçların zamanla benzinli otomobillerin yerini almaya başladığı göz önüne alındığında bu konuda yapılan araştırmaların sayısı her geçen gün daha da artmaktadır. Rejeneratif Frenleme Sistemi, Hibrit Otomobillerde ve Elektrikli Otomobillerde kullanılan elektrik motorlarının zıt elektromotor kuvvetinden kaynaklanan potansiyel enerjinin tekrar sisteme geri kazandırılması amacını taşır. Bu enerji geri kazanım işlemi yapılmadığı takdirde ısıya dönüşerek sistemin enerji hanesine kayıp olarak yazılır. Bu sistem ile kaybedilen bu enerjinin geri kazanılması ile sistem veriminin artması buna bağlı olarak sürüş menzilinin artması beklenmektedir [2]. Elektrikli araçlarda rejeneratif frenleme sistemlerinin tasarımındaki en önemli ölçütleri; verimlilik, araç performansı, güvenlik, tamir kolaylığı ve otomobilin kesintisiz seyahat mesafesi olarak sıralanabilir. Şekil 1: Elektrik motorunun çalışma modları [3] Çalışmada fırçasız DC motor kullanılmıştır. Fırçasız DC motorlarda komutasyon için fırça kullanılmamaktadır, komutasyon elektriksel olarak sağlanmaktadır. Kullanım alanı son zamanlarda artmakta ve artık fırçalı DC motorlar ve indüksiyon motorlarının yerini almaktadır. Çalışmada fırçasız DC motorunun seçilme nedenlerini şu şekilde sıralayabiliriz: Yüksek verimlilik Daha uzun işlem süresi Yüksek hız aralıkları Şekil 1’de motor ve rejeneratif çalışma modları gösterilmektedir. Motor modda çalışma esnasında, bataryadan alınan enerji tekerleklere aktarılarak hareket sağlanmaktadır. Rejeneratif mod ise gaza basılmadığı anda devreye girer. Bu modda bataryadan herhangi bir enerji alınmaz. Tekerleklerin dönmeye devam etmesiyle kazanılan zıt elektro motor kuvveti ile oluşan enerji bataryaya aktarılarak bataryanın şarj durumu artırılır. Bu çalışmada, fırçasız DC motor dinamik modeli kullanılarak motor ve rejeneratif mod için simulasyonlar yapılmıştır. 741 Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK'2015, 10-12 Eylül 2015, Denizli

Upload: others

Post on 08-Sep-2019

44 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Bulanık Mantık Kontrollü Rejeneratif Frenleme Sistemiakademikpersonel.kocaeli.edu.tr/hmertunc/bildiri/hmertunc02.10.2015_15... · Bulanık Mantık Kontrollü Rejeneratif Frenleme

Bulanık Mantık Kontrollü Rejeneratif Frenleme Sistemi

Regenerative Braking System using Fuzzy Logic Controller

Yakup Şahin1, Uygar Güneş 2, Furkan Umman 3, Ahmet Can Ceceloğlu4, H. Emre Güner5,

H. Metin Ertunç6

1,2,3,4,5,6Mekatronik Mühendisliği Bölümü

Kocaeli Üniversitesi Üniversitesi, Umuttepe

{ [email protected] 1, [email protected]

2, [email protected]

3,

[email protected] 4, [email protected]

5, [email protected]

6}

Özetçe

Bu çalışmada, elektrikli araçların sorunlarından biri olan

menzil sorununa bir çözüm bulmak için daha verimli bir sürüş

algoritmasının oluşturulması amaçlanmıştır. Sistemin dinamik

modeli Matlab/Simulink ortamında oluşturularak rejeneratif

frenleme sistemi için olası bir sürüş çevrimi altında sistemin

simulasyonu yapılmıştır. Rejeneratif modda sistemin daha

verimli çalışması ve güvenli şarj durumu için bulanık mantık

kontrolör (Fuzzy) ile PID kontrolör bir arada kullanılmıştır.

Bulanık kontrol giriş parametresi olarak 3 faktör göz önüne

alınmıştır. Bu faktörler; aracın anlık hız bilgisi, batarya şarj

durumu ve frenleme kuvvetidir. Kontrol çıktısı ile rejeneratif

frenleme seviyesi tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlar motor

ve rejeneratif çalışma modu için karşılaştırmalı olarak

değerlendirilmiştir.

Abstract

In this study, the range problem of electric vehicles is one of

the most important issues that finding a solution and creating

more efficient algorithm is aimed. Working on engine mode

and regenerative mode are considered separately for electric

motors. The dynamic models of the system is done using

Matlab/Simulink environment. A simulation model is made

under a driving cycle for regenerative braking system. Fuzzy

logic and PID control are used together for working the

system more efficient and safely charge mode at regenerative

mode. Three factors are taken into account as a fuzzy control

input parameters. These factors are instantaneous vehicle

speed information, the battery charge status and braking

forces. Regenerative braking level is determined by the

control output. The results of motor and regenerative mode is

comparatively evaluated.

1. Giriş

Elektrikli araçlar, günümüzde revaçta olup özellikle şehir içi

kullanım için oldukça verimli sonuçlar alınmıştır [1].

Elektrikli araçların zamanla benzinli otomobillerin yerini

almaya başladığı göz önüne alındığında bu konuda yapılan

araştırmaların sayısı her geçen gün daha da artmaktadır.

Rejeneratif Frenleme Sistemi, Hibrit Otomobillerde ve

Elektrikli Otomobillerde kullanılan elektrik motorlarının zıt

elektromotor kuvvetinden kaynaklanan potansiyel enerjinin

tekrar sisteme geri kazandırılması amacını taşır. Bu enerji geri

kazanım işlemi yapılmadığı takdirde ısıya dönüşerek sistemin

enerji hanesine kayıp olarak yazılır. Bu sistem ile kaybedilen

bu enerjinin geri kazanılması ile sistem veriminin artması buna

bağlı olarak sürüş menzilinin artması beklenmektedir [2].

Elektrikli araçlarda rejeneratif frenleme sistemlerinin

tasarımındaki en önemli ölçütleri; verimlilik, araç performansı,

güvenlik, tamir kolaylığı ve otomobilin kesintisiz seyahat

mesafesi olarak sıralanabilir.

Şekil 1: Elektrik motorunun çalışma modları [3]

Çalışmada fırçasız DC motor kullanılmıştır. Fırçasız DC

motorlarda komutasyon için fırça kullanılmamaktadır,

komutasyon elektriksel olarak sağlanmaktadır. Kullanım alanı

son zamanlarda artmakta ve artık fırçalı DC motorlar ve

indüksiyon motorlarının yerini almaktadır. Çalışmada fırçasız

DC motorunun seçilme nedenlerini şu şekilde sıralayabiliriz:

Yüksek verimlilik

Daha uzun işlem süresi

Yüksek hız aralıkları

Şekil 1’de motor ve rejeneratif çalışma modları

gösterilmektedir. Motor modda çalışma esnasında, bataryadan

alınan enerji tekerleklere aktarılarak hareket sağlanmaktadır.

Rejeneratif mod ise gaza basılmadığı anda devreye girer. Bu

modda bataryadan herhangi bir enerji alınmaz. Tekerleklerin

dönmeye devam etmesiyle kazanılan zıt elektro motor kuvveti

ile oluşan enerji bataryaya aktarılarak bataryanın şarj durumu

artırılır.

Bu çalışmada, fırçasız DC motor dinamik modeli kullanılarak

motor ve rejeneratif mod için simulasyonlar yapılmıştır.

741

Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK'2015, 10-12 Eylül 2015, Denizli

Page 2: Bulanık Mantık Kontrollü Rejeneratif Frenleme Sistemiakademikpersonel.kocaeli.edu.tr/hmertunc/bildiri/hmertunc02.10.2015_15... · Bulanık Mantık Kontrollü Rejeneratif Frenleme

Sistemin kontrolü için PID ve Bulanık Mantık kontrolör

beraber kullanılmıştır. Fırçasız DC motor çalışma modları ve

Bulanık Mantık üyelik fonksiyonları sırasıyla 3. ve 4. bölümde

verilmiştir. Oluşturulan sürüş çevrimi altında motor ve

rejeneratif çalışma modları için bataryanın şarj durumları

incelenmiştir.

2. Sayfa Düzeni ve Biçem

Fırçasız DC motorlar sürekli mıknatıslı rotor ve rotor yapısı ile

bir senkron motor olarak düşünülebilir [4]. Öyleyse fırçasız

motorun dinamik denklemleri (1) denkleminde tanımlanmıştır:

( )

a

an a a

bbn b b

cn c cc

di

dtV i edi

V R i L M edt

V i edi

dt

(1)

, , an bn cnV V V denklemdeki stator faz gerilimlerini ve R

değeri her fazın stator direncini temsil etmektedir. , , a b ci ii

stator faz akımını, L armatür öz indüktansını, M fazlar arası

karşılıklı endüktansı ve , , a b ce ee değerleri ise üretilen ters

elektromotor kuvvetini temsil etmektedir.

( )a e e a ee k w f (2)

2

3b e e f ebe k w

(3)

4

3c e e c e

e k w f

(4)

Fırçasız DC motorun elektromotor kuvveti trapezoidal formda

oluşmaktadır ve komutasyon sırasına göre güç anahtarlarının

tetiklenmesi sonucunda elektromotor kuvvetinin davranışı

yukarıda verilmiştir.

Fonksiyonlar, aralarında 120 derecelik faz farkı olan sinyaller

gibi düşünülebilir. Fırçasız DC motorun her bir faz ve toplam

elektro-manyetik torkları ise aşağıdaki gibidir:

( )a t a a eT k i f (5)

( )b t b b eT k i f (6)

( )c t b c eT k i f (7)

e a b cT T T T (8)

Denklemlerde ek değeri zıt elektromotor kuvvet sabitini, ew

ise elektriksel açısal hızı ifade etmektedir. Denklemlerdeki

fonksiyonlar ise zıt elektromotor kuvvetinin simülasyon

ortamında trapezoidal formda oluşmasını sağlayan yapıdır.

Denklemlerdeki tk değeri tork sabitini ifade etmektedir ve

motorun mekanik hareket denklemi için L rotor ataleti, B

sönümleme sabitidir. Motorun elektriksel hız ile mekanik hız

arasında kutup çifti sayısıyla orantılı bir denklem

bulunmaktadır. P ile gösterilen sayı, motorun kutup sayısını

ifade etmektedir.

ee L e

dwT T J w B

dt (9)

2e m

Pw w (10)

Tablo 1: Rotorun Konumuna göre elektromotor kuvveti

davranışı

Açı(e ) ( )a ef 2

3f eb

4

3c ef

0 60 1 -1 6

1 e

60 120 1 6

3e

-1

120 180 6

5 e

1 -1

180 240 -1 1 6

7e

240 300 -1 6

9 e

1

300 360 6

11e

-1 1

Tablo 1’de zıt elektro motor kuvvetinin fazlara göre

davranışları gösterilmektedir. Fırçasız DC motorun

matematiksel denklemlerine Laplace dönüşümü yapılarak

Simulink ortamında modellenmiştir.

3. Fırçasız DC Motoru Çalışma Modları

3.1. Motor Çalışma Modu

Fırçasız DC motorların 1, 2 ve 3 fazlı konfigürasyonları

mevcuttur. Uygulama için 3 fazlı DC motor seçilmiştir ve bu

uygulamada sensörlü kontrol yapısı tercih edilmiştir. Sensörlü

kontrolde motorun iç yapısındaki statora konumlandırılmış

olan 3 adet Hall effect sensör yardımıyla rotor pozisyon

bilgisini elde edilmektedir. Motor dizaynına göre Hall effect

sensörler arasında 60 veya 120 derece bulunmaktadır [5].

Şekil 2: Motorun kesit görünümü

Şekil 2’de Hall efekt sensörlerin motor içindeki konumları

gösterilmektedir. Sensörlü kontrolde Hall effect sensörlerden

742

Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK'2015, 10-12 Eylül 2015, Denizli

Page 3: Bulanık Mantık Kontrollü Rejeneratif Frenleme Sistemiakademikpersonel.kocaeli.edu.tr/hmertunc/bildiri/hmertunc02.10.2015_15... · Bulanık Mantık Kontrollü Rejeneratif Frenleme

alınan bilgiye göre uygun fazların enerjilenmesi

sağlanmaktadır. Fırçasız DC motorun kontrolünde kontrol 6

kademeli bir algoritma ile sağlanmaktadır. Her kademede 2 faz

seçilmekte ve bu fazlar enerjilenmektedir.

Komutasyon sırası Tablo 2’deki gibidir [6]. Bu sıra dikkate

alınarak motorun elektriksel olarak bir tam tur atması için

sırasıyla enerjilendirilecek fazlar belirlenecektir.

Tablo 2: Rotor konumuna göre oluşan komutasyon sırası

Açı(e ) FAZ

A

FAZ

B

FAZ

C

HALL

A

HALL

B HALLC

0 60 dcV dcV 0 1 0 0

60 120 0 dcV dcV 1 0 1

120 180 dcV 0 dcV 0 0 1

180 240 dcV dcV 0 0 1 1

240 300 0 dcV dcV 0 1 0

300 360 dcV 0 dcV 1 1 0

Fırçasız DC motorlar DC beslemeyle çalıştırılıyor gibi

görünse de aslında besleme sinyalleri AC sinyallerdir. Bundan

dolayı fırçasız DC motor beslemesinde bir evirici

kullanılmaktadır.

Şekil 3: 6 güç anahtarı ile oluşturulan evirici devresi

Uygulanan PWM oranına göre de fazlara gelen gerilimin

seviyesi belirlenmektedir. Uygulanan gerilim ile motorda

elektromotor kuvveti oluşturularak motor milinin hareketi

sağlanmaktadır. Tablo 3’te anahtarların tetiklenme sırası

gösterilmektedir.

Tablo 3: Anahtarların tetiklenme sırası

Açı(e ) PWM ON Anahtar OFF Anahtar

0 60 B_High A_Low Diğer Anahtarlar

60 120 B_High C_Low Diğer Anahtarlar

120 180 A_High C_Low Diğer Anahtarlar

180 240 A_High B_Low Diğer Anahtarlar

240 300 C_High B_Low Diğer Anahtarlar

300 360 C_High A_Low Diğer Anahtarlar

Şekil 3’te evirici yapısı gösterilmektedir [12]. Evirici

yapısında 6 adet güç anahtarı bulunmakta ve daha öncede

belirtildiği gibi Hall effect sensörden alınan bilgilere göre faz

kolundaki uygun anahtarların tetiklenmesi sağlanmıştır. Bir

elektriksel çevrim boyunca güç anahtarları 120 ’lik bir iletim

konumunda bulunmaktadır [7].

3.2. Rejeneratif Çalışma Modu

Rejeneratif frenleme sırasında araçtaki mevcut kinetik

enerjinin ısı enerjisine dönüşmesine izin vermek yerine

bataryaya geri kazandırılarak daha verimli biçimde

kullanılması amaçlanmaktadır. Rejeneratif çalışma modu,

aracın gaza basılmadan seyir halinde olması veya fren

yapılması durumlarını içerir. Bu durumlarda elektrik motoruna

bataryadan herhangi bir gerilim yönlendirilmez. Motor

modundan farklı olarak rejeneratif modda tek bir anahtarın

tetiklendiği anahtarlama metodu tercih edilmiştir [8].

Rejeneratif modda çalışılan anahtarlar, fazların kollarındaki

low (A_Low, B_Low, C_Low) anahtarlarıdır. Şekil 4’te B_Low

anahtarının tetiklenmesi durumunda devreden geçen akımın

yönü gösterilmektedir. Anahtarların tetiklenmesinde PWM ile

bağımsız anahtarlama stratejisi etkili ve basit metot olarak

karşımıza çıkmaktadır [12].

Şekil 4: B_Low anahtarı tetik durumunda akımın devreden

akış yönü

Şekil 5: Bağımsız anahtarlama Stratejisi ile Btaryaya

Doğru Akan Akım

Şekil 5’te Rejeneratif Frenleme sırasında kullanılan A_High

ve B_Low anahtarının tetiklenmesi durumunda devreden

geçen akımın yönü gösterilmektedir [12]. Bu durum için

batarya üzerinden akım geçirilerek bataryanın şarj olması

sağlanır. Güç anahtarlarının tetiklenme sırası ise Hall-effect

sensörden alınan bilgilere seçilmektedir.

Tablo 4’te PWM anahtarlarının tetiklenme sırası

gösterilmektedir. Bataryanın şarj olma durumunda, zıt

elektromotor kuvvetinden dolayı fazlarda oluşan gerilimin

batarya geriliminde büyük olması gerekmektedir. Elektrik

motoru ne kadar hızlı olsa da zıt elektromotor kuvvetinden

dolayı oluşan gerilim batarya geriliminden her zaman düşük

olmaktadır. Bundan dolayı bu gerilimin yükseltilmesi

743

Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK'2015, 10-12 Eylül 2015, Denizli

Page 4: Bulanık Mantık Kontrollü Rejeneratif Frenleme Sistemiakademikpersonel.kocaeli.edu.tr/hmertunc/bildiri/hmertunc02.10.2015_15... · Bulanık Mantık Kontrollü Rejeneratif Frenleme

gerekmektedir. Motor fazlarındaki bobin ve evirici devre

sayesinde yükseltici devresi için ek bir elektronik devreye

ihtiyaç yoktur. Fazlardaki gerilim elektrik motorunun bobini

üzerinde depolanarak bataryaya aktarılmaktadır [9]. Yükseltici

devresindeki güç anahtarına uygulanan PWM sinyallerinin

doluluk oranı bulanık mantık kontrolör ve PID kontrolör ile

sağlanmaktadır. Böylece güç anahtarları için farklı doluluk

oranına sahip PWM sinyalleri elde edilmektedir.

Tablo 4: Güç anahtarlarının tetiklenme sırası

SIRA PWM

Anahtarı Açık Anahtar Kapalı Anahtar

1 A_Low Hiçbiri Kalan Anahtarlar

2 C_Low Hiçbiri Kalan Anahtarlar

3 C_Low Hiçbiri Kalan Anahtarlar

4 B_Low Hiçbiri Kalan Anahtarlar

5 B_Low Hiçbiri Kalan Anahtarlar

6 A_Low Hiçbiri Kalan Anahtarlar

4. Bulanık Mantık Kontrolörle Regeneratif

Frenleme

Bulanık kontrol giriş parametresi olarak 3 faktör göz önüne

alınmıştır. Bu faktörler; aracın anlık hız bilgisi, batarya şarj

durumu ve frenleme kuvvetidir. Kontrol çıktısı ile rejeneratif

frenleme seviyesi tespit edilmiştir. Belirlenen başlıklar ve

üyelik fonksiyonları sırasıyla aşağıdaki gibidir.

4.1. Batarya Şarj Durumu

Elektrikli araçlarda kullanılan bataryanın sürüş boyunca iç

direncinde değişmeler ve şarj durumunda azalma meydana

gelmektedir. Bundan dolayı bataryanın şarj durumu %10

seviyelerinden az olduğu durumda bataryanın şarj olması için

uygun değildir. Bu durumda rejeneratif frenleme seviyesi

küçük olmalıdır. Eğer batarya şarj durumu %10 ile %90

arasında ise batarya yüksek şarj ve şarj durumuna göre

belirlenen frenleme kuvveti ile şarj edilebilmektedir.

Şekil 6: Batarya şarj durumu üyelik fonksiyonu

Son olarak eğer batarya şarj durumu %90’dan büyük ise bu

durumda şarj etme akımı ve frenleme kuvveti seviyesi

azaltılmalıdır. Bu durumlar göz önünde bulundurularak

oluşturulan Batarya Şarj Durumu üyelik fonksiyonu Şekil 6’da

gösterildiği gibidir.

4.2. Aracın Anlık Hızı

Aracın hız bilgisi güvenli frenlemenin sağlanmasında önemli

bir konuma sahiptir. Eğer aracın hızı düşük seviyelerde ise

güvenli frenleme için frenleme seviyesi düşük oranlarda

tutulmalıdır. Aracın hızı orta seviyelerde ise hız bilgisine bağlı

olarak yüksek seviyelere kadar frenleme kuvveti

uygulanmalıdır. Son olarak araç hızı yüksek ise bu durumda

uygulanacak frenleme seviyesi çok yüksek seviyelerde

olmalıdır. Bu durumlar göz önüne alınarak oluşturulan anlık

araç hızı üyelik fonksiyonu Şekil 7’de gösterildiği gibidir.

Şekil 7: Anlık araç hızı üyelik fonksiyonu

4.3. Pedala Basma Kuvveti (Frenleme Derecesi)

Sürücünün fren pedalına basma seviyesi fren mesafesini ve

süresini temsil etmektedir. Eğer frenleme derecesi büyük ise

bunun anlamı daha kısa sürede aracın durdurulmasıdır.

Frenleme derecesi orta seviyelerde ise bu durumda yüksek

duruma göre rejeneratif frenleme kuvveti arttırılmalıdır. Son

durumda ise frenleme derecesi düşük ise geniş bir rejeneratif

frenleme kuvveti uygulanmalıdır. Şekil 8’de frenleme derecesi

için kullanılan üyelik fonksiyonu gösterilmektedir.

Şekil 8: Frenleme derecesi üyelik fonksiyonu

4.4. Çıkış Değerleri ve Kural Tablosu

Bulanık mantık kontrolör tipi olarak Mamdani kullanılmıştır.

Çıkış için 10 adet üyelik fonksiyonu oluşturulmuş ve giriş

değerlerine göre bulanık çıkarım yapılmaktadır. Şekil 9’da

motor kuvveti için oluşturulan üyelik fonksiyonu

gösterilmektedir.

Şekil 9: Motor kuvveti (çıkış) üyelik fonksiyonları

744

Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK'2015, 10-12 Eylül 2015, Denizli

Page 5: Bulanık Mantık Kontrollü Rejeneratif Frenleme Sistemiakademikpersonel.kocaeli.edu.tr/hmertunc/bildiri/hmertunc02.10.2015_15... · Bulanık Mantık Kontrollü Rejeneratif Frenleme

Tablo 5’te de gösterildiği gibi bulanık mantık kontrolör

girişleri olarak; araç hız bilgisi, batarya şarj durumu ve fren

pedalına basma kuvveti göz önüne alınmıştır [11].

Tablo 5: Kullanılan değişkenler için oluşturulan bulanık

mantık kural tablosu[10]

FRENLEME

KUVVETİ

BATARYA

ŞARJ

DURUMU

ARAÇ

HIZI

REJENERATİF

FRENLEME

YÜKSEK

YÜKSEK

YÜKSEK Mf1

ORTA Mf1

DÜŞÜK Mf0

ORTA

YÜKSEK Mf2

ORTA Mf2

DÜŞÜK Mf1

DÜŞÜK

YÜKSEK Mf3

ORTA Mf3

DÜŞÜK Mf2

ORTA

YÜKSEK

YÜKSEK Mf5

ORTA Mf3

DÜŞÜK Mf3

ORTA

YÜKSEK Mf7

ORTA Mf5

DÜŞÜK Mf4

DÜŞÜK

YÜKSEK Mf8

ORTA Mf8

DÜŞÜK Mf4

DÜŞÜK

YÜKSEK

YÜKSEK Mf6

ORTA Mf5

DÜŞÜK Mf4

ORTA

YÜKSEK Mf10

ORTA Mf10

DÜŞÜK Mf9

DÜŞÜK

YÜKSEK Mf10

ORTA Mf10

DÜŞÜK Mf9

5. Simulasyonlar

Bu bölümde rejeneratif çalışma için tasarlanan sistemin

performansı simulasyonlar ile test edilmiş ve sonuçları

sunulmuştur.

5.1. Motor Modu

Bu bölümde simulasyonlarda, fırçasız DC motorun motor

modunda, kullanılan hız referans değerlerine göre oluşan Zıt

EMK değerlerinin gösterdiği davranışları ve rejeneratif

çalışmaya olan etkisi gösterilmiştir.

Fırçasız DC motorun kontrolü 6 kademeli bir algoritma ile

sağlanmakta ve her kademede 2 faz seçilerek bu fazlar

enerjilenmektedir. Fazlardaki gerilim elektrik motorunun

bobini üzerinde depolanarak bataryaya aktarılmaktadır.

Yükseltici devresindeki güç anahtarına uygulanan PWM

sinyallerinin doluluk oranı bulanık mantık kontrolör ve PID

kontrolör ile sağlanmaktadır ve güç anahtarları için farklı

doluluk oranına sahip PWM sinyalleri elde edilmektedir.

Şekil 10’da referans hız değeri 1400 rpm alındığında oluşan

hız durumunun zamana bağlı değişimi gösterilmektedir.

Şekil 10: 1400 rpm referansta hız için çıkış grafiği

Şekil 11’de 1400 rpm hız için oluşan Zıt EMK’nın zamana

bağlı değişim grafiği gösterilmektedir. Oluşan Zıt EMK’nın

değeri, sürekli zamanda tepeden tepeye 8.2 V olmaktadır.

Şekil 11: Herhangi bir faz için Zıt EMK değeri

Şekil 12’de referans hız değeri 3500 rpm alındığında oluşan

hız durumunun zamana bağlı değişimi gösterilmektedir.

Şekil 12: 3500 rpm referansta hız çıkışı

Şekil 13’te 3500 rpm hız için oluşan Zıt EMK’nın zamana

bağlı değişim grafiği gösterilmektedir. Oluşan Zıt EMK’nın

değeri, sürekli zamanda tepeden tepeye 20.8 V olmaktadır.

Şekil 13: Herhangi bir faz Zıt EMK değerleri

745

Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK'2015, 10-12 Eylül 2015, Denizli

Page 6: Bulanık Mantık Kontrollü Rejeneratif Frenleme Sistemiakademikpersonel.kocaeli.edu.tr/hmertunc/bildiri/hmertunc02.10.2015_15... · Bulanık Mantık Kontrollü Rejeneratif Frenleme

5.2. Sürüş Çevrimi Altında Rejeneratif ve Motor

Modlarının Karşılaştırılması

3 fazlı fırçasız DC motor, motor modunda hız kontrollü

çalıştırılmaktadır. Yukarıda verilen sonuçlar, farklı referans

hız değerlerinin en stabil kontrolü ve o hız değerlerinde

motorda oluşan Zıt EMK değerlerini göstermektedir. Buradan

çıkan sonuca göre, hız etkisi ne kadar fazla olursa oluşan Zıt

EMK değerleri bununla beraber orantılı olarak artmaktadır.

Bulanık mantık kontrol mekanizmasında oluşturulan kural

tablosu bu çıkarıma göre tasarlanmış olup, motor hız kontrolü

yapılmakla beraber aynı zamanda hız parametresi de bir üyelik

fonksiyonu olarak tanıtılmıştır. Oluşturulan sistem 200

saniyelik sürüş çevrimi altında motor ve rejeneratif mod için

batarya şarj durumu incelenmiştir. Sürüş çevrimindeki

frenleme kuvvetleri bulanık mantık kontrolör ile yavaşlama

seviyesine göre belirlenmektedir.

Şekil 14: Sürüş çevrimi [13]

Şekil 14’te oluşturulan 200 saniyelik sürüş çevrimi

gösterilmektedir [13]. Bu çevrimde hızlanma ve sabit gitme

durumları için bataryanın harcanması, yavaşlama anlarında ise

bataryanın şarj olması beklenmektedir.

Şekil 15: Rejeneratif ve motor modda çalışma durumunda

batarya şarj seviyesi-zaman grafiği

Bulanık mantık kontrol yapısında bulunan üyelik

fonksiyonlarının etkileri, motorun ileri yönlü hız kontrolü ve

bataryanın hangi durumlarda şarj olduğu çalışma üzerinde

gösterilmiştir. Çevrim süresi boyunca çeşitli frenleme

kuvvetleri altında sistemin davranışı gözlenmiştir. Şekil 15’te

zamana bağlı olarak bataryadaki değişim gösterilmektedir.

Kesikli çizgiler ile rejeneratif frenleme kullanılmadan önceki

şarj durumu, kesikli çizgilerle de rejeneratif frenleme yapılarak

elde edilen şarj durumu gösterilmektedir. Motor modda

frenleme sırasında kaybedilen enerji, rejeneratif frenleme ile

kazanılabilmektedir. Rejeneratif frenleme ile bataryaya

kazandırılan şarj seviyesi %4.7’dir. Batarya parametreleri ve

batarya türü şarj seviyesinin değişmesinde önemli bir rol

oynamaktadır.

Sonuçlar

Bu çalışmada, elektrikli araçlar için 3 fazlı fırçasız DC

motorun çalışmasında oluşan rejeneratif enerji kazancı,

bulanık mantık kontrolü kullanılarak yapılmıştır. Yapılan

simülasyon çalışmalarında görülmüştür ki; motor frenlenme

esnasında veya boşta seyir halinde kaldığından itibaren

sargılarında oluşan akım uygun güç anahtarların

tetiklenmesiyle bir sınır değeriyle en verimli şekilde bataryaya

aktarılabilir. Simulasyon sonuçlarına göre rejeneratif modda

çalışma, motor moduna göre %4.7 daha fazla şarj seviyesi

sağlamaktadır ve bu sayede menzil için daha verimli sonuçlar

elde edilmektedir. Çalışmanın sonraki adımı kullanılan motor

ve araç parametrelerinin gerçek hayatta kullanılan bir sistem

modeli kullanılarak modellenmesi ve gerçek sürüş çevrimleri

altında rejeneratif frenleme sisteminin uygulanması olacaktır.

Kaynakça

[1] http://gigaom.com/2010.03.17/should-pollution-factor-

into-electric-car-rollout-plans/.

[2] http://www.treehugger.com/cars/plug-in-hybrid-cars-

chart-of-co2-emissions-ranked-by-power-source.html.

[3] http://istifmaterialhandling.com/haber/s_detay.asp?id=14

59&page=3

[4] 2008, pp. 1031–1035.Tsai, Ming-Fa, et al. "Model

construction and verification of a BLDC motor using

MATLAB/SIMULINK and FPGA control." Industrial

Electronics and Applications (ICIEA), 2011 6th IEEE

Conference on. IEEE, 2011.

[5] http://web.eecs.utk.edu/~dcostine/ECE482/Spring2015/m

aterials/BLDC_Trapz.pdf

[6] Z. Z. Z. Zhang, G. X. G. Xu, W. L. W. Li, and L. Z. L.

Zheng, “The Application of Fuzzy Logic in Regenerative

Braking of EV,” Intell. Human-Machine Syst. Cybern.

(IHMSC), 2010 2nd Int. Conf., vol. 2, 2010.

[7] J. Cody, Ö. Göl, Z. Nedic, A. Nafalski, and A. Mohtar,

“Regenerative breaking in an electric vehicle,” Zesz.

Probl. – Masz. Elektr., pp. 113–118, 2009

[8] C.-H. Chen, W.-C. Chi, and M.-Y. Cheng, “Regenerative

braking control for light electric vehicles,” 2011 IEEE

Ninth Int. Conf. Power Electron. Drive Syst., pp. 631–

636, 2011.

[9] M. J. Yang, H. L. Jhou, B. Y. Ma, and K. K. Shyu, “A

cost-effective method of electric brake with energy

regeneration for electric vehicles,” IEEE Trans. Ind.

Electron., vol. 56, pp. 2203–2212, 2009.

[10] Z. Z. Z. Zhang, G. X. G. Xu, W. L. W. Li, and L. Z. L.

Zheng, “The Application of Fuzzy Logic in Regenerative

Braking of EV,” Intell. Human-Machine Syst. Cybern.

(IHMSC), 2010 2nd Int. Conf., vol. 2, 2010.

[11] G. Xu, W. Li, K. Xu, and Z. Song, “An Intelligent

Regenerative Braking Strategy for Electric Vehicles,”

Energies, vol. 4, pp. 1461–1477, 2011.

[12] Xu, Guoqing, et al. "An intelligent regenerative braking

strategy for electric vehicles." Energies 4.9 (2011): 1461-

1477.

[13] Nian, Xiaohong, Fei Peng, and Hang Zhang.

"Regenerative braking system of electric vehicle driven

by brushless DC motor." IEEE Transactions on

Industrial Electronics 61 (2014): 5798-5808.

746

Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK'2015, 10-12 Eylül 2015, Denizli