بخشی از مقاله
چکیده
این مقاله رهیافتی بر کنترل موتور سنکرون مغناطیس دائم - PMSM - بدون نیاز به سنسور سرعت میباشد. روش پیشنهادي، بر پایه تئوري مولفههاي متقارن استوار شده است. در این روش، ولتاژها و جریانهاي توالیهاي مثبت و منفی PMSM در معادلات کنترلی مورد استفاده قرار گرفته و در نهایت الگوریتم حذف سنسور براي محاسبه زاویه تخمینی موقعیت روتور بسیار ساده شده و لذا زمان محاسبات کوتاهتر از روش متداول حذف سنسور است.
با در اختیار داشتن مقدار تخمینی موقعیت و سرعت رتور، با تدوین روابط موتور در حوزه زمان گسسته، مقدار مطلوب گشتاور الکتریکی جهت ردیابی گشتاور مکانیکی - باعملکرد سرعت ثابت - PMSM تعیین و جهت محاسبه جریان مرجع مورد استفاده قرار میگیرد. مبانی کلی طرح پیشنهادي بر پایه کنترل میدان جهت داده شده - FOC - میباشد. نتایج شبیه سازي با استفاده از نرم افزار MATLAB، بیانگر عملکرد بهتر، محاسبات کمتر و هزینه کنترلی مناسبتر سیستم نسبت به طرحهاي موجود میباشد.
-1 مقدمه
موتور سنکرون مغناطیس دائم - PMSM - با مزایاي از جمله ساختمان محکم، نگهداري آسان، قدرت بالا، مناسب جهت عملکرد در محدوده وسیعی از سرعت و کارا در عملکرد توان ثابت به صورت وسیعی در کاربردهاي صنعتی مورد استفاده قرار میگیرد. اگرچه عملکرد مطلوب موتورهايPM، نیازمند درایو کنترلی میباشد و لذا طراحی مناسب کنترلر سرعت و گشتاور نقش مهمی را در کنترل حرکت و پروسه ساخت صنعتی ایفا مینماید.
تا کنون روش هاي متعددي در راستاي کنترل موتور هاي الکترکی و نوعا موتورهاي مغناطیس دائم ارائه شده اند. بر اساس دسته بندي صورت گرفته، این روش با توجه به مبناي ذاتی سیستم کنترلی، به دو روش اسکالر و برداري تقسیم میگردند. مطالعات انجام شده بیانگر اولویت کنترل برداري به جاي کنترل اسکالر و نهایتا مزایاي افزونتر آن میباشند.
از میان روش هاي مبتنی بر پایه کنترل برداري، کنترل میدان جهت داده شده - FOC - و کنترل مستقیم گشتاور - DTC - کنترل موتور سنکرون مغناطیس دائم با حذف سنسور سرعت مبتنی بر تئوري مولفههاي متقارن بیشترین کاربرد را به خود اختصاص داده اند.[1] این دو استراتژي کنترلی علیرغم عملکرد متفاوت، هدف یکسانی را براي کنترل موثر شار و گشتاور موتور و در نتیجه ردیابی گشتاور مکانیکی علیرغم تغییر پارامترهاي بار و موتور و اغتشاشات خارجی پیگیري مینمایند.
اعمال این دو روش در درایو موتور هاي PM، نتایج مناسبی را به همراه داشته اما داراي معایبی نیز میباشند .[4-2] مقالات گوناگونی در 30 سال اخیر در ارتباط با روشهاي FOC و DTC به چاپ رسیده اند، که تنها تعداد معدودي از آنها بر تفاوتها، مزایا و معایب این دو روش تاُکید نموده اند 4]و.[5 همانگونه که Li و همکارانش در [6] نشان دادهاند، در روش DTC مقدار ریپل جریان و گشتاور ایجاد شده توسط زمانهاي کلیدزنی تصادفی و کارآیی عملکرد در سرعتهاي پایینتر رضایت بخش نیست. علاوه بر این مشکل دیگر این روش عملکرد در سرعتهاي پایین است.
در کنار این معایب روش DTC، روش FOC به تغییر پارامترهاي موتور بسیار حساس است. با این حال به علت رفتار دینامیکی ذاتی روش FOC، اگر پاسخ گذراي سریع ترم مهمی محسوب گردد، این روش کنترلی مورد استفاده قرار میگیرد. در روش FOC متداول علاوه بر سنسورهاي ولتاژ و جریان به یک سنسور تعیین موقعیت رتور نیز نیاز است.
اگر موقعیت رتور به خوبی تخمین زده نشود، گشتاور راه اندازي موتور کاهش مییابد. بنابراین، استفاده از یک انکدر شفت دقیق - به منظور عملکرد دقیق - ، تجهیزات الکترونیک بیشتر، سیم کشی بیشتر، فضاي بیشتر، قابلیت اطمینان کمتر، کاهش مشخصههاي مکانیکی و مونتاژ دقیقتر را میطلبد. از این رو عملکرد درایو PMSM بدون حضور سنسور موقعیت رتور سبب افزایش تواناییهاي آن میگردد.
در راستاي کنترل بدون سنسور، روش هاي متعددي با ساختارهاي حلقه بسته و یا حلقه باز را ارائه شدهاند 7] و .[8 علاوه براین مراجع، مراجع [12-9] و [19-13] روشهاي حلقه باز و حلقه بسته را پیشنهاد نموده اند. Kulkarni و همکارانش در مرجع [9]، روشی را جهت تخمین موقعیت رتور با استفاده از جریان و ولتاژ سه فاز و اندوکتانس استاتور ارائه نمودهاند. بر اساس تحلیل نیرو محرکه الکتریکیEMF، تخمینگر سرعت و موقعیت در مرجع [10] آمده است.
عیب این تخمینگر حساسیت آن به نویز سیستم و متناسب نبودن مقاومت استاتور میباشد. اگرچه با ارائه روش EMF توسعه یافته سعی بر رفع این مشکل شده است، اما مشکل روش مبتنی بر EMF توسعه یافته 14] و [15 تاثر آن از جریان استاتور در حالت گذراي موتور میباشد. بعلاوه در عملکرد سرعت پایین، نویز EMF توسعه یافته فاحش است.
در میان مشاهدهگرهاي - observer - حلقه بسته، روشهاي مبتنی بر فیلتر کالمن و فیلتر کالمن توسعه یافته - EKF - و مشاهدهگرهاي مد لغزش - SMO - تعدادي از مقالات ارائه شده در روشهاي با حذف سنسور به 14]و15و18و[19 ارجاع داده شدهاند. با وجود اینکه مشاهدهگرهاي حلقه بسته بر روشهاي حلقه باز به خاطر نسبت نویز پایین ارجحیت دارند، اما به مدت زمان بیشتري نیاز داشته - مانند EKF به علت حجم بالاي محاسبات - و همچنین در حالت ماندگار خطاي نامطلوبی دارند - مانند SMO به علت وجود سطح لغزش - . به عبارت دیگر پاسخ دینامیکی EKF همانند پاسخ حالت ماندگار مناسب نبوده و پاسخ حالت ماندگار SMO همانند پاسخ دینامیکی آن مناسب نیست.
به منظور دستیابی به کارآیی بالاي درایو PMSM در محدوده وسیعی از سرعت، ترکیبی از روشهاي مختلف مناسبتر خواهد بود. همانند سیستم قدرت سه فاز نامتقارن، روش جدیدي مبتنی بر مولفههاي متقارن ایجاد گردیده است. روش پیشنهادي سرعت و موقعیت رتور را با استفاده از توالیهاي مثبت و منفی معادلات PMSM به دست میآورد.
سرعت و موقعیت رتور تخمین زده شده و به معادلات مکانیکی اعمال میگردند. با در اختیار داشتن گشتاور الکتریکی مطلوب، روش پیشنهادي با استفاده از FOC جریانهاي مرجع در محورهاي d,q را تولید میکند - در ادامه تحقیقات منتشر شده در مراجع کنترل موتور سنکرون مغناطیس دائم با حذف سنسور سرعت مبتنی بر تئوري مولفههاي متقارن 21]و. - [22 پس از آن جریانهاي فاز حقیقی موتور با جریانهاي مرجع و با استفاده از مقایسه کنندههاي جریان هیسترزیس مستقل در فرکانس کلیدزنی ثابت مقایسه میگردند.
-2 معادلات مکانیکی PMSM
موتور سنکرون مغناطیس دائم در دو دهه اخیر به طور گستردهاي مورد مطالعه قرار گرفته است. در اکثر روشهاي مختص PMSM یکسري معادلات وابسته به موقعیت رتور وجود دارند.
