بخشی از مقاله
چکیده: در سالهای اخیر، بهدلیل آلودگی محیط زیست و بحران انرژی تمایلات زیادی برای توسعه خودروهای برقی بهوجود آمده است. خودروهای برقی دارای بازده بسیار بالاتری نسبت به خودروهای احتراق داخلی با سوختهای فسیلی هستند. موتورهای الکتریکی بهعنوان محرک اصلی خودروی برقی بهطور مستقیم عملکرد تمامی قسمتهای خودرو را تعیین میکنند در میان محرکه ماشینهای الکتریکی، موتورهای سنکرون مغناطیس دائم - PMSM - بهدلیل ساختار ساده، عملکرد قابل اطمینان، راندمان زیاد، گشتاور راهاندازی بالا بهطور وسیع در کاربردهای خودرو برقی استفاده شدهاند.
در این مقاله، محرکه موتور PMSM بهعنوان محرکه الکتریکی خودرو انتخاب و عملکرد آن در شرایط سرعت و گشتاور متغیر مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته است. در ساختار پیشنهادی، یک محرکه مقرون بهصرفه و با کارآیی بالا برای موتور PMSM ارائه شده است. در این ساختار، برای کنترل جریان فازها در هر لحظه از دو کنترلکننده جریان بدون نیاز به علامت جریان استفاده شده است.
در مقایسه با محرکههای مرسوم موتور PMSM، محرکه پیشنهادی دارای ساختاری ساده است و نیاز به سختافزارهای پیچیده برای اجرا در آن حذف شده است. همچنین کنترلکننده منطق فازی برای بهبود پاسخ دینامیکی و کاهش خطای حالت ماندگار سرعت موتور استفاده شده است. نتایج شبیهسازی حاصل از عملکرد محرکه موتور در شرایط مختلف با استفاده از نرمافزار MATLAB/Simulink نشان داده شدهاند.
مقدمه
بحران آلودگی محیط زیست با افزایش تقاضا برای خودروهای معمول با سوخت فسیلی روز به روز در حال تشدید است. نمونه این آلودگی چندی پیش در ایران در شهر بزرگ صنعتی تهران اتفاق افتاد و تمامی بخشهای زندگی مردم تحت آثار مخرب آن قرار گرفت. قسمت بسیار زیادی از این آلودگیها مربوط به خودروهای معمول با سوختهای فسیلی است. بنابراین نگرانیها در مورد محیط زیست به همراه کاهش منابع سوخت فسیلی و افزایش هزینه آنها، حرکت به سمت طراحی و ساخت خودروهای برقی را ضروری کرده است.
خودروهای برقی به دلیل استفاده از محرکههای الکتریکی به خودروهای بدون آلاینده معروف هستند. این خودروها دارای بازده بسیار بالاتری از خودروهای احتراق داخلی هستند. مزیت دیگر این خودروها استفاده از ترمز الکتریکی و امکان احیاء انرژی ترمزی و شارژ دوباره باتری است .[1-3] ساختار کلی خودروهای برقی شامل باتریها، ماشینهای الکتریکی به همراه محرکه آنها و سیستم کنترلی همراه با حسگرهای سرعت و جریان است. محرکههای الکتریکی هسته تکنولوژی خودروهای برقی هستند.
ویژگیهای اساسی یک محرکه الکتریکی برای کاربردهای خودرو برقی عبارت از چگالی گشتاور و توان بالا، گستره وسیع سرعت شامل سرعتهای پایین و بالا با شتاب زیاد، دارای گشتاور زیاد برای راهاندازی و بالا رفتن از تپهها و سربالاییها، قابلیت اطمینان بالا و مستحکم در برابر شرایط محیطی خودرو با نویز صوتی کم هستند .[4] محرکه الکتریکی سنکرون مغناطیس دائم - PMSM - با توجه به قابلیتهای بسیار زیادی که دارن مورد توجه کارخانههای سازنده خودروهای برقی قرار گرفتهاند طوری که در بین محرکههای موجود بهعنوان رقیب اصلی محرکههای القایی وارد رقابت برای بهکارگیری در سیستم محرکه خودروهای برقی شدهاند .[5]
دلایل اصلی استفاده از محرکههای PMSM، استفاده از تحریک مغناطیس دائم بهجای سیمپیچهای تحریک است که این محرکهها را دارای بازده بالایی کرده است. از طرف دیگر، استفاده از مغناطیسهای دائم باعث کاهش وزن و حجم روتور در رنج توان خروجی یکسان با دیگر موتورها شده و بنابراین موتور چگالی توان بالاتری پیدا کرده است .[6] با توجه به امتیازات ذکر شده برای محرکه موتورهای سنکرون مغناطیس دائم و کاربرد بیشتر اینها در محرکههای برقی، باید مدار کنترلی این محرکهها نیز به صورت بهینه و مقرون بهصرفه طراحی شود.
همچنین، پارامترهای کنترلی اصلی در این محرکهها از قبیل: سرعت، جریان و گشتاور باید بهخوبی و مقاوم کنترل شوند. در حالت کلی، برای رسیدن به پاسخ دینامیکی سریع برای گشتاور و عمکرد با کارایی بالایمحرکه، معمولاً کنترلکننده های جریان و گشتاور با کارایی بالا استفاده میشوند .[7] تحقیقات گستردهای در مورد سیستمهای محرکه PMSM در آزمایشگاهها و نیز مراکز صنعتی انجام میگیرند که به تبع آن روشهای کنترلی مختلفی برای این موتورها ارائه شده است. اغلب کنترل چرخش میدان با مراجع جریان ثابت، کنترل مستقیم شار و گشتاور و کنترل برداری جریان استفاده میشود .[8-10]
در این مقاله، کنترل مقاوم محرکه موتور PMSM در کاربرد خودروهای برقی مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته است. محرکه الکتریکی ارائه شده دارای ساختار نرمافزاری ساده با تحقق عملی آسانی است. برای کنترل سرعت و گشتاور همچنین جهت بهبود عملکرد دینامیکی موتور با کاهش خطای حالت ماندگار از کنترلکننده مبتنی بر منطق فازی استفاده شده است. در بخش اول به بررسی موتور PMSM و معادلات دینامیکی و الکتریکی حاکم بر آن برای بهکارگیری در خودروهای برقی پرداخته شده است. در بخش دوم عملکرد ساختار و روش کنترلی پیشنهادی مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته است. در نهایت نتایج شبیهسازی برای تائید درستی عملکرد محرکه ارائه شده نشان داده شدهاند.
مدل ریاضی موتور PMSM سه فاز
موتور PMSM از نظر استاتور بسیار شبیه به موتور سنکرون با روتور سیمپیچی شده است. در این نوع موتور، مواد مغناطیس دائم با مقاومت الکتریکی بالا بر روی روتور استفاده میشود. بنابراین جریان القاء شده در روتور قابل صرفنظر کردن است. همچنین هیچ اختلافی بین نیرومحرکه تولید شده با مغناطیس طبیعی و آنچه به وسیله یک سیم پیچ تحریک جریان مستقیم بهوجود میآید، نیست.
در نتیجه مدل ریاضی موتور PMSM دارای شباهتهای زیادی با نوع روتور سیم پیچی شده خود دارد. سه حسگر موقعیت از نوع اثر هال برای تشخیص موقعیت روتور در هر لحظه استفاده میشوند. این سنسورها ممکن است با 60 درجه و یا 120 درجه الکتریکی شیفت فاز نسبت به یکدیگر در اطراف سیمپیچی استاتور قرار گیرند، که در این صورت کارخانه سازنده موتور توالی کموتاسیون را که برای کنترل موتور مورد نیاز است مشخص میکند. مطابق شکل - 1 - ، استاتور این موتور توسط یک اینورتر سه فاز شش-کلید بهمنظور اعمال ولتاژ و جریان با فرکانس و دامنه متغیر برای ایجاد جریانهای سهفاز سینوسی تغذیه میشود.
