بخشی از مقاله

چکیده

موتور سنکرون آهنربای دائم - PMSM - بدلیل دارا بودن بازدهی و چگالی توان بالا، لختی کم، نسبت بالای گشتاور تولیدی به اینرسی، نیاز کمتر به تعمیر و نگهداری در بسیاری ازکاربردهای صنعتی در گستره توان کم و متوسط نسبت به موتورهای DC و موتورهای القایی ترجیح داده شدهاند. به منظور کنترل دور PMSM، تاکنون روشهای مختلفی پیشنهاد شده است که از نظر هزینه، پیچیدگی ساختار و دقت عملکرد متفاوت میباشند.

در این مقاله کنترل سرعت سنکرون مغناطیس دائم با استفاده از سنسور اثر هال و به کمک کنترل کننده انتگرالی-تناسبی ارائه میشود. در روش ارائه شده، از کنترل کننده ی انتگرالی تناسبی به منظور تنظیم ولتاژ ورودی به اینورتر سه فاز استفاده میشود و هم چنین کلیدزنی مناسب سوئیچهای اینورتر بر اساس موقعیت رتور و رمزگشایی از سنسورهای اثر هال انجام میشود. روش ارائه شده دارای مزایایی همچون سادگی ساختار و بهبود خطای حالت ماندگار و تضعیف نویزهای فرکانس بالا میباشد.

استفاده از حسگر به منظور تشخیص موقعیت رتور دارای معایبی نظیر پیچیدگی در ساخت، قابلیت اطمینان پایینتر، قیمت زیاد سنسورها، مشکلات ناشی از عدم تطبیق مکانیکی و یا کار در محیطهای آلوده میباشد، از اینرو روشهای بدون حسگر زیادی به منظور تشخیص موقعیت رتور ارائه شده است. یکی از بهترین روشهای بدون حسگر، استفاده از روش کنترل مستقیم گشتاور و سیستم تطبیقی مدل مرجع - MRAS - میباشد.

روش کنترل مستقیم گشتاور دارای مزایای نسبی از جمله کاملتر بودن در دفع اغتشاش بار، سرعت پاسخدهی بسیار بالا، محدوده عملکرد وسیعتر در سرعتهای بالا و تلفات حرارتی کمتر و در مجموع معایب کمتر نسبت به سایر روشهای متداول کنترل سرعت PMSM میباشد. از اینرو در ادامه مقاله روش بدون حسگر برای کنترل دور این موتور به کمک MRAS پیادهسازی شده است.

در روش بیان شده به کمک ولتاژ و جریان و به کمک MRAS، موقعیت و زاویه رتور تخمین زده و سپس به کمک مدولاسیون بردار فضایی پهنای پالس - SVPWM - کلیدزنی سوئیچهای اینورتر انجام میشود. هر دو ساختار ارائه شده با استفاده از نرم افزارMATLAB/SIMULIN شبیهسازی شده و سپس با یکدیگر مقایسه شدهاند. ساختار بدون حسگر ارائه شده نسبت به روش استفاده از سنسور پیچیدهتر بوده و دقت کمتری دارد، اما از قابلیت اطمینان بالاتر و هزینه ساخت کمتری برخودار است.

-1مقدمه

موتورهای سنکرون با آهنربای دائم - PMSM - که در حقیقت یک موتور سنکرون معمولی است که در آن به جای تحریک سیمپیچی شده رتور، جاروبکها و حلقههای لغزان، از آهنربای دائم استفاده شده است. شکل 1 ساختار یک نمونه PMSM را نشان میدهد. درسالهای اخیر به دلیل خصوصیات ذاتی نظیر: چگالی شار بالا در فاصله هوایی، چگالی توان و بازده بالا، ضریب توان مناسب و قابل تنظیم، لختی کم، نسبت بالای گشتاور تولیدی به ممان اینرسی محور رتور، شتابگیری سریع، گستره وسیع سرعت نسبت به موتورهای DC و موتورهای القایی در بسیاری از کاربردهای صنعتی با سرعت متغیر در گستره توان کم و متوسط کاربرد دارند.[1] این نوع موتور در صنایع شیمیایی، کارخانههای بافندگی، صنایع شیشه، تجهیزات آزمایشگاهی، سیستم حمل و نقل و روباتیک در سرعت ثابت و تحت بارهای مختلف مورد استفاده قرار میگیرد.

شکل:1 ساختار یک موتور سنکرون مغناطیس دائم

امروزه روشهای زیادی برای کنترل موتور سنکرون مغناطیس دائم مطرح شده است، این روشها به دو دسته کلی روشهای کنترل اسکالر و کنترل برداری دستهبندی میشوند.

روشهای کنترل اسکالر معمولاً سادهتر و ارزانتر و در مقابل دارای محدودیت رنج کنترل سرعت میباشند. در این روشها معمولاٌ با تغییر لغزش، تعداد قطب، فرکانس منبع، مقدار موثر ولتاژ و یا تغییر همزمان ولتاژ و فرکانس، سرعت موتور را کنترل میکنند.

روشهای کنترل برداری پیچیدهتر و گرانتر می باشند، ولی میتوانند سرعت موتور را از سرعت صفر تا بالاتر از سرعت نامی موتور بطور دقیق کنترل کنند. روشهای کنترل برداری به دو دسته کنترل مستقیم میدان و کنترل مستقیم گشتاور تقسیم بندی میشوند. روشهای کنترل مستقیم میدان نیز شامل روش کنترل مستقیم یا غیرمستقیم شار رتور و روش کنترل حلقه بسته شار و گشتاور استاتور می-باشد

برای کلیدزنی مناسب سوئیچهای اینورتر نیازمند تعیین دقیق موقعیت رتور مغناطیس دائم میباشیم، از روشهای مختلفی برای تعیین موقعیت رتور استفاده میشود که این روشها به دو دسته با و بدون حسگر تقسیم بندی میشوند. در روشهایی که به کمک حسگر، موقعیت رتور را تعیین میکنند، از حسگرهای مختلفی نظیرحسگر نوری، رلوکتانسی، خازنی، میدان مغناطیسی، نیروی ضد محرکه استفاده میشود

روشهای بدون حسگر به 5 گروه اصلی روشهای بر مبنای ولتاژ ضد محرکه، روش تخمین شار نشتی استاتور، استفاده از تغییرات اندوکتانس استاتور، استفاده از توابعی مناسب از ولتاژ ضد محرکه و روش های مبتنی بر تئوری های کنترلی تقسیم بندی میشوند.

استفاده از سنسور اثرهال به منظور تعیین موقعیت رتور و آشکارسازی نقاط کموتاسیون جریان که در هر 60 درجه الکتریکی رخ میدهند، یکی از کم هزینه ترین و بهترین روشها میباشد. در بخش بعدی مقاله به توضیح این روش میپردازیم.

-2ترتیب کلید زنی سوئیچ های اینورتر براساس رمزگشایی از سنسورهای اثرهال

رمزگشای کموتاسیون سیگنال ها را از حسگرهای اثر هال در رابطه با موقعیت رتور دریافت نموده و آنها را به سیگنال های کلیدزنی سوئیچ های اینورتر تبدیل میکند. در یک سیستم تحریک 6 پالسی دو کلید همزمان برای انرژی دادن به دو فاز استاتور فعال میشوند و یک میدان گردان در اثر ترکیب جریان تحریک دو سیم پیچ، در فاصلهی هوایی ایجاد میشود.

به طور کلی برای سیستمی که دارای حسگرهای سه وضعیتی و یک اینورتر 6 کلیدی است، یک رمزگشای 3 به 6 خطی لازم است. سه خط ورودی، به خروجی حسگرها وصل شده و 6 خروجی رمزگشا به مدارهای آتش کلیدها متصل میشوند. حسگر ها معمولا در فواصل 60 درجهی مکانیکی قرار داده میشوند.

در مرجع [8] ترتیب کلیدزنی و مدار رمزگشایی و توابع بولی حسگرهای اثر هال به طور کامل بررسی و ارائه شده است. در روش پیشنهادی به منظور کنترل سرعت PMSM از کنترل کننده PI استفاده شده است. این کنترل-کننده به دلیل سادگی ساختار، بهبود خطای حالت ماندگار و تضعیف نویزهای فرکانس بالا، یکی از متداولترین روشها برای کنترل سرعت این نوع موتورها میباشد 

در روش پیشنهادی، از سرعت موتور فیدبک گرفته میشود و سپس با سرعت مرجع مقایسه می گردد، سپس سیگنال خطا به بلوک کنترل کننده انتگرالی-تناسبی داده میشود. از این کنترل کننده به منظور تنظیم ولتاژ DC ورودی به اینورتر سه فاز استفاده میشود و سوئیچ های اینورتر با استفاده از رمزگشایی از سنسورهای اثرهال به صورت مناسبی کلیدزنی میشوند. شکل 2 مدار کنترل کننده سرعت PMSM با روش پیشنهادی را در محیط سیمولینک نرمافزار MATLAB را نشان میدهد. در شبیه سازی انجام شده از یک موتور سه فاز مغناطیس دائم با توان نامی 1 کیلو وات و سرعت نامی 3000 rpm به همراه یک اینوتر منبع ولتاژ شش سوئیچه استفاده شده است.

شکل:2 مدار کنترل سرعت PMSM با استفاده سنسور اثرهال و کنترل کننده انتگرالی تناسبی

-3کنترل بدون حسگر PMSM

با توجه به دلایلی نظیر قابلیت اطمینان بالاتر درایو، هزینه اقتصادی کمتر، امکان استفاده در محیطهای آلوده و شرایط کاری مختلف، عملکرد صحیح در صورت بروز خطا، عدم وجود مشکلاتی نظیر تطبیق مکانیکی و ... روش-های بدون حسگر امروزه مورد توجه محققین قرار گرفته است. امروزه درایوهای بدون PMSM حسگر بسیار مورد توجه هستند. روشهای زیادی به منظور تخمین سرعت و موقعیت روتور در درایوهای بدون حسگر PMSM ارائه شدهاند که عبارتند از تخمینگرهای حلقه باز با استفاده از جریان ها و ولتاژ های استاتور، تخمینگرهای موقعیت مبتنی بر نیروی ضد محرکه، تخمینگرهای MRAS، تخمینگرهای سرعت و موقعیت مبتنی بر روئیتگر.

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید