کنترل سرعت موتور bldc با استفاده از روش کنترل مدل پیش بین فازی
چکیده
امروزه استفاده از موتور های dc در صنعت، به شکل وسیعی رایج شده است. موتور های dc متداول، ویژگی های جالبی نظیر کارآیی بالا و مشخصه گشتاور – سرعت خطی دارند و همچنین به سادگی قابل کنترل هستند. ولی با این حال، عیب اساسی موتور های dc نیاز آنها به تعمیرات دوره ای است. جاروبک های کموتاتور مکانیکی پس از مدتی فرسوده شده و نیاز به جایگزینی دارند. کموتاتور های مکانیکی اثرات نامطلوب دیگری نیز دارند مانند جرقه زدن، نویز صوتی و جدا شدن ذرات کربن از جاروبک ها. موتور های dc بدون جاروبک در بسیاری از موارد می توانند جایگزین موتور های dc شوند. موتور های dc بدون جاروبک (bldc) برخلاف نامشان در واقع یک نوع موتور سنکرون با آهنربای دائم هستند. این نوع موتور ها با ولتاژ dc راه اندازی می شوند اما کموتاسیون جریان در آنها با سوئیچ های نیمه هادی انجام می شود. موتور های bldc که اخیرا به طور چشمگیری در صنعت و همچنین در روبات ها، ماهواره ها و کاربرد های نظامی استفاده می شود، دارای مزیت های زیادی نسبت به موتور های dc متداول هستند که بعضی از آنها عبارتند از پاسخ دینامیکی سریع، کارایی بالا(بازده بالا)، عمر عملکرد بالا، مشخصه گشتاور- سرعت بهتر، رنج سرعت بالاتر، نسبت گشتاور- وزن بالاتر، عملکرد بدون نویز. برای کنترل دقیق سرعت موتور bldc در سرعت زیاد و با کارآیی بسیار خوب، به مدل دقیق موتور نیازمندیم. در نتیجه طراحی کنترل کننده نقش مهمی در کارایی سیستم کنترل سرعت موتور bldc دارد.کنترل کننده های کلاسیک، علی الخصوص pi کاربرد وسیعی در کنترل سرعت موتور های bldc دارا هستند، اما این کنترل کننده ها با توجه به مشخصات غیر خطی موتور و یا عملکرد در شرایط حضور اختلال و تغییر بار، عملکرد مناسبی از خود نشان نمی دهند. این نوع کنترل کننده ها در سرعت های زیاد، دارای پاسخ دینامیکی کندی هستندو به دلیل وابستگی به پارامتر های مدل، نیازمند تغییر و تنظیم مجدد پارامتر های کنترلی می باشند. همچنین امروزه صنعت به دقت، کار آمدی و اجرای انعطاف پذیر طرح ها نیازمند است، و همواره نیاز به توسعه تکنولوژی های نو برای مدلسازی پروسه ها، بهینه سازی ها و کنترل پروسه های صنعتی با کارآمدی بالا به عنوان یک چالش مطرح هست. راه حل های کنترلی مدرن متنوعی برای رسیدن به این اهداف پیشنهاد شده است که یکی از آنها روش کنترل مدل پیش بین است. روش کنترل مدل پیش بین، استراتژی کنترلی برای رفتار آینده سیستم است که راه حل های مطلوب را با توجه به یک تابع هزینه مشخص برای تنظیم سیستم های خطی و غیر خطی دارای محدودیت، ارائه می دهد. از طرفی در مکانیزم تولید گشتاور و برای داشتن گشتاور ثابت در موتور، تحریک فازها و ایجاد جریان در آنها می باید سنکرون با وضعیت روتور انجام شود. لذا دانستن اطلاعات وضعیت زاویه ای روتور، یک امر اساسی برای کنترل درایو موتور bldc است. برای موتورهای bldc نوع ذوزنقه ای ، عموماً از سنسورهای اثر هال برای تعیین وضعیت زاویه ای روتور استفاده می شود. برای درایوهای با عملکرد بالا، از اینکودرهای نوری و یا resolver ها استفاده می شود که دقت بالایی دارند. با این وجود، استفاده از سنسورهای وضعیت مکانیکی در کاربردهای عملی با مشکلاتی همراه است. استفاده از سنسورهای الکترومکانیکی نه تنها هزینه و پیچیدگی سخت افزاری درایو را افزایش می دهد بلکه باعث کاهش استحکام و قابلیت اطمینان آن نیز می شود. از طرف دیگر، برای استفاده از قابلیتهای سرعت بالای موتور، در طراحی موتور سعی بر آن است که طول محور روتور کوتاه باشد، در نتیجه تعبیه سنسور سرعت بر روی شافت موتور مشکل بوده و لذا وجود اینکودر بر روی شافت موتور باعث ایجاد محدودیت در سرعتهای بالا می شود. در کاربردهای تراکشن و خودروهای برقی، جانمایی سنسور سرعت نیز چندان راحت نیست. شرایط کاری کثیف، حرارت و وجود ارتعاشات مکانیکی زیاد با توجه به حساسیت سنسورهای وضعیت، سبب بروز مسائل عدیده می شوند. همچنین کابلهای ارتباطی سنسورها با سیستم کنترل درایو، علاوه بر داشتن مسائل جانمایی و هزینه های مربوطه، به راحتی تحت تأثیر میدانهای الکترومغناطیسی قرار گرفته و مشکلات ثانویه ای ایجاد می کنند. بنابراین توصیه نمی شود که از سنسورهای وضعیت مکانیکی در کاربردهایی که از نظر فضا، محدود و غیرقابل دسترس بوده، و یا قیمت تمام شده مهم بوده و یا اینکه قابلیت بالای اطمینان سیستم مورد نظر است، استفاده شود. مشکلات فوق سبب گردیده است تا محققین رو به روشهای تخمین وضعیت روتور بیاورند و تحقیقات متعددی نیز انجام گرفته است. ذکر این نکته هم ضروری است که در کاربرد خودرو، علاوه بر مشکلات فوق، استفاده توامان از سنسورهای وضعیت و روشهای کنترل بدون سنسور باعث افزایش قابلیت اطمینان درایو خودرو می شود. روشهای مختلفی برای تخمین وضعیت روتور در درایو موتور bldc ارائه شده اند که در این پایان نامه از سیستم های هوشمند کنترلی بهره می بریم. از آنجا که رویکرد جدید مهندسی کنترل در دنیا به سمت سیستم های هوشمند است، بهره گیری از مفاهیم و ابزارهای فازی در این روش، با توجه به تفسیر تقریبی مشاهدات و تعیین فرامین تقریبی، بستر مناسبی را برای کنترل هوشمند سرعت موتور bldc در شرایط بار متغیر و حضور اختلال بوجود می آورد.