بهينه سازی کنترل کننده فازی در کنترل مستقيم گشتاور موتور بدون جاروبک

Transcript

1 بهينه سازی کنترل کننده فازی در کنترل مستقيم گشتاور موتور بدون جاروبک 1 محمد رضائی 1 عباس شيری 1 گروه برق واحد بروجرد دانشگاه آزاد اسالمی بروجرد ایران Mohammad.Rezae1987@yahoo.com باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان واحد بروجرد دانشگاه آزاد اسالمی بروجرد ایران 1 دانشکده مهندسی برق دانشگاه تربيت دبير شهيد رجایی تهران ایران Abbas.Shr@srttu.edu چکيده یکی از پرکاربردترین موتورهایی که در صنایع مختلف دارای کابردهای زیادی است موتور دی سی بدون جاروبک (BLDC) کنترلی می باشد. امروزه این موتور به دليل ویژگی های برتر نسبت به سایر موتورها مورد توجه بوده و روز به روز به کاربرد های مختلف آن در صنایع مختلف اضافه می شود. گسترش استفاده از این موتورها موجب شده است تا کنترل گشتاور موتور مورد توجه واقع شود. در این مقاله کنترل گشتاور موتور BLDC با استفاده از کنترل کننده فازی مورد بررسی قرار گرفته است. این کنترل کننده به دليل انعطاف پذیری در طراحی قابليت های مناسب تری نسبت به کنترل کننده های کالسيک مرسوم دارد. در این مقاله به منظور باال بردن کارایی کنترل کننده فازی از الگوریتم بهينه سازی پرندگان در ساختار استفاده شده است. این الگوریتم بهينه سازی با ساختاری هوشمند اقدام به بهينه سازی ضرایب کنترل کننده فازی با هدف کاهش نوسانات گشتاور نموده است. به همين منظور تابع هدف الگوریتم بهينه سازی کاهش نوسانات خطای گشتاور بوده است. در این مقاله برای تحليل و بررسی عملکرد روش های ارائه شده از محيط شبيه سازی و برنامه نویسی نرم افزار متلب استفاده شده است. كليد واژه- الگوریتم بهينه سازی پرندگان بهينه سازی كنترل كننده فازی موتوردی سی بدون جاروبک كنترل مستقيم گشتاور مقدمه 1- با توجه به اهميت موتور های BLDC وكاربرد روز افزون این نوع موتورها محققين متعددی بر روی كنترل این گونه موتورها با روش های مختلف كنترلی تحقيق نموده اند. روش كنترل برداری یکی از مهمترین روش هایی است كه برای كنترل موتور های مختلف مورد توجه قرار گرفته است. در مرجع [7-1] از روش كنترل برداری برای كنترل موتورBLDC استفاده شده است. به دليل معایب این روش از جمله تبدیالت زیاد محاسبات پيچيده و پاسخ كند به طور گسترده در كنترل موتور هایBLDC مورد توجه قرار گرفته نشده است. یکی از روش هایی كه توسط محققين بسياری مورد توجه قرار گرفته است روش كنترل مستقيم گشتاور است. روش كنترل مستقيم گشتاور برای اولين بار در سال 1891 توسط تاكاهاشی مطرح شد[ 9 ]. این روش برای كنترل موتورهای BLDC در مقاالت متعددی پياده سازی شده است [8]. در مرجع [11] این روش برای اینورتر 4 سوئيچه مورد استفاده قرار گرفته است كه موجب كاهش حجم درایو و هزینه شده است. همچنين برخی محققين كاهش ریپل گشتاور را در این روش مورد توجه قرار داده اند[ 11 ]. در مرجع [11] برای كنترل از روش كنترل مستقيم گشتاور با استفاده از اینورتر 4 سوئيچه استفاده شده است و برای كاهش ریپل گشتاور از تزریق جریان فاز با در نظر گرفتن مقدار لحظه ای ولتاژ ضد محركه استفاده شده است. در این روش یک روش بر خط برای تخمين مقدار ولتاژ ضد محركه استفاده شده است. یکی دیگر از روش های كنترلی موتورهایBLDC كه اخيرا مورد توجه قرار گرفته است روش كنترل مستقيم توان است كه دراین روش كنترل موتور مانند كنترل مستقيم گشتاور است با این تفاوت كه به جای تخمين گشتاور توان موتور تخمين زده میشود كه ساده تر بوده و دیناميک سریعتری نيز دارد. درمرجع [11] از روش كنترل مستقيم توان برای اولين بار برای كنترل موتورBLDC استفاده شده است. در مرجع [14] یک روش جدید برای كنترل بدون حسگر موتور با اینورتر 4 سوئيچه ارائه شده است كه با توجه به كاهش تعداد سوئيچ ها و استفاده از روش بدون حسگر ميزان هزینه درایو

2 كاهش یافته است. روش بدون حسگر استفاده شده در این روش )5( كنترلی بر مبنای شناسایی نقطه عبور از صفر توابع ولتاژ است كه از فيلتر كردن ولتاژ های ترمينال حاصل میشود. استفاده از این روش موجب می شود نيازی به تاخير فاز 11 یا 81 درجه ای كه در روش های رایج بدون حسگراستفاده میشود نباشد. نتایج حاصل شده نشان می دهد كه این روش كارایی قابل قبولی داشته و به صورت عملی پياده سازی شده است. ی نحوه 1 شکل سيمولينک را نشان می دهد. پياده سازی روابط باال در f ( u) u 1 floor( u 1 / 2 ).2 محيط متلب 2- موتور دی سی بدون جاروبک (BLDC) -3 موتورهای دی سی بدون جاروبک یا BLDC به دليل داشتن ویژگی های منحصر به فرد موتور DC به این نام خوانده می شوند. ولی در حقيقت این موتور ها موتور های AC می باشند. همچنين به دليل اینکه در این موتورها كموتاسيون توسط كليد زنی مبدل انجام می شود و جاروبک حذف شده است به این موتورها موتور های بدون جاروبک گفته می شود. برای مدلسازی سرعت موتور از روابط زیر استفاده می كنيم 2 d r 2 Te J ( ) Bm ( ) r TL p dt p گشتاور كل از مجموع گشتاورهای هر فاز طبق رابطه زیر به دست می آید سررعت زاویه ای روتور با صرف نظر از ضریب ميرایی از رابطه زیر به دست می آید r P ( T T ) dt e L j همچنين سرعت روتور برحسب دور در دقيقه نيز با استفاده از فرمول زیر به دست می آید )4( دراین مدل وضعيت روتور) ( با استفاده ازسرعت زاویه ای r ( r به دست می آید كه مقدار آن از 1 تا 2 رادیان در هر روتور) سيکل الکتریکی تغيير می نماید. این تبدیل در وضعيت روتور توسط تابع floor درمحيط Matlab با فرمول زیر قابل اجراست. شکل 1: نحوه اجرای بلوک گشتاور و سرعت درمحيط متلب ساختار کلی کنترل گشتاور موتور بدون جاروبک روش های كنترلی جهت كنترل گشتاور گوناگون می باشند. روش كنترل مستقيم گشتاور برای اولين بار در سال 1891 توسط تاكاهاشی مطرح شد. با استفاده از این روش امکان دستيابی به عملکرد مناسب كنترل گشتاور موتور بدون نياز به حسگر سرعت فراهم می شود. از طرف دیگر این روش دارای معایب شناخته شده زیر می باشد: 1( پيچيدگی كنترل شار و گشتاور در سرعتهای بسيار پایين 1( تضاریس یا ضربانهای زیاد جریان و گشتاور 1( فركانس كليد زنی متغير 4( ميزان زیاد اغتشاش در سرعتهای كم 5( عدم امکان كنترل مستقيم بر روی جریان در دهه اخير تحقيقات گسترده ای در راستای بهبود مشکالت فوق الذكر انجام شده است. استفاده از جداول كليدزنی اصالح شده اصالح الگوهای كليدزنی اصالح مقایسه كننده ها با )بدون( محدود كننده هيسترزیس دو و سه سطحی اعمال روشهای فازی و عصبی- فازی استفاده از تخمين گرهای اصالح شده شار برای بهبود عملکرد آنها در سرعت های پائين و باالخره اعمال روشهای مبتنی بر PWM و SVM برای تثبيت فركانس كليدزنی مطرح شده اند. اولين بار در سال 1111 آقای Casade و همکاران روش كنترل مستقيم گشتاور را با استفاده از مبدل ماتریسی مطرح نمودند. در این روش عالوه بر كنترل شار استاتور و گشتاور موتور T ( E I E I E I ) / e a a b b c c n r 6r 2

3 V t R dt s s s s V t R dt s s s s )9( ضریب توان ورودی نيز اصالح شده است. در این طرح همانطور كه از نامش مشخص است گشتاور و شار بصورت مستقيم از طریق انتخاب بردارهای فضایی ولتاژ و به كمک یک جدول جستجو كنترل میشوند. قبل از بيان استراتژی كنترل ارتباط بين گشتاور و شارهای استاتور و رتور را بيان می كنيم. با توجه به تئوری ماشينهای گردان گشتاور الکترومغناطيسی بوجود آمده در موتور با حاصل ضرب خارجی شار روتور و استاتور رابطه مستقيم دارد بنابراین خواهيم داشت: در این رابطه زاویه بين شار استاتور و روتور میباشد. شکل 1 دیاگرام فازوری معادله گشتاور را نشان میدهد. شکل 1: بردار شار استاتور و روتور و جریان استاتور در مرجع qd همانطور كه از شکل مشخص است اگر شار روتور ثابت باقی بماند شار استاتور میتواند توسط ولتاژ استاتور تغيير یابد. پس معادله تغييرات گشتاور الکترومغناطيس بصورت زیر قابل بيان است: )7( همچنين با توجه به این معادله با افزایش زاویه گشتاور الکترومغناطيس افزایش پيدا خواهد كرد. اگر مقاومت استاتور در تخمين شار در نظر گرفته نشود تغييرات شار پيوندی استاتور تنها به تغييرات ولتاژ اعمالی به استاتور وابسته خواهد بود در نتيجه برای یک فاصله زمانی كوتاه دامنه و موقعيت شار استاتور بطور مستقيم با اعمال ولتاژ V s تغيير خواهد كرد و همانطور كه قبال ذكر شد این تغييرات روی گشتاور الکترومغناطيسی موتور تاثير مستقيم خواهد داشت. شار استاتور از معادله ولتاژ موتور تخمين زده میشود : گشتاور الکترومغناطيسی موتور نيز بر طبق معادله زیر محاسبه میشود: 3 Pea e3 3 P Tem s s k ( e) s k ( e) s 2 2 e e 2 2 )8( در این معادله ) e k α (θ و ) e K β (θ ضرایب بدست آمده از روی مقادیر اندازه گيری شده نيروی محركه الکتریکی موتور است كه بصورت off lne ذخيره شده است. بلوک دیاگرام كنترل مستقيم گشتاور و شار در شکل 1 نشان داده شده است. همانطور كه از بلوک دیاگرام مشخص است گشتاور مرجع توسط یک كنترلر خطی از روی سيگنال سرعت بدست میآید در واقع با توجه به معادله مکانيکی موتور و ارتباط مستقيم گشتاور و سرعت روتور حلقه كنترل سرعت از طریق یک كنترلر خطی PI امکانپذیر میباشد و خروجی این كنترلر گشتاور مرجع را برای ما بوجود خواهد آورد. شار مرجع نيز با توجه به ناحيه عملکرد موتور و مشخصه موتور قابل انتخاب میباشد. -4 شکل 1 : بلوک دیاگرام كنترل مستقيم گشتاور الگوریتم های بهينه سازی امروزه الگوریتم های بهينه سازی به دليل ساختار انعطاف پذیر و قابليت های متنوع خود در بسياری از بخش های كنترلی مورد استفاده قرار می گيرند. الگوریتم های بهينه سازی دارای انواع T K K sn e s r s r T K sn e r s s

4 مختلفی می باشند و با توجه به ساختارشان به انواع مختلف تقسيم بندی و طبقه بندی می شوند. الگوریتم های بهينه سازی غالبا از طبيعت و رفتار اجتماعی پرندگان حشرات و حيوانات الهام گرفته شده اند. تركيب این الگوریتم های بهينه سازی با كنترل كننده ها موجب باال رفتن كارایی و قابليت كنترل كننده ها و روش های مختلف كنترلی شده است. در این تحقيق تالش داشته ایم تا با تركيب و استفاده مناسب و مبتکرانه از الگوریتم های بهينه سازی موجب باال رفتن دقت كنترل و كارایی سيستم های كليد زنی در این تحقيق شویم روش الگوریتم بهينهسازی پرندگان روش بهينه سازی پرندگان (PSO) یکی از گونه های جدید های تکاملی است كه اولين بار توسط و Eberhart Kennedy برای حل مسائل بهينه سازی بکار برده شد و تاكنون قابليت آن برای استفاده درحل مسائل بهينه سازی با توابع پيوسته به اثبات رسيده است. الگوریتم PSO یک الگوریتم جستجوی اجتماعی است كه از روی رفتار اجتماعی دستههای پرندگان مدل شده است. در ابتدا این الگوریتم به منظور كشف الگوریتمهای حاكم بر پرواز همزمان پرندگان و تغيير ناگهانی مسير آنها و تغيير شکل بهينهی دسته به كار گرفته شد. در این الگوریتم حركت به سوی نقطة بهينة تابع براساس اطالعات بهترین نقطه به دست آمده از هر یک عوامل موجود در جمعيت اوليه و نيز بهترین نقطه پيدا شده توسط نقاط همسایه صورت می گيرد. با توجه به شکل 4 اساس كار الگوریتم بهينه سازی پرندگان به صورت زیر میباشد. X V V +1 V Lbest X +1 V Gbest در این الگوریتم باشد. همچنين شکل 4: اساس كار الگوریتم تکاملی PSO Gbest Vسرعت در جهت بهينه سراسری می- Lbest Vسرعت در جهت بهينه محلی و متغير سرعت ذره در تکرار +1 ام میباشد. و X موقيعت در تکرار ام است. آخرین متغير هم 1 میباشد X كه موقيعت در تکرار 1+ ام است. در این الگوریتم ابتدا جمعيت اوليه به صورت تصادفی انتخاب میشود. جمعيت اوليه شامل موقيعت اوليه و سرعت اوليه میباشد. X x1, x2,... xn, V )11( V v1, v2,... vn, )11( عامل جستجو در فضای جستجو میباشد. جمعيت سرعت اوليه در روند الگوریتم به صورت زیر اصالح میشود. )11( V V c rand V c rand V 1 Lbest Gbest V X X Lbest Lbest V X X Gbest Gbest )11( )14( همچنين به صورت در روابط باال Gbest X Lbest X بهينه سراسری در تکرار ام میباشد بهينه محلی در تکرار ام است. در نهایت هر ذره X X V 1 1 اصالح میشود. مقادیر و C 1 C 2 مقادیری تصادفی هستند اما معموال مجموع آنها عدد 4 انتخاب میشود بهينه سازی کنترل کنندهی کالسيک كنترلكننده های كالسيک ابزاری استاندارد برای كاربردهای صنعتی میباشند. ساختار این كنترلكننده ها امکان استفاده از آنها را در بسياری از كاربردها فراهم می آورد. مشکل اصلی كنترل- كنندههای كالسيک چگونگی یافتن مقدار بهينه برای پارامتر های تناسبی انتگرالی و مشتقی می باشد تا پاسخ سيستم حلقه بسته در محدوده قابل قبول قرار گيرد. روش هایی برای تنظيم ضرایب كنترلكننده پيچيدگی دليل به ولی است شده ارائه كالسيک سيستمها و مشکالت مختلف در كنترل آنها این روشها كارایی مورد انتظار را ندارند. یکی از این روش ها روش زیگلر نيکولز میباشد. در این روش از پاسخ پله سيستم برای بدست آوردن ضرایب كنترلكنندهی كالسيک استفاده میشود. با توجه به مدل- سازی سيستم موتور دیناميکی بدون جاروبک پيچيدگیهای و مربوط به ساختار سيستم و مدل موتور امکان استفاده از روش زیگلرنيکولز برای یافتن مقادیر متغيرهای كنترلكننده كالسيک عملی نبوده در نتيجه متغيرهای استفاده شده برای كنترلكنندهی 1 V V سرعت ذره در تکرار ما

5 كالسيک با روش سعی و خطا بدست آمده اند. از ميان روش های مختلف كه سعی در بدست آوردن ضرایب كنترلكنندهی كالسيک دارند روشهای مبتنی بر الگوریتمهای تکاملی می توانند مناسبتر و دقيقتر باشد. یکی دیگر از مزایای استفاده از الگوریتم بهينهسازی كارا بودن این الگوریتمها در تعيين ضرایب كنترلكنندهی كالسيک برای سيستمهای و مختلف پيچيده میباشد. در این مقاله از الگوریتم بهينهسازی پرندگان انجام برای و بهينهسازی كالسيک استفاده شده است. آوردن بدست بهينه سازی کنترلکننده فازی ضرایب كنترلكنندهی تركيب الگوریتمهای بهينهسازی با كنترلكننده هایی مانند كنترل كننده فازی میتواند راهکار مناسبی برای مقابله با مشکالت موجود در كنترلكننده فازی كه ناشی از دقيق نبودن قوانين به خاطر پيچيده بودن سيستم و مناسب نبودن توابع عضویت فازی است باشد. در شکل 5 برای بهينه سازی كنترلكننده فازی متغير هایی به عنوان ورودی و خروجی برای این كنترلكننده در نظر گرفته الگوریتم اند شده تغيير این كه تا میكنند متغيرها هدف به بازه یک در كه الگوریتم نوسانات گشتاور و خطای كنترل كننده است برسد. مشخص حداقل توسط شدن داده شده است. در شکل 7 نيز از تركيب كنترل كننده فازی و الگوریتم بهينه سازی به منظور رسيدن به كاهش نوسانات دور و گشتاور استفاده شده است. در این شکل نوسانات كمترین مقدار را داشته است. شکل 1: كنترل دور موتور توسط كنترل كننده كالسيک بهينه دور موتور Speed BLDC Motor (rpm) Speed BLDC Motor (rpm) Optmal PI Controller 399 <Speed <44 Optmal Fuzzy Controller 399 <Speed < شکل 7: كنترل دور موتور توسط كنترل كننده فازی بهينه -5 شکل 5: تعيين متغيرهای بهينهسازی كنترلكنندهی فازی تحليل نتایج شبيه سازی در این بخش نتایج حاصل از شبيه سازی موتور با استفاده از روش های مختلف مورد استفاده در مقاله نمایش داده شده است. در شکل 1 تغييرات سرعت موتور توسط استفاده از الگوریتم بهينه سازی پرندگان در بهبود عملکرد كنترل كننده كالسيک نمایش یکی از بخش های مهم در این مقاله كنترل دقيق گشتاور با كمترین ميزان نوسانات حول مقدار مرجع می باشد. در شکل 9 كنترل گشتاور موتور توسط تركيب الگوریتم های بهينه سازی و كنترل كننده كالسيک آورده شده است. در شکل 8 نيز كنترل گشتاور موتور توسط كنترل كننده فازی بهينه شده توسط الگوریتم پرندگان نمایش داده شده است. براساس این شکل نوسانات گشتاور توسط كنترل كننده فازی بهينه دارای كمترین ميزان بوده است.

6 مراجع: [1] Sngh, Bawa, and Vashst Bst. "A BL-CSC Converter-Fed BLDC Motor Drve Wth Power Factor Correcton." Industral Electroncs, IEEE Transactons on62.1 (215): Wth Optmal PI Controller [2] Asae, Behzad, and Alreza Rostam. "A novel startng method for BLDC motors wthout the poston sensors." Energy Converson and Management5.2 (29): [3] Moon, Sun, and Jae-Heon Lee. "Thermal relablty analyss of BLDC Motor n a hgh speed axal fan by numercal method." Korean Journal of ar-condtonng and refrgeraton engneerng 22.3 (21): [4] Brown, Cameron D., and Bulent Sarloglu. "Reducng swtchng losses n BLDC motor drves by reducng body dode conducton of MOSFETs." Industry Applcatons, IEEE Transactons on 51.2 (215): Tourqe (N*M) <Te< شکل 9: كنترل گشتاور موتور توسط كنترل كننده كالسيک بهينه [5] Bst, Vashst, and Bawa Sngh. "PFC Cuk Converter-Fed BLDC Motor Drve."Power Electroncs, IEEE Transactons on 3.2 (215): [6] Plla, Neeth S., A. M. Vpn, and Remna Radhakrshnan. "Analyss and smulaton studes for poston sensorless BLDC motor drve wth ntal rotor poston estmaton." Nascent Technologes n the Engneerng Feld (ICNTE), 215 Internatonal Conference on. IEEE, 215. [7] Park, Jun-Kyu, et al. "Early Detecton Technque for Stator Wndng Inter-Turn Fault n BLDC Motor Usng Input Impedance." Industry Applcatons, IEEE Transactons on 51.1 (215): Tourqe (N*M) Wth Optmal Fuzzy Controller 1.2 <Te< [8] Fang, Jancheng, et al. "Onlne Inverter Fault Dagnoss of Buck- Converter BLDC Motor Combnatons." Power Electroncs, IEEE Transactons on 3.5 (215): [9] Joce, C. Sheeba, S. R. Paranjoth, and V. Jawahar Senthl Kumar. "Dgtal control strategy for four quadrant operaton of three phase BLDC motor wth load varatons." Industral Informatcs, IEEE Transactons on 9.2 (213): [1] Km, Hong-seok, Yong-Mn You, and Byung-l Kwon. "Rotor shape optmzaton of nteror permanent magnet BLDC motor accordng to magnetzaton drecton." Magnetcs, IEEE Transactons on 49.5 (213): [11] Chun, Tae-Won, et al. "Sensorless control of BLDC motor drve for an automotve fuel pump usng a hysteress comparator." Power Electroncs, IEEE Transactons on 29.3 (214): [12] Tashakor, Arvn, and Mehran Ektesab. "Fault dagnoss of n-wheel bldc motor drve for electrc vehcle applcaton." Intellgent Vehcles Symposum (IV), 213 IEEE. IEEE, 213. [13] Navaneethakkannan, C., and M. Sudha. "Comparson of conventonal & PID tunng of sldng mode fuzzy controller for BLDC motor drves." Computer Communcaton and Informatcs (ICCCI), 213 Internatonal Conference on. IEEE, 213. [14] Govndaraj, Dr T., and S. Vshnu. "Smulaton Modellng of Sensor less Speed Control of BLDC Motor Usng Artfcal Neural Network." Internatonal Journal of Emergng Trends n Electrcal and Electroncs (IJETEE ISSN: ) Vol1 (214): شکل 8: كنترل گشتاور نتيجهگيری موتور توسط كنترل كننده فازی بهينه در این مقاله از موتور دی سی بدون جاروبک به عنوان یک موتور پر كاربرد در صنایع مختلف به منظور بررسی روش های مختلف كنترلی استفاده گردید و به منظور كنترل سرعت و گشتاور BLDC -6 موتور روش از كنترل مستقيم گشتاور استفاده گردید. برای باال رفتن كارایی ساختار روش كنترلی در كنترل گشتاور و سرعت از الگوریتم بهينه سازی پرندگان كه یک الگوریتم بهينه سازی هوشمند و پركاربرد می باشد استفاده گردید. این الگوریتم به دليل داشتن ویژگی هایی در سرعت و همگرایی به منظور بهينه سازی كنترل كننده فازی و كالسيک در ساختار كليد زنی مبدل های موتور استفاده گردید. این الگوریتم با هدف كاهش نوسانات گشتاور اقدام به كنترل ساختار كليد زنی موتور نموده و نتایج شبيه سازی نشان دهنده عملکرد خوب این الگوریتم می باشند..1.1