التحكم بناقل الحركة للمحرك الكهربائي المتزامن

أهمية التحكم بناقل الحركة للمحرك الكهربائي المتزامن

نظراً للسرعة العالية ووجود تقنية “عالية الدقة” في الأداء الخاص “بالمحركات التزامنية”؛ فقد تطورت هذه المحركات الخطية المتزامنة ذات المغناطيسية الدائمة (PMSLM)، وذلك من أجل كفاءة عالية ودقة عالية واستهلاك منخفض للطاقة، كذلك من أجل قوة دفع عالية واستجابة سريعة، والأهم هو سهولة التحكم في المزايا الهامة، حيث أن هناك آفاق واسعة للتنمية في أدوات آلة (nc)، صناعة الطيران، الروبوتات الصناعية، ومناطق أخرى من المحرك الكهربائي لديها إمكانات تطوير هائلة.

ومع تطور الحواسيب الصغيرة، أدى ظهور (DSP) عالي الأداء إلى تعزيز تطبيق خوارزمية التحكم المعقدة في التحكم في المحركات، كما تم تصميم متحكم السرعة على أساس التحكم التنبئي النموذجي، بحيث يتم استخدام مراقب الاضطراب لتقدير اضطراب النظام، كما ويتم إنشاء مقدار تعويض تيار عزم الدوران وفقاً للتصحيح الأمامي لمقدار التحكم، وذلك لتحقيق قمع الاضطراب.

أيضاً كلاهما عبارة عن طريقتين للتحكم في التعويض على أساس مراقب الاضطراب، والتي تأخذ في الاعتبار عدم اليقين في النموذج وأخطاء النمذجة وعزم دوران الحمل كاضطرابات مركزة وتقديرها وتعويضها ديناميكياً، وفي الوقت نفسه، تم تطوير خوارزمية الهيكل المتغير للوضع المنزلق بسرعة في السنوات الأخيرة بسبب هيكلها البسيط وقابليتها التشغيلية القوية.

كما صمم المختصون خوارزمية نمط الانزلاق التكيفي، وذلك جنباً إلى جنب مع خوارزمية الوضع المنزلق لتقارب الوقت المحدود والخوارزمية التكيفية، ولحل مزايا مشكلة حدود عدم اليقين؛ فإنه تم تحقيق نتائج جيدة في تطبيق التحكم في المحركات المصقولة، بحيث تمت مناقشة تطبيق الوضع الانزلاقي عالي الترتيب في مجال التحكم بالمحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم.

لذلك يتمثل التطور النظري للتحكم في وضع الانزلاق عالي الترتيب في وضع الانزلاق التقليدي في تجنب الارتعاش مع الحفاظ على المزايا الرئيسية لـ (SMC)، بحيث تعمل تقنية التحكم هذه على توسيع فكرة التحكم في وضع الانزلاق التقليدي عن طريق استبدال المشتق الأول الذي يعمل عليه بمشتق الوقت الذي يعمل على متغير وضع الانزلاق ذي الترتيب الأعلى.

ومن المعروف بأنه يتطلب تنفيذ (SMC) عالي المستوى مشتق متغير انزلاقي فعال، خاصةً أن هذا النظام قوي للغاية، مما يجعله جذاباً لأبحاث التحكم في القيادة، كما بشكل أساسي نظرية الوضع الانزلاقي من الدرجة الثانية وخصائص تطبيقها، أيضاً وتوفر طريقة إثبات لتوفير استقرار وحدة التحكم في الوضع الانزلاقي من الدرجة الثانية.

لاحقاً تم استخدام وضع الانزلاق من الدرجة الثانية على نطاق واسع لمزايا التحكم المتميزة، وذلك باستخدام مبدأ مراقب الحالة، كما تم تصميم مراقب الحالة ذي الترتيب المنخفض ومراقب الوضع المنزلق ومراقب “كالمان” الممتد ومراقب الحالة كامل الأبعاد لمراقبة موضع الدوار للمحرك، ومن بينها يتميز مراقب الوضع المنزلق بخصائص التقارب السريع والإدراك الهندسي الجيد مقارنة بالمراقبين الآخرين.

تحليل الهيكل الحركي الخطي للمحرك المتزامن

يتكون المحرك الخطي المتزامن ذو “المغناطيس الدائم” الخالي من الحديد من الجزء الثابت والمحرك، كما ويتكون الجزء الثابت بشكل دقيق من مغناطيس دائم وحديد خلفي، حيث أن توزيع قطبية المغناطيس الدائم كما هو موضح في الشكل التالي (1)، وذلك لأن المغناطيس الدائم العلوي والسفلي لهما خصائص مغناطيسية معاكسة لمبدأ “الشفط العادي”.

لذلك يجب تثبيت المغناطيس الدائم على الحديد الخلفي بواسطة الغراء الفائق، ولتجنب التشوه؛ فإنه يجب ألا يكون طول الجزء الثابت طويلاً جداً، كذلك لا يوجد قلب حديدي في اللفات ثلاثية الطور في المحرك، حيث يتم تعبئته وتثبيته بواسطة “راتنجات الايبوكسي”. بحيث يتغير التيار المتردد الناتج عن القانون الجيبي مع مرور الوقت لتوليد مجال مغناطيسي موجه متنقل، والذي يتفاعل مع المجال المغناطيسي الثابت الناتج عن المغناطيس الدائم لتعزيز حركة المحرك.

ونظراً لأن المحرك لا يحتوي على بنية أساسية حديدية؛ فلا توجد قوة “تسنير”، بالإضافة الى التأثير النهائي يكون أصغر بكثير، بحيث لا يكون للمحرك الخطي قوة تموضع، كما وتكون العملية أكثر استقراراً، بحيث يعتمد ملف المحرك على هيكل (5 أقطاب / 3 لفائف)، أيضاً ويتم ترتيب الملفات بشكل وثيق. يمكنه تقصير طول المحرك بشكل فعال وتحسين كفاءة المحرك.

تحليل المجال المغناطيسي لفجوة الهواء

التحليل الدقيق للمحركات الخطية هو الأفضل لإنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد للمحرك، لكن النموذج ثلاثي الأبعاد معقد وعدد المعادلات وعدد الأبعاد كبير، وهو ما لا يفضي إلى “الحساب التحليلي”، ومن أجل تبسيط عملية التحليل؛ فإن النموذج ثلاثي الأبعاد معقول، وذلك بافتراض أن الحساب تم تبسيطه لنموذج ثنائي الأبعاد، بحيث يمكن عمل الافتراضات التالية:

• افترض أن الجزء الثابت للمحرك الخطي طويل بشكل لا نهائي في اتجاهات المحور (x) والمحور (z).

• من المفترض أن النفاذية المغناطيسية للمواد المغناطيسية للمحرك الخطي غير محدودة.

• تجاهل التأثير النهائي الناتج عن تشويه المجال المغناطيسي في نهاية المحرك.

وفقًا للافتراض أعلاه؛ فإنه يتم تبسيط مشكلة حل المجال المغناطيسي المعقد ثلاثي الأبعاد للمحرك الخطي إلى مشكلة حل المجال المغناطيسي ثنائي الأبعاد، ونظراً لأن المجال المغناطيسي للفجوة الهوائية في المحرك الخطي المتزامن ذو المغناطيس الدائم يتم توفيره بالكامل تقريباً بواسطة المغناطيس الدائم؛ فإنه يتم حل فجوة الهواء المغناطيسية بالطريقة التحليلية.

كما يجب أن يكون المغناطيس الدائم مكافئاً من حيث مبدأ “الجهد المغناطيسي المكافئ” (EMPM)، وهو معادلة المغناطيس الدائم في ملف رقيق بلا حدود، بحيث تكون القوة الدافعة المغناطيسية الناتجة عن الملف مكافئة للقوة الدافعة المغناطيسية الناتجة عن المغناطيس الدائم.

كما أن المنطقة المكونة من المغناطيس الدائم والفجوة الهوائية تعادل “المجال السلبي” وتستخدم القوة الدافعة المغناطيسية الناتجة عن الملف، بحيث يظهر “النموذج التحليلي” لطريقة الجهد المغناطيسي المكافئ للمحرك الخطي المتزامن بالمغناطيس الدائم والموضح في الشكل التالي (2)، كما أن المتغير (δ) يعبر عن المسافة بين المناطق العلوية والسفلية للجزء الثابت، أي ارتفاع الفجوة الهوائية.

التحقق من طريقة العناصر المحدودة

من أجل التحقق من دقة التعبير عن الكثافة المغناطيسية للفجوة الهوائية التي تم الحصول عليها بالطريقة التحليلية المذكورة أعلاه؛ فإنه تم إنشاء نموذج تحليل عنصر محدود ثنائي الأبعاد (FEM) للمحرك الخطي المتزامن بالمغناطيس الدائم، كما وتم حل الكثافة المغناطيسية للفجوة الهوائية و تحليلها.

حيث أن المسافة القطبية للمحرك الخطي هي (τ = 16) مم، كما أن المغناطيس الدائم له ارتفاع يساوي (hm = 5mm) وعرض المغناطيس الدائم (τ m = 13mm)، كما أن ارتفاع فجوة الهواء(δ = 19.6) مم، وارتفاع اللف (hc = 3.76mm)، حيث يوضح الشكل التالي توزيع خط الحث المغناطيسي الذي تم الحصول عليه وتوزيع الكثافة المغناطيسية لفجوة الهواء.

كما تتم مقارنة الكثافة المغناطيسية للفجوة الهوائية التي تم الحصول عليها بالطريقة التحليلية عند (y = 0) مم مع الكثافة المغناطيسية للفجوة الهوائية نفسها، والتي تم الحصول عليها بواسطة طريقة العناصر المحدودة، حيث أن النتائج موضحة في الشكل التالي، كما يمكن أن نرى من الشكل أن نتيجة حساب طريقة الجهد المغناطيسي المكافئة لها فقط خطأ كبير في قمة منحنى الكثافة المغناطيسية.