بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحی،شبیه سازی و ساخت کنترل کننده PID برای موتور BLDC
چکیده
موتورهای DC بدونجاروبک (BLDCM) به دلیل بازده بالا، گشتاور زیاد و حجم کم آنها به طور وسیعی برای تعدادی از کاربردهای صنعتی استفاده میشوند. هدف این مقاله ساخت یک کنترلکننده سرعت برای این نوع موتور است. کنترلکننده پیشنهاد شده را کنترلکننده تناسبی-انتگرالی- مشتقی((PID نامیدهاند. این مقاله یک نگاه کلی به عملکرد کنترلکننده PID میاندازد. نتایج آزمایش اثبات میکنند که کنترلکننده PID عملکرد مناسبی در شبیه سازی و تست آزمایشگاهی دارد. مدل کردن کنترل کننده و ارتباط کنترل کننده با موتور BLDC با استفاده از نرم افزار شبیه سازی LABVIEW و MATLAB انجام شدهاست.
واژه های کلیدی موتور DC بدونجاروبک( (BLDCM، کنترلکننده تناسبی انتگرالی مشتقی((PID
-1 مقدمه
امروزه به طور کلی دو نوع موتور DC در صنعت استفاده می شود. اولی موتور DC معمولی و مرسومی است که میدان مغناطیسی لازم برای تولید گشتاور را به وسیله عبور جریان از سیم پیچ میدان، بدست میآورد. نوع دوم موتورهای DC، موتور بدون جاروبک است که به BLDC معروف است. در این موتور، مغناطیس دائم به جای استفاده از سیمپیچ میدان، جریان شکاف هوایی لازم را فراهم میکند. موتور BLDC به طور مرسوم، به موتور سنکرون مغناطیس دائم دارای Back EMF با شکل موج ذوزنقهای، معروف است .[1] همانطور که از نام موتور براشلس مشخص است، این موتور از زغال برای کموتاسیون استفاده نمی کند بلکه از هدایت جریان الکتریکی به منظور کموتاسیون استفاده میکند.[2] از مزایای این موتور میتوان به وزن سبک، حجم کم، راندمان بالا، اینرسی کم و دقت کنترلی بالا اشاره کرد. همچنین BLDCM خصوصیات فیزیکی مطلوب یک موتور جریان مستقیم معمولی را نیز حفظ کردهاست و باعث شده در طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرارگیرد. گسترش روز افزون صنایع و پیشرفته شدن صنعت مدرن، الزامیست بر افزایش کارایی BLDC موتورها و کنترلرهای آن، که البته هر یک تا به امروز مهندسان و محققان زیادی را درگیر کار و تحقیق و مدلسازی و شبیهسازی و ساخت و آزمایش، نمودهاست .[3-5]
عملا طراحی درایو BLDCM یک روند پیچیدهای مانند مدل کردن، بخش طراحی کنترلکننده، شبیهسازی و تنظیم پارامترها و غیره را درگیر میکند. اخیراً راه حلهای کنترلی جدیدی برای طراحی موتور BLDC پیشنهاد شدهاست .[6][7][8] کنترل PID یکی از مهمترین استراتژی های توسعه یافته در سیستم های کنترل خطی برای بیشتر از 70 سال دارد، که هنوز به طور معمول در سیستم های کنترل صنعتی استفاده شده است. کنترل کننده PID به دلیل سادگی، قوی بودن، قابلیت اطمینان و تنظیم آسان پارامترها به طور وسیعی در کاربردهای صنعتی استفاده شده است .[9]
هدف این مقاله این است که یک مدار کنترلی برای کنترل سرعت موتور BLDC طراحی کنیم و با استفاده از برنامه LABVIEW یک کنترل کننده PID طراحی و بسازیم و پاسخهای دینامیکی موتور را بررسی کنیم.
-2 سیستم کنترل سرعت موتور BLDC
بلوک دیاگرام کامل کنترل سرعت موتور BLDC سه فاز به صورت شکل 1 است. دو حلقه کنترلی برای کنترل موتور BLDC استفاده شدهاست. حلقه داخلی سیگنال ورودیهای اینورتر را با نیرو محرکه همگام میسازد. حلقه بیرونی سرعت موتور را با تغییر ولتاژ شین DC کنترل میکند.
مدار درایو شامل کانورترهای قدرت 3 فاز می باشد که از 6 ترانزیستور قدرت برای تحریک دو فاز موتور BLDC به طور همزمان استفاده می کند. موقعیت روتور که ترتیب سویچ زنی را مشخص میکند با استفاده از 3 سنسور هال که بر روی استاتور سوار شده اند تعیین می شود. با استفاده از اطلاعات سنسور هال و اثر جریان مرجع (با استفاده از جریان مرجع ژنراتور تولید شده است) و بلوک دی کدر یک بردار سیگنال از نیروی ضد محرک تولید می کند.مبنی بر آن، ما مقادیر نیروی ضد محرکه را برای حرکت در جهت عقربه های ساعت حساب می کنیم که آنها را جدول شماره 1 داریم و نیرویهای الکترومغناطیسی را به 6 ورودی منطقی انتقال دادهایم مطابق جدول 2
جدول 1
-3 طراحی کنترل کننده PID
پارامترهای مشخصه های کنترلی که در شکل زیر به کار برده شده اند به صورت زیر در نظر بگیرید،تناسبی (P)، انتگرالی ( I) و مشتقی .(D)
یک کنترل کنندهPID یک کنترل کننده ساده 3 ترمی است، لغت P، I و D بر -P تناسبی، -I انتگرالی، -D مشتقی استوار است.تابع انتقال اساساً از کنترل کننده PID تشکیل می شود و برابر است با:
گین تناسبی( K P )، گین انتگرالگیر( K I )، گین مشتقگیر( ( K D است.
سیگنال u از کنترل کننده به سمت سیستم برابر است با گین تناسبی ( K P )ضربدر اندازه خطا به علاوه گین انتگرالی( ( K I ضربدر انتگرال خطا به علاوه گین مشتق گیر( ( K D ضربدر مشتق خطا.
-4 ساخت کنترل کننده
بلوک دیاگرام عملی کنترل سرعت موتور BLDC سه فاز به صورت شکل 3 است. با استفاده از یک انکدرکه در داخل موتور کار گذاشته شده است، پالسهای PWM خوانده می شود. و سیگنالهای نیرو محرکه مورد نیاز موتور برای راه اندازی به میکرو داده می شود. با استفاده از برنامه LABVIEW مقادیر PID کنترل کننده به میکرو داده می شود.
بخش های مختلف این کنترل کننده به صورت زیر تقسیم بندی میشوند:
1-4 درایور
درایور این موتور در داخل موتور کار گذاشته شده است و ولتاژ dc مورد نیاز را به میکرو میدهد.
2-4 اینترفیس
این بخش واسطه ارتباطی بین کامپیوتر با IC موجود در مدار کنترل کننده می باشد(شکل .(7 در واقع این بخش مقادیر کنترل کننده طراحی شده PID را به صورت آنلاین به برنامه ای که برروی IC، ATMEGA 32 قرار دارد، انتقال میدهد. در این نرم افزار میتوان مقادیر سرعت موتور را به صورت دلخواه افزایش یا کاهش داد. و مقادیر را در فایل Excel ذخیره میکند. برای یک موتور ثابت، بعد از بدست آمدن مقادیر بهینه سیستم را می توان از کامپیوتر جدا کرد و به صورت مجزا کار کند.
3-4 بخش گیربکس
سرعت نامی موتور 6500 دور بر دقیقه است با استفاده از کار گذاشتن گیربکس سرعت خروجی موتور را به 200 دور بر دقیقه کاهش میدهد.
