التحكم في المحركات المتزامنة بالتصميم المباشر لموضع القطب

الضرورة من التحكم في المحركات بالتصميم المباشر لموضع القطب

يتم تطبيق المحركات المتزامنة ذات الدوار البارز مغناطيسياً مثل المحركات المتزامنة الداخلية ذات “المغناطيس الدائم” (IPM) ومحركات التردد المتزامن (SyRMs) والمغناطيس الدائم يقوم بمساعدة مباشرة من (SYRM)، وذلك بشكل متزايد في المركبات الهجينة (أو الكهربائية) وآلات العمل المعقدة والتطبيقات الصناعية.

أما في هذه التطبيقات؛ فإنه يمكن أن تكون السرعات القصوى وبالتالي ترددات التشغيل القصوى عالية جداً (على سبيل المثال، 12000 دورة / دقيقة تقابل تردد 1000 هرتز لآلة ذات عشرة أقطاب)، ونظراً لأن تردد تبديل المحول الكهربائي الذي يغذي المحرك محدود بسبب الخسائر؛ فإن النسبة الناتجة بين تردد التبديل والحد الأقصى للتردد الأساسي يمكن أن تكون أقل من (10)، كما أن هذا سيؤثر على تردد أخذ العينات أيضاً لأنه عادةً ما يكون متساوياً إلى تردد التبديل أو ضعف تردد التبديل.

بشكل عام، يتم التحكم في “تيار الجزء الثابت” للمحركات المتزامنة في إحداثيات الدوار، بحيث يعد نظام الإحداثيات هذا اختياراً طبيعياً، وذلك نظراً لأن الكميات القابلة للتحكم هي تيار مستمر في حالة ثابتة ومصفوفة الحث ومتجه تدفق الجسيمات ثابت (بشكل مثالي)، كما وتعمل أجزاء أخرى من نظام التحكم عادةً في إحداثيات الدوار.

حيث أن الأسلوب الأكثر استخداماً هو وحدة تحكم الإطار المتزامن النسبي – المتكامل (PI)، حيث أنه غالباً ما يتم زيادتها بشروط فصل للتعويض عن الاقتران المتقاطع بسبب نظام الإحداثيات الدورية، ويمكن تحسين رفض الاضطراب بشكل أكبر من خلال التغذية المرتدة الإضافية من التيار الكهربائي الثابت والمشار إليها بالمقاومة النشطة.

لذلك يمكن أيضاً تمثيل معظم وحدات التحكم (PI) الحالية ذات درجتين من الحرية (2DOF) على أنها وحدات تحكم في التغذية الراجعة كاملة الحالة مع إجراء متكامل وتغذية مرجعية، بحيث يبسط هذا الإطار التصميم المنهجي وتحليل وحدات التحكم.

حالات خاصة بتصميم المحركات المتزامنة السطحية

يمكن تصميم المحركات السطحية ذات المغناطيس الدائم المتزامن (SPMs) والمحركات الأخرى غير المستقيمة مغناطيسياً بشكل ملائم باستخدام متجهات الفضاء المعقدة، ومن منظور “وحدة التحكم الحالية”؛ فإن المصنع المراد التحكم فيه هو دخول الجزء الثابت، والذي يمكن تمثيله على أنه دالة نقل معقدة.

ايضاً يمكن وضع أعمدة الحلقة المغلقة في المواقع المرغوبة، كما ويتم تحقيق الاستجابة المحددة مسبقاً بشكل مثالي، ومن ناحية أخرى وفي حالة (IPMs) والمحركات البارزة الأخرى؛ فقد تظهر هناك حاجة إلى متجهات فضائية حقيقية (أو مكونات dq)، لذلك يصبح قبول الجزء الثابت مصفوفة دالة نقل (2 × 2)، مما يعيق إجراء تصميم وحدة التحكم.

نظراً لأن وضع القطب لأنظمة متعددة المدخلات والمخرجات (MIMO) ليس فريداً بشكل عام، علاوة على ذلك؛ فإن تعميم تصميمات التحكم الحالية لمحركات أقراص (SPM) لتناسب محركات (IPM) ليس بالأمر الهين، وفي بعض الأحيان؛ فإنه يتم استخدام تقديرات تقريبية أو لا يتم شرح طريقة التعميم بالشكل المطلق.

آلية تصميم وحدة التحكم الحالية بالمحركات التزامنية

يمكن تصميم وحدة التحكم الحالية أولاً في مجال الوقت المستمر ثم تحديدها للتنفيذ الرقمي من خلال  تقريب (Euler) أو (Tustin)، كما أن هذا النهج مفهوم جيداً ويعمل بشكل جيد في معظم التطبيقات، ومع ذلك يجب أن تكون النسبة بين تردد أخذ العينات وتردد التشغيل الأقصى أكثر من 15 في حالة (SPM)، بينما من المعروف أن (IPMs) و (SyRMs) أكثر تطلباً من هذا المنظور.

وبالمثل؛ فإن عرض نطاق التحكم في الحلقة المغلقة مقيد أيضاً بتردد أخذ العينات، بحيث يمكن تحقيق سرعات قصوى أعلى وأداء ديناميكي أعلى ومتانة أفضل عند تردد أخذ عينات معين من خلال تصميم وحدة التحكم مباشرة في مجال الوقت المنفصل.

كما أن هناك حاجة إلى نموذج منفصل مكافئ، بما في ذلك تأثيرات الإمساك الصفري (ZOH) وأخذ العينات الخاصة بالمحرك لتصميم التحكم المباشر في الوقت المنفصل، بحيث تم اشتقاق النماذج المكافئة ذات الشكل المغلق لمحركات المحركات التحريضية ومحركات (SPM)، كما تم اقتراح نموذج تقريبي منفصل لمحركات (IPM)، لكن التعبيرات المغلقة الدقيقة الصالحة لمحركات (IPM) غير متوفرة في أغلب الدراسات.

علاوة على ذلك، يوجد تأخير حسابي (تأخير مشغل) لفترة أخذ عينات واحدة عادة في حلقة التحكم، وفي مجال الوقت المستمر؛ فإنه يمكن تقريب هذا التأخير كمرشح تمرير منخفض من الدرجة الأولى وتعويضه في وحدة التحكم في المجال الزمني المنفصل، كما يمكن نمذجة التأخير بطريقة دقيقة بسهولة.

لكن إذا تم استخدام وحدة التحكم في ردود الفعل المفاجئة؛ فيمكن تخزين إخراج وحدة التحكم في الذاكرة، كما ويمكن بعد ذلك استخدام الإخراج المتأخر كحالة إضافية في قانون التغذية الراجعة للشبكة، حيث أن هذا النهج البسيط معروف جيداً في نظرية التحكم الكلاسيكية والحديثة، لكن لم يتم تطبيقه على التحكم في الوقت المنفصل.

وأخيراً يتوفر عدد قليل من تصميمات تحكم التيار المباشر في الوقت المنفصل لـ (IPMs)، بحيث تعتمد وحدة التحكم المقترحة على نموذج زمن منفصل دقيق (ولكن تم تقييمه رقمياً)، كما ويؤخذ التأخير الحسابي في الاعتبار، ومع ذلك؛ فإن وحدة التحكم معقدة وترتيبها مرتفع بشكل غير ضروري، لذلك؛ فإن الأساليب تستند إلى تقديرات تقريبية، مما يجعل من الصعب تقييم أدائها، كما لا تتوفر تصميمات وضع العمود، والتي تتيح ضبطاً بسيطاً لوحدة التحكم التحليلية لمحركات أقراص (IPM).