بخشی از مقاله
چکیده :
در این مقاله یک روش بهینه سازی ترکیبی جدید برای تعیین مناسب پارامتر های ضرایب کنترل کننده موتور DC بدون جاروبک - BLDC - 1 ارائه می گردد. روش پیشنهادی با ترکیب قابلیت های روش های بهینه سازی اجتماع ذرات پرندگان - PSO - و الگوریتم سیگنال به نویز - SNR - در تعیین ضرایب بهینه در وضعیت و شرایط مختلف عملکرد بسیار مناسبی را دارد.
نتایج شبیه سازی نشان می دهد که روش کنترلی ارائه شده، عملکرد به مراتب بهتری نسبت به سایرکنترلکنندهها دارد. درایوهای جریان مستقیم بدون جاروبک - BLDC - درایوهای بسیار جذابی برای کاربردهای سیستمهای کششی هستند که بطور مستقیم در رقابت با درایوهای القایی است. مزیت عمده درایوهای BLDC بازده ، چگالی توان و قابلیت اطمینان بالای آن است.
درایوهای الکتریکی با قابلیت عملکرد بالا نیاز به کنترل کننده های دقیق و سریع دارند. کنترل کننده PID بدلیل سادگی در طراحی و پیاده سازی، رایج صنعت بوده است. در این روش جدید الگوریتم ترکیبی SNR-PSO برای تنظیم پارامترهای کنترل کنندههای سرعت و جریان درایو موتور BLDC با روشهای کنترل جریان حلقه هیسترزیس بهینه سازی شده و با روش کنترل جریان مدولاسیون پهنای باند - PWM - 2 باند مقایسه گردیده است..
.1 مقدمه
اخیراً بدلیل آلودگی محیط زیست و بحران انرژی، کشورهای صنعتی برای کاهش وابستگی به منابع انرژی سوخت فسیلی تلاش میکنند از اینرو استفاده از موتورهای الکتریکی و هیبرید الکتریکی در کاهش این وابستگی نقش مؤثری ایفا میکنند. با توجه به اهمیت موضوع انتخاب درایو مناسب و روش کنترلی بهینه اهمیت ویژهای پیدا میکند.
برخی از مشخصههای مورد نیاز موتورهای الکتریکی و هیبریدالکتریکی در کاربردهای کششی را میتوان شامل: چگالی گشتاور و توان بالا، گشتاور بالا در لحظهی راه اندازی، توان بالا در سرعتهای بالا، بازده بالا در رنج وسیع سرعت و گشتاور و هزینه قابل قبول دانست. از بین انواع مختلف درایوهای الکتریکی درایوهای BLDC درایوهای بسیار جذابی برای کاربردهای سیستمهای کششی با توجه به مشخصههای مذکور برای این سیستمها است. این درایوها از یک اینورتر متشکل از شش ترانزیستور تغذیه میشود که روشن و خاموش شدن ترانزیستورها موقعیت روتور را تعیین میکند.[2-1] مزیت عمده درایوهای BLDC بازده، چگالی توان و قابلیت اطمینان بالای آن است. این موتور دارای مزایای زیادی است که بعضی از آنها عبارتند از:
-1 بازده وچگالی توان بالا -2 مشخصه گشتاور- سرعت خوب -3 پاسخ دینامیکی سریع -4 عملکرد بدون نویز -5 بازه سرعت وسیع - 6 طول عمر بالا.
علاوه بر این ساختار ساده، قابلیت اطمینان بالا، تعمیرات و نگهداری آسان به همراه رشد و پیشرفت سریع تکنولوژی نیمه هادیها، ادوات قدرت و کاهش هزینه مغناطیسهای دایم با چگالی انرژی بالا دلایل مهمی برای رشد و توسعه این ماشینها شده است. موتورهای BLDC در رنج توانهای بسیار گوناگون، از موتورهای بسیار کوچک که در درایو کامپیوترها مورد استفاده قرار میگیرد تا موتورهای با رنج توان بالا که برای سیستم محرکه خودروهای هیبریدالکتریکی کاربرد دارد تولید میشود.
دیگر کاربردهای این موتورها را میتوان به صورت -1 اتوماسیون صنعتی-2 صنایع فضایی - 3 صنایع نظامی -4 تجهیزات پزشکی -5 تجهیزات تکنولوژی اطلاعات -6 کامپیوترها -7 اسباب بازیها -8 تولیدات خانگی و ... بیان کرد. مشکل این درایوها هزینه آنهاست که به دلیل موادمغناطیسی دائم - PM - وکلیدهای قدرت موردنیاز این درایوها است هرچند با پیشرفت صنایع این مشکل نیز قابل برطرف کردن است.
برای بهبود کارایی موتور پاسخ دینامیکی جریان آرمیچر بایستی دارای کمترین ریپل باشد. اخیراً تکنیکهای کنترل جریان زیادی همچون کنترل جریان هیسترزیس و مدولاسیون پهنای باند - PWM - ، کنترل جریان با کنترل مستقیم گشتاور[4] به همراه تئوری کنترل پیوسته توسعه فراوانی یافته است که هرکدام دارای ویژگیها و محدودیتهایی است. عیب روشهای سنتی حساس بودن به تغییرات پارامترهای الکتریکی ماشین مانند مقاومت آرمیچر است. با تغییرات درجه حرارت و ایجاد اشباع پارامترهای الکتریکی ماشین نیز دچار تغییر میشوند.
بسیاری از روشهای پیشنهاد شده تغییرات پارامترها را نادیده گرفته و بر اساس روشهای مستقیم لیاپانوف به طراحی کنترلکننده غیر خطی جهت پایداری سیستم پرداختهاند [5]، .[6] در این روشها با استفاده از قانون فیدبک حالت غیرخطی سعی در تامین پایداری سیستم در مقابل تغییرات پارامترها شده است. روش خطی سازی فیدبک به منظور مسائل غیر خطی مانند موتورهای القایی و BLDC در مراجع [7-9] انجام شده است.
در مرجع [10] از روش H جهت طراحی کنترلکننده قدرتمند برای این ماشینها استفاده شده است. روش کنترلی موثر دیگری به نام کنترل مد لغزشی که با تغییرات پارامترها مقابله میکند که در مرجع [11] شرح داده شده است. کنترل کننده PID مقاوم - robust - برای BLDC در مرجع [12] شرح داده شده است.
اخیراً روشهای کنترلمدرن بسیاری همچون کنترل غیرخطی، کنترل بهینه و کنترل تطبیقی به شکل وسیعی در موتورهای BLDC مورد استفاده قرار میگیرد هرچند این روشها از لحاظ پایه تئوری نسبتاً دشوار و یا پیادهسازی پیچیده-ای دارند. کنترلکنندهی PID پاسخ مناسبی برای شرایط حالتگذرا و ماندگار ارائه میدهد اگرچه رفتار کنترلکنندههای PI/PID به روند تنظیم پارامترهای آن بستگی دارد. در روشهای طراحی سنتی، اطلاعات طراحی مبتنی بر تجربه افراد است و طراحی کنترلکننده خوب زمان زیادی را در برمیگیرد. نکته دیگر این است که انتخاب بهینه پارامترها مساله بسیار مهمی بوده و عملکرد کنترلکننده به شدت به آن وابسته است.
در این مقاله هدف اصلی کنترل موتور، وادار کردن سرعت یا جریان ماشین به تعقیب یک مقدار مرجع است. تقویت موتور برای مقابله با این شرایط امری اجتناب ناپذیر خواهد بود. برای تعیین پارامترهای کنترلکننده PI/PID جهت ثابت نگه داشتن سرعت و جریان در محدوده مجاز از الگوریتم ترکیبی[15-13] SNR-PSO استفاده شده است. ثابت ماندن پاسخ سیستم سه مزیت دارد: -1صفر بودن خطای حالت ماندگار سیستم -2 پاسخ سریع سیستم - زمان صعود و زمان نشست پایین - -3قرار گرفتن حداکثر فراجهش درمحدوده مجاز - نوار . - 2%
.2 مدلسازی موتور BLDC
استاتور موتور BLDC از نوع سیمپیچیشده و روتور آن مغناطیس دائم است، بنابراین میدان روی روتور و آرمیچر روی استاتور قرار دارد. موتور BLDC در واقع یک موتور AC مغناطیس دائم است که مشخصات سرعت -گشتاور آن شبیه موتور DC است. در این موتور کموتاسیون جریان آرمیچر به صورت الکترونیکی انجام میپذیرد. استفاده از ادوات الکترونیک قدرت مشکلات ناشی از استفاده کموتاتور و جاروبک، برای مثال، ایجاد جرقه و سایش کموتاتور و جاروبک را حذف کرده و این موتور را نسبت به موتور DC مقاومتر و قابل اطمینانتر ساختهاست.
موتور BLDC را میتوان یک موتور سنکرون مغناطیس دائم با نیروی ضد محرکه ذوزنقهای نیز در نظرگرفت که در آن موقعیت روتور با استفاده از سنسورهای موقعیت نوری و یا سنسورهای اثر هال تشخیص داده شده و در سیستم کنترلی بکار گرفته میشود. به منظور کاهش ریپل گشتاور در این موتور شکل موج جریان فازها باید به شکل مستطیلی باشد. شکل موج جریان و نیروی ضدمحرکه مطلوب در شکل 2 نشان داده شده است.
.1-2 مدل درایو موتور الکتریکی
درایو کلّی موتور BLDC سه فاز با اتصال ستاره به همراه کنترلکننده سرعت در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل -1 مدل کلی موتور BLDC سه فاز
مدلسازی موتور BLDC از دو قسمت الکتریکی و مکانیکی تشکیل شده است که قسمت اول جریان فازها و گشتاور الکترومغناطیسی و قسمت دوم سرعت موتور را محاسبه می کند
