مقاله کامل در مورد مروري بر كنترل برداري و كنترل مستقيم گشتاور

مروري بر كنترل برداري و كنترل مستقيم گشتاور
در گذشته ، موتورهاي جريان مستقيم (DC ) ، بيشترين كاربرد را در سيستمهاي كنترل سرعت و موقعيت داشتند . دليل اصلي مهندسان طراح محركه هاي الكتريكي براي استفاده از اين موتورها ، سادگي كنترل شار و گشتاور بوده است . به خصوص استفاده از موتورهاي جريان مستقيم با تحريك جداگانه بسيار معمول بوده است چراكه با ثابت نگه داشتن شار و كنترل جريان آرميچر به سادگي كنترل گشتاور امكان پذير است .
بر خلاف ساده بودن كنترل ، اين موتورها معايبي نيز دارند كه از وجود كموتاتورها و جاروبكها در اين موتورها ناشي مي شود . به دليل وجود جرقه جاروبكهاي موتورهاي جريان مستقيم هرچند مدت يك بار نياز به بازبيني دارند ودر محيطهايي كه احتمال انفجار وجود دارد قابل استفاده نمي باشند . علاوه بر اين موتورهاي جريان مستقيم در سرعتهاي بالا نمي توانند كار كنند چرا كه با بالا رفتن سرعت ، زمان كموتاسيون پيچكها كم شده و ولتاژ القايي درآنها بالا مي رود ، در نتيجه جرقه هاي شديدي درموتور ايجاد مي شود .
استفاده از موتورهاي جريان متناوب ،مسائل و مشكلات مذكور براي موتورهاي جريان مستقيم را ندارند . ساختمان اين موتورها نسبت به موتورهاي DC ساده تر بوده و نگهداري آنها نيز راحت تر مي باشد . بدليل داشتن حجم كوچكتر در توان برابر در مقايسه با موتورهاي DC ،موتورهاي جريان متناوب مي توانند در توانهاي بالا با جرم كمتر استفاده شوند .
دو عامل هزينه انرژي و پيشرفت سريع ادوات الكترونيك قدرت باعث شده تا استفاده از موتورهاي جريان متناوب روزافزون شود . موتورهاي جريان متناوب بدليل داشتن راندمان بالا ، تلفات انرژي را كاهش مي دهند. از سوي ديگر پايين آمدن قيمت ادوات الكترونيك قدرت باعث شده تا استفاده از آنها در كنترل موتورهاي جريان متناوب مقرون به صرفه باشد
علاوه بر اينها استفاده از ميكروكنترلها و پروسسورهاي بسيار سريع باعث شده تا در كاربردهايي كه فقط موتورهاي جريان مستقيم استفاده مي شدند نيز بتوان از موتورهاي جريان متناوب باعملكرد مطلوب استفاده كرد .در سالهاي اخير ،شركتهاي بزرگ سازنده محركه هاي الكتريكي از كشورهاي مختلف دنيا كمك هاي زيادي به توسعه محركه هاي AC كرده و محصولات فراوان تا رنجهاي توان بسيار زياد براي انواع موتورهاي AC ( سنكرون وآسنكرون) به بازار عرضه داشته اند .
دو روش اصلي براي كنترل موتورهاي جريان متناوب وجود دارد كه در كاربردهاي با دقت زياد وعملكرد سريع استفاده مي شوند :
روش كنترل برداري (FOC )
روش كنترل مستقيم گشتاور(DTC )
محركه هايي كه بر اساس روش كنترل برداري كار مي كنند نخستين بار در آلمان در سه دهه قبل توسط blashke,hasse,Leonard معرفي شدند .شكل (1-1) بلوك دياگرام كنترل برداري با فرمان شارو گشتاور را نشان مي دهد . محور d ماشين روي بردار شار روتور قرار داده مي شود كه خود اين بردار با سرعتي
برابر فركانس استاتور مي چرخد .مقادير خطاي شار و گشتاور به ترتيب فرمانهاي را توليد مي كنند كه اين مقادير به صورت مجزا قادر به كنترل شار و گشتاور هستند .
همانطور كه از بلوك دياگرام مشخص است ،موقعيت بردار شار جهت تبديل دستگاه چرخان سه فاز به دستگاه چرخان d-p موردنياز است لذا از سنسور سرعت استفاده شده است .
روش كنترل مستقيم گشتاور كه به طور خاص در اين پايان نامه مورد بررسي قرار مي گيرد ، حدودا 15 سال است كه از ابداع آن مي گذرد. اين روش در ابتدا در ژاپن توسط آقاي ناكاهاشي ودر آلمان توسط آقاي دپنبرگ معرفي شد . هر چند كه تا به حال شركتهاي صنعتي معدودي محصول تجاري اين روش را به بازار عرضه كرده اند ولي پيش بيني مي شود كه شركت هاي بيشتري در آينده محركه هاي صنعتي را كه بر اساس روش كنترل مستقيم گشتاور كار مي كنند ، به بازار عرضه نمايند .
مهمترين مزاياي روش كنترل مستقيم گشتاور را مي توان به شرح ذيل بر شمرد :
عدم نياز به تبديل دستگاه سه فاز abc به دستگاه چرخان :
اين خصوصيت درصورتيكه فقط كنترل گشتاور و شار مد نظر باشد منجر به حذف سنسور سرعت خواهد شد. اين درحالي است كه اكثر محركه هايي كه با روش كنترل برداري كار مي كنند نياز به سيگنال سرعت يا موقعيت دارند .
عدم نياز به كنترلر PWM :
بر خلاف روش كنترل برداري ، اين روش نياز به كنترلر PWM ندارد و لذا از جهت سخت افزاري پياده سازي آن ساده تر است .
عدم نياز به كنترل كننده هاي PI :
در صورتيكه كنترل گشتاور و شار مدنظر باشد فقط به دو كنترل كننده هيسترزيس نياز خواهيم داشت . اين در حاليست كه در كنترل برداري حداقل به دو كنترل كننده PI نياز داريم كه تنظيم كردن ضرائب آن خالي از مشكل نيست .
عدم نياز به بلوك مجزا كننده ( ديكوپلينگ ) ولتاژهاي q,d :
در كنترل برداري با اينوتر منبع ولتاژ نياز داريم كه ولتاژهاي q,d ازهم مجزا شوند ليكن در DTC با مولفه هاي ولتاژ سرو كار نداريم لذا نيازي به بلوك ديكوپلينگ نمي باشد .
مقاوم بودن سيستم كنترل به تغيير پارامترهاي ماشين به جز مقاومت استاتور :
تنها پارامتر مورد نياز ماشين در اين روش مقاومت استاتور است .
در بررسي انجام شده بر روي روش كنترل مستقيم گشتاور به معايب آن نيز اشاره شده است از جمله اينكه :
مشكل داشتن در سرعتهاي پايين ودر هنگام راه اندازي :
به خاطر بالا بودن جريان راه اندازي و در نتيحه زياد بودن افت ولتاژ روي مقاومت استاتور ،تخمين شار دقيق نخواهد بود .
تخمين شار و گشتاور : اين مشكل در مورد كنترل برداري نيز وجود دارد .
دانستن مقدار دقيق مقاومت استاتور : خطا در مقاومت استاتور مي تواند منجر به ناپايدار شدن سيستم كنترل گردد .
ضربان گشتاور و شار : وجود كنترل كننده هاي هيسترزيس موجب بروز ضربان در گشتاور و شار ماشين مي شود . روش هاي مختلفي براي رفع اين مشكل پيشنهاد شده است .
مواد عنوان شده در بندهاي قبلي در فصل سوم ، درتوضيح اصول كنترل مستقيم گشتاور به طور تفصيلي نشان داده شده اند . در جدول (1-1) دو روش به صورت مقايسه اي نشان داده شده اند.
جدول (1-1):مقايسه دو روش كنترل برداري و كنترل مستقيم گشتاور
1-2- هدفهاي اصلي تحقيق
در سالهاي اخير مقالات متعددي براي بهبود عملكرد موتورها تحت روش كنترل مستقيم گشتاور چاپ شده اند . گروهي از محققان تلاش گسترده اي براي حذف سنسور سرعت انجام داده اند جمعي ديگر از آنها روشهايي براي كاهش ضربان گشتاور ارائه كرده اند از جمله باندهاي هيسترزيس با دامنه متغير براي كاهش ضربان شار و گشتاور استفاده شده است .
براي اولين بار رفتار موتورهاي آهنرباي دائم سنكرون تحت كنترل مستقيم گشتاور در سال 1997 تشريح شد . در مرجع مذكور نشان داده شده كه با افزايش دامنه فرمان شار ، گشتاور ماكزيمم ماشين بزرگتر شده ليكن رفتار آن در لحظات اوليه راه اندازي خطي نبوده وديناميك كندتري
خواهد داشت . از اينرو به انتخاب مرجع شار متناسب با گشتاور فرمان اشاره شده ولي راه حلي بر آن ارائه نشده است .اخيرا نحوه انتخاب فرمان شار ماشين آهنرباي دائم سنكرون در دو حالت يكي حداقل كردن تلفات درحالت كاردائمي ماشين و ديگري حداقل كردن جريان راه اندازي پيشنهاد شده است. ليكن در حالات گذراي ماشين ( راه اندازي و فرمان پله گشتاور) روش خاصي براي انتخاب مرجع شار ارائه نشده است .
در اين پايان نامه يك هدف اصلي آن بوده است كه پس از بررسي روش هاي مختلف كليد زني اينورتر در كنترل مستقيم گشتاور موتورهاي AC روش جديدي پيشنهاد شودكه سريع ترين پاسخ را در موتورهاي آهنرباي دائم سنكرون نتيجه بدهد . براي اين منظور اصول كار و طراحي روش پيشنهاد شده ورفتار ماشين تحت آنها مشروحا مورد بررسي قرار گرفته است.
هدف ديگر اين پايان نامه پياده سازي سيستم كنترل مستقيم گشتاور موتور آهنرباي دائم سنكرون در مقياس آزمايشگاهي و با استفاده از پردازشگرDSP بوده است . اين هدف با ايجاد يك سيستم كامل كنترلي در آزمايشگاه پژوهشي سيستم هاي حركت پيشرفته عملي گرديده است .
1-3-راهنماي پايان نامه
در اين پايان نامه پس از استنتاج معادلات موتور آهنرباي دائم سنكرون قطب صاف و قطب برجسته در دستگاههاي چرخان مرجع شار روتور و شار استاتور روابط رياضي آن ها در فصل دوم ارايه و اصول روش كنترل مستقيم گشتاور درمورتورهاي آهنرباي دائم سنكرون در فصل سوم تشريح شده است در
پايان بر اساس مدل سازي معادلات ماشين PMSM بلوكهاي مربوط به شبيه سازي آن آمده است.
فصل دوم:
موتورهاي آهنرباي دائم سنكرون (PMSM )

فایل : 37 صفحه

فرمت : Word