التحكم الرقمي بالتيار لكشف الأخطاء والمقاومة النشطة

الهدف من التحكم الرقمي بالتيار لكشف الأخطاء والمقاومة النشطة

تمثل أجهزة التحكم في التيار الرقمي جزءاً مهماً من حلقة التحكم الداخلية لكل من محركات التيار المتردد عالية الأداء التي يتم التحكم فيها بواسطة ناقل الحركة والمحولات المتصلة بالشبكة الكهربائية، كما أن تأثيرها على خصائص نظام التحكم الكلي عميق، بحيث تشتمل بنية وحدات التحكم الحالية بشكل نموذجي على إجراء تكامل نسبي (PI) وشروط فصل المصدر الرئيسي.

كما تم تقديم مساهمات مهمة في نظرية وممارسة تصميم وحدة التحكم بالتيار الكهربائي، حيث تم إجراء التحليل في المجال (s)، وذلك باستخدام تقريب (Pade) لتأخيرات النقل وتقريب (Tustin) للمتكامل، بحيث تتجاهل عملية تصميم وحدات التحكم الحالية عادةً حقيقة أن جهد خرج عاكس تعديل عرض النبضة ثلاثي الطور (PWM) محدود ويحكمه جهد ناقل التيار المستمر.

كما قد يؤدي حد الجهد الكهربائي إلى انتهاء التكامل وتشويه الجهد. يمكن تجنب الآثار السلبية لحد الجهد عن طريق تعديل المرجع الحالي، بحيث يتيح التوليف الرقمي المباشر وتطبيق مفهوم التحكم في النموذج الداخلي في مجال (z) تصميماً لوحدة التحكم بدون تقديرات تقريبية، مما يؤدي إلى تحسين الاستجابة مع التحكم المنفصل حتى عند ترددات التشغيل العالية جداً.

كما تتميز استجابة خطوة الإدخال لوحدة تحكم الإطار المتزامن بعرض نطاق الحلقة المغلقة (fBW)، بحيث يصل إلى٪ 10 من تردد أخذ العينات (fS)، وذلك دون تجاوز، ومع ذلك؛ فإن خصائص رفض الاضطراب (أي قمع تأثير تغيير الجهد، كاضطراب خارجي على التيار المتحكم فيه) لمتحكمات التيار هذه غير مرضية.

كما أنه يمكن تحسين رفض الاضطراب بشكل كبير باستخدام ردود فعل المقاومة النشطة، بحيث يكون على حساب زيادة استجابة خطوة الإدخال، الا أنه يمكن التحايل على هذا إلى حد ما عن طريق زيادة الكسب المتكامل لوحدة التحكم.

تأثير الضوضاء والتذبذبات على عملية أخذ عينات كشف الأخطاء

بسبب وجود تبديل الضوضاء والتذبذبات الطفيلية؛ فقد تحدث أخطاء في أخذ العينات يمكن التخلص من أخطاء أخذ العينات تماماً عن طريق الحصول على التغذية المرتدة بمتوسط ​​الفترة، والذي يؤدي إلى تأخير ويجعل تطبيق ردود الفعل المقاومة النشطة أمراً صعباً، ويتم تحديد وحدة تحكم رقمية للتيار مع الحصول على ردود فعل خالية من الأخطاء.

كما تم تصميم وحدة تحكم تتيح استخدام ردود فعل المقاومة النشطة، وعلى الرغم من التأخير الناتج عن الحصول على التغذية الراجعة، والنتيجة النهائية هي وحدة تحكم رقمية للتيار والتي تكون عادةً:

• خالية من أخطاء أخذ العينات.

• تحتوي على ردود فعل مقاومة نشطة، وبالتالي تحسين رفض الاضطراب.

• تتميز بعرض النطاق الترددي الذي يتناسب مع أحدث وحدات التحكم الحالية دون تجاوز وبدون تأثير سلبي لقيم المقاومة النشطة على استجابة خطوة الإدخال.

المقاومة النشطة ومخططات أخذ العينات

من الإمكانات المهمة لوحدات التحكم الرقمية الحالية رفض الاضطراب، أي القدرة على تقليل تأثير (ΔI) لاضطرابات الجهد الكهربائي (ΔU)، وذلك على التيارات المتحكم فيها، حيث أنه من المستحسن أن يكون القبول (Y = I / ΔU) عند أدنى مستوى ممكن، حيث يمكن تقليل القبول (Y) بطرح ناتج تيارات التغذية الراجعة والكسب (Ra) من أمر الجهد.

كما يؤدي إدخال المقاومة النشطة (Ra) إلى تحسين رفض الاضطراب بشكل كبير، وذلك من أجل الحفاظ على استجابة خطوة الإدخال غير متأثرة بإدخال ردود فعل (Ra) الداخلية، حيث أنه من الضروري إدخال إجراء متكامل مؤجل في هيكل وحدة التحكم الكهربائية.

التحكم النشط بالمقاومة مع أخذ العينات المتزامنة

في الحالة المثالية، يوفر أخذ العينات في مركز نبضات الجهد وعينات التغذية المرتدة في لحظات، حيث يتقاطع تموج (PWM) مع الصفر، كما أن أخذ العينات المتزامن يعني التقاط عينتين خلال كل فترة (PWM) و (TPWM).

لذلك يتم تباعد العينات بواسطة [TS = TPWM / 2 = 1 / fS]، بحيث يمكن استخدام أخذ العينات المتزامنة بشكل مفيد مع المحركات المتكاملة وجميع التطبيقات الأخرى حيث لا تتأثر عينات التغذية المرتدة عن طريق تبديل الضوضاء والسعة الطفيلية للكابلات والملفات.

لذلك؛ فقد تمت مناقشة وحدة التحكم الحالية مع أخذ العينات المتزامن والمقاومة النشطة من خلال العديد من الدراسات، بحيث تثبت كل من النتائج التحليلية والتجريبية أن إدخال ردود فعل المقاومة النشطة يحسن رفض الاضطراب بواسطة عامل [(1 + Ra / R)]، حيث (Ra) هي كسب المقاومة النشطة، بينما (R) هي مقاومة الحمل.

ومن أجل الحفاظ على استجابة خطوة الإدخال غير متأثرة بملاحظات (Ra) الداخلية؛ فإن بنية وحدة التحكم واضحة في الشكل التالي (1)، كما أن لديها إجراء تحكم إضافي، بحيث يتألف المسار المباشر من تكامل متأخر جديد مع الكسب (Ra) والتأخير الزمني لـ [Td = d⋅TS].

ومع الاعتبار المتزامن؛ فإنه يكون تأخير الحساب والتشكيل (Td) مساوياً لفترتي ونصف [TS (d = 3/2)]، كما يتم الحصول على وحدة التحكم المحسنة الجديدة “وحدة التحكم المعدلة” في الشكل التالي (1)، وذلك من خلال تطبيق مفهوم النموذج الداخلي على المصنع الذي يشتمل على الحمل مع تغذية مرتدة مقاومة داخلية نشطة “مصنع معدل” في الشكل (1).

التحكم النشط في المقاومة مع متوسط ​​التغذية الراجعة

مع عينة واحدة فقط من التغذية المرتدة لكل فترة (TS)، كما تكون مخططات أخذ العينات المتزامنة حساسة لضوضاء التبديل، وفي الحالات ذات السعة الكيبلية الملموسة أو سعة اللف أو سعة الحمل؛ فإن التذبذبات الطفيلية الناتجة المرتبطة بالتبديل تؤدي إلى أخطاء كبيرة في أخذ العينات.

كما يتم إدخال أخطاء أخذ العينات أيضاً عن طريق المرشحات المسبقة التناظرية التي تنقل التموج الحالي الصفري بعيداً عن مركز نبض الجهد، بحيث يؤدي إدخال المقاومة النشطة، وذلك إلى زيادة الضوضاء داخل النظام، حيث تتضاعف أخطاء أخذ العينات بواسطة (Ra)، ودعماً لهذا الادعاء؛ فإنه تم فحص أشكال الموجة التي تم الحصول عليها تجريبياً لتيار الذكاء في الحالة المستقرة.

أيضاً يتم الحصول على التتبع الأدنى في الشكل التالي (2)، وذلك باستخدام وحدة التحكم الحالية التقليدية التي تستخدم أخذ العينات المتزامن، وهو المعزز بواسطة التغذية المرتدة (Ra) المحلية، وبصرف النظر عن زيادة تردد (PWM) (من 8 إلى 10 كيلو هرتز)، تتوافق الميزات الرئيسية للإعدادات والتحكم.

لذلك تم تحسين وحدة التحكم التقليدية من خلال استجابة المقاومة النشطة مع ضبط الكسب على (Ropta)، وعلى الرغم من الحصول عليها بكسب معتدل؛ فإن التتبع السفلي في الشكل التالي (2)، بحيث يوضح زيادة كبيرة في معامل (IQ).

ومن أجل قمع أخطاء أخذ العينات ولتمكين زيادة خالية من الاضطرابات لـ (Ra)؛ فإنه يجب استبدال أخذ العينات المتزامن التقليدي بالحصول على التغذية المرتدة الخالية من الأخطاء والتي تحسب ردود الفعل (iFB) من مجموعة العينات التي تم الحصول عليها خلال فترة التبديل السابقة، وذلك كما هو موضح بالشكل التالي (3).