مجله کنترل I S I C E ISSN (print) 2008-8345 ISSN (online) 2538-3752 جلد 11 شماره 1 بهار 1396 صفحه 51-60 کنترل مقاوم ماشین القایی شش فازه متقارن در شرایط خطای قطع فاز بر مبنای روش ADRC علی حجاری 1 رضا کيانی نژاد 2 سيد قدرت اله سيف السادات 3 عليرضا صفاريان 4 سيد سعيداله مرتضوی 1 دانشجوی دکتری مهندسی برق گروه برق دانشكده مهندسی دانشگاه شهيد چمران اهواز a-hajary@phdstu.scu.ac.ir 2 دانشيار موسسه آموزش عالی الكترونيكی برخط اهواز reza.kiani@scu.ac.ir 3 استاد گروه برق دانشكده مهندسی دانشگاه شهيد چمران اهواز Seifossadat@yahoo.com 4 استاديار گروه برق دانشكده مهندسی دانشگاه شهيد چمران اهواز a.saffarian@scu.ac.ir 5 دانشيار گروه برق دانشكده مهندسی دانشگاه شهيد چمران اهواز mortazavi_s@scu.ac.ir (تاريخ دريافت مقاله 1395/4/22 تاريخ پذيرش مقاله )1396/1/29 چکیده : روش های کنترل درايو ماشينهای چند فازه در حالت خطای قطع فاز معموال طوری طراحی میشوند که موتور حداقل نوسانات گشتاور را داشته باشد. اين روشها معموال بر اساس مدل حالت خطای ماشين طراحی میشوند و در نتيجه بسيار وابسته به مدل ماشين هستند. در اين مقاله هدف ارائه روش کنترلی جديد جهت کنترل موتور القايی شش فازه در حالت قطع فاز است. از آنجايی که طراحی ADRC1 مستقل از مدل و پارامترهای ماشين انجام میشود در اين مقاله برای اولين بار از اين روش کنترلی جهت کنترل موتور چندفازه در شرايط قطع فاز استفاده شده است. دراين روش برای کنترل موتور چندفازه در حالت خطا نيازی به تغيير در ساختار کنترلی نيست و کنترل ماشين در حالت خطای قطع فاز بدون نياز به تشخيص وقوع خطا انجام میگيرد. عملكرد روش ذکر شده در شرايط سالم با کنترل کننده PI و در حالت قطع فاز با کنترل کننده رزونانسی ( PI دوتايی) مقايسه شده و صحت تحليل های انجام شده با نتايج شبيه سازی بر روی يک موتور القايی شش فازه نشان داده میشود و مالحظه میشود که با ADRC درايو موتور القايی شش فازه در هر دو وضعيت سالم و قطع فاز دارای عملكرد به مراتب بهتری نسبت به کنترل کننده های سنتی و متداول است. کلمات کلیدی : کنترل مقاوم موتور القايی شش فازه خطای قطع فاز کنترل کننده PI کنترل کننده رزونانسی. ADRC Robust Control of Symmetrical Six-Phase Induction Machine under Open-phase Fault Condition based on ADRC Ali Hajary, Reza Kianinezhad, Ghodratollah Seyfossadat, Alireza Saffarian, Saeidollah Mortazavi Abstract: Control methods for multi-phase machine drives under open-phase fault condition are commonly designed to achieve minimum torque ripple. These methods are usually based on machine fault model. Therefore, it is highly model dependant. In this article, a new robust control method for six-phase induction motors (SPIM) under open-phase fault condition is proposed. Design of ADRC is independent of the controlled system model and machine parameters. This method has been proposed for the first time for multi-phase machines in the post-fault situation. There is no need to change control structure for post-fault operation and machine control in faulty condition is carried out without need to fault detection. Performace of ADRC in healthy and faulty situations are compared with PI and resonant (dual PI) controllers. Simulation results on a six-phase induction motor are presented for verification of the proposed control scheme. It can be seen the six-phase induction motor drive shows better performance when it works with ADRC in both healthy and faulty operation modes. Active Disturbance Rejection Control نويسنده عهده دار مكاتبات : علی حجاری مجله کنترل انجمن مهندسان کنترل و ابزار دقيق ايران - قطب علمی کنترل صنعتی دانشگاه صنعتی خواجه نصيرالدين طوسی 5
52 Keywords: Robust Control, Six-phase Induction Motor, Open Phase Fault, PI Controller, Resonant Controller, ADRC. پيش بينی رفتار آينده آن مورد نياز است همچنين ماتريس تبديل نيازمند -1 مقدمه ماشينهای چند فازه به دليل مزيتهای مختلف در سالهای اخير بسيار فازه نسبت به نوع سه فازه قابليت اطمينان باالتر آنها در حالت خطای قطع فاز است که اين خصوصيت موجب کاربرد روزافزون اين موتورها در صنايع کشتی سازی زير دريايی و صنايع هوايی شده است[.]1 يكی از متداولترين خطاهايی که در اين موتورها رخ میدهد خطای قطع فاز است که در اثر سوختن کليدهای اينورتر سوختن سيم پيچی موتور و يا قطع اتصاالت سيم پيچی ها ممكن است رخ دهد. در ميان ماشينهای چند فازه آنهايی که شامل چند دسته سيم پيچ سه فازه هستند مانند شش نه و دوازده فازه بيشتر مورد توجه هستند و در مقايسه با ماشينهای با تعداد فاز فرد اين ماشينها از مزايای ماشينهای سه فاز بهره میبرند. ساختار کلی موتور القايی شش فازه به همراه اينور تغذيه کننده آن در شكل 1 نمايش داده شده است. ساده ترين روش کنترل ماشينهای چند فازه با چندين مجموعه سيم پيچی سه فاز غير فعال کردن مجموعه سه فاز شامل فاز معيوب است[.]1 اما اين کار باعث میشود توان موتور تا حد قابل مالحظه ای کاهش يابد. برخی از کارهای گذشته برای کنترل موتور در حالت خطا از يک ماتريس تبديل دکوپله جديد با مرتبه کاهش يافته برای ادامه کار در شرايط جديد استفاده کرده و معادالت جديد موتور را در اين شرايط استفاده کرده اند[.]4-2 در اين حالت معادالت بدست آمده از ماتريس کاهش مرتبه يافته دارای پارامترهای متفاوت بوده و بنابراين تغييرات قابل مالحظه ای در اخير مورد توجه قرار گرفته است استفاده از کنترل کننده های رزونانسی يا PI دوتايی است که يكی در جهت سنكرون و ديگری درجهت مخالف سنكرون قادر به رهگيری سيگنال غير سينوسی و مقابله با مولفه های توالی منفی جريان در حالت خطا هستند[.]4 7 در اين روش تعداد تغييرات در کنترل کننده های جريان به حداقل میرسد و در مقايسه با کنترل پيشگو فرکانس کليدزنی PWM ثابت باقی میماند. با اين حال اغلب روشهای ارائه شده مبتنی بر مدل ماشين و معادالت آن در حالت خطا هستند که موجب پيچيدگی و تنوع در حاالت مختلف قطع فاز و همچنين مستلزم وجود تجهيزات الزم برای تشخيص وقوع خطا هستند. روش ADRC برای اولين بار در سال 1998 توسط هان [ ]9 8 پيشنهاد شد ADRC. يک کنترل کننده غير خطی برای سيستم با مدل نامشخص است. اين روش اغتشاشات خارجی نظير گشتاور بار و اغتشاشات داخلی سيستم نظير تغيير در پارامترها را تخمين زده و با اعمال ورودی مناسب جبران میکند به همين دليل اين روش نياز به مدل دقيقی از سيستم ندارد و اين به اين معناست که طراحی سيستم و پارامترهای آن است. به طور ذاتی مستقل از مدل به عنوان يكی از ساده ترين روشهای کنترلی مقاوم ( )Robust در بسياری از زمينه های فنی و همچنين در کنترل موتورها به کار رفته است [.]13-10 در اين مقاله هدف ارائه و طراحی اين کنترل کننده به عنوان روشی جديد برای کنترل ماشين القايی چند فازه در حالت قطع فاز است به طوری که بدون نياز به معادالت و مدلسازی ماشين در حالت خطای قطع فاز و تغيير در ساختار کنترلی بتوان کار کنترل ماشين را در شرايط جديد نيز انجام داد. روش کنترل دور موتور استفاده شده روش FOC است که به دليل قابليت جداسازی شار و گشتاور پاسخ ديناميكی باال و دقت درکنترل سرعت را موجب میشود و کنترل موتور القايی را همچون ماشين DC ساده می - کند. همانطور که در شكل 2 نشان داده شده است هر شكل :1 نمودار مداری موتور القايی شش فازه با دو نوترال مجزا به همراه اينورتر تغذيه کننده آن [.]3 از سه بخش تشكيل شده است -1. مشتقگير غير خطی ) -2.)ND2 مشاهده گر حالت توسعه يافته ( )ESO3 و -3 کنترل کننده غير خطی خطای فيدبک 4 ).)NLSEF مشاهده گر حالت توسعه يافته را میتوان به عنوان يک ساختار کنترلی مورد نياز است. روش ديگری که در سالهای اخير مورد فيدبک ديناميكی برای سيستم تعبير نمود. ساختار و عملكرد اين مشاهده - توجه قرار گرفته است استفاده از روش کنترل پيشگو است [ ]5 6 که به گر اغتشاش تنها با نرخ تغييرات مدل سيستم مشخص میشود. بنابراين عنوان يک جايگزين مناسب برای روش کنترل برداری ) )FOC1 نسبت به عدم قطعيت مدل سيستم حساسيتی ندارد. نقش ND تعيين پاسخ استاندارد تبديل شده است. در اين روش مدل دقيقی از ماشين برای Nonlinear Differentiator Extended State Observer 4 Nonlinear State Error Feedback Control 3 Field Oriented Control مورد توجه قرار گرفتهاند. يكی از مهمترين مزيتهای ماشينهای چند تغيير جهت کنترل حالت خطا است. اما روش متداولی که در سالهای
53 گذرای مطلوب به ورودی پله است. ND تغييرات ناگهانی در سيگنال V s Va1s i s ia1s V V i i s s b s b1s Vxs Vc1s ixs ic1s T6, T6 V V i ys a 2 s ys ia 2 s V V i i 0 s b 2s 0 s b2s V i V0 s c 2 s 0 s ic 2 s ورودی را به منظور کاهش فراجهش در پاسخ خروجی ماليم میکند و NLSEF ورودی مناسب را با استفاده از کنترل کننده غير خطی به منظور رهگيری متغير حالت فراهم میکند. در اين مقاله روش ( )2 برای کنترل موتور القايی شش فازه در حالت سالم و قطع فاز مورد تحليل قرار خواهد شد. ( )3 Mp 0 is vs rs Ls p i v 0 r L p Mp s s. s s 0 Mp r M rr Lr p r Lr ir Mp r Lr rr Lr p ir 0 r M M 3Lms, Lr Llr M, Ls Lls M اين مدل مشابه با مدل ماشين سه فازه در مختصات مرجع ساکن است. -2-2 مدل ماشين در زيرفضای شكل :2 نمودار روش ADRC z1 z2 ساختار مقاله به اين شرح است که در بخش دوم مدل و معادالت ماشين القايی شش فازه معرفی شده است. در قسمت سوم اصول روش پيشنهادی بيان میشود. در قسمت بعدی نتايج شبيه سازی موتور القايی شش فازه در حالت سالم و قطع فاز تحت شرايط مختلف و کنترل کننده های معرفی شده در نرم افزار متلب / سيمولينک مورد بررسی و ارزيابی قرار داده شده است و در بخش پايانی نتايج حاصل از مقاله به طور 0 isz1. rs Lls p isz 2 ( )4 irz1. rr Llr p irz 2 ( )5-2-3 مدل ماشين در زيرفضای vsz1 rs Lls p v 0 sz 2 0 rr Llr p 0 0 z3 z 4 خالصه تشريح شده است. -2 معادالت ماشین القایی شش فازه ( )6 بر طبق روش تبديل بردار فضايی) )VSD1 ماتريس تبديل زير متغيرهای فازی ماشين را به سه زير فضای متعامد ) z4 ) ( z1 z2 ( z3 و ) ( تبديل میکند[.]4 cos( 2 / 3 ) cos( 4 / 3 ) ) sin( sin( 2 / 3 ) sin( 4 / 3 ) cos( ) cos( / 3 ) cos( 5 / 3 ), sin( ) sin( / 3 ) sin( 5 / 3 ) ) cos( ( )1 3 3 0 isz 3. rs Lls p isz 4 1 2 3 0 T6 1 2 3 3 0 2 1 0 irz 3. rr Llr p irz 4 ( )7 vsz 3 rs Lls p v 0 sz 4 0 rr Llr p 0 0 همانطور که از اين سه مدل ديده میشود تبديل انرژی الكترومكانيكی فقط در زير فضای انجام میشود و ديگر زير فضاها سهمی در تبديل انرژی الكترومغناطيسی ندارند. زيرفضاهای z1 z2 و z3 z4 فقط توليد تلفات میکنند در نتيجه بايد به گونه ای کنترل شوند تا حداقل شوند در نتيجه مقدار مرجع آنها برابر با صفر درنظرگرفته میشود. می - توان نتيجه گرفت که ساختار کنترل کننده گشتاور و سرعت برای تحليل موتور شش فازه تقريبا مشابه با موتور سه فازه است که در آن کنترل در که γ زاويه الكتريكی بين دو مجموعه سيمپيچی است که در اين مقاله برای ماشين متقارن 60 درجه درنظرگرفته شده است. با اعمال تبديل باال به متغيرهای فازی استاتور ماشين مدل دکوپله ماشين شش فازه به صورت زير برای متغيرهای فازی استاتور بدست میآيد [.]4 مدار معادل انجام میشود [.]3-3 معرفی روش کنترلی ADRC برای ماشین القایی شش فازه روش کنترلی ارائه شده از سه برای تنظيم سرعت و گشتاور موتور در حالت خطا استفاده میکند و به دليل کاهش پيچيدگی الگوريتم کنترلی شار موتور به صورت حلقه باز کنترل میشود. در اين روش نياز به اندازه گيری جريان ids و جريان iqs می باشد. Vector Space Decomposition گرفته است و نتايج آن با کنترل کننده PI و رزونانسی مقايسه و ارزيابی -1-2 مدل ماشين در زيرفضای
54 تغيير پارامترهای طراحی آن نيز هست در نتيجه تنظيم پارامترهای آن -3-1 مشتقگير غيرخطی در کنترل کننده های سنتی PI هر گونه تغيير لحظه ای میتواند موجب فراجهش در پاسخ خروجی شود ND. در مسير مستقيم سيگنال ايجاد می - چندان مشكل نخواهد بود. ساختار مشاهدهگر اغتشاش به صورت زير است [ :]12 ) e(k ) z1 (k ) y (k )) z1 (k 1) z1 ( k ) h( z 2 (k ) 1. fal (e(k ), 1, 1 ) bu (k ) z ( k 1) z ( k ) h fal (e(k ),, 2 مناسب بين پاسخ سريع حالت گذرا و فراجهش اندک خواهد شد. که تابع fal يک تابع غير خطی به صورت زير است : همچنين کاهش اثر نويزهای ورودی به سيستم است و باعث تعادل ND به صورت زير بيان میشود [ :]12 ) x1 ( k 1) x1 ( k ) hx2 (k ) x2 ( k 1) x2 ( k ) h. fst ( x1 (k ) v (k ), x2 (k ), r, h0 ( )8 r. ( k ) / d, ( k ) d fst ( 1 (k ), 2 (k ), r, h0 ) r.sgn ( ( k )), ( k ) d ( )9 ) ) ytd ( k ) 1 ( k ) h0 2 ( k ), 0 ( k ) ( d 2 8r ytd ( k 2 (k ) ( 0 (k ) d ) / 2, ytd (k ) d 0 2 (k ) ytd (k ) / h0, ytd (k ) d 0 (k ) ( )10 d rh0, d 0 dh0 ) v ( k سيگنال مرجع ورودی ( )13 e(k ) sgn(e(k )), e(k ) fal (e(k ),, ) 1 e(k ) /, e(k ) ) y ( k سيگنال خروجی سيستم است که میبايست کنترل شود. برای که f st تابع غير خطی است و به صورت زير تعريف میشود : است که در حلقه کنترل سرعت حلقه کنترل سرعت y ( k ) سرعت ) ( r است z1 (k ). تخمين متغير حالت (سرعت) و ) z2 (k تخمين اغتشاشات سيستم است. ESO دارای چهار پارامتر قابل تنظيم 1, 1, 1 و 2 است. دامنه تغييرات 1 از صفر تا يک است. هرچه مقدار 1 کوچكتر باشد توانايی ESO در برابر عدم قطعيت مدل موتور و اغتشاشات بيشتر است 1. تعيين کننده محدوده خطی تابع غير خطی است. عملكرد ديناميكی سيستم با تغييرات 1 و 2 به طور قابل مالحظه ای تغيير میکند 1. عمدتا روی تخمين متغير حالت و 2 عمدتا روی تخمين اغتشاشات تاثير میگذارد. هرچقدر مقادير 1 و موتورهای الكتريكی r* است x1 (k ). سيگنال رهگيری ) v ( k و 2 بزرگتر باشد همگرايی تخمين سريعتر خواهد بود و از طرف ديگر ) x2 (k مشتق ) x1 (k و همچنين به طور تقريبی مشتق ) v ( k است h. اگر 1 و 2 خيلی بزرگ باشند ممكن است تخمين همگرا نشود. مقدار تغيير بين دو تكرار است r. و h0 دو پارامتر قابل تنظيم هستند که -3-3 کنترل کننده غيرخطی خطای فيدبک r ضريب نرخ همگرايی است. مقدار بزرگتر r باعث سرعت سريعتر همگرايی ) x1 (k به است و h0 فاکتور فيلترينگ جهت فيلتر کردن * r نويز است. کنترل کننده خطی ترکيبی از کنترل کننده های تناسبی - انتگرالی و مشتقگير است. ترکيب غير خطی اين کنترل کننده ها درجه آزادی باالتری را برای بهبود عملكرد سيستم ارائه میدهد به طوری که در حالت -2-3 مشاهدهگر حالت توسعه يافته قطع فاز که گشتاور و سرعت ماشين دارای خطای سينوسی خواهند بود در صورتی که يک سيستم غيرخطی نامشخص با اغتشاش نامشخص در اين حالت کنترل کننده غير خطی دارای توانايی باالتری در رويارويی همانند زير داشته باشيم : با اين نوع خطا نسبت به کنترل کننده خطی PI است. بر حسب خروجی ( )11 ) y ( n ) f ( y, y,..., y ( n 1), k ) d (k ) bu (k به طوری که f يک تابع نامشخص و d يک اغتشاش نامشخص است u ND و ESO اين کنترل کننده مطابق زير خواهد بود [ :]12 ) e(k ) x1 (k ) z1 (k ) u0 ( k ) 3 fal (e1 ( k ), 2, 2 u ( k ) u ( k ) z ( k ) / b ( )14 ورودی سيستم y خروجی سيستم و b پارامتر سيستم است. با نمو متغير y به متغير حالت سيستم و نمو متغير حالت سيستم که مشتق های متوالی متغير حالت اندازه گيری شده است مشاهدهگر حالت توسعه يافته ESO برای اين سيستم تنها بر اساس خروجی اندازه گيری شده بدست می آيد. که ) u (k خروجی کنترلی است. برای حلقه کنترلی سرعت ) u ( k مولفه عمودی جريان مرجع استاتور ) (i و 2 و 2 دارای * qs معانی مشابه با 1 و 1 است 3. سرعت پاسخ سيستم را کنترل می - استکه اغتشاشات متنوع شامل تغيير در کند اما با وجود مقادير بزرگ 3 فراجهش بااليی ظاهر خواهد شد. پارامترها عدم قطعيت مدل و اغتشاشات به وجود آمده ناشی از قطع فاز نمودار کنترل برداری موتور القايی شش فازه و کنترل کننده های ADRC را تخمين و جبران میکند و با فراهم آوردن مقاومت باالتر نسبت به تغيير که برای سه حلقه کنترل سرعت کنترل isd و isq که در حالت سالم و ESO مهمترين بخش در مدل و پارامترهای موتور کنترل کننده های ARDC را میتوان به قطع فاز مورد استفاده قرار خواهد گرفت به صورت شكل 3 میباشد : عنوان يک گزينه مناسب برای کنترل حالت خطا درنظر گرفت. همچنين مشاهده گر حالت توسعه يافته ايجاد شده دارای حساسيت پايين نسبت به شود و برای کنترل فرآيند حالت گذرا هنگام رهگيری سيگنال مرجع و ( )12
55 های توالی منفی جريان ناشی از اغتشاشات قطع فاز میباشد. اما در روش نيازی به تغيير مقدار مرجع مولفه نخواهد بود زيرا به دليل خاصيت ذاتی x برای حالت بعد از خطا در جهت مقابله با اغتشاشات مختلف عدم تنظيم مناسب جريان مولفه x برای کنترل حالت بعد از خطا ) (ixs* 0 به صورت يک اغتشاش داخلی در ساختار ADRC شكل :3 نمودارکنترل برداری موتور القايی شش فازه در حالت استفاده از به طور کلی دقت سرعت و عدم حساسيت به پارامترهای موتور موارد الزم جهت کنترل سرعت موتور میباشند. همانطور که میدانيم عملكرد کنترل کننده های PI در اثر تغيير پارامترهای ماشين و يا عدم دقت در تعيين آنها تحت تاثير قرار میگيرد همچنين هنگامی که اغتشاشات گشتاور بار وجود دارد کنترل کننده های PI نيازمند زمان بازيابی نسبتا زيادی جهت برگشت به سرعت مرجع در زمان اعمال گشتاور بار هستند و در نتيجه سرعت پاسخ سيستم به اين اغتشاش خارجی کند است [.]12 در سالهای اخير روشهای زيادی جهت تخمين پارامترهای ماشين برای روش FOC پيشنهاد شده است. با اين وجود پارامترهای موتور ذاتا مستقل از يكديگر نبوده و بنابراين پارامترهای زيادی نياز است که تخمين زده شوند که اين مساله باعث پيچيدگی الگوريتم خواهد شد. در حالت وقوع خطای قطع فاز نيز مدل و پارامترهای ماشين تغيير کرده و ديگر روابط و مدل ماشين سالم برای تحليل حالت قطع فاز معتبر نمیباشد. در اين مقاله هدف بررسی توانايی اين کنترل کننده در شرايط مختلف شامل مواجهه با گشتاور بار به عنوان اغشاش خارجی مقاوم بودن در برابر تغيير پارامترها و همچنين توانايی حذف اغتشاشات ناشی از خطای قطع فاز میباشد. اما در روش ADRC به دليل وجود ND در مسير مستقيم -4 نتایج شبیهسازی جهت نشان دادن عملكرد روش ADRC الگوريتم کنترل برداری موتور القايی شش فازه در حالت سالم و خطای قطع فاز در نرم افزار Simulink Matlab- شبيه سازی شده است. مشخصات موتور القايی شش فازه و بهره های تنظيم شده کنترل کننده ها نيز در جداول 1 و 2 پيوست مقاله آمده است. از آنجايی که عملكرد کنترل کننده PI و رزونانسی در حالت سالم تفاوتی با يكديگر ندارند ADRC در حالت سالم با کنترل کننده PI و در حالت قطع فاز با کنترل کننده PI و رزونانسی ( PI دوتايی) مورد ارزيابی قرار میگيرد. ابتدا در حالت سالم عملكرد و حساسيت دو روش کنترلی PI و ADRC تحت اعمال گشتاور بار به عنوان اغتشاش خارجی و سپس تغيير پارامترهای ماشين مورد بررسی قرار میگيرد و سپس عملكرد هر سه کنترل کننده در شرايط قطع فاز مورد ارزيابی و مقايسه قرار خواهد گرفت. تمامی پارامترهای قابل تنظيم کنترل کننده های PI و ADRC در مطلوبترين حالت تنظيم شده است و مقدار آنها در شرايط سالم و قطع فاز يكسان و بدون تغيير است. -1-4 بررسی توانايی حذف اغتشاش خارجی شكل 4 نتايج شبيه سازی و مقايسه ای اين دو روش را در حالتی که گشتاور بار به عنوان اغتشاش خارجی به موتور اعمال میشود نشان می - جهت مواجهه با تغييرات ناگهانی و همچنين مشاهده گر حالت توسعه دهد. موتور القايی شش فازه ابتدا به صورت بدون بار کار میکند سپس يافته جهت تخمين و جبران اغتشاشات داخلی و خارجی و در نهايت گشتاور بار 0/1 N.m در ثانيه سوم به موتور اعمال شده و در ثانيه پنجم وجود کنترل کننده غير خطی NLSEF سرعت موتور دارای فراجهش و بار از روی موتور برداشته میشود. سرعت مرجع موتور روی 1000 دور زمان نشست کمتری است و اغتشاش خارجی روی موتور به خوبی بر دقيقه تنظيم شده است. برطرف خواهد شد. همانطور که مالحظه میشود هنگامی که کنترل کننده PI مورد هنگامی که ماشينهای چندفازه تحت روش کنترل برداری و کنترل استفاده قرار میگيرد عملكرد درايو موتور القايی شش فازه در هنگام کننده PI مورد استفاده قرار میگيرند در اثر قطع فاز گشتاور خروجی و اعمال گشتاور بار تحت تاثير قرار گرفته و سرعت ماشين با تاخير به مقدار بالطبع سرعت موتور دارای نوسان خواهد شد که به دليل محدوديت مرجع خود برمیگردد. در حالی که در روش و در مقايسه با پهنای باند فرکانسی کنترل کننده PI اين کنترل کننده در شرايط قطع فاز کنترل کننده PI سرعت موتور دارای فراجهش و زمان نشست کمتری و حذف خطاهای متناوب کارايی الزم را نخواهد داشت. از طرفی با است و اغتشاش خارجی روی موتور به خوبی برطرف شده است. جايگزاری ias 0 در معادالت ماشين درمیيابيم که در حالت قطع فاز ديگر شرايط دکوپله برقرار نبوده و داريم. ixs i s در اين شرايط روش متداولی که برای کنترل حالت قطع فاز و حذف نوسانات گشتاور و سرعت مورد استفاده قرار میگيرد تغيير جريان مرجع مولفه x به صورت ixs* i * s و استفاده از کنترل کننده های PI دوتايی جهت مقابله با مولفه جبران خواهد شد.
56 الف) شكل :4 مقايسه نتايج سرعت و جريان برای دو کنترل کننده الف) PI و ب) ADRC هنگامی که گشتاور بار به عنوان اغتشاش خارجی به موتور اعمال میشود -2-4 بررسی اثر تغيير پارامترها جهت بررسی اين مساله شبيه سازی موتور با مقاومت روتور تغيير يافته و مقايسه اين دو روش کنترلی بوده بطوريكه بتوان حساسيت آنها را نسبت يا با تغيير ثابت زمانی روتور ) ( r جهت مقايسه نتايج در بدترين شرايط به اين تغييرات مشاهده و ارزيابی نمود. همانطور که از شكل 5 مالحظه با يكديگر انتخاب شده است. شكل 5 نتايج شبيه سازی را نشان میدهد. میشود کنترل کننده PI در مواجهه با اين تغييرات دچار مشكل خواهد در اين قسمت ثابت زمانی روتور ) ( r به عنوان يكی از پارامترهای شد و کنترل سرعت ممكن است به خوبی انجام نشود ولی همانطور که ماشين به صورت زير تغيير خواهد کرد. هرچند که در عمل تغيير لحظهای در قبل اشاره شد در روش که دارای حساسيت پايين به و زياد اين پارامترها اتفاق نمی افتد و همچنين اثر تغيير اين پارامترها روی پارامترهای موتور بوده و طراحی آن اساسا مستقل از مدل موتور انجام موتورهای با توان مختلف و در سرعت های مختلف متفاوت است لذا میشود مالحظه میشود که واکنش خاصی به اين تغييرات از خود نشان در اينجا هدف نمیدهد. شكل :5 عملكرد دوکنترل کننده PI و ADRC و مقايسه حساسيت آنها به پارامترهای موتور ) ( r -3-4 بررسی اثر قطع فاز فاز اول از مجموعه سه فاز اول يا همان فاز a1 در ثانيه سوم قطع شده در اين قسمت که در واقع هدف اصلی مقاله نيز هست قصد داريم است و در نتيجه جريان اين فاز صفر و جريان فازهای باقيمانده به صورتی عملكرد اين دو کنترل کننده را در شرايط خطای قطع فاز بررسی کنيم که ديده میشود و با فرض اينكه مقادير آنها در مقدار نامی محدود موتور القايی شش فازه متقارن استفاده شده در شبيه سازی دارای دو شوند نامتعادل خواهند شد. در نتيجه اين نامتعادلی گشتاور خروجی و نوترال مجزا میباشد که در واقع بدترين شرايط قطع فاز برای موتور شش بالطبع سرعت موتور دارای نوسان خواهد بود که بسته به اينرسی و توان فازه میباشد. جهت بررسی عملكرد اين دو روش کنترلی در شرايط موتور ميزان اين نوسانات متفاوت خواهد بود. خطای قطع فاز همانطور که در شكل 6 مالحظه میشود فرض میشود همانطور که در قبل گفته شد کنترل کننده PI به دليل محدوديت ب)
57 هنگامی که از کنترل کننده ADRC در حالت قطع فاز استفاده میشود گشتاور با شاخص ريپل گشتاور ( )TRF1 به صورت نسبت قله به قله ريپل ماشين دارای حالت تعادل بهتری خواهد بود و نوسان گشتاور نسبت به گشتاور به مقدار گشتاور نامی ( )0/3 N.m تعريف میشود. همانطور که حالتی که کنترل کننده PI مورد استفاده قرار میگيرد تا حد بسيار زيادی مالحظه میشود گشتاور خروجی در حالتی که کنترل کننده مورد کاهش يافته است. همچنين جهت نمايش تعادل ماشين در حالت قطع فاز استفاده قرار میگيرد دارای ريپل قابل مالحظه ای است که TRF متناظر نمودارهای گشتاور خروجی ماشين و جريان ) (i i ترسيم شده اند. با آن %23 است و برای حالتی که از کنترل کننده رزونانسی استفاده می - شود شاخص ريپل گشتاور حدود %1 و در حالتی که از ARDC PI استفاده شكل 6 الف : عملكرد کنترل کننده PI در شرايط قطع فاز شكل 6 ب : عملكرد کنترل کننده رزونانسی در شرايط قطع فاز Torque Ripple Factor پهنای باند فرکانسی در مقابله با اين خطای سينوسی ناتوان خواهد بود اما معيار ارزيابی عملكرد درايو در اين مقاله جهت کنترل نوسانات خروجی
58 شكل :6 مقايسه عملكرد سه کنترل کننده PI رزونانسی و ADRC در شرايط خطای قطع فاز میشود برابر با %3 است. همانطور که مالحظه میشود نتايج بدست آمده نوترال مجزا برای حالتی که فاز اول سيمپيچ اول يا همان a1 قطع شده در دو حالت استفاده از کنترل کننده رزونانسی و ADRC برای کنترل است به همراه نمايش هارمونيكی جريان فاز b1 به عنوان نمونه در قطع فاز تقريبا يكسان است. با اين تفاوت که برای استفاده ازکنترل شرايطی که از اين سه کنترل کننده جهت کنترل حالت قطع فاز مورد کننده رزونانسی در هنگام قطع فاز میبايست مقدار مرجع جريانها برای استفاده قرار گرفته است نمايش داده شده است. همانطور که مالحظه میشود در حالتی که از کنترل کننده های PI و رزونانسی در حالت خطا نيازی به هيچ گونه تغيير در ساختار کنترلی برای حالت بعد از خطا وجود استفاده میشود چون جريان فيدبک جهت حذف اغتشاش گشتاور ندارد. خروجی وجود ندارد بنابراين هارمونيک جريان در حالتی که اين کنترل کنترل حالت خطا تغيير کند [ ]4 7 در صورتی که در روش به منظور تحليل عملكرد اين کنترل کننده ها در ايجاد اعوجاج هارمونيكی در شكل 7 شكل موج جريانهای موتور شش فازه با دو کننده ها مورد استفاده قرار میگيرند کمتر از حالتی است که از کنترل کننده ADRC استفاده خواهد شد. شكل 6 ج : عملكرد کنترل کننده DRC در شرايط قطع فاز
59 در اين مقاله روشی جديد و موثر درکنترل موتور القايی شش فازه برای هر دو حالت سالم و قطع فاز ارائه شده است به طوری که برخالف PI و روشهای قبلی کنترل موتور هم در شرايط سالم و هم در شرايط خطای رزونانسی قطع فاز به درستی و با دقت باال و بدون هيچ گونه تغيير در ساختار کنترلی انجام میگيرد. سه کنترل کننده PI رزونانسی و ADRC جهت کنترل موتور القايی شش فازه مورد تحليل و بررسی قرار گرفتند. کنترل ND: r = 50, h0 = 0/02 Kp = 0/02 ESO: α1 = 1, δ1 = 0/75, β1 = 50, β2 = 60 KI = 0/05 NLSEF: β3 = 10, δ2 = 0/5, α2 = 0/75 تعادل مناسب در شرايط خطا و بخصوص عدم نياز به تغيير در ساختار ND: r = 100, h0 = 0/02 Kp = 0/02 KI = 10 کنترل کننده های PI و رزونانسی است. در مقايسه با کنترل کننده PI رزونانسی اگر چه پارامترهای بيشتری وجود دارند که بايد تنظيم شوند اما با اين وجود هنگامی که اين پارامترها به درستی تنظيم شوند مقدار آنها برای هر محدوده سرعت گشتاور بار و همچنين هم برای حالت ESO: α1 = 1, δ1 = 10, β1 = 150, β2 = 20 NLSEF: β3 = 0/2, δ2 = 10, α2 = 0/75 b = 3 P phir/2=900 کنترل کننده در شرايط خطای قطع فاز دارای توانايی باالتری نسبت به و حلقه کنترل سرعت b = 3 P phir/2=900 کننده ADRC به دليل توانايی حذف اغتشاش خارجی نظير گشتاور بار در حالت سالم و همچنين حذف اغتشاشات بوجود آمده و ايجاد شرايط روش کنترلی ND: r = 100, h0 = 0/02 Kp = 0/02 KI = 10 ESO: α1 = 1, δ1 = 0/75, β1 = 50, β2 = 65 NLSEF: β3 = 0/1, δ2 = 10, α2 = 0/75 b = 3 P phir/2=900 حلقه کنترل مولفه q جريان حلقه کنترل مولفه d جريان جدول :2 مقادير بهرههای کنترل کننده ها در حالت سالم و قطع فاز سالم و هم شرايط قطع فاز موثر خواهد بود در حالی که برای کنترل کننده PI و رزونانسی برای هر محدوده سرعت و حالت قطع فاز نياز به تنظيم مجدد بهره ها برای يک ماشين يكسان میباشد. پیوست جدول :1 مشخصات موتور القايی شش فازه تعداد زوج قطب ) (p 90 W توان نامی 42 V ولتاژ نامی 2800 Rpm سرعت نامی 0/3 N.m گشتاور نامی 2/6 A جريان نامی 0/06 Wb شار نامی ) (phir 11/5 mh اندوکتانس متقابل ) (M 0/2 Ω مقاومت استاتور ) (R s 0/211 Ω مقاومت روتور ) (R r 100 10-6 Kg.m2 ضريب اينرسی) (J 50 فرکانس مراجع [1] E. Levi, Multiphase electric machines for variable speed applications, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 55, no. 5, pp. 1893 1909, May 2008. [2] H. Ryu, J. Kim, and S. Sul, Synchronous-frame current control of mul-tiphase synchronous motor under asymmetric fault condition due to openphases, IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 42, no. 4, pp. 1062 1070, Jul./Aug.2006. [3] R. Kianinezhad, B. Nahid-Mobarakeh, L. Baghli, F. Betin, and G.-A. Capolino, Modeling and control of six-phase symmetrical induction machine under fault condition due to open phases, IEEE Trans. Ind.Electron., vol. 55, no. 5, pp. 1966 1977, May 2008. [4] H.S Che, M.J Duran, E.Levi, M.Jones, W.Ping Hew And N.A.Rahim, Postfault operation of an asymmetrical six-phase induction machine with single and two isolated neutral points, IEEE Trans. Pow.Electron, vol.29, no.10, pp.5406-5416, Oct. 2014. -5 نتیجه گیری
ADRC کنترل مقاوم ماشين القايی شش فازه متقارن در شرايط خطای قطع فاز بر مبنای روش 60 سيد سعيداله مرتضوی عليرضا صفاريان سيد قدرت اله سيف السادات رضا کيانی نژاد علی حجاری Downloaded from joc.kntu.ac.ir at 16:28 +0330 on Saturday October 20th 2018 [10] Su, Y.X.; Zheng, C.H.; Duan, B.Y., Automatic disturbances rejection controller for precise motion control of permanent-magnet synchronous motors, IEEE Trans. Ind. Electron, vol.52, no.3, pp.814-823, June 2005. [11] H. Sira-Ramírez, J. Linares-Flores, C. García-Rodríguez and M. A. Contreras-Ordaz, On the Control of the Permanent Magnet Synchronous Motor: An Active Disturbance Rejection Control Approach, in IEEE Trans.Control Systems Technology, vol. 22, no. 5, pp. 2056-2063, Sept. 2014. [12] J. Li, H.P Ren,Y.Ru Zhong Robust speed control of induction motor drives using first-order AutoDisturbance Rejection Controllers, IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 51, no. 1, Jan/Feb 2015. [13] B. Du, S. Wu, S. Han and S. Cui, Application of Linear Active Disturbance Rejection Controller for Sensorless Control of Internal Permanent-Magnet Synchronous Motor, in IEEE Trans. Ind. Electron, vol. 63, no. 5, pp. 3019-3027, May 2016. [14] Y. Zhao and T.A. Lipo, Space vector PWM control of dual three-phase induction machine using vector space decomposition, IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 31, no. 5, pp.1100-1108, Sept./Oct. 1995. Journal of Control, Vol. 11, No. 1, Spring 2017 [5] H. Guzmán, M. J. Duran, F. Barrero, B. Bogado, and S. Toral, Speed control of five-phase induction motors with integrated open-phase fault operation using modelbased predictive current control techniques, IEEETrans. Ind. Electron., vol. 61, no. 9, pp. 4474 4484, Sep. 2014. [6] C. Lim, E. Levi M. Jones, N. Abd Rahim, and W. Hew, FCS-MPC based current control of a five-phase induction motor and its comparison with PI-PWM control, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 61, no. 1, pp. 149 163, Jan. 2014. [7] H. Guzmán, M. J. Duran, F. Barrero, L. Zarri, B. Bogado, I. G. Prietoand and M.R. Arahal, Comparative study of predictive and resonant controllers in faulttolerant five-phase induction motor drives, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 63, no. 1, Jan 2016. [8] J. Han, Auto-disturbances-rejection controller and its applications, (in Chinese), Control Decision, vol. 13, no. 1, pp. 19 23, 1998. [9] J. Han, From PID to active disturbance rejection control, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 56, no. 3, pp. 900 906, Mar. 2009. 1396 بهار 1 شماره 11 جلد مجله کنترل