التحكم في السرعة لتقليل التموج في المحركات المتزامنة

ضرورة التحكم في السرعة لتقليل التموج في المحركات المتزامنة

في الوقت الحاضر، تُستخدم المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSM)، مثل المركبات الكهربائية وأنظمة توليد الرياح والروبوتات الصناعية ومكيفات الهواء والغسالات، وذلك على نطاق واسع في التطبيقات المنزلية والصناعية نظراً لكفاءتها العالية وتكلفة صيانتها المنخفضة وارتفاعها. كثافة الطاقة، وبشكل عام؛ فإنه من الصعب التحكم في(PMSM)، لأنه نظام غير خطي به مدخلين.

كما ويمكن أن يتأثر أداء التحكم الخاص به بالتغيرات في المعطيات، وبالتالي يلزم وجود طريقة تحكم عالية الأداء مع خوارزمية بسيطة تعرض استجابة سريعة ودقة عالية ومتانة ضد التغيرات في عزم دوران الحمل ومعلمات المحرك.

أيضاً تم فحص طرق التحكم المختلفة لتحسين أداء التحكم في سرعة (PMSMs)، بحيث تم تصميم طريقة التحكم في السرعة القائمة على “مصفوفة البوابة” القابلة للبرمجة باستخدام عنصر “تحكم تكيفي” غامض، كما تم اقتراح طريقة للتحكم في السرعة باستخدام التحكم الوظيفي التنبئي ومراقب الحالة الممتدة.

حيث تم اقتراح أجهزة التحكم في الوضع الانزلاقي للتعويض عن الاضطرابات في التحكم في سرعة (PMSMs)، كما تم تطوير طريقة التحكم في الترتيب الجزئي للتحكم في موضع نظام (PMSM)، كما تم تطبيق خوارزمية تحكم قوية مع شبكة عصبية في (PMSMs).

ولتحقيق التحكم في السرعة؛ فإنه تم تطوير طريقة التحكم في سرعة التغذية المرتدة للحالة المقيدة بناءً على نهج تنبؤي نموذجي، وتم اقتراح طريقة التحكم في سرعة (H∞) متغيرة الخطية لتحقيق المتانة ضد الاضطرابات، كما تم تصميم طرق التحكم في السرعة باستخدام التحكم المباشر في عزم الدوران لتحقيق الأداء الديناميكي الأمثل.

وعلى الرغم من أن هذه الطرق تعمل على تحسين أداء التحكم في السرعة لـ (PMSM)، إلا أن المعلومات الدقيقة لمتغيرات الحالة (الموضع والسرعة والتيارات) مطلوبة أيضاً لتنفيذها، وللتغلب على هذه المشاكل، تم البحث عن طرق التحكم بدون أجهزة استشعار وتم اقتراح مراقبين غير خطيين لتقدير متغيرات الحالة الكاملة باستخدام التغذية المرتدة للموقع.

كما تم تطوير التحكم في الموضع بدون مستشعر باستخدام حقن ناقل بدون تسلسل صفري، وهو مطلوب بشكل عام استشعار التيار عالي الأداء لتقدير الموقف باستخدام التغذية الراجعة الحالية، ومن أجل استشعار التيار الكهربائي عالي الأداء، كما أنه من المهم تحويل الإشارات التناظرية المقاسة إلى إشارات رقمية باستخدام أجهزة الاستشعار المناسبة.

لذلك تعد المعالجة ما بعد الرقمية باستخدام “المحولات التناظرية” إلى الرقمية المناسبة (ADC) مهمة، و لسوء الحظ؛ فإنه ليس من الممكن دائماً استخدام (ADCs) عالية الجودة بسبب قيود التكلفة، وبالتالي لا يمكن استخدام معلومات الموقع عندما تتوفر فقط التغذية الراجعة الحالية مع (ADC) منخفضة التكلفة، وبالتالي، لا يمكن استخدام طرق التحكم ذات التحويل التربيعي المباشر (DQ) لأن تحويل (DQ) يتطلب تغذية مرتدة للموقع.

اعتمادية أساليب التحكم لتقليل التموج في المحركات المتزامنة

بشكل عام، تم اعتماد وحدة تحكم “تكاملية” (PI) للتحكم في سرعة (PMSM) خاصةً في التطبيقات الصناعية، ونظراً لبساطتها ووظائفها الواضحة وفعاليتها، وبالتالي تم استخدام وحدات تحكم (PI) على نطاق واسع مع (ADCs) منخفضة التكلفة والتي تحتوي على معدلات عينة منخفضة ودقة بت منخفضة لتحقيق التحكم في السرعة.

ومع ذلك، قد يتسبب استخدام (ADCs) منخفضة التكلفة في حدوث تشوهات أثناء القياسات الحالية، وبالتالي؛ فإن التموجات التي تعتمد على تردد أخذ العينات (ADC) تؤثر على أداء التتبع الحالي، وبالتالي؛ فإن التموجات الحالية تسبب تموجات في السرعة، مما يؤدي إلى تدهور أداء التحكم في السرعة في (PMSMs).

وبدافع من المخاوف المذكورة أعلاه، تقترح هذه الدراسة طريقة للتحكم في السرعة لتقليل تموجات السرعة لـ (PMSMs) مع استشعار تيار منخفض الأداء، كما تعتمد هذه الطريقة على التيارات المرغوبة وتقدير الذروة ووحدة التحكم في التتبع الحالية، بحيث تُستخدم التيارات المرغوبة للتحكم في السرعة باستشعار التيار فقط.

علاوة على ذلك؛ فإنه يتم تطبيق تقدير الذروة لتقدير ذروة التيارات المشوهة التي تحدث بسبب استشعار الأداء المنخفض، كما تم تطوير جهاز التحكم بالتتبع الحالي بناءً على وحدة التحكم (PI) لتحسين أداء التتبع الحالي باستخدام الذروة المقدرة للتيارات المقاسة، بحيث تساعد وحدة التحكم المقترحة هذه في تقليل تموج السرعة وتحسين أداء تتبع السرعة.

كذلك؛ فإن المساهمة الأساسية للطريقة المقترحة هي تحسين أداء التحكم في السرعة باستخدام استشعار التيار منخفض الأداء فقط، علاوة على ذلك؛ فإن الطريقة المقترحة كافية لتمكين التنفيذ السهل في (PMSM) وتم التحقق من صحة أداء التحكم في السرعة الذي تم تحقيقه باستخدام الطريقة المقترحة باستخدام المحاكاة والتجارب.

نمذجة المحركات المتزامنة وبيان مدى المشكلة

هناك بعض القيود المرتبطة بتحقيق التحكم في السرعة مع استشعار التيار منخفض الأداء، والذي يرجع إلى استخدام (ADC) منخفض التكلفة بدون مستشعر موضع لأجهزة (PMSM)، كمما تم تقديم نمذجة (PMSM) لأول مرة في إحداثيات (α).

كما ويتم اشتقاق التيارات الكهربائية المرغوبة فيما بعد، وذلك للتحكم في السرعة، وعلاوة على ذلك؛ فإنه تم تسليط الضوء على المشاكل العملية لـ (ADC) منخفضة التكلفة للاستشعار الحالي في التحكم في سرعة (PMSMs)، بحيث يتكون (PMSM) من مغناطيس دائم مركب على سطح الدوار ولفائف الجزء الثابت ثلاثية الطور، لذلك يتم وصف معادلات الجهد الثابت لـ (PMSM) في إطار ثابت بواسطة:

حيث أن:

(vα ،vβ): هما جهد الطور.

(iα ،iβ): هي تيارات الطور.

كما يشير الحرفان (α) و (β) إلى المراحل، بالإضافة إلى ذلك (θ) هو موضع الدوار [rad]، (ω) هو سرعة الدواران [rad / s]، (R) هي مقاومة لف الطور [Ω]، (L) هي محاثة لف الطور [H]، كذلك (Φ) هي التدفق المغناطيسي للمحرك [Wb]، (P) هو عدد أزواج القطب، كما يتم التعبير عن ديناميكيات السرعة كـ:

حيث يتم إعطاء عزم الدوران الكهروميكانيكي (τ) بواسطة:

وأخيراً تم تطوير الطريقة المقترحة في هذه الدراسة لتقليل تموجات السرعة باستخدام (ADC) منخفض التكلفة لتحقيق أداء محسن للتحكم في السرعة لـ (PMSM)، بحيث تتضمن الطريقة المقترحة استخدام التيارات المرغوبة وتقدير الذروة ووحدة التحكم في التتبع المقترحة، كما تم استخدام التيارات المرغوبة لتحقيق التحكم في السرعة عن طريق الاستشعار الحالي فقط.

كما تم إجراء تقدير الذروة لتقدير ذروة “التيارات المشوهة” بسبب استشعار الأداء المنخفض، بحيث تم تطوير وحدة تحكم التتبع المقترحة بناءً على وحدة التحكم (PI) باستخدام الذروة المقدرة “للتيارات المقاسة”.

كذلك تم إثبات استقرار الحلقة المغلقة من خلال استخدام خاصية الإدخال إلى الحالة المستقرة وتم التحقق من صحة أداء الطريقة المقترحة من خلال المحاكاة والتجارب، وقد لوحظ أن هذه الطريقة قللت من تموجات السرعة وحسنت أداء تتبع السرعة باستشعار التيار منخفض الأداء.