SRM (6/8) تصميم نظام لقيادة محرك ذي مقاومة مغناطيسية متغي رة وتنفيذه باستخدام الحاسوب * د. عباس الملخص ع ر ض ت في هذه المقالة طريقة لقيادة محرك ذي مقاومة مغناطيسية متغي رة (6/8 (SRM با ربعة ا طوار باستخدام الحاسب الشخصي من خلال المنفذ التسلسلي RS 232 ودارة قيادة است خدم فيها المتحكم الصغري Atmega 8535 وخوارزمية التشغيل التي خ ز ن ت ضمن المتحكم الصغري يتم الا شراف على عمل المحرك من خلال نافذة صممت لمراقبة وتغيير محددات المحرك من سرعة وتوتر وتيار ا ذ يمكن ا ن تستخدم مثل هذه الطراي ق لقيادة محرك يعمل في بيي ة يصعب الدخول ا ليها. علما با ن قيادة هذا النوع من الا لات الخاصة قد تطورت تطورا كبيرا في كلتا الدارتين دارة القيادة ودارة الاستطاعة. المحرك ذو المقاومة المغناطيسية المتغي رة (6/8 (SRM موضوع البحث ص م م مخبريا بدوار من الحديد اخت بر اختبار كل من المحرك ونموذج القيادة المنفذ ور س م ت منحنيات الا داء ونوقشت النتاي ج من حيث شكل منحنيات التيار والتوتر في الا طوار والتيار والتوتر الكلي المستجر من المنبع وقياس السرعة والتحكم بهذه المحددات من خلال نافذة البرنامج المخصصة لذلك. الكلمات المفتاحية: المتحكم المنطقي Atmega 8535 المحرك ذو المقاومة المغناطيسية المتغي رة قيادة المحرك ذي المقاومة المغناطيسية المتغي رة. قسم هندسة الطاقة الكهرباي ية- كلية الهندسة الميكانيكية والكهرباي ية-جامعة دمشق. * 275
تصميم نظام لقيادة محرك ذي مقاومة مغناطيسية متغي رة (6/8) SRM وتنفيذه باستخدام الحاسوب لتشكيل الا قطاب وتصنع بعض ا نواع الداي ر في هذا النوع 1- مقدمة يمكن تصنيف المحركات الكهرباي ية في مجموعتين وذلك من المحركات من رقاي ق فولاذية وبعدد الا قطاب اعتمادا على ا سلوب تشكل العزم في الا لات الكهرباي ية: المطلوب وتجمع مع بعضها حول محور دوران الا ولى: ويتشكل فيها العزم كهرومغناطيسيا الا لات المحرك ويحظى حاليا هذا النوع من المحركات بعدد التحريضية- التزامنية ا لات التيار المستمر وهذه كبير من البحوث والدراسات. الا لات تختلف ا يضا عن بعضها بعضا من ناحية ا نتاج لايغذى هذا النوع من المحركات مباشرة من المنبع حقل ملفات التحريض( مغانط كهرومغناطيسية ا و مغانط المستمر ا و المتناوب ا نما يحتاج ا لى مبدل ا لكتروني علما با ن وجود الا قطاب البارزة في كل من الثابت والداي ر داي مة). الثانية: ويتشكل فيها العزم بسبب تغي ر المقاومة الضرورية لا نتاج العزم تسبب عدم الخطية في خصاي ص هذا النوع من المحركات وتعقد عملية التحليل والتحكم به..(Variable Reluctance) تنتج السرعة في المجموعة الا ولى من تفاعل حقلين تعد هذه الا لات ذات موثوقية عالية فكل طور مستقل مغناطيسيين يتولد الا ول من الجزء الثابت والثاني من فيزياي يا ومغناطيسيا وكهرباي يا عن الا طوار الا خرى في الجزء الداي ر ونتيجة الترابط المتبادل بين هذين الحقلين المحرك فضلا عن عدم احتواء الدوار على ملفات ا و Coupled) (Mutually ينتج العزم الكهرومغناطيسي مغانط داي مة مقارنة بالمحركات الا خرى. من حيث Torque) (Electromagnetic ويشكل هذا النوع من مساوي هذا النوع من المحركات فهي تنحصر بوجود المحركات حاليا الغالبية العظمى من المحركات المستخدمة صعوبة في التحكم وحاجتها ا لى حساس موضع الجزء الداي ر ظهور الضجيج في ا ثناء العمل ويحتوي العزم في التطبيقات الصناعية. في المجموعة الثانية تنتج الحركة كنتيجة لتغي ر المفاعلة على تعرجات كثيرة وذلك مقارنة بالمحركات الا خرى. ا ن في الثغرة الهواي ية بين الثابت والداي ر فعند تغذية ملف التخلص من هذه المساوي يحتاج ا لى الفهم الجيد للتصميم التحريض في الثابت ينتج حقل وحيد وينتج العزم بسبب الميكانيكي وتطوير خوارزميات تشغيل هذا النوع من حركة الداي ر بالاتجاه الذي تكون فيه المفاعلة بقيمة المحركات يمكن ا ن يحد من هذه المساوي. ا صغرية وهذه الظاهرة مشابهة للقوة التي تجذب الحديد 2- مبدا عمل المحرك ذي المقاومة المغناطيسية ا و الفولاذ باتجاه المغانط الداي مة في هذه الحالات تصل المتغي رة المفاعلة ا لى ا صغر قيمة لها عندما يصبح المعدن عند تغذية ا حد ا قطاب الجزء الثابت تنشا فيه سيالة والمغناطيس في حالة تماس فيزياي ي حيث تقع المحركات مغناطيسية ويصبح قطبا شماليا تخرج السيالة المغناطيسية ذات المقاومة المغناطيسية المتغي ر ة (SRM) ضمن هذه منه وتتجه نحو ا سنان الجزء الداي ر ليصبح قطبا مغناطيسيا جنوبيا ويحدث التجاذب بين القطب الشمالي المجموعة من الا لات. من حيث البنية تعد المحركات ذات المقاومة المغناطيسية للثابت المغذى والقطب الجنوبي للداي ر مما يو دي ا لى المتغي رة هي الا بسط بين الا لات الكهرباي ية والثابت هو تحرك هذا السن ومن ثم ا لى دوران الجزء الداي ر. الذي يحتوي على الملفات الكهرباي ية فقط والجزء الداي ر والشكل( 1 ) يبي ن ا شكال مختلفة للمحرك ذي المقاومة يخلو من ا ي ملفات ا و مغانط داي مة ا نما يشكل من المغناطيسية المتغي رة ا ذ نلاحظ في الشكل نموذجا لمحرك اسطوانة من حديد مصمت تحتوي على محيطها ا سنانا 276
يختلف عن النماذج المتعارف عليها وهذا يدل على ا ن وجود العدد الا كبر للا قطاب ليس مرتبطا دوما في الجزء الثابت فيمكن ا ن يكون العدد الا كبر من الا قطاب في الجزء الداي ر[ 4] [5 ]. الشكل( 1 ) يبي ن ا شكالا مختلفة للمحرك ذي المقاومة المغناطيسية المتغي رة (SRM) 3- النموذج الرياض ي للمحرك ذي المقاوم ة المغناطيسية المتغي رة (SRM) عند رسم مسارات السيالة الناتجة من ا ي قطب نجد ا ن هذه السيالة تخترق ا كثر من ثغرة هواي ية واحدة ومن ثم الدارة المغناطيسية للقطب ليست دارة بسيطة بل معقدة نسبيا.[ 3],[4],[5 ] يتكون النموذج الرياضي لهذا النوع من المحركات من مجموعة من المعادلات كما هو معروف في ا نواع الا لات الا خرى وسوف نعرض النموذج لقطب واحد باعتبار ا ن الا قطاب متماثلة كل ها: ا - معادلة التوتر dφ d( N φ) u = i R + N = i R + = dt dt (1) dψ = i R + dt di di dl u = i R + L L i u L + u + ω (2) dt dt dθ ا ذ : L L : عامل التحريض المقابل للسيالة المتشردة وهو تقريبا ثابت من ا جل تيار محدد. : L u عامل التحريض المقابل للسيالة الري يسية ا و المفيدة. ب- معادلة التيار - عندما يكون الداي ر ثابتا فا ن قيمة التيار i تعطى بالعلاقة R الا تية: u t i = (1 e L ) (3) R = dlu ) er وهو يمثل القوة - عندما نعد المقدار i dθ ω المحركة العكسية المتحرضة بسبب الدوران) ثابت ا ي ا ن مشتق عامل التحريض L u بالنسبة ا لى زاوية الدوران ثابت ا ي علاقة عامل التحريض بالزاوية تمثل بعلاقة خطية عندها يكون تغي ر التيار كما هو مبي ن بالعلاقة الا تية: R u e t r i = (1 e L ) (4) R ج- معادلات الاستطاعة والعزم ا ذ : 2 2 1 i N = 2 R mg min θmax T ; P = ω.t dø u.i = 2 R.i + i (5) dt N: عدد اللفات. : i التيار الكهرباي ي (تيار الطور في المحرك). :R mg min θ max مقاومة الثغرة الهواي ية الا صغرية (حالة التطابق التام). : زاوية التطابق الا عظمية. ω: السرعة الزاوية الميكانيكية. 2- phase, 2 rotor poles 4 stator poles 4- phase, 6 rotor poles, 8 stator poles 5- phase, 8 rotor poles 10 stator poles المحرك المدروس 3- phase, 4 rotor poles 6 stator poles 2 phase,5 rotor poles, 4 stator poles 277
ب- تصميم نظام لقيادة محرك ذي مقاومة مغناطيسية متغي رة (6/8) SRM وتنفيذه باستخدام الحاسوب 4- طراي ق قيادة المحرك ذي المقاومة المغناطيسية المتغي رة SRM يصنف هذا النوع من المحركات ضمن مجموعة المحركات الخاصة لذلك تتطلب قيادته استخدام طراي ق قيادة مشابهة للطراي ق المستخدمة في قيادة المحركات الكهرباي ية الخاصة مثل المحركات الخطوية Motors) (Step ومن ا جل الحصول على ا داء ا مثل للمحرك ولاسيما عند مرحلة الا قلاع لابد من الا خذ بالحسبان زاوية توضع الداي ر. لذلك هناك حالتان من حالات التغذية الخلفية: الا ولى: دون حلقة تغذية خلفية (دون عنصر مراقبة لوضعية الداي ر). الثانية: مع وجود حلقة تغذية خلفية (مع وجود عنصر لمراقبة توضع الداي ر( Encoder [5].(Sensor or,[2],[1] ا م ا ا شكال دارة التغذية لملفات المحرك ودارات توليد نبضات التحكم بفصل ووصل العناصر الترانزسستورية فهي متعددة الا شكال وتتبع لا سلوب تغذية ملفات ا قطاب المحرك ولطريقة وصل ملفات الا قطاب مع بعضها بعضا من جهة ومع منبع التغذية من جهة ا خرى. الشكل( 4 ): الشكل العام للمحرك المصمم ونظام التحكم يبي ن الشكل( 5 ) ا شارات التيار- التوتر- تغي ر المحارضة النظرية والعملية تبعا لزواية الداي ر (θ) في المحرك ذي المقاومة المغناطيسية المتغي ر ة (SRM) عند سرعتي دوران مختلفتين.[ 6],[7 ] Idealized inductance Ideal Current - آ - Actual Current Voltage S 1 D 1 Idealized inductance - AC A A' S 2 B B' C C' D D' Actual Current D 2 الشكل( 2 ) دارة الاستطاعة المغذية للمحرك Voltage 278 الشكل( 3 ) طريقة واتجاه لف ملفات المحرك الشكل( 5 ):منحنيات التيار التوتر- تغي ر المحارضة ا - عند سرعة منخفضة ب- عند سرعة عالية
5- نظام القيادة المنفذ لقيادة المحرك ن ف ذ نظام قيادة يرتبط مع الحاسب الشخصي PC من خلال المنفذ التسلسلي 232 RS حيث يتم الا شراف على عملية القيادة والتحكم بالمحرك من خلال واجهة نوافذ خاصة ا عدت لهذه الغاية ويتكون هذا النظام من المتحكم الصغري Atmega 8535 خوارزمية التشغيل التخاطب مع الحاسب من خلال المدخل التسلسلي RS 232 مجموعة الدارات المتممة كمنظم التيار منظم التوتر [8] والشكل( 5 ) يبي ن مخططا يا عاما يضم المحرك مع دارة التحكم ودارات المراقبة اقت ر ح ت. الشكل( 8 ) دارة الاستطاعة المنفذة لتغذية المحرك 6- نتاي ج الاختبارات العملية لنظام القيادة من ا جل اختبار مدى كفاءة واستجابته نظام القيادة المنفذ ا جري ت مجموعة من الاختبارات والقياسات ور س م ت ا شارات التيارات والتوترات لمنبع التغذية ولا طوار المحرك والا شكال 9) (14 13 12 11 10 تبي ن الا شارات الحقيقية للتيارات والتوترات والقوة المحركة الكهرباي ية المتحرضة في ا طوار المحرك لحظة فصل التغذية عنها. AC DC Motor Drive Atmega 8535 + Aux. Circuits+ Regulators Current sensor Encoder SRM T الشكل( 6 ): مخطط ي لنظام التحكم المنفذ I ph1 الشكل( 9 ): شكل تيار الطور A-A' الشكل( 7 ) دارة القيادة مناسبة لقيادة حتى 16 ترانزسستور 279
تصميم نظام لقيادة محرك ذي مقاومة مغناطيسية متغي رة (6/8) SRM وتنفيذه باستخدام الحاسوب T I ph2 الشكل( 10 ): شكل تيار الطور B-B' الشكل( 13 ): شكل توتر الطور B-B' Voltage I ph1 I ph2 I ph3 I ph4 الشكل( 11 ): شكل تيار الكلي المستجر الشكل( 14 ): شكل التوتر الكلي Voltage e الشكل( 12 ): شكل توتر الطور A-A' 7- النمذجة والمحاكاة للمحرك مع نظام القيادة ا صبحت النمذجة والمحاكاة لنظم القيادة والتحكم من الوساي ل المهمة في تحري ا داء النماذج الفيزياي ية الحقيقية والتنبو بسلوك هذه النماذج من خلال النموذج الرياضي الذي يوض ع لهذا النظام. قد نجد هناك فروقات في منحنيات الا داء الناتجة من كلا النموذجين وهذه الفروقات تعتمد على دقة النموذج الرياضي وعلى الا خذ بالحسبان المحددات وشروط التشغيل كل ها. تمت المحاكاة عند القيم الاسمية للمحرك. 280
في بحثنا هذا ا ردنا ا دخال عملية المحاكاة كوسيلة رديفة في اختبار ا داء المحرك مع نظام القيادة حيث تم تمثيل ا طوار المحرك با ربعة عناصر وعنصر لمحاكاة عنصر تحسس زاوية الداي ر ويبي ن الشكل( 15 ) المخطط الي الكامل لعملية المحاكاة في حين يبي ن الشكل( 16 ) مخطط المحاكاة لا حد الا طوار على اعتبار ا ن الا طوار جميعها في المحرك متماثلة.[ 8 ] تغي ر زاوية التداخل بين ا قطاب الثابت والداي ر ا و زاوية التوضع position-angle كما هو مبي ن في الشكل( 5 ). الشكل( 17 ): تيار الطور A-A' (الطور الا ول) الشكل( 18 ): تيار الطور B-B' (الطور الثاني) الشكل( 15 ): المخطط الي الكامل للمحاكاة الشكل( 19 ): العزم الناتج عن ا حد الا طوار الشكل( 16 ): مخطط المحاكاة لا حد الا طوار 8- نتاي ج المحاكاة اختيرت مجموعة من الا شارات التي نتجت من عملية المحاكاة للمحرك مع نظام القيادة مع العلم ا نه يمكن الحصول على نتاي ج ا خرى مثل تغي رات المحارضة نتيجة 281 الشكل( 20 ): العزم الناتج عن الا طوار
تصميم نظام لقيادة محرك ذي مقاومة مغناطيسية متغي رة (6/8) SRM وتنفيذه باستخدام الحاسوب Starting period الشكل( 21 ): العزم الناتج عن الا طوار 9- مناقشة النتاي ج من خلال دراسة ا شارات التوترات والتيارات التي تم الحصول عليها من الاختبارات العملية وعملية المحاكاة المبي نة في الا شكال السابقة تم التوصل ا لى النتاي ج الا تية: 1- ا مكانية استخدام منابع التيار المستمر الناتجة عن دارات التقويم بدلا من منابع التيار المستمر (المدخرات) وذلك بعد ا ضافة مكثف على ا طراف جسر التقويم ليقوم بعملية ترشيح للتوتر (تحسين شكل موجة التوتر). 2- نلاحظ ا نه عند كل حالة فصل ووصل للقواطع (الترانزسستورات) تظهر هناك حالة عابرة لكنها سريعة التخامد ويمكن عد ها ضمن المجال المقبول ولاتو ثر في ا داء المحرك (زمنها لايتجاوز 0.01 من زمن النبضة المطبقة على الملف) الا شكال (12 ). 14 13 3- من الا شكال التي تم الحصول عليها نتيجة المحاكاة ومقارنتها بالنتاي ج العملية نلاحظ ا ن هناك بعض الفروقات بين الا شارات وهي ناتجة من استخدام النموذج الرياضي. 10- محددات المحرك المدروس والمنفذ عدد ا قطاب الثابت (8) عدد ا قطاب الدوار( 6 ) عدد الا طوار (4) كل قطبين يوصلان على التسلسل ويمثلان طورا التوتر الاسمي (200 فولت) التيار الاسمي (6 ا مبير) الاستطاعة الاسمية (1 حصان) السرعة الاسمية( 200 د/د) مقاومة الطور الواحد 3.52 ا وم طول الثغرة الهواي ية 0.5 مم عدد لفات كل قطب 230 لفة. 282
المراجع: 1. N. H. Mvungi, " Sensorless Commutation Control of Switched Reluctance Motor, International Journal of Applied Science, Engineering and Technology Volume 4, No.1, 2007 ISSN 1307-4318 2. H. Klode, A. M. Omekanda and B. Lequesne, S. gopalakrishnan, GM Research Labs, A. Khalil, S. Underwood and I. Husain, the Univ. of Akron, " The Potential of Switched Reluctance Motor Technology for Electro-Mechanical Brake Applications" Copyright 2006,SAE International. 3. Application Not, NEC, "Switched Reluctance Motor Control with μpd78ko/kx2", Document No. U18498EE1VO AN00, Date Published December 2006, NEC Electronics 2006, Printed in Germany. 4. Abbas Sandouk, Dr. M.Aldosoky, Dr. Habil Gerhard Harold, "Desing and Execution Acontrolled Switch Reluctance Motor To be Used in Electric Cars", Doctorate Thesis, Damas Univ., 2005. 5. Michael T. Direnzo, " Switched Reluctance Motor Control-Basic Operation and Example Using the TMS320F240", Application Report, SPRA420A-February, 2000, TEXAS INSTRUMENTS. 6. Michael T. DiRenzo, Digital Signal Processing Solutions, Switched Reluctance Motor Control Basic Operation and Example Using the TMS320F240, Application ReportSPRA420A - February 2000, Texas Instruments. 7. NEC, Application Note Switch reluctance motor control with µpd78k0/kx2, Document No. U18498EE1V0AN00, Date published December 2006, NEC Electronics 2006, Printed in Germany 8. Ali AL Jazi., Abbas Sandouk, " Design and Execution A Driving System for Switch Reluctance Motor SRM (3/4) Using PC ", Damascus Journal, 2010.. 283 تاريخ ورود البحث ا لى مجلة جامعة دمشق 2011/2/17.