بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، کنترلکننده مقاوم برای اولین بار در سیستم موتور سنکرون مغناطیس دائم به کار رفته به عنوان موتور پیشران خودروی الکتریکی به دلیل برخورداری از ویژگیهای کم نظیری مانند ساختار متراکم و فشرده، چگالی شار بالا، پاسخ سریع گشتاور و نیاز بسیار کم به تعمیر و نگهداری طراحی شده است. سیستم کنترل مقاوم به سبب عملکرد مناسب در حضور اغتشاش موجود در گشتاور بار خودرو، نویز اندازهگیری، نایقینیهای ساختاریافته پارامتری و بدون ساختار فرکانس بالا جهت اعمال بر روی سیستم موتور خودروی الکتریکی استفاده شده است.
هدف کنترلی در این مقاله، کنترل و تثبیت سرعت و گشتاور موتور خودرو در مقدار مرجع مورد نظر راننده است. بدین منظور، نایقینی ناشی از تغییرات دمایی کارکرد موتور، جریان راه اندازی و شار آهنربای دائم در نظر گرفته شده و سعی شده است تا با کمترین تلاش و هزینه کنترلی، عمل کنترل مقاوم موتور صورت پذیرد. در نهایت با مقایسه سیستم کنترلی طراحی شده با روش کنترلی PID، نتایج شبیه سازی مؤید پایداری و عملکرد مقاوم و بسیار مناسب کنترلکننده طراحی شده جهت کنترل سرعت و گشتاور موتور خودروی الکتریکی میباشد.
-1 مقدمه
امروزه با توجه به افزایش روز افزون آلایندههای زیست محیطی، گرمای کره زمین و خطرات ناشی از آن، جایگزینی خودروهای بنزینی با خودروهای الکتریکی به عنوان وسایل نقلیه دوستدار محیط زیست، از اهمیت بسزایی برخوردار شده است. یکی از مهمترین اجزای به کار رفته در ساختار خودرو که نیاز به کنترل دقیق، سریع و بدون خطا دارد، موتور پیشران خودرو است. محبوبترین نوع موتور الکتریکی مورد استفاده به عنوان موتور پیشران خودروی الکتریکی، موتور القایی و موتور سنکرون مغناطیس دائم میباشد .[1-3] پیشرفتهای اخیر در مواد مغناطیس دائم، ادوات قدرت نیمه هادی و تئوریهای کنترل سبب گشته است تا موتور سنکرون مغناطیس دائم نقش بسیار مهم و حیاتی را در کاربردهای موتور پیشران خودروی الکتریکی ایفا نماید.
موتورهای سنکرون مغناطیس دائم به دلیل برخورداری از خصوصیات منحصر به فردی مانند فشردگی ابعاد، ساختار متراکم و فشرده، چگالی توان بالا، چگالی شار زیاد در فاصله هوایی، نسبت گشتاور به اینرسی بالا، توانایی بالا در تولید گشتاور، نسبت گشتاور تولیدی موتور به جریان آن، نبود سیمبندی روی روتور و در نتیجه نبود تلفات روتور و افزایش قابل توجه بازده موتور، جریان بیباری کمتر در زیر سرعت نامی [4-6]، هزینه بسیار کم تعمیر و نگهداری، قابلیت اطمینان بسیار زیاد در مقایسه با سایر موتورها به ویژه موتور القایی، دارای محبوبیت روز افزونی در کاربردهای صنعتی مانند صنعت روباتیک و به ویژه صنعت خودروسازی شدهاند [3-2] و .[7] از میان انواع موتورهای سنکرون مغناطیس دائم، هر دو نوع موتور سنکرون مغناطیس دائم سطحی و موتور سنکرون مغناطیس دائم داخلی دارای کاربرد وسیعی به عنوان موتور پیشران خودروی الکتریکی میباشند .[8]
در [9] مقایسه کامل و جامعی درباره عملکرد این دو نوع موتور در ساختار خودروی الکتریکی صورت گرفته است. در این مقاله، با در نظر گرفتن نوع مغناطیس دائم سطحی، طراحی کنترلکننده پایدارساز مقاوم جهت اعمال بر سیستم موتور سنکرون مغناطیس دائم به کار رفته به عنوان موتور پیشران خودروی الکتریکی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. کنترل موتور خودرو، با توجه به نایقینیهای موجود در اثر تغییرات ایجاد شده در پارامترهای موتور سنکرون مغناطیس دائم در شرایط کاری خودرو، تغییرات دمایی موتور خودرو در اثر کار مداوم موتور و تغییرات دمایی محیط اطراف، اعمال اغتشاش گشتاور بار خودرو ناشی از دینامیکهای خودرو، شوک و لرزش های ناشی از ناهمواریهای جاده و یخ زدگی آن، تغییر وزن سرنشینان، احتمال خرابی در تجهیزات متصل به موتور و عوامل دیگر و نویز فرکانس بالای ناشی از خطای موجود در ابزار اندازهگیری در مسیر پسخورد امری بسیار ضروری می باشد.
یکی از بهترین و پربازدهترین رویکردهای کنترلی مورد استفاده در این زمینه، رویکرد کنترل مقاوم است. با پیاده سازی سیستم کنترل مقاوم به عنوان سیستم کنترلی موتور خودرو، این کنترلکننده با ارضای ملزومات کنترل مقاوم از جمله پایداری و عملکرد مقاوم، سبب ایجاد توانایی ردیابی سریع، بدون خطا و دقیق ورودی سرعت و گشتاور مرجع در موتور خودرو شده و قابلیت عملکرد مطلوب آن را در برابر انواع نایقینی های پارامتری و بدون ساختار در فرکانس های کاری و بالای موتور خودرو، اغتشاشها و نویزها به طور چشمگیری افزایش می دهد تا بدین وسیله راننده و سرنشینان خودرو از احساس امنیت، آسایش و راحتی برخوردار شوند. لذا در این مقاله، پس از مدل سازی موتور سنکرون مغناطیس دائم سطحی، سیستم کنترل مقاوم با رویکرد ، طراحی و به عنوان سیستم کنترلی موتور خودرو، پیادهسازی میشود.
در [10-11] از روش کنترل PID به منظور ردیابی و تنظیم سرعت موتور سنکرون مغناطیس دائم استفاده شده است. مشکل اصلی این رویکرد، دشواری در تنظیم بهره های کنترل کننده در حین تغییرات سریع شرایط کاری ناشی از نایقینی های پارامتری فرکانس پایین، اختلال های دینامیکی شامل دینامیک های فرکانس بالا و مدل نشده، اغتشاش گشتاور بار و نویز اندازه گیری می باشد. در [12] از روش کنترلی PID فازی برای تنظیم سرعت موتور استفاده شده است.
پارامترهای کنترلکننده PID به صورت زمان واقعی1 توسط الگوریتم کنترلی فازی تنظیم میشوند. روشهای کنترل فازی سنتی و متداول اعمال شده بر راهاندازهای موتور الکتریکی، از رویکرد سنتی کنترل فازی که هیچ نیازی به مدل ریاضی سیستم نداشته و مبتنی بر قوانین زبانی به دست آمده از تجربه کاری مهندسان سیستم میباشد، بهره بردهاند. استفاده از روشهای فوق، میتواند منجر به عملکرد کنترلی مناسبی گردد، هرچند مهمترین مشکل موجود، دشواری در تحلیل پایداری سیستم میباشد .[13]
در [14] از مدلهای فازی T-S برای طراحی سیستم کنترل سرعت سیستم راه انداز موتور سنکرون مغناطیس دائم بهره گرفته شده است. اما مسئله نایقینی پارامتری سیستم موتور سنکرون مغناطیس دائم مانند مسئله نویزهای خارجی حل نشده است. همچنین مسئله مقاوم بودن سیستم کنترلی نسبت به نایقینی های موجود در پارامترهای موتور با بهره-گیری از مدل فازی T-S مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفته است اما در این مرجع، تأثیرات نویزهای خارجی نامعلوم مورد بررسی قرار نگرفته است. در [15]، تأثیرات نایقینی پارامتری و نویزهای خارجی نامشخص در نظر گرفته شده و با استفاده از مدل فازی T-S، سیستم کنترلی طراحی گردیده است.
نتایج شبیهسازی نشان داده است که سیستم کنترل فازی، دارای قوام میباشد اما الگوریتم کنترلی مورد استفاده، دارای پیچیدگی بسیاری است. در روش کنترل تطبیقی میتوان پارامترهای کنترلکننده را متناسب با تغییرات ایجاد شده در فرآیند و شرایط کاری آن، به روز رسانی و تطبیق نمود تا بدین طریق بتوان به عملکرد کنترلی مطلوب دست یافت .[17-16] استفاده از روشهای مبتنی بر کنترل تطبیقی و شبکه عصبی در هنگام تغییرات آرام پارامترهای موتور، توانایی دستیابی به پاسخ مطلوب کنترلی را داراست. اما برخی از پارامترهای موتور سنکرون مغناطیس دائم از جمله اندوکتانس استاتور، شار روتور و گشتاور بار دارای تغییرات سریعی میباشند. لذا روش-های بیان شده، علاوه بر عدم توانایی در مدیریت و کنترل سیستم موتور در هنگام تغییرات سریع پارامترهای آن، دارای پیچیدگی بیش از حد در پیادهسازی بوده و قادر به تأمین مشخصات مطلوب کنترلی تحت شرایط فوق نمیباشند .[18]
با بهرهگیری از روش کنترل مد لغزشی، میتوان از خصوصیات مهمی نظیر عدم حساسیت به تغییرات و نایقینیهای پارامتری سیستم، رد اغتشاش بار خارجی، قوام قابل قبول آن در برابر انواع نایقینیها و پاسخ دینامیکی سریع بهره جست. این روش کنترلی، میتواند تا حد قابل توجهی اثر نایقینیهای موجود در سیستم موتور خودرو را کاهش دهد و منجر به کاهش خطای تعقیب سرعت سیستم کنترلی گردد. عیب اصلی کنترل مود لغزشی پدیده چترینگ میباشد که موجب محدودیت در استفاده از کنترل مود لغزشی در کاربردهای صنعتی شده است و دارای معایبی نظیر وابستگی به مدل سیستم و تأثیر قابل توجه نویز بر عملکرد کنترلی موتور می باشد .[20-19]
با توجه به مراجع مورد بررسی و به منظور بهبود عملکرد موتور خودروی الکتریکی در ردیابی و تنظیم سرعت و گشتاور مرجع موتور در کمترین زمان و با کمترین خطای ممکن در حضور انواع نایقینی های ساختار یافته و بدون ساختار، اغتشاش و نویز اندازه گیری در فرکانس های پایین و بالای کاری سیستم، در این مقاله راهبردی جدید در نظر گرفته شده است. ساختار مقاله بدین شرح است که در بخش دوم به مدل-سازی و بیان معادلات حاکم بر موتور سنکرون مغناطیس دائم پرداخته میشود.
سپس در بخش سوم، نایقینیهای موجود در سیستم ارزیابی شده و بر اساس آن در بخش چهارم به طراحی روش کنترلی به عنوان روش کنترل مقاومی مناسب و کارآمد جهت کنترل سرعت و گشتاور موتور خودرو برای اولین بار در این مقاله، پرداخته شده است. در ادامه در بخش پنجم نتایج حاصل شبیه سازی کنترل کننده مقاوم در موتور خودروی الکتریکی با روش PID مقایسه شده است و در نهایت در بخش ششم نتیجهگیری بیان شده است.
-2 معادلات حاکم بر موتور سنکرون مغناطیس دائم
موتور سنکرون مغناطیس دائم از آهنرباهای دائم جهت تولید میدان مغناطیسی در فاصله هوایی بهره می برد. این موتور دارای نیروی ضد محرکه سینوسی می باشد و جهت تولید گشتاور خروجی ثابت، نیاز به جریان های سینوسی شکل در استاتور دارد.
