بخشی از مقاله
خلاصه
این مقاله بر روی کنترل عملکرد موتور سنکرون مغناطیس دائم متمرکز شده است. معمولاً با وجود انواع کنترلرهای غیرخطی از کنترلر تناسبی- انتگرالی برای کنترل این موتورها استفاده میشود. با این وجود این کنترلر به تغییرات سرعت، اغتشاش بار و تغییرات پارامتر حساس است. روش مرسوم برای غلبه بر این مشکل تنظیم دستی ضرایب کنترلی است. روش زیکلر- نیکولز برای تنظیم ضرایب کنترلر PI بکار میرود ولی این روش همیشه نمیتواند موثر و کارآمد باشد. به همین دلیل برای غلبه بر این مشکلات، از کنترلر فازی برای کنترل موتورهای PMSM استفاده شده است.
عملکرد این کنترلکننده در ردیابی سرعتهای مرجع مختلف با استفاده از شبیهسازی در سیمولینک متلب مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین در این پژوهش 49 قاعده استنتاجی برای کنترلر منطق فازی در نظر گرفته شده است و بهبود عملکرد دینامیکی سیستم نشان داده شده است. نتایج بدست آمده از شبیه سازیها نشان میدهد که کنترلر فازی در بسیاری از موارد عملکرد بهتری نسبت به کنترلرهای مرسوم نشان میدهد.
.1 مقدمه
ابداع مواد مغناطیسی مدرن با چگالی انرژی بالا منجر به توسعه ماشینهایی با میدان تحریک PM در 1950 شد. جایگزینی قطبهای الکترومغناطیسی با سیم پیچی موتور توسط PMها نیاز به یک منبع تغذیه الکتریکی به صورت فشرده با ماشین DC دارد. برخلاف ماشینهای سنکرون معمولی، قطبهای میدان الکترومغناطیسی با قطبهای PM جایگزین شدهاند و با انجام آن از حلقه لغزش اجتناب شده است. با پیشرفت ترانزیستورهای قدرت سوئیچ زنی بالا و یکسوسازهای کنترل شونده سیلیکونی، در سالهای بعد از 1990، جایگزینی کوماتاتورهای مکانیکی با کوماتاتورهای الکتریکی به صورت اینورتر بدست آمد. این دو پیشرفت منجر به توسعه ماشینهای Brashea DC - بدون جاروبک - و PMSM گردید.
PMSM موتورهای الکتریکی هستند که به صورت وسیع در کاربردهای کنترل حرکتی در سیستم های قدرت پایین تا متوسط نظیر رباتیک، کاربردهای خانگی، درایوهای سرعت قابل تنظیم و کشتیهای الکتریکی کاربرد دارند .[3-1] این کاربرد وسیع در نتیجه مزایای بیشماری است که نسبت به موتورهای معمولی دارد. فقدان روتور خارجی از تلفات روتور می کاهد و PMSM را بسیار کارا و دارای نسبت گشتاور بالا به لختی میکند و در نتیجه پاسخ سریع به دست می-دهد. علاوه بر این سیم پیچی روتور که منجر به حذف جاروبکها شده است، هزینه نگهداری را بسیار پایین میآورد.
جایگزینی سیم پیچی روتور با PM، ساختار کوچکتر و جمع و جورتر و در نتیجه چگالی توان بالا را به دست میدهد. تلفات گرمایی در روتور PMSM که بر روی عملکرد ماشین هم اثر میکند، ناچیز است. در سالهای اخیر، تقاضا برای استفاده از درایوهای PMSM در کاربردهای صنعتی به شدت افزایش یافته است. این امر به دلیل مزایای ذاتی این ماشین ها نظیر چگالی توان بالا، اینرسی پایین، کارآیی مؤثرو توانایی سرعت بالا میباشد. برخلاف همهی این مزایا، PMSM به یک ساختار کنترلی چند متغیره غیرخطی کوپل شده است که نیاز به طراحی غیرخطی پیچیده دارد.
این امر عملکرد کنترل درایوهای PMSM در کاربردهای مختلف را به تغییرات بار خارجی و پارامترهای سیستم بسیار حساس میکند. از آنجا که این تغییرات یک فاکتور مضر غالب در سیستم تحریک PMSM است، کنترل مطلوب سرعت در مقابل تغییرات پارامتری و اغتشاش بار بسیار مهم است. سیستم های تحریک PMSM کنترل شونده برداری معمولی از کنترلرهای انتگرالی تناسبی بهره ثابت استفاده میکنند.
با این وجود، عملکرد کنترلی PMSM هنوز هم متأثر از نامعینیها است که گاهاً در نتیجهی تغییرات غیرقابل پیش بینی پارامترهای مدل، اغتشاشات بار خارجی و دینامیکهای غیرخطی و مدل نشدهی پلانت میباشد. بنابراین پارامترهای کنترلر باید به صورت آنلاین و مداوم آپدیت شوند. در یک دههی گذشته تئوریهای کنترلی پیشرفته نظیر - MRAC - کنترل تطبیقی مدل مرجع، کنترل لغزشی و کنترلرهای PI خود تنظیم برای حل این مشکل به کار رفتهاند. طراحی همه این کنترلرها محتاج به مدل ریاضی دقیق از سیستم تحریک میباشد که در عمل به دست آوردن آن مشکل میباشد.
کاربرد روشهای هوشمند محاسباتی نظیر کنترل منطق فازی می تواند راه حل جذابی در زمینه کنترل سرعت درایورها میباشد .[4] در این پژوهش، یک منطق فازی برای کنترل برداری PMSM پیشنهاد شده است که اگر در ساختار کنترلی قرار گیرد مقاوم بودن در مقابل تغییرات پارامترها را تضمین میکند. بر همین اساس اهداف زیر دنبال شده است:
-1 مطالعه مشخصات و مدلسازی سیستم درایو PMSM
-2 بسط قانون کنترل سرعت منطق فازی مبتنی بر مدل غیرخطی سیستم درایو PMSM
-3 شبیه سازی کنترل سرعت و ردیابی گشتاور بار موتور PMSM با استفاده از کنترل برداری که در سیمولینک متلب انجام شده است.
.2 موتور سنکرون مغناطیس دائم و اصول عملکرد آن
ماشینهای سنکرون دارای مشخصه سرعت ثابت در حد فاصل بیباری تا بار کامل هستند. آنها برای اصلاح ضریب توان پایین بار القایی با استفاده از تنظیم سیستم تحریک بکار میروند. شکل - 1 - شماتیک کلی موتور سنکرون را نشان میدهد. استاتور موتورهای سنکرون سه فاز را سیم پیچی میکنند. زمانی که استاتور را به شبکه وصل میکنیم، میدان گردان بوجود میآید که با سرعت سنکرون میچرخد.
روتور این موتورها نیز سیم پیچی شده است که توسط منبع DC تغذیه میشود. روتور نیز میدان مغناطیسی ثابتی ایجاد میکند. برای راه اندازی موتور سنکرون، ابتدا روتور را به سرعت سنکرون رسانده و بعد جریان استاتور را وصل میکنند. در این صورت، قفل مغناطیسی به وجود میآید و موتور پس از قطع محرک اولیه، با سرعت سنکرون میچرخد .[5] یک موتور سنکرون آهنربای دائم اساسا یک موتور AC معمولی با سیم پیچهای توزیع شده در شیارهای استاتور است، بنابراین شار ایجاد شده توسط جریان استاتور تقریبا سینوسی است .[6]
عملکرد سرعت بالا - بالا بودن اثر سرعت - یک مشخصه متفاوت از مورد قبلی در موتورهای سنکرون آهنربای دائم است. اگر محدوده تغییرات سرعت بتواند از محدوده سرعت اصلی و اولیه در شار ایجاد شده بوسیله آهنربای دائم بزرگ شود، میبایست مصرف - میزان - شار ایجاد شده بوسیله سیم پیچ استاتور کاهش یابد. توانایی و قابلیت تضعیف شار به اندوکتانس محور مستقیم، ماکزیمم جریان معکوسکننده و به ظرفیت حرارتی هم موتور و هم معکوس کننده بستگی دارد. ساختمان یک روتور استوانهای شکل باریک با آهنربای دایمی سطح برجسته بهگونهای است که معمولا یک اندوکتانس محوری مستقیم خیلی پایین ایجاد میکند، بنابراین ساختار در سرعت بیشینه محدودیت ایجاد میکند .[13]
.3 دستهبندی موتورهای مغناطیس دائم و ساختار آنها
الف- مغناطیس PMها: PMها با امتداد یا جهت خاصی نظیر شعاعی، موازی و یا جهات دیگر مغناطیسی میشوند امتداد مغناطیس شوندگی به شدت بر روی کیفیت توزیع چگالی فشار شکاف هوایی اثر میگذارد و به صورت غیرمستقیم بر روی چگالی توان در یک محدوده خاصی از PMها اثر میگذارد. موتورهای PM میتوانند از لحاظ جهت مغناطیس شوندگی به دو دسته مغناطیس شعاعی و مغناطیس موازی دستهبندی شوند. مغناطیس شعاعی در امتداد شعاع روتور است در حالی که مغناطیس موازی با لبههای روتور موازی است.
ب- جهت شار: میدان PMSM میتواند به صورت جامع بر مبنای جهت شار میدان به صورت زیر دستهبندی شود.
-1 میدان شعاعی: جهت شار در امتداد شعاع ماشین است.
-2 میدان محوری: جهت شار موازی با شفت روتور است.
ماشینهای PM میدان شعاعی مرسوم هستند از آن جا که ماشینهای میدان محوری در کاربردهای کمتری به واسطهی چگالی توان بالایشان برتری دارند و به همین دلیل موضوع مورد علاقه در مطالعات ما هستند. شار میدان در جهت شعاع موتور به صورت مغناطیس شعاعی است و البته در مغناطیس موازی عمود بر شعاع موتور میباشد.
ج- توزیع چگالی شار: موتورهای PM بر مبنای توزیع چگالی شار و شکل جریان تحریک هم دستهبندی میشوند. آنها PMSM و موتورهای PM بدون جاروبک BLDC هستند. به طور کلی PMSM، EMF به شکل سینوسی دارد - ولتاژ القائی در استاتور به واسطه ی حرکت روتور است - و برای توسعه شکل موجهای EMF برگشتی سینوسی توسعه یافته است. BLDC، EMF به شکل ذوزنقه دارد و برای توسعه شکل موجهای EMF برگشتی توسعه یافته است و دارای توزیع مستطیلی از چگالی مغناطیسی در شکاف هوایی است. شکل موج جریان مستطیلی سیم پیچی استاتور متمرکز داراست.
