بخشی از مقاله
خلاصه
این مقاله به بررسی طراحی یک الگوریتم کنترلی بدون سنسور مبتنیبر تخمینگر تطبیقی سرعت برای کنترل موتور سنکرون آهنربای دائم پرداخته است. این الگوریتم کنترلی بر مبنای تئوری کنترلی میدان جهت داده شده است. در این ساختار کنترلی فیدبک های سرعت و موقعیت موتور با استفاده از تخمینگر سرعت مبتنیبر سیستم تطبیقی مدل مرجع بدست میآیند.
همچنین از یک تخمینگر گشتاور برای بهبود عملکرد در کنترل سرعت بهره برده شده است. از مزایای استراتژی کنترلی ماکزیمم گشتاور بر آمپر برای کنترل سرعت در نواحی پایینتر از سرعت مبنا بهره برده شده است. برای اطمینان از کارآمدی ساختار کنترلی در کنترل سرعت موتور سنکرون آهنربا دائم و مزایای آن در مقایسه با ساختار کنترلی مرسوم، فاقد تخمینگرهای سرعت و گشتاور بار، هر دو ساختار کنترلی در محیطMatlab/Simulink شبیه سازی و مقایسه شدهاند.
.1مقدمه
با پیدایش سوئیچهای توان بالا و همچنین پردازندههای سیگنال با سرعت پرداشی بالا و نیاز هر چه بیشتر به کنترل دقیق و سریع محرکههای الکتریکی کار در این حوزه با تمرکز بر روی معرفی روشهای کنترلی جدید سرعت گرفت. بر این اساس و همچنین بواسطهی اینکه بیشترین درصد توان الکتریکی مصرفی در صنایع مربوط به موتورهای الکتریکی است اهمیت انتخاب موتوری مناسب و کارآمد از هر حیث مهم جلوه مینماید.
در میان موتورهای الکتریکی، موتور سنکرون آهنربا دائم بواسطهی مزایای زیادی همچون دینامیک سریع، راندمان و چگالی توان بالا چشم انداز روشنی را برای خود در آیندهی صنایع به عنوان جایگزینی برای موتورهای القایی ایجاد کرده است.
در میان روشهای کنترلی معرفی شده برای این موتور، روش کنترلی میدان جهت داده شده و روش کنترل مستقیم گشتاور بسیار کارآمد هستند. با وجود دینامیک سریعتری که بواسطهی استفاده از کنترل کننده هیسترزیس در روش کنترلی مستقیم گشتاور وجود دارد اما در مقابل روش کنترلی میدان جهت داده شده دارای دقت بیشتری است و همچنین منجر به ریپل کمتر در جریان موتور الکتریکی میگردد.
در روش کنترلی میدان جهت داده شده نیاز به فیدبک سرعت و موقعیت موتور میباشد. تمایل به استفاده از روش-های فاقد سنسور سرعت و موقعیت بواسطهی مشکلاتی که در استفاده از این سنسورها وجود دارد بسیار زیاد است.
در این روشها از تخمینگر سرعت و موقعیت بجای استفاده از سنسور الکترومکانیکی استفاده میشود.روشهای مبتنیبر تحریک اصلی و مدل موتور در فرکانس پایه، روشهایمبتنیبر تزریق سیگنال اضافی و برجستگی مغناطیسی و روشهای مبتنیبر هوش مصنوعیدستهبندی کلی روشهای تخمین سرعت هستند.
روشهای محاسبه مستقیم با استفاده از مقادیر اندازهگیری شدهی ولتاژ و جریان، روش مبتنیبر محاسبهی اندوکتانس، روش مبتنیبر شار پیوندی، روش مبتنیبر نیرو محرکهی الکتریکی برگشتی، روشهای مبتنیبر رویتگر حالت - رویتگر مد لغزشی، فیلتر کالمن، رویتگر لئونبرگر و رویتگر کاهش مرتبه یافته - و روش مبتنیبر سیستم تطبیقی مدل مرجع در دستهی روشهای مبتنیبر تحریک اصلی و مدل موتور در فرکانس پایه قرار دارند که در این میان روش رویتگر حالت و سیستم تطبیقی مدل مرجع روشهای حلقه بسته و مابقی روشهای حلقه باز هستند. روش مبتنیبر سیستم تطبیقی مدل مرجع روشی ساده و کارآمد است که فیدبک مناسبی از سرعت به دست میدهد
در بیشتر روشهای کنترلی مقدار گشتاور بار برای طراحی سیستم کنترلی صفر در نظر گرفته میشود و همین امر منجر میگردد تا در لحظات تغییر گشتاور بار اعوجاج در پاسخ سرعت موتور در تعقیب سرعت مرجع صورت گیرد. برای رفع این مسئله میتوان از روشهایی برای تخمین سرعت گشتاور بار استفاده کرد.
در این مقاله روش کنترلی مقاومی بر پایهی روش کنترل میدان جهت داده شده و همچنین با اتخاذ تخمینگر سرعت مبتنیبر سیستم تطبیقی مدل مرجع و تخمینگر گشتاور بار برای تخمین سرعت موتور و گشتاور بار معرفی گردیده است.
در بخش 2 مدل ریاضی مورد استفاده برای طراحی سیستم کنترلی معرفی گردیده است. در بخش 3 که اصلیترین بخش این مقاله است ساختار کنترلی جدید معرفی گردیده است.در بخشهای 4 و 5 به ترتیب به معرفی تخمینگر سرعت مبتنیبر سیستم تطبیقی مدل مرجع و تخمینگر گشتاور بار پرداخته است. در بخش 6 نتایج شبیهسازی برای یک موتور نمونه آورده شده است. در بخش نهایی نتیجهگیری بدست آمده از مقاله در مورد بررسی کارآمدی و عملکرد روش کنترلی معرفی شده آورده شده است.
.2مدل ریاضی موتور سنکرون آهنربا دائم
مدلی که از آن بطور معمول در طراحی ساختارهای کنترلی برای موتور سنکرون آهنربا دائم استفاده میشود مدل این موتور در دستگاه گردان dqاست.
که در آن R مقاومت الکتریکی سیمپیچ فاز استاتور، id و iq به ترتیب مولفههای جریان استاتور در محورهای d و q دستگاه گردان dq هستند. ud مولفه d و uq مولفهی q ولتاژ استاتور هستند. Ld و Lq به ترتیب اندوکتانس سیمپیچ استاتور در محورهای d و q هستند. ω سرعت الکتریکی موتور و λm شار پیوندی آهنربای دائم روتور در راستای محور d است. ωm سرعت مکانیکی موتور است که برابر با ω / P است که تعداد جفت قطبهای موتور است. J ممان اینرسی، Bm ضریب اصطکاک و TL گشتاور بار هستند. همچنین در رابطهی - 3 - ، Te گشتاور الکترومغناطیسی است که با جریانهای استاتور بصورت رابطهی زیر مرتبط است.
.3ساختار کنترلی
در شکل 1 نمایی از ساختار کنترلی جدید معرفی شده در این مقاله نشان داده شده است. در این ساختار کنترلی همانند ساختار کنترلی مرسوم مبتنیبر تئوری کنترلی میدان جهت داده شده از کنترل کنندههای PIبرای کنترل جریان در حلقهی داخلی برای کنترل سرعت در حلقهی بیرونی استفاده شده است.
شکل 1 -ساختار کنترلی مبتنیبر تئوری کنترلی میدان جهت داده شدهو تخمینگرهای سرعت و گشتاور بار
در ساختار کنترلی معرفی شده در حلقهی بیرونی سیگنال گشتاور حاصل از جمع خروجی کنترل کنندهی سرعت و گشتاور بار تخمین زده شده به منظور حفظ محدودیت جریانی موتور از محدود کنندهی گشتاور بار عبور داده میشود و مقدار بدست آمده گشتاور الکترومغناطیسی مرجع است که از آن به عنوان ورودی برای بلوک استراتژی کنترلی استفاده میشود. در بلوک استراتژی کنترلی از استراتژی کنترلی ماکزیمم گشتاور بر آمپر برای بدست آوردن جریانهای مرجع id و iq از روی گشتاور مرجع Te استفاده میشود. رابطهی بین جریانهای محورهای d و q در استراتژی کنترلی ماکزیمم گشتاور بر آمپر بصورت رابطهی - 5 - است.
در حلقهی داخلی، بر روی خروجی کنترل کنندههای جریان به منظور ایجاد کنترلی مستقل در محور d و محور q جبرانسازی نیروی محرکهی الکتریکی برگشتیصورت میگیرد. بعد از عبور از بلوک جبرانساز، محدودیتی به منظور قرار گرفتن ولتاژ مرجع در درون محدودهای که قابل ایجاد توسط مبدل الکترونیک قدرت باشد لحاظ میگردد
خروجی بلوک محدود کننده ولتاژ، ولتاژهای مرجع ud و uq را بدست میدهند. از این مراجع ولتاژی و بهرهگیری از تبدیلات پارک وکلارک برای بدست آوردن مراجع ولتاژی uα* و u*β در دستگاه ساکن αβ استفاده میشود. از مقادیر حاصل برای ایجاد الگوی سوئیچینگ برای فرمان به سوئیچهای الکترونیک قدرت برای اعمال ولتاژ به پایانههای موتور استفاده میشود.
