التحكم في التدفق التنبئي للمحركات الكهربائية التعريفية

يقترح هذا البحث التحكم في التدفق التنبئي المستند إلى نموذج موسع (MPFC) مع تعديل سرعة مراقب الاضطراب للمحركات الحثية، كما تتمثل المزايا الرئيسية للطريقة المقترحة في تحسين تقدير الحمل وقمع التجاوز الحالي عند تغييرات الخطوة في السرعة المرجعية وإزالة عامل الترجيح في دالة التكلفة المصاغة حديثاً.

أهمية التحكم في التدفق التنبئي للمحركات الكهربائية التعريفية

يعد التحكم في عزم الدوران التنبئي المستند إلى النموذج (MPTC) نوعاً ناشئاً من (MPC) لمحركات التيار المتردد، وقد حظي مؤخراً باهتمام كبير من قبل مجتمعات البحث، وذلك بالمقارنة مع استراتيجيات التحكم التقليدية في المحركات الحثية مثل التحكم الميداني (FOC) والتحكم المباشر في عزم الدوران (DTC)، بحيث توفر (MPTC) مزايا عديدة مثل سهولة التنفيذ ودمج أهداف متعددة في وظيفة التكلفة الفردية والحل القائم على التحسين والتضمين من اللاخطية والقيود النظام.

كما أن هناك مجموعة التحكم المحدودة (FCS-MPTC)، وهي الشكل الأكثر شيوعاً لـ (MPTC) الذي تم الإبلاغ عنه على نطاق واسع في الدراسات الحديثة، حيث إنه ذو هيكل بسيط ولا يتطلب جدول بحث للتبديل كما هو الحال في (DTC، FCS-MPTC)، وهو نهج قائم على التحسين حيث يتم تعريف دالة التكلفة، والتي تتكون من مجموع مرجح من عزم الدوران وأخطاء التدفق، وذلك لتحديد حالة التبديل المثلى للعاكس.

الشكل العام لعملية التدفق في المحركات الكهربائية التعريفية

في شكلها الأكثر شيوعاً تكون الأخطاء في دالة التكلفة بين القيم المرجعية لعزم الدوران وحجم تدفق الجزء الثابت وقيمها المستقبلية في لحظة أخذ العينات التالية، ومع ذلك يمكن أيضاً إضافة أهداف أخرى إلى دالة التكلفة، كما يتم توقع القيم المستقبلية من النموذج الرياضي للمحرك التعريفي باستخدام جميع حالات التبديل المقبولة.

كذلك يتم اختيار حالة التبديل التي تولد الحد الأدنى لقيمة دالة التكلفة ويتم تطبيقها مباشرة على العاكس، بحيث يقوم العاكس بترجمة هذه الحالة إلى متجه الجهد الكهربائي المقابل (VV) ويطبقها على أطراف المحرك، كما يُضاف عامل ترجيح إلى دالة التكلفة للحفاظ على مستوى التنظيم بين عزم الدوران والتدفق بسبب اختلاف وحدات القياس.

كذلك تضع القيمة الأعلى لعامل الترجيح مزيداً من التركيز على تنظيم التدفق بينما تشير القيمة الأقل إلى إعطاء الأولوية لتنظيم عزم الدوران، حيث أن إحدى المشكلات الرئيسية في (FCS-MPTC) هي ضبط عامل الترجيح، وذلك للحصول على أداء مرضٍ، كما تتضمن بعض الحلول للتغلب على تصميم عامل الترجيح التحسين متعدد الأهداف المستند إلى الترتيب والتكيف المربط بعامل الترجيح، ومع ذلك لا يمكن توسيع هذه الحلول لتشمل وظائف التكلفة مع زيادة عدد الأهداف أو تعاني من اختلافات في المعطيات.

آلية استخدام وحدات التحكم التقليدية في المحركات التعريفية

تستخدم (FCS-MPTC) مثل وحدات التحكم التقليدية الأخرى، وهي بمثابة هيكل تحكم متسلسل مع حلقة عزم داخلية وحلقة سرعة خارجية، كما تستخدم الحلقة الخارجية عادة متحكم (PI) التقليدي لتوليد مرجع عزم الدوران للحلقة الداخلية وتنظيم سرعة المحرك، كذلك الحلقة الداخلية مطلوبة للحصول على استجابة ديناميكية أسرع نسبياً وذلك مقارنة بالحلقة الخارجية، ولمتابعة عزم الدوران المرجعي وضمان استقرار الحلقة المغلقة.

وفي تطبيقات الوقت الفعلي؛ تُستخدم كتل التشبع البسيطة للحد من عزم الدوران المرجعي لضمان حدود السلامة على التيارات الحركية، ومع ذلك قد يؤدي استخدام كتل التشبع إلى زيادة التجاوزات الحالية وأوقات استقرار أطول، وعلاوة على ذلك قد تتطلب البنية المتتالية باستخدام وحدة تحكم (PI) وإعادة ضبط مكاسب وحدة التحكم في ظل ظروف تشغيل مختلفة بسبب عرض النطاق الترددي وعدم تطابق ثابت للوقت.

كما أنها تشمل العيوب الأخرى ارتفاع خطأ الحالة المستقرة في ظل شكوك النموذج والاضطرابات الخارجية، وللتغلب على قيود التحكم في التسلسل في (MPTC)؛ فقد تم تقديم مخططات (MPTC) الخالية من التسلسل الصفري، ومع ذلك؛ فإن صياغة دالة التكلفة وتصميم عامل الترجيح لهذه الأساليب يصبح أمراً صعباً، كما أن تحسين الأهداف المتعددة بثوابت زمنية مختلفة يزيد من التعقيد الحسابي.

عزم الدوران التنبؤي القائم على النموذج والتحكم في التدفق

التحكم في عزم الدوران التنبئي المستند إلى النموذج (MPTC): يتكون التحكم التنبئي في عزم الدوران المستند إلى النموذج التقليدي (MPTC) من ثلاث مراحل، وهي:

• تقدير عزم الدوران (T) والتدفق باستخدام مراقب خاص.

• توقع التدفق والتيار وعزم الدوران للفاصل الزمني التالي، أي [ψsψsp (k + 1) ، isisp (k + 1) ، Tp (k + 1)].

• اختيار متجه الجهد الأمثل (VV) من (VVs) المقبولة أي (VV = {V0، V1، ⋯ V7})، وفي هذا العمل؛ فإنه يتم استخدام مقدر (LPF) (نموذج الجهد) للتدفق والعزم والذي يمكن وصفه من خلال المعادلات التالية:

حيث أن (a = 11 + Tsωc ، Ts) هي وقت أخذ العينات ويتم تمييز لحظات أخذ العينات كـ (k − 1) للحظة السابقة و (k) للحظة الحالية و (k + 1) لحظية أخذ العينات التالية على التوالي، كما تتأثر دقة تقدير التدفق والعزم بسرعة تشغيل المحرك، وفي السرعات المنخفضة؛ فإن أداء الجهاز الظاهري ضعيف والتقديرات غير دقيقة، ومع ذلك؛ فإن عدم تطابق النموذج والتشغيل بسرعة منخفضة ليس محور هذا العمل.

التحكم في التدفق التنبئي المستند إلى النموذج (MPFC): لإزالة عامل الترجيح من (MPTC)، تم وصف أحد الحلول بحيث يعتمد المفهوم المقترح على التحويل المرجعي الذي يترجم مرجع عزم الدوران إلى مرجع تدفق مكافئ، كما تتكون دالة التكلفة الناتجة فقط من أخطاء التدفق التي تزيل عامل الترجيح بشكل فعال وتسمى الطريقة الناتجة التحكم في التدفق التنبئي المستند إلى النموذج (MPFC)، كما يمكن التعبير عن معادلة العزم الكهرومغناطيسي كـ:

التحكم الكهربائي في السرعة مع تلاشي الاهتزازات

تستخدم معظم تقنيات التحكم المباشر في عزم الدوران (DTC) هيكل التحكم المتتالي حيث تعمل حلقة السرعة الخارجية بشكل أساسي على توليد عزم الدوران المرجعي (T) للحلقة الداخلية، بحيث بتجاهل الخسائر الاحتكاكية للمحرك الكهربائي، كما يمكن كتابة المعادلة الديناميكية لحلقة السرعة بالشكل التالي، وذلك باستخدام نفس المعادلة، بحيث يمكن كتابة عزم الدوران المرجعي (T ∗ لـ MPFC) على النحو التالي:

حيث يعتبر تحميل عزم الدوران (Tl) اضطراباً غير معروف ويتم تقديره باستخدام مراقب، كما يتم استخدام مراقب الترتيب المنخفض المستند إلى (PI)، وفي هذا العمل ونظراً لأبسط تكوين وقدرة على التعامل مع الاضطرابات الخارجية بالإضافة إلى تغيرات المعلمات؛ فإن هناك مراقبون آخرون يتم استخدامهم مثل المراقب التكيفي والمراقبين المنزلقين ومراقبي الدول الممتدة، ومع ذلك تتطلب معظم هذه الأساليب تصميماً أكثر تعقيداً وتتطلب وقتاً حسابياً أعلى.

وأخيراً يُقترح تحويل مرجعي معدل لإزالة عامل الترجيح من التحكم التنبئي في عزم الدوران ويتم دمج عنصر تحكم رفض اضطراب قائم على مراقب (PI) منخفض الترتيب (DOBC) لتحسين الاستجابة العابرة في هذا العمل، كما يُظهر المخطط الناتج أداءً فائقاً مقارنة بالطريقة المقترحة سابقاً، بحيث يتم إثبات تفوق (MPTC) المقترح من خلال خطأ تقدير الحمل المنخفض وقمع التيار الكهربائي الفعال عند القفزات السريعة مع الحفاظ على أداء الحلقة الداخلية المماثل.