بخشی از مقاله
چکیده-
موتور BLDC در مقایسه با سایر موتورها در اندازه و حجم برابر دارای توان و گشتاور تولیدی بیشتری میباشد. از مزایای دیگر موتور BLDC میتوان از راندمان بالا و قابلیت استفاده در سرعتهای بالا نام برد. موتورهای BLDC کوپل شده در کاربردهای زیادی نظیر رباتهای صنعتی و زیردریایی حضور دارند. به ویژه در کاربردهایی که نیاز به گشتاور تولیدی بالایی است. هر چند کنترلکننده فازی برای کنترل دور موتورهای BLDC به منظور کاربردهای متعددی استفاده شده است اما مطالعه رفتار سیستم در حالت کوپل شده مورد توجه قرار نگرفته است. در این مقاله به این موضوع پرداخته شده است.
-1 مقدمه
امروزه استفاده از موتورهای DC در صنعت، به شکل وسیعی رایج شده است. موتورهای DC بدون جاروبک در بسیاری از موارد میتوانند جایگزین موتورهای DC جاروبکدار شوند. اما کموتاسیون جریان در آنها با سوئیچهای نیمه هادی انجام میشود
موتورهای BLDC دارای مزایای زیادی هستند: پاسخ دینامیکی سریع، بازده و عملکرد بالا، مشخصه گشتاور-سرعت بهتر [2]، محدوده سرعت بالاتر، نسبت گشتاور-وزن بالاتر، هزینه نگهداری و تعمیر پایینتر [3]، عملکرد بدون نویز. برای کنترل دقیق سرعت موتور BLDC در سرعتهای بالا و با کارآیی بسیار خوب، مدل دقیق موتور لازم است
در برخی کاربردها از جمله سیستمهای پیشرانش، به موتورهای الکتریکی با سرعت پایین ولی توان بالا نیاز است. این پیشرانهها در کاربردهای صنعتی، زیردریایی و کشتی قابلیت بهرهبرداری دارند
از طرفی طراحی و ساخت موتورهای الکتریکی توان بالا و سرعت پایین با دشواری روبرو است. به این منظور میتوان از چند موتور الکتریکی به صورت کوپلشده مکانیکی جهت تامین گشتاور بار مورد نیاز استفاده کرد
کنترل این موتورهای الکتریکی به منظور بهرهبرداری حداکثر آنها، سرعت یکسان شفتهای کوپل شده و بهبود پاسخ دینامیکی از مواردی هستند که هرکدام چالشی برای کوپلاژ موتورهای الکتریکی میباشند
-2 موتور BLDC
کلیه معادلات ولتاژ و جریان موتورهای BLDC سه فاز در مراجعی نظیر [9] ارائه شده است. در این موتورها اگر از سه سیمپیچی همراه با سه کموتاتور با اختلاف فاز مکانی 120درجه استفاده گردد میتوان به یک گشتاور ثابت رسید. در موتورهای BLDC بجای کموتاتور از سوئیچ زنی PWM استفاده میشود. مدار اینورتر PWM جهت استفاده در موتور BLDC سه فاز در شکل - 1 - نشان داده شده است.
شکل - : - 1 مدار اینورتر PWM جهت استفاده در موتور BLDC سه فاز
-3 کنترلکنندهها
در این قسمت برای بررسی کارآیی کنترلکننده فازی آن را با کنترلکننده PI مقایسه کردهایم. به خاطر آشنایی با کنترلکنندههای PI در ادامه فقط به توضیح مختصر کنترل-کننده فازی پرداخته شده است. کنترلکننده فازی مدنظر در این مقاله دارای دو ورودی و یک خروجی میباشد سیگنالهای ورودی عبارتند از: خطای سرعت - e - و تغییرات خطای سرعت . - Ce - در اینجا دامنه تغییرات برای سیگنالهای ورودی و خروجی توسط هفت مجموعه فازی {NL,NM,NS,ZE,PS,PM,PL} پوشش داده شدهاند. توابع عضویت سیگنالهای ورودی و خروجی بر اساس مجموعههای فازی به صورت مثلثی در نظر گرفته شدهاند.
همچنین برای استقلال پارامترهای توابع عضویت از سیگنالهای ورودی و خروجی رنج تغییرات ورودی و خروجی در فاصله 1]و[- 1 نرمالیزه شده است. ارزش خروجی کنترلکننده فازی با استفاده از یک مجموعه قوانین پایه تعیین میشود. که در اینجا شامل 49 قانون است. روش استنتاج اتنخاب شده هم روش max-min است که توسط ممدانی ارائه شده است. جدول - 1 - این قوانین پایه را نشان میدهد.
جدول : - 1 - قوانین فازی
-4 شبیهسازی و نتایج
برای کنترل دقیق سرعت موتور BLDC در سرعتهای بالا و با کارایی بسیار خوب، به مدل دقیق موتور نیاز میباشد. در نتیجه طراحی کنترلکننده نقش بسزایی در کارایی این سیستم دارد. کنترلکنندههای کلاسیک مانند: P، PI، PID کاربرد وسیعی در کنترل موتورهای BLDC دارند اما این کنترلکنندهها با توجه به مدل غیرخطی موتور، کنترلکننده مناسبی نیستند. مثلاً پاسخ دینامیکی سیستم حلقهبسته کُند بوده و از طرفی هم به تغییر پارامترهای مدل وابسته است. همچنین مدل موتور در عمل دقیق نبوده و همراه با نامعینی است. بهرهگیری از منطق فازی با توجه به تفسیر تقریبی مشاهدات و تعیین فرامین تقریبی، بستر مناسبی جهت طراحی کنترلکننده غیرخطی مقاوم فراهم میکند.
در محیط سیمولینک نرمافزار MATLAB دو موتور BLDC با دو ویژگی متمایز به صورت کوپل مکانیکی شبیه-سازی شدهاند. مشخصات دو موتور بهکار رفته در جدول - 2 - آورده شده است.
جدول : - 2 - مشخصات دو موتور BLDC
سرعت مرجع برای هر دو سیستم حلقهبسته با کنترل-کنندههای PI و فازی، ابتدا روی 8000 دور بر دقیقه قرار داده شده است و سپس در لحظه 0/42 ثانیه، به 9000 دور بر دقیقه افزایش و بعداً در لحظه 0/6 ثانیه به 7000 دور بر دقیقه کاهش داده شده است.
ابتدا سیستم در حضور کنترلکننده PI و سپس در حضور کنترلکننده فازی شبیهسازی می شود. در این وضعیت کنترل-کننده PI به خوبی میتواند سرعت مرجع موتور را تعقیب کند ولی دارای اورشوت در تنظیم سرعت است. اما کنترلکننده فازی به خوبی میتواند سرعت مرجع موتور را تعقیب کند درحالیکه دارای اورشوت بسیار کمتری نسبت به سناریوی قبل باشد. برای مقایسه بهتر، سرعت مکانیکی موتورهای الکتریکی در حضور کنترلکنندههای فازی و PI به صورت یکجا در شکل - 2 - به تصویر کشیده شده است. سرعت مناسب پاسخ دهی سیستم حلقهبسته و کاهش شدید اورشوت در منحنی سرعت مکانیکی، در حضور کنترلکننده فازی در مقایسه با کنترل کننده PI مشهود است.
شکل : - 2 - سرعت مکانیکی موتورهای کوپل شده در حضور کنترلکننده-های فازی و PI
در حضور کنترلکننده PI ، شکل موج مربوط به گشتاورهای تولیدی این دوموتور کوپل شده در اشکال - 3 - و - 4 - به تصویر کشیده شدهاست.
شکل : - 3 - گشتاور تولیدی موتور اول در حضور کنترلکننده PI
شکل : - 4 - گشتاور تولیدی موتور دوم در حضور کنترلکننده PI
با توجه به این تصاویر میتوان نشان داد که موتور دومی بار بیشتری را بر عهده دارد. وقتی کنترل کننده به دنبال کاهش سرعت جفت موتور کوپل شدهاست به صورت ژنراتوری عمل کرده که سبب سرعت بخشیدن به تنظیم سرعت موتور میشود. وقتی این دو موتور به صورت ژنراتوری عمل میکنند، قسمتی از توان مکانیکی موتورهای الکتریکی به صورت توان الکتریکی به منبع بازگردانده می شود. که در شکل - 5 - نشان داده شده است.
شکل : - 5 - جریان کشیده شده از لینک DC در حضور کنترلکننده PI
چون موتور دومی بار بیشتری را برعهده دارد، جریان کشیده شده توسط موتور اولی - شکل - 6 کمتر از جریان کشیده شده توسط موتور دومی - شکل - 7 خواهد بود.
شکل : - 6 - جریان کشیده شده توسط موتور BLDC اولی در حضور کنترل-کننده PI
شکل : - 7 - جریان کشیده شده توسط موتور BLDC دومی در حضور کنترلکننده PI
