بخشی از مقاله
چکیده -
موتورهاي سنکرون مغناطیس دائم - PMSM - براي کاربردهایی با سرعت هاي مستقل از بار یا عملکرد سنکرون با دقت بالا تحت سرعت مشخص مناسب می باشند.
در این مقاله ساختار و روابط PMSM، کنترل مستقیم گشتاور - - DTC و بردار فضایی ولتاژ بررسی شده سپس تخمین زننده سیستم وفقی مدل مرجع - MRAS - مورد مطالعه قرار می گیرد. کنترل کننده ي PI از فیدبک سرعت تخمین زننده استفاده می کند و کنترل سرعت بدون سنسور PMSM بر اساس روش DTC توسط MRAS را انجام می دهد. نتایج شبیه سازي نشان می دهد که سرعت با دقت بالا تخمین زده شده و پاسخ گشتاور بسیار سریع می باشد.
-1 مقدمه
در سالهاي اخیر موتور سنکرون مغناطیس دائم به دلیل خصوصیاتی همچون بازده بالا، گشتاور زیاد، قدرت زیاد، حجم کم و کنترل دقیق سرعت بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند و در صنایع شیمیایی، کارخانه هاي بافندگی، صنایع شیشه، سیستم حمل و جابجایی، وسایل الکتریکی خانگی، موتور هاي کشتی، روباتیک و پله برقی استفاده شده اند. روش هاي کنترلی مورد استفاده موتورهاي سنکرون مغناطیس دائم عبارتند از: کنترل V/f، کنترل برداري میدان و کنترل مستقیم گشتاور.
اصل اساسی DTC، انتخاب مستقیم بردارهاي ولتاژ استاتور بر اساس تفاوت بین گشتاور واقعی و مرجع و همچنین شار واقعی و مرجع است. حسن کنترل مستقیم گشتاور وابستگی کمتر به پارامترهاي موتور و پاسخ گشتاور سریع در مقایسه با کنترل گشتاور توسط کنترل جریان PWM می باشد.
سنسور موقعیت با کیفیت بالا یک از ضروري ترین اجزاء ساختمان سیسستم درایو است که در صنعت و وسیله نقلیه بکارگرفته می شود. اما قیمت بالا و نیاز شدید، استفاده از آن را در سیستم درایو محدود می کند، بطوریکه بسیار مطلوب است تا تکنولوژي سنسور موقعیت را توسعه دهیم.
در سنسور موقعیت مکانیکی، حجیم شدن آن و به راحتی خراب شدن در محیط خشن را پیشرو داریم، ولی تکنولوژي سنسور می تواند قابلیت اعتماد سیستم درایو را افزایش دهد.
در طی سالهاي اخیر درایو بدون سنسور PMSM مورد توجه بیشتري قرار گرفته است. تکنیک هاي زیادي مطرح می شوند به طوري که تخمین سرعت و موقعیت روتور را انجام دهند، مثل تخمین زننده ي حلقه باز با استفاده از ولتاژها و جریان هاي استاتور، تخمین زننده ي موقعیت مبتنی بر نیروي ضد محرکه الکتریکی، تخمین زننده ي MRAS ، تخمین زننده ي سرعت و موقعیت روتور مبتنی بر مشاهده، تزریق سیگنال فرکانس بالا و هوش مصنوعی.
در این مقاله طرح سیستم وفقی مدل مرجع - MRAS - را قبول می کنیم که در PMSM از خودش به عنوان مدل مرجع براي تخمین سرعت موتور استفاده می کند.
-2 تکنولوژي موتور سنکرون مغناطیس دائم
موتورهاي سنکرون مغناطیس دائم را می توان در ساختارهاي متفاوت بر طبق کاربردهایشان طراحی کرد. در این موتور، مغناطیس دائم جایگزین سیم پیچ هاي القایی DC می شود که شار مغناطیسی روتور را تامین می کند.
سیم پیچ هاي استاتور بر روي استاتور قرار می گیرند که سه فاز می باشند و مقدار جریان کشیده شده از منبع حداقل می شود که منجر به پایین آمدن تلفات روتور و تحریک، افزایش کارایی در مقایسه با دیگر موتورها و صرفه جویی در هزینه انرژي می شود. مغناطیس ها بر روي روتور به دو صورت زیر قرار می گیرند:
-1-2 قرارگرفتن مغناطیس ها بر روي سطح روتور
مغناطیس ها به شکل هاي نواري یا قوسی بر روي روتور نصب می شوند. این موتورها فاصله هوایی زیاد و عکس العمل آرمیچر ضعیف دارد و درکاربردهایی با سرعت پایین مورد استفاده قرار می گیرند چون تحمل آهنربا به نیروهاي گریز از مرکز پایین است.
این موتورها به موتورهاي سنکرون مغناطیس دائم سطحی - SPMSM - معروفند. در شکل 1 این موتور نشان داده شده است.
این موتورها معمولا به موتورهاي سنکرون مغناطیس دائم درونی - IPMSM - شناخته می شوند.
شکل 2 و شکل 3 ساختار شعاعی و مدور را به ترتیب نشان می دهند.
شکل :2 ساختار شعاعی
شکل :3 ساختار مدور
تفاوت هاي بین ساختار شعاعی و مدور در جدول - 1 - آورده شده است.
شکل :1 محل قرارگیري مغناطیس ها بر روي روتور
-2-2 قرارگرفتن مغناطیس ها داخل روتور - شعاعی یا مدور -
در حالت قبل مغناطیس ها در سرعت بالا در معرض نیروي زیاد گریز از مرکز قرار گرفته و القاي فاصله ي هوایی بسیار محدود بود. براي حل این مشکل مغناطیس ها را درون روتور به دو شکل شعاعی و مدور قرار می دهند.
در این حالت مغناطیس ها مقاومت بیشتري به نیروي گریز از مرکز دارند و مناسب براي کاربرد هاي با سرعت زیاد می باشد. همچنین بازده ي این موتور ها از موتور هاي مغناطیسی دیگر بیشتر است.
البته این موتورها هزینه ي بالایی دارند، چون نیاز به تکنولوژي بالا دارد.
جدول : - 1 - مقایسه ساختار شعاعی و مدور
-3 کنترل مستقیم گشتاور
کنترل مستقیم گشتاور یک تکنیک بدون سنسور است که موتور بدون نیاز به سنسور مکانیکی نصب شده بر روي شافتش کار می کند. آن براي کنترل گشتاور و شار بدون تغییر پارامترهاي موتور و بار مناسب می باشد.
در این روش شار استاتور و گشتاور مستقیما توسط دو کنترل کننده هیسترزیس کنترل می شود
بلوك دیاگرام کنترل مستقیم گشتاور موتور سنکرون مغناطیس دائم در شکل 4 نشان داده شده است.
شکل :4 بلوك دیاگرام موتور سنکرون مغناطیس دائم با کنترل مستقیم
شکل:5 اینورتر ولتاژ
با انتخاب مختلف شش سوئیچ 8 بردار وجود دارد که 6 بردار ولتاژ غیرصفر - V1,V2,V3,V4,V5,V6 - و 2 بردار ولتاژ صفر - - V7,V8 می باشند
-1-3 معادلات موتور سنکرون مغناطیس دائم
بردار جریان استاتور در سیستم مرجع شار روتور - dq - بصورت id,iq است و گشتاور الکترومغناطیسی وابسته به این بردارها می باشد.
معادله هاي - 1- 3 - مربوط به مدل الکتریکی هستند و معادله - 4 - مربوط به مدل مکانیکی است.
ساختار اینورتر ولتاژ در شکل 5 نشان داده شده است. در آن واحد تنها یکی از کلید هاي روي هر ستون روشن است.
بردارهاي ولتاژ استاتور - V1-V8 - برحسب ولتاژ لینک DC بیان می شوند که از تبدیل ولتاژهاي ترمینال موتور به محورهاي D-Q استاتور بدست می آیند. این ولتاژها در جدول - 2 - نشان داده شده است.
