مقاله کنترل سرعت موتورهای سنکرون با استفاده از روشی نوین

بخشی از مقاله

چکیده -

کنترل سرعت موتورهای سنکرون در چند دهه اخیر به دلیل پرکاربرد بودن آنها مورد توجه قرار گرفته است. در این مقاله با استفاده از منطق فازی، کنترلری برای کنترل سرعت ماشین سنکرون طراحی شده است. این کنترلر براساس آنالیز پاسخ گذرای سرعت موتور و منطق فازی طراحی شده است.

تولید سرعت متفاوت و عملکرد بهینه این کنترلر با استفاده از انحراف و تغییرات سرعت بردارهای جریان کنترلی انجام میپذیرد. با استفاده از شبیه سازی های صورت گرفته، نشان داده میشود که با در نظر گرفتن کنترلر فازی مطرح شده، موتور از رفتار دینامیکی بهینهای بهره میبرد و نیز در مقابل تاثیرات اغتشاش بار سرعتی پایدار، بدون اورشوت و رفتاری مناسب را دارا خواهد بود. برای نشان دادن عملکرد کنترلر طراحی شده، مقایسه ای با کنترلرهای PI که به صورت معمول در موتور های سنکرون استفاده میگردند، نیز انجام گرفته است.

-1   مقدمه

از زمانی که ممدانی در سال 1975 کار خود را براساس تئوری فازی برای کنترل سیستم هایی که آسان مدل نمی شوند طرح کرد، کنترل منطق فازی به عنوان موضوع تحقیقی پرطرفداری در تئوری کنترل و اتوماسیون مطرح شده است

مفهوم کنترل کننده بوسیله منطق فازی - FLC - برای استفاده کردن از دانش کیفی برای ساخت یک کنترل کننده عملی است .[2] برای یک سیستم کنترل پروسه ای، یک الگوریتم کنترل فازی درک مستقیم و تجربه یک طراح و محقق را در بر می گیرد. کنترل نیازمند یک مدل ریاضی دقیق از دستگاه نیست بنابراین برای فرایندی مناسب است که در آن مدل ناشناخته است یا بطور ناقص تعریف شده است مخصوصا برای سیستم های ترکیبی و ناشناخته دینامیکی. البته الگوریتم کنترل فازی می تواند از طریق تطبیق با مدل فازی و یادگیری دستگاه تصحیح شود. کنترل فازی می تواند به همان خوبی برای سیستم های چند بعدی غیر خطی مرکب نیز عمل کند

سیستم هایی با پارامترهای متغیر یا در شرایطی که سیگنال های به دست آمده از سنسور دقیق نیست.

کنترل فازی ذاتا غیر خطی و سازگار است و عملکرد خوبی را تحت تاثیر تغییرات پارامتری و اثرات اغتشاش بار از خود نشان می دهد .[4] به عنوان یک تکنولو ژی کنترلی هوشمند، کنترل منطق فازی FLC روش سیستمی را ارائه می دهد تا تجربه ی انسانی را با الگوریتم های غیر خطی ترکیب کند که با مجموعه ای از اصول زبانی به کنترل کننده تعریف می شود و به طور معمول یک الگوریتم کنترل فازی، حاوی مجموعه ای از قوانین تصمیم گیری است که می توانند آن را به عنوان یک الگوریتم کنترل غیر ریاضی و سازگار بر پایه فرایندی زبانی در مقابل الگوریتم های کنترلی فیدبک دار رایج در نظر گرفت. به کارگیری چنین کنترلی باید مشمول ترجمه متغیرهای ورودی به زبانی شبیه - بزرگ مثبت، صفر، کوچک منفی و... - و به کارگیری قانون های کنترلی باشد به طوری که فرایند تصمیم گیری بتواند خروجی های مناسب را تولید نماید.

کنترل فازی FLC با استفاده ازاطلاعات زبانی و استفاده از مزایای زیادی مانند مقاوم بودن قاعده ی تخمین عمومی، آزادی مدل و الگوریتم قانون عمل می کند .[5] تحقیقات اخیر پتانسیل های کنترل فازی برای کاربردهای درایوی ماشین را مورد بررسی قرار داده و نشان داده شده است که یک کنترل کننده که بطور مستقیم به صورت فازی طراحی شده است می تواند از کنترل کننده های انتگرالی، تناسبی، مشتقی سبقت بگیرید

در این مقاله کاربردهای منطق فازی در کنترل سرعت ماشین سنکرون طراحی شده است. نحوه نگارش این مقاله براساس زیر است:

اصول بردار کنترل درایو موتور سنکرون ارائه شده است. کنترل کننده ای پیشنهاد شده است تا برای کنترل سرعت موتور سنکرون به کار رود. نتایج شبیه سازی برای نشان دادن تاثیرات آن و در نهایت در بخش آخر نتیجه گیری ها جمع بندی شده است.

-2   درایو موتور سنکرون

1-2 معادلات ماشین سنکرون

با استفاده از قاب d-q گردان سنکرون که به عنوان معادلات پارک شناخته شده است می توان عملکرد دینامیکی ماشین سنکرون را با شرح بیشتری مورد مطالعه قرار داد .[7] مدل دینامیکی موتور سنکرون در قاب d-q می تواند با معادلات زیر نشان داده شود:

شکل.1 ساختار سیستمی موتور سنکرون با کنترل میدان

که در آن Rs مقاومت استاتور، Rf مقاومت میدان، Lds و Lqs اندوکتانسهای مستقیم و عرضی استاتور، Lf اندوکتانس میدان پیوندی، Mfd اندوکتانس متقابل بین آرمیچر و سیم پیچ، φds و φqs به ترتیب شار مستقیم و عرضی، φf شار میدان، Ce گشتاور الکترومغناطیسی و Cr اغتشاش بار خارجی، p تعداد زوج قطب، B ضریب میرا کننده - دمپینگ - ، J ممان اینرسی، ω سرعت زاویه-ای الکتریکی موتور، سرعت زاویهای مکانیکی، θ موقعیت مکانیکی رتور، θe موقعیت الکتریکی رتور هستند.

توصیف سیستم کنترل سرعت سنکرون دیاگرام نمایشی سیستم کنترل سرعت مورد مطالعه در شکل 1 نشان داده شده است. مدار قدرت متشکل از یک منبع ولتاژ پیوسته است که می تواند توسط یکسو کننده های تریستوری تامین شود و یک اینورتر تریستوری GTO سه فاز که خروجی اش به استاتور ماشین سنکرون متصل است. جریان میدان if ماشین سنکرون که سطح شار میدان را تعیین می کند نیز توسط ولتاژ vf کنترل می شود. پارامترهای ماشین سنکرون در پیوست آورده شده است. عملکرد خود کنترلی ماشین سنکرون که توسط اینورتر تغذیه میشود در یک رتور، کنترل براساس میدان گشتاور و شار را در ماشین سبب می شود

اصل بر این است که شار آرمیچر و شار میدان در یک محور راست گوشه یا تجزیه شده، حفظ شود. شار در ماشین به طور مستقل توسط سیم پیچ میدان کنترل می شود و گشتاور تحت تاثیر اجزای تشکیل دهنده ی جریان آرمیچر قرار می گیرد.

شکل.2 اینورتر ولتاژ

به منظور داشتن عملکرد بهینه جریان طولی ids = 0 نگه داشته می شود. با جایگذاری - 4 - در - 3 - ، و =p Mfd iqs - t - گشتاور الکترومغناطیسی می تواند برای if ثابت و ids=0 به صورت زیر نوشته شود:

شکل 1 دیاگرام نمایشی کنترل سرعت موتور سنکرون را با استفاده از کنترل حالت لغزش نشان میدهد . بلوکهای FLWω,PIid,PIiq تنظیم کننده هستند. اولی کنترل کننده فازی سرعت و دومی تنظیم کننده تناسبی، انتگرالیPI جریان طولی و سومی تنظیم کننده انتگرالی، تناسبی جریان عرضی PIiq است. برای جلوگیری از پیدایش جریان های مزاحم از یک بلوک اشباع نیز استفاده شده است.

که ارتباط تابع منطقی Fcl به صورت زیر تعریف شده است.
اگر سویچ Tcl بسته باشد Fcl=1 اگر سویچ Tcl باز باشد Fcl=0 است، اگر ولتاژ Uc اینورتر را تغذیه کند.

-3 کنترل منطق فازی

1-3 اصول منطق فازی ساختار یک سیستم کنترل فازی کامل از بلوک های زیر تشکیل یافته است:

·    فازی کننده

·    پایگاه دانش

·    موتور استنباط

·    عکس فازی شدن

شکل 3 ساختار یک کنترل کننده منطق فازی را نشان می دهد .[10] ماژول فازی کننده مقادیر اولیه ورودی های کنترلی را به مقادیر فازی تبدیل می کند. یک متغیر فازی دارای مقادیری است که توسط متغیرهای زبانی تعریف شده اند. - مجموعه ها یا زیر مجموعه های فازی - مانند کم، متوسط، زیاد، بزرگ، آهسته، بطوریکه هر کدام توسط یک تابع عضو با تغییرات پیوسته تعریف می شوند. در مجموعه ی اصطلاحات فازی، تمامی مقادیر ممکنی که یک متغیر می تواند داشته باشد قلمرو بحث نامیده می شود و مجموعه های فازی که توسط توابع عضو مشخص می شوند تمام قلمرو بحث را می پوشانند. شکل مجموعه های فازی می تواند مثلث، ذوزنقه ای و... باشد.

2-2 اینورتر ولتاژ مدار قدرت یک پل اینورتری سه فاز با 6 سوییچ در شکل 2 نشان داده شده است. منبع dc در حالت عادی از طریق یک منبع ولتاژ بدست آمده از طریق یک یکسوکننده و یک فیلترLC به کار رفته برای رسیدن به یک منبع ولتاژ ثابت حاصل می شود.

شکل.3 ساختار کنترل کننده فازی

یک کنترل فازی اساسا درک مستقیم و تجربه اپراتور انسانی و گاهی طراح و محقق را در بر می گیرد. پایگاه داده ها و قوانین روی هم پایگاه دانش را که برای استنباط روابط R به کار می رود شکل می دهند. پایگاه داده ها توصیفی ازمتغیرهای ورودی و خروجی را با استفاده از مجموعه های فازی ارائه می دهد.