بخشی از مقاله
چکیده
به منظور جلوگیری از اثر تشخیص سرعت بر پایین آمدن پایداری و دقت سیستم موتور القایی بدون یاتاقان، این مقاله تکنیکی تازه برای مشاهده سرعت با استفاده از روش معکوس شبکه عصبی مصنوعی - ANN - ، ارایه می دهد. زیرسیستم درونی تشکیل شده از جریان های سیم پیچی سرعت و گشتاور، مدل شده اند و سپس معکوس سازی آن با استفاده از ANN صورت گرفته است. سرعت موتور، بطور موفقیت بخشی با سری کردن زیرسیستم اصلی با معکوسش، مشاهده شده است. سرعت مشاهده شده به حلقه کنترل سرعت پیشخور - فیدبک - شده، و ازینرو درایو برداری بدون سنسور سرعت محقق می شود. سودمندی این روش، با استفاده از نتایج آزمایشی نشان داده شده است.
-1 مقدمه
در سال های اخیر، علایق زیادی بر موتورهای بدون یاتاقان جلب شده است. به سبب همانندی - شباهت - ساختارهای موتورهای الکتریکی و یاتاقان های مغناطیسی، یک موتور بدون یاتاقان، آمیزه ای از عملکرد یک موتور و یک یاتاقان با همان قاب استاتورمی باشد.
این موتورها می توانند بطور همزمان نیروی تعلیق شعاعی و گشتاور را طوری تولید کنند که هیچ اتصال مکانیکی بین روتور و استاتور وجود داشته باشد، از سویی دیگر، تعلیق مغناطیسی مزیت هایی مانند نشکستن، ساییده نشدن، نیاز نداشتن به روغن کاری، سرعت چرخشی بالا، و دقت بالا در مقایسه با اتصال مکانیکی می باشد. از دیگر سو، یک موتور بدون یاتاقان دارای فواید بی همتایی در کوچکی اندازه، وزن سبک، و هزینه ی کم در مقایسه با ساختارهای جفت تشکیل شده از یاتاقان های مغناطیسی و یک موتور می باشند.
ازینرو، موتورهای بدون یاتاقان در حال محبوب ترشدن برای کاربردهای گسترده ای همچون ماشین آلات توربوی پرسرعت، ماشین ابزار دوک، پمپ های خون ، پمپ های خلا، هاراد کامپیوتر، ذخیره ساز انرژی، و غیره می باشند. تا به حال، انواع گوناگونی از موتورهای بدون یاتاقان ارایه شدند، مانند موتورهای رلوکتانسی بدون یاتاقان، موتورهای القایی بدون یاتاقان - BIM - ، موتورهای سوییچ رلوکتانسی بدون یاتاقان، موتورهای سنکرون مغناطیس دایم بدون یاتاقان، و غیره.
در این انواع موتورهای بدون یاتاقان، BIM بسیار مورد توجه قرار گرفته است، و این بدلیل نسبتا ساده و قوی بودن ساختار روتور آن، و کمتر بودن ریپل گشتاور و گشتاور چرخ دنده می باشد. از آنجایی که BIM چند متغیره، غیرخطی، و سیستم کوپل شده ای است، کنترل برداری، گزینه ای مناسب برای کنترل سرعت آن بطور مستقل از نیروی تعلیق شعاعی آن، می باشد. اگرچه، در همه BIMهای کنترل برداری با عملکرد خوب، که اطلاعات سرعت چرخشی دقیقی از آن بدست آید،خیلی کم اتفاق می افتد ولی معمولا، این اطلاعات با استفاده از سنسورهای مکانیکی مانند رمزگذارهای افزایشی انجام می پذیرد که رایج ترین مبدل های موقعیت یابی هستند که امروزه در صنعت بکار می روند.
با این وجود، استفاده از سنسورهای مکانیکی موجب مشکلات زیادی همچون افزایش در اندازه، هزینه، تعمیر و نگهداری، پیچیدگی سخت افزار، آسیب پذیری الکتریکی، و نیز کاهش قابلیت اطمینان و قدرت سیستم درایو می شود. بویژه اینکه سنسورهای مکانیکی برای عملکرد بهتر سرعت ذاتی BIMها نامناسب هستند، و این به دلیل اتصال مکانیکی حتمی می باشد.
بنابراین، روش های مهم کنترل بدون سنسور سرعت، بشدت برای حل این مسایل بایسته می باشند، و تحقیق در مورد عملکرد بدون سنسور سرعت برای توسعه بیشتر BIMها ضروری است. برای موتورهای القایی مرسوم، فن آوری های گوناگونی برای تخمین سرعت درایوهای بدون سنسور مانند روش های محاسبه مستقیم، روش های ناظر لیونبرگ، روش فیلتر گسترش یافته کلمن - EKF - ، و ورش سیستم تطبیقی مرجع - MRAS - ارایه شده اند. روش محاسبه مستقیم، روشی ساده بر مبنای سرعت زاویه ای بردار شار روتور و محاسبه لغزش با استفاده از مدل موتور القایی می باشد، ولی دقت سرعت تخمین زده شده بنا بر حساسیت زیاد به تغییر پارامترها و نویز در درایو، خیلی قابل قبول نمی باشد.
روش ناظر لیونبرگ یک تخمین زننده قطعی است که با فرض مدل موتور نامتغیرنسبت به زمان خطی شده کار می کند. روش EKF می تواند تخمینی آنلاین از حالت های موتور داشته باشد، در عین حال که پارامترهای موتور را بصورت همزمان در فاصله زمانی نسبتا کوتاه تعیین می کند. روش های لیونبرگ و EKF در مقابل تغییرات پارامترهای موتور یا خطای تشخیص قوی می باشند، اما نیاز به تعداد محاسبات زمان-واقعی بسیار زیادی بوده، و برای تحقیق در عمل بسیار پیچیده تر می باشند.
در روش MRAS، یک بردار از خروجی دو مدل که هر دو وابسته به پارامترهای مختلف موتور می باشند، ساخته شده است. با تنظیم پارامتری که بر یکی از مدل ها تاثیر می گذارد، خطا به صفر نایل می شود. در مقایسه با روش EKF یا لیونبرگ، روش MRAS دارای برتری ساده تر بودن مدل بکار رفته می باشد. اما این روش در حوالی عملکرد سرعت های کم یا سرعت نزدیک به صفر، نامناسب می باشد، زیرا تکنیک تخمین مبنی بر مبدل وابسته به ولتاژهای القا شده در روتور می باشد که در فرکانس استاتور صفر، بسیار کوچک و حتی ناچیز است.
در این مقاله، یک روش جدید برای کنترل برداری دون-سنسور سرعت یک BIM، مبنی بر روش معکوس شبکه عصبی مصنوعی - ANN - ، ارایه می شود. مبانی اصلی این روش بر بدست آوردن مدل معکوس زیرسیستم سرعت که شامل یک ANN استاتیک و چند مشتقگیر است و سپس انتشار ناظر سرعت بوسیله سری کردن سیستم اصلی با مدل معکوس ANN، می باشد.
طبق این روش تخمین سرعت، سیستم کنترل برداری بدون سنسور سرعت موتور BIM تنظیم شده است. سرانجام، استراتژی کنترلی ارایه شده بر روی یک سیستم کنترل و بدست آوردن اطلاعات مبنی بر dSPACE DS1104 DSP پیکربندی شده است.
این مقاله بدین صورت پیکربندی شده است. در بخش 2، ما قوانین تولید نیروی تعلیق شعاعی در BIMها را توصیف می کنیم. سپس، زیرسیستم درونی را بررسی کرده، مدل معکوس آن را بدست آورده، و با استفاده از روش سیستمی ناظر سرعت را در بخش 3 بدست می آوریم. در بخش 4، یک ناظر سرعت معکوس ساخته می شود. در بخش 5 نیز سیستم کنترل برداری بدون سنسور سرعت BIM ساخته می شود. در بخش 6، آزمایش ها انجام شده و عملکرد سیستم درایو BIM بررسی شده و مورد بحث قرار می گیرد. سرانجام چند نتیجه گیری در بخش 7 ارایه می شود.
-2 اصل تولید نیروی تعلیق شعاعی
فرض کنیم که تعداد جفت قطب سیسم پیچی گشتاور P1 بوده، و جفت-قطب سیسم پیچی نیروی تعلیق P2 باشد. وقتی میدان مغناطیسی دوار تولید شود، دو دسته سیم پیچ دارای شرایط زیر می باشند: P2 = p1 - 1 - 1، - 2 دو میدان مغناطیسی دارای یک مسیر چرخش می باشند، و - 3 جریان هر دو دسته سیم پیچ دارای فرکانسی برابر می باشند، سپس میدان های مغناطیسی متقابل نیروهای تعلیق شعاعی در یک مسیر ثابت، تولید می کنند. طبق نظریه میدان الکترومغنایس، دو نوع نیروی مغناطیس در BIM وجود دارد، یعنی نیروی لورنس و نیروی مکسول. علاوه بر گشتاور الکترومغناطیسی تولید شده توسط نیروی لورنسی که در موتور القایی کار می کند، این گشتاور می تواند نیروی تعلیق شعاعی نیز تولید کند.
در مقایسه با نیروی لورنس، نیروی مکسول که همچنین نیروی مقاومت مغناطیسی نام دارد، نیروی اصلی تعلیق شعاعی در BIM می باشد. شکل 1 اصل تولید نیروی تعلیق شعاعی را نشان می دهد. شار -4قطبی وشار دوقطبی توسط جریان های سیم پیچی گشتاور و جریان های سیم پیچی نیروی تعلیق بترتیب در دورهای و سیم پیچی های استاتور، تولید می شوند. تحت شرایط بی باری متعادل، اگر یک نیروی تعلیق شعاعی مثبت در امتداد محور xها واردو نیاز باشد، جریان سیم پیچی گشتاور و جریان سیم پیچی نیروی تعلیق بصورتی که در شکل 1 نشان داده شده است تعیین می شوند.
چگالی شار در فاصله هوایی 1 افزایش یافته است، زیرا هر دو شار در یک جهت قرار دارند. از سویی دیگر، چگالی شار در فاصله هوایی 2 بخاطر اینکه و در جهت های مخالف هستند، کاهش می یابد. بنابراین، فقط در مسیر محور xها یک نیروی تعلیق مثبت Fx تولید می گردد. اگر مسیر جریان سیم پیچی نیروی تعلیق وارونه شود، نیروی تعلیق شعاعی در جهت مخالف محور xها تولید می شود. نیروی تعلیق در محور yها را نیز می توان با استفاده از توزیع جریان های سیم پیچی نیروی تعلیق دو-قطبی عمودی الکتریکی، تولید کرد. پس، روتور را می توان با تنظیم کردن دامنه و جهت جریان های سیم پیچی نیروی تعلیق، در موقعیت تعادل مرکزی بطور پیوسته معلق کرد.
شکل - : - 1 تولید نیروی تعلیق شعاعی
