بخشی از مقاله
چکیده
امروزه بیشتر درایوهای موتور DC بدون جاروبک به صورت شش سوئیچه هستند برای کاهش هزینه و کاهش اغتشاش ناشی از کلیدزنی ها می توان درایوهای چهار سوئیچه را جایگزین نمود. در این مقاله شبیه سازی سیستم درایو موتورBLDC سه فازه چهار سوئیچه برای کنترل سرعت و جریان با استفاده از MATLAB/Simulink ارائه شده است. در این شبیه سازی استراتژی کنترلی جدیدی ارائه شده که در آن با استفاده از ترکیب کنترل کننده های فازی و کلاسیک کنترل موتور BLDC سه فازه چهار سوئیچه انجام شده است. برای ارزیابی مدل، عملکرد موتور در چهار حالت عملکردی آنالیز شده و برتری استراتژی کنترلی پیشنهادی را علیرغم کاهش تعداد سوئیچ ها تائید می نماید.
-1 مقدمه
موتورهای DC بدون جاروبک مغناطیس دائم - BLDC - فواید زیادی مانند ساختار ساده، بازده بالا، قابلیت اطمینان بالا، آلودگی الکترومغناطیسی سبک و تعمیر و نگهداری کم دارند و به طور وسیعی در سیستمهای سرو موتور و در سیستمهای توان پائین استفاده می شوند. در سالهای اخیر به دلیل توسعه الکترونیک قدرت، میکروالکترونیک، عملکرد مغناطیسی مغناطیسها و تکنولوژی کنترل تحریک، عملکرد این موتورها به طور چشمگیری بهبود یافته است.
امروزه تمرکز بسیاری مطالعات بر روی چگونگی کاهش هزینه موتور BLDC و سیستم کنترل آن منجر به حذف سنسورهای موقعیت و کاهش تعداد کلیدهای اینورتر موتور BLDC شده است. بسیاری از نوشتهها درایو چهار سوئیچه موتور BLDC سه فازه را امکان سنجی نموده و عملکرد موتور را با اینورتر چهار کلیده مناسب ارزیابی نمودهاند
برای کلیدزنی موتور BLDC روشهای مختلفی بر اساس استفاده از EMF برگشتی [3]، اندازهگیری جریان دیودهای چرخش آزاد فاز آزاد [4]، تخمین موقعیت روتور با استفاده از مشاهدهگرها [5] و ... به کار گرفته شده است. 6] و [7 از جمله کارهایی است که روی درایو موتور BLDC چهار سوئیچه و بدون سنسور انجام شده است.
در [6] سیگنالهای سنسور هال مجازی با آشکارسازی نقطه گذر از صفر ولتاژ ترمینال استاتور ایجاد میشوند. مرجع [7] یک طرح PWM برای درایو موتور BLDC چهار سوئیچه و سه فازه برای ساختن شش کموتاسیون و تولید چهار شیفت فازی برای آشکارسازی نیروی الکترومغناطیسی برگشتی ارائه داده است. مرجع [8] یک مطالعه بر روی ریپلهای گشتاور که در موتور BLDC سه فازه چهار سوئیچه به دلیل شیفت فازی ایجاد میگردد، انجام داده است. در [9] یک روش کنترل سرعت جدید با استفاده از جبران سازی پیشرو- پسرو برای بهبود مشخصه سرعت در یک موتور BLDC سه فازه چهار سوئیچه ارائه شده است.
اخیراً برای کنترل سرعت موتور BLDC استراتژیهای کنترلی مختلفی بر اساس منطق فازی ارائه شده است. 10] و [11 با اندازهگیری جریان فازهای a و b و تأمین جریان مرجع از کنترل کننده فازی کنترل سرعت شش کلیده موتور BLDC را انجام دادهاند. [12] با استفاده از یک کنترل کننده فازی، کلیدزنی اینورتر شش کلیده را با هدف کنترل سرعت موتور BLDC انجام داده است که کنترل کننده فازی نحوه کلیدزنی اینورتر را تحت تأثیر قرار داده است. مرجع [13] منطق فازی را برای مشاهده ولتاژ ضد محرکه BEMF به کار میگیرد تا با تخمین موقعیت روتور کلیدزنی شش کلیده موتور را انجام دهد.
در این مقاله علاوه بر حذف سنسور موقعیت و ایجاد سیگنالهای هال مجازی با استفاده از سنسور سرعت استراتژی کنترلی با استفاده از کنترل کننده فازی و PI برای کنترل سرعت و جریان موتور BLDC سه فازه چهار کلیده پیشنهاد میگردد. کلیدزنی اینورتر چهار کلیده به کمک کنترل کننده فازی انجام گرفته و سیگنال PWM مناسب را برای کلیدزنی فراهم مینماید. برای بررسی مدل پیشنهادی عملکرد چهار ربعی موتور BLDC نیز آنالیز شده و نتایج شبیهسازی در بخش 3 آورده شدهاند. با این استراتژی پیشنهادی مشخصه سرعت موتور BLDC علیرغم کاهش تعداد سوئیچها مناسب ارزیابی میگردد.
-2 مدل سازی موتور BLDC
موتور BLDC به دو طریق می تواند به صورت ریاضی مدل شود: مدلی بر اساس معادلات abc و مدل دو محوری .d-q در یک موتور BLDC، EMF برگشتی ذوزنقهای میباشد پس اندوکتانس متقابل بین استاتور و روتور غیر سینوسی است؛ بنابراین انتقال به محورهای d-q برتری خاصی نداشته و در این مقاله نیز مدل abc ترجیح داده میشود. با در نظر گرفتن سیم پیچهای سه فازه متعادل و با فرض اینکه ادوات قدرت موجود در اینورتر ایده آل باشد و با صرف نظر از عکس العمل آرمیچر، اثر Slot و تلفات آهنی معادلات ولتاژ برای موتور BLDC سه فازه به صورت زیر میباشد:
در معادلات فوق R مقاومت هر فاز استاتور، ia، ib و ic جریان فازهای استاتور هستند ea، eb و ec نیروی ضدمحرکه الکتریکی هر فاز، uN ولتاژ نقطه خنثی نسبت به زمین قدرت، Ls اندوکتانس خودی هر یک از سیمپیچهای فاز، M اندوکتانس متقابل مربوط به سیمپیچهای فازها میباشند. برای مدلسازی موتور BLDC علاوه بر استفاده از معادلات ولتاژ رابطه - 1 - روابط زیر نیز به کار گرفته میشوند:
-3 شبیه سازی درایو موتور BLDC
تا کنون برای تحلیل سیستم درایو موتور BLDC در شرایط گوناگون مدل هایی مانند مدل d-q و مدل abc بررسی شده اند به علاوه مدل های شبیه سازی زیادی بر اساس معادلات غیر خطی فضای حالت پیشنهاد شده است..
در این مقاله مدل abc برای شبیه سازی موتور BLDC به دلیل قابلیت کنترل بهتر آن انتخاب می گردد.
کل سیستم درایو پیشنهادی موتور در شکل 1 نشان داده شده است. که شامل بلوکهای موتورBLDC ، اینورتر چهار سوئیچه، بلوک تولید سیگنال هال مجازی، بلوک کنترل کننده - شامل کنترل کننده سرعت و جریان - ، کنترل کننده فازی و بلوک انتخاب مد عملکرد چهار ربعی می باشد. هر بلوک به طور جداگانه مدل شده و در کنار هم قرار گرفته اند.
شکل:1 کل سیستم درایو پیشنهادی موتورسه فازه چهار سوئیچه
-1-3 مدل سازی اینورتر
شکل 2 ساختمان یک اینورتر چهار سوئیچه سه فازه را برای موتور BLDC سه فازه نشان میدهد. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده به جای یک جفت پل کلید و دیودی، دو خازن مشترک استفاده شده و به دلیل اینکه فاز c به نقطه میانی خازنهای سری متصل شده است، خارج کنترل میباشد موتور BLDC به شکل موج جریان خانه خانه مربعی نیاز دارد تا با B-EMF هماهنگ شده گشتاور خروجی ثابتی ایجاد نماید و 120 درجه هدایت و 60 درجه عدم هدایت داشته باشد و در هر لحظه فقط دو فاز هدایت نموده فاز دیگر غیر فعال باشد.
