بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

کنترل مقاوم و بهينه سرعت درايو موتور سنکرون رلوکتانسي بدون نمونه برداري از جريانهاي استاتور با بکارگيري يک کنترل کننده ترکيبي فيدبک حالت و مد لغزشي

چکـيده - در اين مقاله ، يک کنترل کننده سرعت ترکيبي براي يک موتور درايو سنکرون رلوکتانسي بدون نمونه برداري از جريانهاي استاتور پيشنهاد مي شود که داراي خصوصيتهاي مربوط به يک کنترل کننده فيدبک حالت و يک کنترل کننده مد لغزشي بدون فاز رسيدن و با مي نيمم مقدار شوريدگي مي باشد. از يک اينورتر SVM دو سطحي با مدولاسيون بردار فضايي ولتاژ، جهت تغذيه موتور درايو استفاده مي گردد. در اين مقاله استراتژيهاي کنترلي ( ماکزيمم گشتاور توليدي ، ثابت نگاهداري جريان محور مستقيم استاتور و ماکزيمم ضريب توان توليدي مجاز) مربوط به موتور سنکرون رلوکتانسي مورد آزمايش قرارمي گيرند. نتايج کامپيوتري بدست آمده ، پايدار و مقاوم بودن رفتار سيستم درايو را در مقابل نامعيني ها و اغتشاش گشتاور بار مورد تاييد قرار مي دهند.

کلمات کليدي: موتور سنکرون رلوکتانسي ، کنترل برداري سرعت ، کنترل بهينه سازي خطي ، کنترل ساختار متغير کلي ، بردار فضايي ولتاژ


١- مقدمه
بواسـطه مشخصات برجسته موتور سنکرون رلوکتانسي از قبيل سادگي ساختار و کنترل و نيز عدم نياز به وجود هرگونه سيم پيچ بر روي روتور استفاده از آن درکاربـردهاي صـنعتي مانـند کنـترل موقعيـت و حتـي سـرعت در محـدوده توانهـاي پائين و متوسط رايج شده است ، [۱]. با توجه به اين محاسن و نيز پيشـرفتهايي کـه در زميـنه طراحـي ماشين و الکترونيک قدرت حاصل شده است ، استفاده از تکنيکهاي کنترل برداري و خطي سازي با فيدبک بر روي اين درايوها موردتوجه محققين قرار گرفته است [ ۲] .
در [۲] ، چهار استراتژي جهت کنترل اين نوع درايو براي سرعتهاي کمتر و بيشتر از پايه پيشنهاد شده است که عبارتند از کنترل ماکزيمم گشتاور، ثابت نگاهداشتن جريان محور مستقيم استاتور ، ماکزيمم ضريب توان مجاز و نرخ تغيير گشتاور ماکزيمم . در[۳] کنترل برداري سرعت اين سرودرايو با تخمين جـريانهاي اسـتاتور در حالـت ماندگار با صرفنظر کردن از حالتهاي گذراي مدار استاتور بدون درنظر گرفتن محدوديت موجود در ولتاژلينک DC تغذيه کننده اينورتر شرح داده شده است .
در يـک دهـه اخـير، بکارگـيري کنـترل کنـنده هـاي سـاختار متغير موسوم به کنترل کننده هاي مود لغزشي بعلت مقاوم بودن نسبت به تغييرات و نامعيني موجـود در پارامـترهاي سيسـتم تحـت کنترل و بواسطه توانايي حذف اثرات اختلال ، مورد توجه خاص طراحان و محققين درايوهاي الکتريکي قرار گرفته اسـت [۴] . در [۵] ، جهـت کنـترل موقعيـت يک درايو القائي برپايه امتداديابي بردار شاردور مغناطيسي روتور به روش غير مستقيم يک کنترل کننده مود لغزشـي بـا خاصيت تغيير ساختار کلي که فاقد فاز رسيدن مي باشد پيشنهاد شده است . در [۶]، کنترل موقعيت يک سرو درايو رلوکتانسي با روش کنترلي ماکزيمم گشتاور توليدي مورد بحث قرارگرفته است . اين مقاله کار تحقيقاتي ارائه شده در[۶] را براي نيل به اهداف زير ادامه مي دهد:
. بجـاي کنـترل موقعيـت ، کنـترل سـرعت درايو در چهار استراتژي کنترلي مورد توجه قرارمي گيرد. شايان ذکر است که در شروع کار استراتژي کنترل سـرودرايو برپايه ماکزيمم گشتاور توليدي قرار داده مي شود و سپس با افزايش تدريجي گشتاور بار بطور اتوماتيک استراتژيهاي کنترلي به ترتيب بر روي جريان ثابت محور d استاتور و ماکزيمم ضريب توان مجاز منتقل مي گردد. . بجاي نمونه برداري از جريانهاي استاتور، اين جريانها با توجه به معادلات ديناميک معادلات ولتاژهاي دو محوري استاتور هرلحظه تخمين زده شده و در اختيار سيستم کنترل درايو قرار مي گيرند. اين تخمينگر بر خلاف روش پيشنهادي در [۳] که فقط معادلات حالت دائم استاتور را درنظر گرفته است ، حالتهاي گذراي مدار استاتور و محدوديت ولتاژ لينک DC اينورتر را نيز بطور کامل لحاظ ميکند.
. بجاي اينورتر منبع ولتاژ کنترل شده با جريان ( CPWM) استفاده شده در مرجع [۶] ، در اين مقاله از يک اينورتر منبع ولتاژ SVM دو سطحي ، استفاده مي گردد. از مزيتهاي اين اينورتر نسبت به انواع مشابه PWM متعارف مي توان به بالا بودن ضريب استفاده از ولتاژ لينک DC و نيز فرکانس سوئيچينگ پائين تر توام با پائين آوردن ضربانهاي گشتاور اشاره کرد.
. چون در طراحي کنترل کننده مود لغزشي متعارف استفاده شده در[۶] نياز به دانستن حد بالاي عدم قطعيتها مي باشد که معمولا بر روي بالاترين مقدار خـود قرار داده مي شود از اينرو کنترل کننده با پديده شوريدگي يا به عبارت ديگر نوسانات با فرکانس زياد حول سطح لغزش مواجه خواهد شد. در اين مقالـه براي کم کردن اين شوريدگيها، در سيگنال خروجي کنترل کننده از يک ترم اشباع استفاده مي گردد. با اضافه شدن اين مؤلفه ، نه تنها سرعت پاسخ ديناميکي کنترل کننده افزايش مي يابد بلکه پديده شوريدگي هم به حداقل مقدار ممکنه خود مي رسد.
کارايـي روش کنترلـي بـراي سيسـتم درايـو در قالـب مقـاوم بـودن نسـبت بـه اغتشاش ناشي از گشتاور بار و همچنين نامعيني هاي موجود در پارامترهاي الکترومکانيکي سيستم طي يک شبيه سازي کامپيوتري به نمايش گذاشته مي شود.

۲- مدل رياضي موتور سنکرون رلوکتانسي
معمـولا درايوموتورهـاي سـنکرون رلوکتانسـي کـه در يـک دهه اخير پيشنهاد شده اند فاقد سيم پيچهاي ميراکننده بر روي روتور مي باشند زيرا با کنترل همـزمان ولـتاژ و فرکانس اينورتر، امکان راه اندازي موتور فراهم است . با صرفنظر از اثر اشباع و تلفات آهن ، مدل dq موتور سنکرون رلوکتانسي در دستگاه مرجع روتور بر معادلات الکتريکي زير استوار است :

کـه در ايـن معادلات r. سرعت زاويه اي الکتريکي روتور و rs ، مقاومت استاتوردر هر فاز مي باشند و به ترتيب شارهاي محور d و q با روابط زير مي باشند:

گشتاور الکترومغناطيسي توليدي از رابطه زير بدست مي آيد:

که P تعداد قطبها و زاويه بردار جريان استاتور نسبت به محور d مي باشند بقسميکه :

رابطه (۴) نشان مي دهدکه گشتاور الکترومغناطيسي ، تنها شامل مؤلفه رلوکتانسي است که در اثر اختلاف اندوکتانسهاي دو محور d و q بوجود مي آيد.
معادلات مکانيکي حاکم بر سيستم ، بفرم زير است :

بنحويکه m. تغيير مکان زاويه اي روتور،m. سرعت روتور،Jm ممان اينرسي وBm ضريب ويسکوزيته مي باشد.
۳-استراتژيهاي مختلف کنترل موتور سنکرون رلوکتانسي
پارامـتر اصلي جهت کنترل موتورهاي سنکرون رلوکتانسي ، زاويه بردار فضايي جريانهاي استاتور نسبت به محور d روتور مي باشد. در چهار استراتژي کنترل پيشنهادي براي اين درايو مقدار معين ثابتي بخود مي گيرد که عبارتند از[۲]:
.- کنترل گشتاور ماکزيمم ( MTC ) : در يک مدل ايده آل ، زاويه جريان بهينه برابر با .٤٥ است .
.- کنـترل نـرخ تغييرگشـتاور ماکزيمم ( MRCTC) : بدين منظور يک موتور سنکرون رلوکتانسي ايده آل بايد در زاويه کار کند که در آن بترتيب اندوکتانسهاي دو محوري ماشين مي باشد.
.- کنترل ضريب توان ماکزيمم مجاز ( MPFC ) : در اينحالت مي باشد.
.- کنتر ل بازده ماکزيمم ( MEC ) : در حالت ايده آل ، نقاط کار بازده ماکزيمم و گشتاور ماکزيمم بر هم منطبق اند.
يک استراتژي رايج ديگر براي کنترل اين نوع درايوها عبارت است از:
.- کنترل جريان ثابت در محور d روتور: در اين روش ids ثابت نگه داشته مي شود و گشتاور موتور با جريان محور q کنترل مي شود.
درايوموتـور موردنظـر بسـته بـه درخواسـت گشـتاور بـار و سـرعت مطلـوب مـي تواند برپايه يکي از استراتژيهاي فوق الذکر کار کند. ابتدا ماشين تحت ماکزيمم گشتاور با راه اندازي مي شود و سپس با افزايش تدريجي گشتاور بار آنگاه که برقراري نامساوي زير:

نقـض گردد(بدان معني که شار پيوندي سيم پيچ محور d استاتور ( .) از مقدار نامي خود تحت ماکزيمم گشتاور توليدي تجاوز نمايد)،استراتژي قبلي ابتدا به استراتژي کنترلي جريان ids تغييرمي يابد وسپس بر روي استراتژي ماکزيمم ضريب توان مجازکه متکي برتحقق رابطه زير است قرارميگيرد [۲] .

۴- کنترل مقاوم و بهينه سرعت موتور سنکرون رلوکتانسي با استفاده از يک کنترل کننده ترکيبي
با مراجعه به [۶] ، جهت طراحي يک کنترل کننده برپايه روش LOC براي يک سيستم خطي با معادله حالت زير:

که در آن A يک ماتريس nn ،b يک بردار سطري *1 n و u سيگنال ورودي است . لازم است تا تابع هدف زير مي نيمم گردد :

در معادـله (۱۰)، r يـک ثابت مثبت و Q يک ماتريس وزني مثبت نيمه معين ١ مي باشد. با مي نيمم کردن تابع فوق ، معادله ريکاتي بصورت زير بدست مي آيد:

کـه در آن M ، ماتـريس ريکاتـي و يـک ماتـريس متقارن نامنفي مي باشد. بنابراين ، سيگنال کنترلي بهينه با هدف مي نيمم سازي انديس رفتاري سيستم بفرم زير مي باشد:

بطوريکـه K ، بهـره فـيدبک حالـت اسـت . در کنترل يک سيستم خطي مبتني بر روش LOC، مادام که اختلال و يا نامعيني در پارامترها وجود نداشته باشـد ضـمن اينکه خطاي ماندگار صفر مي شود و ديناميک مطلوب نيز براي سيستم تحت کنترل قابل استحصال است وليکن با بودن اغتشاشات و يا نامعين بـودن پارامـترهاي سيسـتم عملکـرد بهيـنه و مطلوب سيستم از دست رفته و خطاي ماندگار ظاهر مي شود. يک راه حل براي اين مشکل ، ترکيب اين کنترل کنـنده بـا يـک کنترل کننده مود لغزشي از نوع تغيير ساختار کلي مي باشد که فاقد فاز رسيدن است [۶ ] . در ادامه به تشريح اين نوع کنترل کننده ترکيبي پرداخـته مـي شـود. اکنون با بکارگيري تئوري فوق الذکر ابتدا مراحل طراحي يک کنترل کننده LOC براساس پارامترهاي اوليه بدون وجود نامعيني ها و اغتشاشات براي يک موتور سنکرون رلوکتانسي بشرح زير طراحي مي گردد.
معادلات ديناميکي اين موتور عبارتند از:

و همچنين گشتاور الکترومغناطيسي ماشين بقرار زير است :

براي يک سرعت مرجع متغير حالت زير تعريف مي گردد:

با جايگزيني از معادلات (۱۴) و (۱۵) در معادله (۱۳) خواهيم داشت :

که مي باشند. ماتريس متناظر با A و بردار B به ترتيب عبارتند از:

بطوريکه بر اساس روش LOC سيگنال کنترلي مربوطه عبارت است از:

با توجه به معادله (۱۱) با انتخاب مناسب ماتريس وزني و ثابت مثبت r در شرائط کاري ماندگار نامي ماشين ، ماتريس K1*1 محاسبه مي گردد.
در انتخاب مقادير درايه ماتريس Q و ثابت r بايد شرائط فيزيکي سيستم کنترلي مدنظر قرارگيرد.عموماً، هرچه r کوچکتر باشد بهره فيدبک حالت و در نتيجه سيگنال کنترلي uL بزرگتر خواهد بود و باعث افزايش سرعت پاسخ ديناميکي سيستم تحت کنترل مي گردد. چنانچه r از يک حد معيني کوچکتر باشد سيگنال uL بقدري بزرگ مي شود که باعث به اشباع رفتن اينورتر مي گردد
بـا درنظـر گرفتـن نامعيني ها ي موجود در پارامترهاي الکترومکانيکي و اغتشاشات ناشي از گشتاور بار معادله حالت سيستم مکانيکي بصورت زير مي باشد:

که در آن بردار حالت ،Ru بردار ورودي و بردار عدم قطعيتهاي سيستم مي باشند بطوريکه :

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