چكيده واژههاي كليدي 1- مقدمه 1 مشاهده جريان مستقيم بدون جاروبك سيمپيچهاي استاتور بايد بهترتيب با PWM

Transcript

1 طراحي شبيهسازي و ساخت كنترل سرعت موتور جريان مستقيم آهنرباي داي م بدون جاروبك امين كلاهدوز محسن شاكري علي جباري شعبانعلي گل 1- دانشجوي كارشناسي ارشد گروه ساخت و توليد دانشگاه صنعتي نوشيرواني بابل Aminkolahdooz@gmail.com - دانشيار گروه ساخت و توليد دانشگاه صنعتي نوشيرواني بابل Shakeri@nit.ac.ir 3- دانشجوي دكتري گروه ساخت و توليد دانشگاه صنعتي نوشيرواني بابل Jabbari84@gmail.com 4- مربي گروه الكترونيك دانشگاه صنعتي نوشيرواني بابل Shabangol@yahoo.com چكيده در كاربردهاي خاص كه منابع انرژي محدود و زمان عمليات داراي اهميت بالاي ي بوده استفاده از موتورهاي ي با راندمان بالا و عدم نياز به تعمير و نگهداري مورد توجه زيادي واقع شدهاست. موتورهاي آهنرباي داي م بدون جاروبك براي اين نوع كاربري كانديداي مناسبي هستند. در اين مقاله ابتدا مدل رياضي براي موتور اراي ه شده و سپس با استفاده از روش كنترل برداري نحوه كنترل سرعت موتور مورد بررسي قرار گرفتهاست. در اين پژوهش بهمنظور كنترل سرعت موتور آهنرباي داي م بدون جاروبك از روش كليدزني مدولاسيون پهناي پالس استفاده شده است. جهت ارزيابي روش اراي ه شده موتور آهنرباي داي م در محيط Matlab شبيهسازي شده و نتايج بدستآمده با نتايج آزمايشگاهي مورد مقايسه قرارگرفتهاست. در واقع تفاوت عمده اين پژوهش با ديگر كارهاي انجام شده ساخت كنترل بر اساس استراتژي موجود ميباشد. نتايج مقايسه نشان ميدهد كه روش اراي ه شده داراي كاراي ي و سرعت عملكرد بالا در كنترل موتور آهنرباي داي م بدون جاروبك ميباشد. واژههاي كليدي كنترل PI موتور BLDC مدولاسيون پهناي پالس (PWM) كنترل برداري 1- مقدمه 1 موتورهاي آهنرباي داي م بدونجاروبك در تجهيزات كامپيوتري رباتها و وسايل الكتريكي استفاده ميشوند. راهاندازي اينگونه از موتورها و كاراي ي آنها در تخمين و ايجاد شكل موجهاي مورد نياز در كاربردهاي گوناگون از جمله كنترل سرعت موتورها موجب استفاده روز افزون آنها در صنايع مختلف گرديده است[ 3-1 ]. بهعنوان مثال در سال 1994 موريموتو و همكارانش[ 4 ] به بهبود عملكرد راهاندازها با استفاده از بهينهكردن مقدار تلفات الكتريكي كه شامل تلفات آهني و مسي ميشد پرداختند. بوس[ 5 ] در سال 00 انواع مختلف موتورهاي سنكرون را با موتورهاي القاي ي مقايسه كرد و معادلات مربوط به موتور PM از نوع قطب برجسته را بدست آورد. 004 در سال جيان زين و همكارانش[ 6 ] با استفاده از روش كنترل مدولار توانستند سرعت اينگونه موتورها را كنترل كنند. روشهاي زيادي براي كنترل موتورهاي آهنرباي داي م اراي ه شده كه همگي داراي روابط رياضي پيچيدهاي ميباشند[ 9-7 ]. استفاده از الگوريتمهاي هوشمند براي كنترل اين نوع موتورها در سالهاي اخير متداول شده است[ ]. از جمله متداولترين روشها براي كنترل موتورها در صنايع استفاده از مدولاسيون پهناي پالس ميباشد. با مطالعه مقالات بر روي روشهاي PWM مشاهده ميشود كه اكثر طرحهاي آنالوگ بر مبناي استراتژي كليدزني نمونهبرداري طبيعي صورتگرفتهاند[ 1 ]. براي چرخيدن يك موتور جريان مستقيم بدون جاروبك سيمپيچهاي استاتور بايد بهترتيب با توجه به موقعيت روتور كليدزني شود. براي اين كار ميتوان از يك 39

2 Vq = Rsiq + ωrλd + ρλq (3) Vd = Rsid ωrλq + ρλd (4) كه ω r سرعت الكتريكي موتور R و L بهترتيب مقاومت و مقدار شار آهنرباها ميباشد. اگر معادلات اندوكتانس هر فاز و λ f اينورتر كه توسط مدولاسيون پهناي پالس كنترل ميشود استفاده نمود[ ]. در اين پژوهش ابتدا به مدل رياضي موتور پرداخته و سپس روش كنترل موتور اراي ه ميشود. حسن اين روش تواناي ي كنترل سرعت موتور در دو حالت گشتاور پايدار و گشتاور در زمان شار تضعيفشده ميباشد. نتايج شبيهسازي و تست عملي در بخش سوم با هم مقايسه شدها د.ن جمعبندي شده است. - مدل رياضي موتور و در نهايت با تحليل نتايج بدستآمده مقاله مدل يك موتور آهنرباي داي م در سيستم چرخان d-q در حالت پويا در شكل (1) نشان داده شده است. در زمان t محور چرخشي d θr زاويه روتور را با محور استاتور ايجاد ميكند و نيروي الكتروحركتي 3 استاتور نيز زاويه α را با محور d دارد. mmf استاتور نيز در سرعت مشابهي با سرعت روتور ميچرخد. شار را در روابط ولتاژ جايگزين شود خواهيم داشت: V = R i + ω ( L i + λ ) + ρl i (5) q s q r d d f q q V = R i ω L i + ρ( L i + λ ) d s d r q q d d f (6) گشتاور الكتريكي موتور باتوجه به رابطه (7) بدست ميآيد: 3 P (7) Te = ( )( λdiq λqid ) اين گشتاور طبق رابطه (8) با گشتاور مكانيكي در ارتباط ميباشد: d ω m (8) Te = Tc + T L + Bω m + J dt T l بهترتيب گشتاور T e و T c ω m سرعت مكانيكي موتور كه دندانهاي گشتاور الكترومغناطيسي و گشتاور بار ميباشند. ثابت B ضريب دمپينگ و J نيز ممان اينرسي دوراني موتور بوده كه به ترتيب با سيستم چرخش مكانيكي و بار موتور در ارتباط ميباشند. با حل معادله (8) ميتوان سرعت مكانيكي موتور را بدستآورد كه طبق رابطه (10) در واقع سرعت الكتريكي موتور را خواهيم داشت: Te Tc TL Bωm (9) ωm = dt J ωm ω (10) = r P e c e b و e a در موتورهاي BLDC نيروهاي الكترومغناطيسي به شكل ذوزنقهاي بوده كه با هم 10 اختلاف فاز دارند. جريان ورودي براي رسيدن به يك گشتاور الكترومغناطيسي ثابت داراي شكل موج مربعي همانگونه كه در شكل () آمده ميباشد. شكل 1 -محورهاي موتور مدل موتور براي حالتي بدون سيمپيچ دمپر با توجه بهفرضهاي زير شبيهسازي شده است:.1. صرفنظركردن از اشباع مغناطيسي سينوسيبودن EMF القاءشده.3.4 صرفنظركردن از تلفات فوكو و هيسترزيس عدم بهوجودآمدن ميدان ديناميكي معادلات شار بهصورت زير خواهد بود: λ q = Li q q (1) λ = Li + λ () در اينصورت معادلات ولتاژ بدست ميآيد: شكل -جريان و EMF فاز a d d d f 40

3 3- روش كنترل موتور در اين پژوهش كنترل موتور با استفاده از روش كنترل برداري صورتگرفته است. سيمپيچهاي استاتور بهوسيله يك اينورتر كه تواناي ي توليد فركانس و ولتاژهاي مختلفي دارد همانند شكل (3) تغذيه ميشوند. روش كنترل برداري در دهه 1970 اراي ه شد. در اين روش موتور القاي ي يا سنكرون ميتواند بهصورت يك موتور DC كنترل كرد. براي داشتن موتور با رفتاري شبيه به موتور DC نياز به دانستن موقعيت لحظهاي شار روتور و در واقع موقعيت آهنرباها ميباشد. اين كار را ميتوان توسط سنسورهاي نوري انجام داد. اين محاسبات توسط ماتريس جريان انجام ميگردد. معادله گشتاور براي دو حالت از سرعت موتور بهصورت زير قابل سادهسازي است: (1 اگر گشتاور پايدار باشد به اين معنا است كه موتور در سرعتي پاي ينتر از سرعت مجاز در حال كار باشد در اينصورت برابر صفر ميگردد و اگر i d λ f را ميدان ايجاد شده بهوسيله آهنرباها در نظر بگيريم رابطه گشتاور بهصورت رابطه (14) ساده ميشود: 3 p Te =. λf i (14) q ) حالت دوم حالت گشتاور در شار تضعيف شده است كه شار در جهت محور d موتور كاهش مييابد. در نتيجه رنج سرعت افزايش پيدا ميكند. فرآيند به اينصورت بوده كه درايو موتور براي يك سرعت مشخص شار مجاز را در حد نهاي ي خود نگه ميدارد تا ميزان EMF القاء شده نسبت به فركانس ثابت باقي بماند. شكل 3 -شماتيكي از سيستم درايو جريانها با توجه به رابطه زير بدست ميآيند: i cos( ω r t α ) + a i cos( b rt π = ω + α ) ( I m ) 3 i c cos( ω r t α π + + ) 3 نيز با توجه به تابع تبديل Park بهصورت ( 11) جريانها در محور d و q زير خواهد شد: i q i d sinα = ( I m ) cos α (1) بنابراين معادله گشتاور برابر است با: 3 p 1 Te =. [ ( Ld Lq) Im sin α + λmimsin α] (13) 4 معادله گشتاور براي دو حالت سرعت ) گشتاور پايدار و گشتاور 5 در حالت شار تضعيف شده ( وجود دارد. اين حالتها بر اساس محدوديتهاي فيزيكي موتور و اينورتر ميباشند كه بر اساس سرعت مجاز موتور صورت ميگيرند. ميشوند. اين حالتها مشاهده (4) در شكل شكل 4 -گشتاور الكتريكي در برابر سرعت بعد از گذشتن از فركانس مبنا نسبت تا ولتاژ منبع بازگردد[ 16 ]. V f DC كاهش داده ميشود محدود شده و دوباره به سرعت مبنا در واقع كنترل شار تضعيفشده عبارت از افزايش منفي جريان و استفاده از واكنش آرميچر براي كاهش شار در فاصله هواي ي است[ 17 ]. در اين صورت α و از رابطه (13) بدست خواهد آمد. I m از رابطه (15) و گشتاور i α = Tan ( ), I = i + i 1 q m q d i d ( 15) فلوچارت روش مورد بررسي در شكل (5) آورده شده است. با توجه به انعطافپذيري و گستردگي كاربرد نرمافزار Matlab روش پيشنهادي در آن شبيهسازي شده كه در شكل (8) نشان داده شده است. پارامترهاي موتور شبيهسازي شده در جدول (1) آمده است. اين مدار شامل بخشهاي زير ميباشد: 41

4 1) بخش كنترل شامل: كنترلكننده PI و بلوك عملياتهاي مربوط به گشتاور ميباشد. نحوه عملكرد اين بلوك به اين صورت است كه اگر موتور در حالت گشتاور پايدار باشد (اين حالت زماني اتفاق ميافتد كه α = 90 ميگردد.) با مساوي صفر قرار گرفتن گردد در اين موقع i q I m برابر i d معادله گشتاور بهصورت رابطه (14) ميگردد. با استفاده از رابطه بدستآمده مقدار جريان محور q محاسبه ميشود. حالت گشتاور در شار تضعيفشده داراي مراحل زير بوده: ω r از سنسور نصب شده الف) اندازهگيري موقعيت روتور و سرعت بر روي موتور. ب) محاسبه مقدار جديد از ج) محاسبه *.T e * i q با استفاده از رابطه (14). * i d د) محاسبه. ه) محاسبه α با استفاده از رابطه (15). ) مبدل جريانهاي d-q به abc با توجه به تابع Park عمل ميكند. اين تابع براي ولتاژها بهصورت رابطه (16) بدست ميآيد. شكل 6 -فلوچارت كنترل موتور جدول 1- پارامترهاي موتور (16) در شكل (5) بلوك تبديلي را مشاهده ميكنيد: V q cosθr cos( θr 10) cos( θr + 10) V a Vd sin θr sin( θr 10) sin( θr 10) V = + b 3 V o V c شكل 5 -بلوك تبديل oqd به abc سرعت نامي گشتاور نامي جريان نامي تعداد قطب مقاومت L(Ld & Lq) J B 600 دور بر دقيقه 0 نيوتن متر 8 آمپر 3 1/6 اهم 55/34 ميليهانري 0/005 كيلوگرممترمربع 0/8 نيوتنمترثانيه 3) اينورتر از كليدهاي IGBT و كنترلكننده PWM ساخته شده است. در اين بخش جريانهاي موتور با جريانهاي مرجع مقايسه شده و پالسهاي لازم جهت كليدزني براي حركت موتور توليد ميشود. بلوك اينورتر شبيهسازي شده در Matlab بهصورت شكل (7) ميباشد. 4- ساخت كنترلكننده بر مبناي استراتژي اراي ه شده در بخش قبلي كنترلي ساخته شد. شكل (9) تصويري از اين كنترلكننده ساختهشده را نشان ميدهد. 4

5 شكل 7 -بلوك اينورتر شكل 8 -مدار كامل استفاده شده براي شبيهسازي 43

6 3-4- فيلترسازي شكل 9- كنترلكننده بخشهاي مختلف اين كنترلكننده بهصورت زير تقسيمبندي ميشوند: 1-4- برنامهريز اين بخش واسطه ارتباطي بين كامپيوتر با بخش مقايسهگر سيستم ميباشد (شكل 10). در واقع اين بخش پارامترهاي كليدزني از جمله فركانس ميزان سرعت مطلوب بيشترين جريان ممكن نحوه كليدزني و غيره را از كامپيوتر دريافت و به IC موجود در بخش مقايسهگر ارسال مينمايد. براي يك موتور ثابت بعد از بدست آمدن مقادير بهينه سيستم ميتواند از كامپيوتر جدا شده و بهصورت مجزا كار كند. -4 -بخش مقايسهگر در اين بخش مقدار جريانهاي مبنا با جريانهاي برگشتي از موتور مورد مقايسه قرار گرفته و با استفاده از پارامترهاي موجود در حافظه IC نحوه كليدزني مشخص و ارسال ميگردد (شكل 11). شكل 11- بخش مقايسهگر اين بخش در حذف اختلالات موجود در ولتاژهاي برگشتي از موتور و عملكرد بهتر در بخش مقايسهگر مورد استفاده قرار ميگيرد (شكل 1) منابع تغذيه اين بخش ميزان ولتاژ و جريان لازم براي كليدهاي IGBT را تا مين مينمايد (شكل 13) بخش Power Stage اين بخش از 3 عدد كليد دوتايي IGBT تشكيل شده و با توجه به پالسهاي دريافتي از بخش مقايسهگر اجازه برقدار شدن سيمپيچها را ميدهد (شكل 14). در واقع اين بخش از يك طرف به منبع جريان برق مستقيم و از طرف ديگر به سر سيمهاي موتور متصل ميباشد. در اين بخش علاوه بر كليدهاي IGBT از دو سري خازن استفاده شده است. خازنهاي مورد استفاده جرقههاي احتمالي در هنگام كليدزني را حذف كرده و همچنين باعث كاهش ريپل موتور ميگردند. 5- نتايج شبيهسازي شبيهسازي عملكرد موتور بر اساس بلوك دياگرام شكل (8) صورت گرفته است. فركانس كليدزني اينورتر و نمونهبرداري جريان در روش پيشنهادي 5 KHz ميباشد. نتايج شبيهسازي بر اساس كنترل سرعت در شكل (19) اراي ه شده است. شكل 10- برنامهريز 44

7 شكل 1- بخش فيلتراسيون همانطور كه انتظار ميرفت موتور مجبور به توليد گشتاوري بيشتر از گشتاور بار خارجي شدهاست اصطكاك موجود در بلبرينگها و وجود ضربان در گشتاور را ميتوان بهعنوان دلايلي برشمرد. همانطور كه مشاهده ميشود اين امر از مدت زمان ناپايداري سيستم بسيار ناچيز و در حد چند دهم ثانيه ميباشد. كه اين امر عملكرد مناسب كنترلكننده را نشان ميدهد. در شكل (0) جريانه يا شدهاست. القاء شده در سيمپيچها نشان داده در زمان اوليه اعمال بار خارجي كنترلكننده جريان بيشتري را براي سيمپيچها ارسال ميدارد. اين كار باعث ميشود تا موتور بتواند گشتاور اعمالي را تحمل كند. در شكل (1) سرعت مكانيكي موتور نشان داده شده است. با اعمال بار در تغييراتي زمان t=0/9 مجددا به حالت پايدار بازگشته است. در سرعت مشاهده شده و مقدار ميانگين جريان موتور در حالت بيباري و باردار به ترتيب برابر 1/3 و /73 آمپر در تست موتور بدست آمده است. بيشترين مقدار جريان دريافتي از اينورتر در اين حالتها به ترتيب برابر 1/8 و 6/ آمپر ميباشد. نير يو الكترومغناطيسي برگشتي موتور نمونه براي يك فاز اندازهگيري شده در شكل( 15 ) نشان داده شده است. شكل( 16 ) نيز شكل موج كليدزني را براي هر فاز نشان ميدهد. اين مقادير با توجه به مشخصات موتور و پارامترهاي در نظر گرفته در طراحي درايو قابل قبول ميباشد. شكل 13- منابع تغذيه شكل 15 - شكل موج BEMF شكل -14 بخش Power Stage بر اساس شكل (19) تا زمان 0/9=t موتور بيبار بوده و پس از آن گشتاور بار 0Nm به آن اعمال شده است. در اين شبيهسازي كنترل سرعت موتور بر اساس ايده كنترل برداري در دو حالت گشتاور پايدار و گشتاور در شار تضعيفشده مد نظر بودهاست. شكل 16 - سيگنال كليدزني 45

8 شكل (17) نمودار سرعت موتور هنگاميكه موتور در حالت بيبار بوده و شكل (18) براي حالت باردار را در تست آزمايشگاهي نشان ميدهد. براي دستيابي به يك مقايسه دقيقتر مقدار اعداد نمودارها بر يك اساس رسم شدهاست. به دليل آنالوگبودن دستگاه تست محور افقي بر واحد زمان بوده و ميزان 33 تغيير را در سرعت نشان ميدهد نه مدت زمان كاركرد موتور را. وجود بار خارجي باعث كاهش سرعت موتور ميگردد و كنترلكننده با افزايش ميزان جريان وروردي به موتور سعي در ثابت نگهداشتن سرعت دارد اين امر دليل ميزان نوسانات بيشتر موتور در حالت باردار نسبت به حالت بيباري ميباشد. در كل نتايج بدستآمده در تست آزمايشگاهي عملكرد مناسب كنترلكننده ساخته شده را بههمراه دارد. همانگونه كه قابل مشاهده است ميزان نوسان موتور در حالت تست آزمايشگاهي از ميزان نوسانات در شبيهسازي بيشتر ميباشد. دليل اين امر ميتواند پارازيتهاي سيستم در حين انجام عمليات ميزان خطاي موتور مورد تست منبع تغذيه ناپايدار و... ميباشد. 6- نتيجهگيري در اين مقاله يك الگوريتم كنترل موتور با استفاده از كنترل برداري در حالتهاي گشتاور پايدار و گشتاور در موقعيت تضعيف شار اراي ه شدهاست. مدل يك موتور BLDC و همچنين مدلهاي رياضي براي بخشهاي كنترل و تبديلكنندهها با استفاده از نرمافزار Matlab/Simulink شبيهسازي شدهاست. كنترلكننده بهصورت عملي ساخته و تست شده است. نتايج نشاندهنده عملكرد مناسب اين روش كنترلي در شبيهسازي و تست آزمايشگاهي ميباشند. ميزان خطاهاي موجود در تست عملي با نتايج شبيهسازي را ميتوان بهدلايلي از قبيل پارازيت موجود در فضايكاري عيوب موجود در موتور و مهمتر از همه منبع تغذيه ناپايدار ذكر نمود. شكل 17- نمودار سرعت بر واحد زمان در حالت بيبار شكل 18- نمودار سرعت بر واحد زمان در حالت باردار 46

9 شكل 19 -گشتاور الكتريكي در شبيهسازي شكل 0- جريانهاي سه فاز در شبيهسازي شكل 1 -سرعت مكانيكي در شبيهسازي 47

10 [13] G.J. Su, G.W. Ott, J.W. McKeever, K.S. Samons, R.L. Kessinger; Development of a Sensor-less Speed Control Inverter for an Automotive Accessory Permanent Magnet Motor, 000 Future Car Congress, April 000. [14] Datasheet of AN885 from Microchip Technology Inc. [15] L. Enrique, C. Arroyo; Modeling and Simulation of Permanent Magnst Synchronous Motor Drive System, Uni. PUERTO RICO, 006. [16] R. Krishnan; Electric Motor Drives Modeling, Analysis and Control Pearson Education, Virginia Tech, 001. [17] X. Junfeng, W. Fengyan, F. Jianghua, X. Jianping; Flux-weakening control of permanent magnet synchronous motor with direct torque control consideration variation of parameters, Industrial Electronics Society, Annual Conference of IEEE, IECON vol., pp , Brushless DC motor (BLDC) - Pulse Width Modulation (PWM) 3 - Electromotive Force (MMF) 4- Constant Torque Operation 5- Flux-Weakening Operation 8- پينوشتها 7- مراجع [1] K. Taniguchi, Y. Ogin, H. Irie; PWM Technique for Power MOSFET inverter, IEEE, Industerial Applications, VOL. 30, No., 1994, P [] S. Mekhilef, N.A. Rahim, Z.A. Karim; Analysis of Different Type pf PWM for Three phase Converter, IEEE, Industerial Power Electronic 000, P [3] A. Moamoun, M.M. Ahmed; Microprocessor Control System for PWM IGBT Feeding Three Phase Induction Motor, IEE, Elec. Power Appl., P [4] S. Morimoto, Y. Tong, Y. Takeda, T. Hirasa; Loss minimization control of permanent magnet synchronous motor drives, Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol. 41, pp , 1994 [5] B. K. Bose; Modern power electronics and AC drives, Prentice Hall, 00. [6] X. Jian-Xin, S. K. Panda, P. Ya-Jun, L. Tong Heng, and B. H. Lam, "A modular control scheme for PMSM speed control with pulsating torque minimization", Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol. 51, pp , 004. [7] Morimoto, S., Takeda, Y., Hirasa, T., Taniguchi, K. ; Expansion of operating limits for permanent magnet motor by current vector control considering inverter capacity, IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 6, no. 5, P , Sep/Oct [8] S. Morimoto, Y. Takeda, T. Hirasa; Current Phase control Methods for PMSMs, IEEE Tran. On Power Electronics, vol. 5, No., [9] S. Morimoto, M. Sanda, Y. Takeda; Wide- Speed Operation of Interior PMSM with High-Performance Current Regular, IEEE Tran. on IA, vol. 30, No. 4, [10] M.A. Rahman, M.N. Uddin, M. Abido; An Artificial neural Network for on Line Tuning of Genetic Algorithm based PI Controller for IPMSM Derive, Power Conversion Conf., PCC Osaka 00, P [11] M.A. Rahman, M.A. Hoque, C.B. Butt, M.N. Uddin, M. Abido; Testing of genetic-pi based Controller for IPMSM derive, Industerial Tech., IEEE ICIT, vol. 1, P , 00. [1] T.J.E. Miller; Brushless Permanent-Magnet and Reluctant Motor Drives, Oxford,