کنترل جریان موتور سوي یچ رلوکتانس در سرعت هاي بالا بر مبناي back-emf

Transcript

1 No. F-13-AAA- کنترل جریان موتور سوي یچ رلوکتانس در سرعت هاي بالا بر مبناي back-emf علی آشورنژادمقدم دانشگاه صنعتی اصفهان قاین ایران جواداسدالهی دانشگاه آزاد اسلامی واحد گناباد قاین ایران چکیده کنترل کننده جریان رایج که در اکثر موتورهاي سوي یچ رلوکتانس به کار میرود کنترل کننده هیسترزیس است. معایبی نظیر ریپل جریان بالاو فرکانس متغیر باعث شده است در بسیاري از کاربردها از کنترل کننده تناسبی انتگرالی (pi) استفاده شود. از آنجاییکه کنترلکننده pi براي نقطه کار خاصی طراحی میشود و از طرفی موتور سوي یچ رلوکتانس به شدت غیرخطی میباشد بهتر است از کنترل کننده pi با ضرایب متغیر (gspi) با تجزیه back-emf در حلقه کنترل استفاده شود. این کنترل کننده در سرعت هاي پایین داراي عملکرد مناسبی است ولی با افزایش سرعت نمیتواند مرجع جریان را به خوبی دنبال کند و عملکرد مطلوبی ندارد. در این مقاله از ایده ولتاژ لینک dc متغیر( dc-link (variable استفاده شده است تا کنترل کننده جریان داراي عملکرد مناسبی براي تمام نقاط کاري باشد. نتایج شبیه سازي براي بررسی عملکرد وتوانایی روش پیشنهاد شده در کنترل جریان در سرعت هاي بالا بیان شده اند. واژههاي کلیدي ولتاژ back-emf عملکرد سرعت بالا موتور سوي یچ رلوکتانس کنترل جریان مقدمه 1. موتور سوي یچ رلوکتانس داراي مزایاي سادگی مقاوم بودن هزینه ساخت و هزینه نگهداري پایین است. هرچند مشخصه غیرخطی سوي یچ رلوکتانس آنالیز و کنترل ماشین را پیچیده میکند و استفاده از آن در وسایل با کارایی بالا را محدود میکند [2]. یکی از معایب موتور سوي یچ رلوکتانس بالا بودن ریپل گشتاور آن است. گشتاور معمولا از طریق حلقه کنترل جریان داخلی بر مبناي رابطه غیرخطی بین گشتاور و جریان کنترل میشود. براي دستیابی به گشتاور با ریپل کم کنترل کننده جریان باید قابلیت تعقیب دقیق جریان مرجع را داشته باشد. کنترل کننده جریانی که در اکثر موتورهاي سوي یچ رلوکتانس مورد استفاده قرار میگیرد کنترل کننده هیسترزیس است. کنترل کننده هیسترزیس پایداري مناسبی دارد و براي وسایل غیرخطی نظیر موتور سوي یچ رلوکتانس مناسب میباشد. اما این کنترل کننده معایبی نظیر فرکانس سوي یچینگ متغیر و ریپل جریان بالا را دارد که استفاده از آن را در بسیاري از کاربردها محدود میکند. کنترل کننده تناسبی انتگرالی (pi) داراي مزایاي فرکانس سوي یچینگ ثابت ریپل جریان کم و به کارگیري دیجیتالی ساده است ولی استفاده از این کنترل کننده براي موتور سوي یچ رلوکتانس که بشدت غیر خطی میباشد داراي مشکلاتی است. زیرا کنترل کننده pi در یک نقطه کار خاصی داراي عملکرد بهینه است و پاسخ این کنترل کننده براي نقاط کاري دیگر داراي پهناي باند بالاتر و یا پایین تر از مقدار مطلوب است. براي غلبه بر این مشکل در موتور سوي یچ رلوکتانس معمولا از کنترل کننده pi با ضرایب متغیر (gspi) با جداسازي اثر back-emf استفاده میشود. تطبیق ضرایب کنترل کننده pi با استفاده از روش هاي خطی ساده انجام شده است. تغییرات پهناي باند و حد فاز در این روش محدود شده است ولی هنوز این تغییرات وجود دارند[ 3 ]. اندوکتانس تابعی خطی از موقعیت فرض شده است و در نتیجه براي ناحیه کاري داراي اشباع معتبر

2 نمیباشد[ 9 ]. اندوکتانس موتور و back-emf با استفاده از روش هاي محاسباتی پیچیده به دست آمده اند[ 1 ]. مرجع [2] تطبیق ضرایب را به خوبی انجام داده است اما نتایج تنها براي سرعت هاي پایین بیان شده است.یکی از مشکلات کنترل جریان موتور سوي یچ رلوکتانس عدم توانایی تعقیب جریان در سرعت هاي بالا است. دلیل این امر کاهش ولتاژ لینک dc موثر بر روي هر فاز است. در این مقاله براي دستیابی به کنترل جریان مناسب براي تمام نقاط کاري از ولتاژ لینک dc متغیر متناسب با مقدار back-emf استفاده شده است. نتایج شبیه سازي براي بررسی عملکرد و توانایی روش پیشنهادي شده اند. به منظور کنترل جریان در تمام نقاط کاري بیان 2.طراحی کنترل کننده جریان 2.1. مدلسازي موتور طراحی موتور سوي یچ رلوکتانس معمولا به گونه اي انجام میشود که اندوکتانس متقابل بین فازها به حداقل برسد. بنابراین با صرف نظر کردن از اثر متقابل فازها معادله هر فاز ماشین به صورت زیر خواهد بود: تعداد قطب هاي استاتور 8 اینرسی موتورSR ولتاژ نامی Flux linkage (Wb) Nm 28v 2 - S 2 Rotor position (degree) Phase current (A) شکل 1- مشخصات شار موتور مورد بررسی شکل 1 مشخصه شار پیوندي براي یک فاز موتور سوي یچ رلوکتانس در طول یک پریود الکتریکی را نشان میدهد. همانگونه که در شکل دیده میشود سوي یچ رلوکتانس به شدت غیرخطی میباشد و شار ماشین با تغییر موقعیت و جریان تغییر میکند. با توجه به مشخصه شکل 1 و با استفاده از روابط عددي میتوان مشخصات مربوط به تغییرات اندوکتانس افزایشی و back-emf را به دست این مشخصات را آورد. میتوان در ذخیره کرد و سپس مورد استفاده قرار داد. جدول جستجو ( lookup table ) 2.2. جداسازي back-emf از حلقه کنترل جریان بلوك دیاگرام کنترل کننده pi جریان مورد نظر در شکل 2 نشان داده شده است. چنانچه back-emf را از حلقه کنترل جریان حذف کنیم طراحی کنترل کننده pi ساده تر انجام میشود. back-emf را میتوان با استفاده از lookup table بیان شده در قسمت قبل به دست آورد و سپس به خروجی کنترل کننده pi اضافه کرد. (1) «در معادله (1)» Vph ولتاژ فاز Rs مقاومت سیم پیچی فاز iph جریان فاز ϕph شار فاز θ موقعیت روتور Ls اندوکتانس افزایشی هر فاز برابر (1) آخرین عبارت سمت راست سرعت موتور هستند. ω و ولتاژback-emf است. همچنین اندوکتانس افزایشی برابر مشتق شار فاز نسبت به جریان فاز است. جدول 1 -مشخصات موتور سوي یچ رلوکتانس 8/6 8 تعداد قطب هاي استاتور 6 تعداد قطبهاي رتور 1rpm سرعت نامی.hp توان نامی.7 مقاومت فاز 2

3 .2.3 شکل 2- بلوك دیاگرام حلقه کنترل جریان تطبیق ضرایب کنترل کننده pi چنانچه جداسازي back-emf به خوبی انجام شود بلوك دیاگرام حلقه کنترل جریان به صورت شکل 3 ساده خواهد شد. شکل 3- بلوك دیاگرام حلقه کنترل جریان ساده شده تابع تبدیل حلقه باز سیستم شکل 3 با در نظر گرفتن بهره مبدل قدرت برابر است با: (2) میرسد. شکل 4 دیاگرام بود حلقه کنترل جریان را در حالت استفاده از کنترل کننده pi با ضرایب ثابت را نشان میدهد. در این شکل دیاگرام بود حلقه کنترل جریان براي سه موقعیت همراستایی غیرهمراستایی و موقعیت میانه رسم شده است. براي موتور مورد بررسی این مقادیر به ترتیب برابر.2.1 و.8 هانري هستند. این دیاگرام نشان میدهد که چنانچه کنترل کننده pi داراي ضرایب ثابت باشد بسته به نقطه کار اندازه تابع تبدیل حلقه بسته داراي تغییرات زیادي خواهد بود. در نتیجه حد فاز و پهناي باند متغیر خواهد بود. مزیت تطبیق ضرایب کنترل کننده pi ثابت بودن دینامیک با تغییر اندوکتانس است. شکل دیاگرام بود در حالتی که تطبیق ضرایب متناسب با تغییرات حلقه کنترل جریان انجام شود را نشان میدهد. مختلف در این شکل مشاهده میشود. پهناي باند ثابت به ازاي نقاط کاري Magnitude (db) Phase (deg) Bode Diagram Frequency (rad/sec) align unalign middle چنانچه کنترل کننده را به صورت زیر تنظیم کنیم قطب ماشین حذف خواهد شد. (3) با حذف قطب ماشین طبق (3) تابع تبدیل حلقه بسته سیستم کنترل جریان شکل 3 برابر خواهد بود با: (4) پهناي باند سیستم بیان شده توسط( 4 ) عبارت است. از آنجاییکه طراحی کنترل کننده بر اساس پهناي باند مورد نظر انجام میشود بنابراین اگر پهناي باند bw مورد نظر باشد ضرایب تناسبی و انتگرالی براي داشتن پهناي باند ثابت به صورت زیر خواهند بود. () (6) با توجه به ( ( ضریب تناسبی کنترل کننده متناسب با تغییرات اندوکتانس تغییر میکند و ضریب انتگرالی مقدار ثابتی دارد که از (6) به دست میآید. براي داشتن پاسخ جریان مناسب و پهناي باند ثابت تغییرات کنترل کننده pi متناسب با تغییرات اندوکتانس افزایشی امري ضروري به نظر شکل 4- دیاگرام بود حلقه کنترل جریان با کنترل کننده pi با ضرایب ثابت Magnitude (db) Phase (deg) Bode Diagram Frequency (rad/sec) align unalign middle شکل - دیاگرام بود حلقه کنترل جریان با کنترل کننده pi با ضرایب متغیر 3

4 ج. شکل 6- مبدل پل براي تغذیه لینک dc موتور مبدل فوق به گونه اي طراحی شده است که در حالت جریان پیوسته (CCM) کار کند. طراحی سلف و اندوکتانس فیلتر خروجی بر اساس ولتاژ خروجی مورد نظر و با توجه به اصل تعادل شار براي سلف و اصل تعادل شکل 7 - نتایج شبیه سازي براي دو کنترل کننده pi و gspi سرعت 3rpm وگشتاور.3N.m الف)جریان موتور. ب) نماي نزدیک جریان قسمت 3.لینک dc متغییر موتور (الف ( )گشتاور یکی از مشکلات کنترل جریان موتور سوي یچ رلوکتانس عدم توانایی کنترل جریان مرجع در سرعت هاي بالا است. در واقع با توجه به (1) با افزایش سرعت مقدار back-emf زیاد میشود ودر نتیجه اندازه ولتاژ موثر بر روي هرفاز کاهش مییابد. بنابراین جریان نمیتواند مقدار مرجع را به خوبی دنبال کند. براي غلبه بر این مشکل میتوان از ولتاژ لینک dc متغیر استفاده کرد[ 1 ]. البته از این ایده براي کاهش نویز صوتی در [4] استفاده شده است. در این مقاله از مبدل پل براي تامین ولتاژ لینک dc استفاده شده است. تغییرات ولتاژ بر اساس back-emf انجام میشود و به گونه ایست که در سرعت هاي پایین که back-emf مقدار ناچیزي دارد ولتاژ کمتري به فاز اعمال میشود. مبدل مورد نظر براي تامین ولتاژ لینک در شکل 6 نشان داده شده است. بار براي خازن انجام میشود. براي دستیابی به عملکرد خوب و کنترل جریان مناسب در تمامی رنج سرعت ولتاژ لینک براي موتور بین 1 تا 4 ولت تغییر میکند. این تغییرات ولتاژ متناسب با back-emf که تحت تاثیر نقطه کار موتور قرار دارد به دست میآید. 4.نتایج شبیه سازي در این قسمت نتایج شبیه سازي براي کنترل کننده جریان pi و pi با ضرایب متغیر (gspi) به همراه روش پیشنهادي اراي ه شده است. شبیه سازي موتور مورد بررسی در محیط Simulink نرم افزار MATLAB انجام شده است. نتایج شبیه سازي بر اساس کنترل جریان براي کنترل گشتاور متوسط بیان شده اند. شکل 7 نتایج شبیه سازي براي مقایسه دو کنترل کننده pi و pi با ضرایب متغیر( gspi ) در سرعت پایین 3 دور بر دقیقه را نشان داده است. براي مقایسه بهتر جریان نماي بزرگ شده این شکل موج نیز نشان داده شده است. در قسمت (ج) گشتاور حاصل از این دو کنترل کننده براي مقدار 4

5 ج. مرجع 3 نیوتن متر نشان داده شده است. عملکرد بهتر کنترل کننده pi با میدهد. ولتاژ لینک براي این نقطه کار نیز در شکل 9- ج نشان داده شده ضرایب متغیر در این شکل قابل درك است. است. تاثیر روش پیشنهادي براي سرعت هاي بالا در شکل 9 نشان داده شده است. شکل 9 ب- گشتاور دو کنترل کننده pi و pi با ضرایب و لینک dc متغیر را براي سرعت 2 دور بر دقیقه و گشتاور 1 نیوتن متر را با افزایش سرعت back-emf افزایش مییابد و در نتیجه جریان نمیتواند به خوبی مقدار مرجع را دنبال کند. در این شرایط دو کنترل کننده pi و pi با ضرایب متغیر عملکرد تقریبا یکسانی دارند. شکل 8 - نتایج شبیه سازي براي دو کنترل کننده pi و gspi سرعت 1rpm وگشتاور.2N.m الف)جریان موتور. ب) ولتاژ back-emf )گشتاور موتور براي بررسی این حالت نتایج شبیه سازي براي سرعت 1 دور بر دقیقه و گشتاور 2 نیوتن متر در شکل 8 رسم شده اند. شکل 8 ب- back-emf را براي سرعت 1 دور بر دقیقه و جریان قسمت اندازه (الف ( نشان میدهد. گشتاور براي این دو کنترل کننده در شکل 8 - ج نشان داده شده است. براي مقایسه عملکرد کنترل کننده ها ریپل گشتاور کنترل کننده هاي مختلف در جدول 2 خلاصه شده اند.شکل 9 عملکرد موتور را شرایط قبلی (سرعت 1 دور بر دقیقه و گشتاور 2 نیوتن متر) با در نظر گرفتن ولتاژ لینک dc متغیر براي کنترل کننده pi با ضرایب متغیر نشان میدهد.استفاده از ولتاژ متغیر کنترل جریان را نسبت به حالت قبل بهبود و ریپل گشتاور را همانطور که در جدول 2 نشان داده شده است کاهش نشان میدهد. ولتاژ لینک براي این حالت در قسمت (ج) نشان داده شده اند. همانگونه که مشاهده میشود با افزایش سرعت و در نتیجه افزایش back-emf ولتاژ لینک نیز افزایش مییابد. ریپل گشتاور براي این حالت نیز در جدول 2 بیان شده است.در نهایت شکل 1 گشتاور را براي همان سرعت قبلی (2 دور بر دقیقه) و گشتاور 2 نیوتن متر نشان میدهد. همانطور که مشاهده میشود در سرعت هاي بالا کنترل کننده با ولتاژ لینک ثابت توانایی کنترل جریان و در نتیجه دستیابی به گشتاور مطلوب را ندارد.

6 هاي بالا میشود. این امر را میتوان در کاهش ریپل گشتاور از %47 به %37 در سرعت 2 دور بر دقیقه مشاهده کرد. pi جدول 2 - مقایسه ریپل گشتاور براي کنترل کننده هاي مختلف ریپل گشتاور کنترل کننده هاي مختلف Variable dc-link gspi %16.2 %37 gspi %19.8 %47 %22.2 %47 سرعت 1rpm کشتاور 2N.m سرعت 2rpm کشتاور 1N.m 6 pi variable dc-link gspi 4 Torque (N.m) Time (s) جدول 2 ریپل گشتاور حاصل از کنترل کننده هاي مختلف بررسی شده در شکل 9- نتایج شبیه سازي براي دو کنترل کننده pi و variable dc-link gspi سرعت 1rpm وگشتاور.2N.m الف)جریان موتور. ب) گشتاور موتور.ج)ولتاژ این مقاله را بیان میکند. همانگونه که در این جدول مشاهده میشود لینک کنترل کننده pi و pi با ضرایب متغیر (gspi) در سرعت هاي بالا عملکرد یکسانی دارند و تطبیق ضرایب تاثیري در عملکرد کنترل کننده ندارد. افزایش ولتاژ لینک متناسب با back-emf منجر به دستیابی کنترل جریان بهتر در سرعت 6

7 شکل 11- گشتاور براي دو کنترل کننده pi وgspi variable dc-link سرعت 2 rpm و گشتاور 2 N.m.نتیجه گیري در این مقاله کنترل کننده جریان موتور سوي یچ رلوکتانس براي سرعت هاي بالا پیشنهاد شده است. کنترل کننده pi و pi با ضرایب متغیر مورد بررسی قرار گرفته اند و نشان داده شده است این کنترل کننده ها در سرعت شکل 1 - الف) گشتاور براي دو کنترل کننده pi و هاي بالا عملکرد مناسبی ندارند و نمیتوانند مرجع جریان را به خوبی.1 N.m و گشتاور 2 rpm سرعت variable dc-link gspi ب)ولتاژ لینک dc براي نقطه کار فوق تعقیب کنند. از این رو از ولتاژ لینک dc متغیر متناسب با back-emf استفاده شده است تا کنترل جریان در تمامی سرعت ها به خوبی انجام شود. نتایج شبیه سازي نشان میدهند که روش پیشنهاد شده جریان را به خصوص در سرعت هاي بالا بهتر کنترل میکند. منابع [1] H. Hannoun, M. Hilairet, C. Marchand, Gain-scheduling PI current controller for a Switched Reluctance Motor motor. IEEEInt. Symp. on Industrial Electronics, ISIE 27, June, 27, pp [2] Z. Lin, D. Reay, B. Williams, X. He, High-performance current control forswitched reluctance motors based onon-line estimated parameters IET Electr. Power Appl., 21, Vol. 4, Iss. 1, pp [3] S.Schulz, Rahman, High-performance digital PI current regulator for EV switched reluctance motor drives IEEE Trans. Ind. Appl., 23, 39, (4), pp [4] D.Panda, V. Ramanarayanan, Reduced Acoustic Noise Variable DC- Bus-Voltage-Based Sensorless Switched Reluctance Motor Drive for HVAC Applications IEEE Trans. IndElec, vol. 4, NO. 4, August 27 [] H.Hannoun, M,Hilairet, High performance current control of a switched reluctance machine based on a gain-scheduling PI controller Control Engineering Practice 19,211, [6] H.Hannoun, M.Hilairet, C. Marchand, Design of an SRM Speed Control Strategy for a Wide Range of Operating Speeds IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 7, NO. 9, SEPTEMBER 21 [7] X.Rain, M.Hilairet, O.Bethoux, Comparative study of various current controllers for the switched reluctance machine, Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), 21 IEEE, vol., no.,pp.1-6, 1-3Sept. 21 [8] D.Lee, J.Lee, J.Ahn Current Control of A High Speed SRM with an Advanced 4-Level Converter 8th International Conference on Power Electronics - ECCE Asia May 3-June 3, 211 [9] H. Baeand, R.Krishnan, A study of current controllers and development of a novel current controller for high performance SRM drives IEEE IAS Annual Meeting, 1996,vol. 1, pp [1] Krishnan,R., Switched Reluctance Motor Drive: Modeling, simulation, Analysis, Design and application, Magna Physics Publishing, 21 7