الوضع المنزلق للمحركات الحثية ذات مستشعر السرعة

أهمية مراقبة الوضع المنزلق للمحركات الحثية

المحرك التحريضي (الحثي) هو نوع من أجهزة النقل التي يمكنها تحويل الطاقة الكهربائية مباشرة إلى حركة خطية للطاقة الميكانيكية، ونظراً لمزايا كثافة الطاقة والدقة والكفاءة العالية، بحيث تمتلك (LIMs) مجموعة واسعة من التطبيقات في مجال النقل، مثل المجالات المدنية والصناعية والقطع بالليزر والطائرات والفضاء.

كما يتمثل الاختلاف الأساسي بين (LIM) والمحرك الحثي الدوار (RIM) في أن (LIM) لها ظاهرة تأثير نهائي ديناميكي، مما يعني أن تصميم المحرك وحساب الأداء وطرق التحكم أصبحت أكثر تعقيداً من (RIM)، بحيث يتم تقسيم تأثيرات حافة النهاية لـ (LIMs) إلى تأثيرات نهاية الحافة المستعرضة، كما أن النوع الأول من تأثيرات نهاية الحافة الطولية.

وبالنسبة الى النوع الثاني؛ فإنه ينتج من الآثار الجانبية الطولية هو الظاهرة الكهرومغناطيسية العابرة، والتي تنتج عن الحركة النسبية للمحرك الخطي الأولي والثانوي، والمعروف أيضاً باسم التأثير النهائي الديناميكي، لذلك سوف يؤدي المدخل والمخرج الأساسي لـ (LIM) إلى تيارات إيدي مساوية ومعاكسة لتيار الملف النهائي الأولي على الطبقة الموصلة الثانوية.

لذلك يوضح “قانون لينز” أن المجال المغناطيسي الناتج عن هذا التيار الدوامي سيضعف المجال المغناطيسي الفعال لفجوة الهواء عند المدخل ويقوي المخرج، واستناداً إلى “معادلة ماكسويل” الميدانية تستنتج هناك خصائص الدفع للمحرك تحت تأثير التأثير الجانبي الديناميكي بالتفصيل، وتخلص إلى أن التأثير النهائي الطولي الديناميكي سيؤدي إلى إنتاج المحرك لموجات حركة عكسية أثناء العملية.

بالإضافة إلى ذلك، ولتحسين متانة وموثوقية نظام القيادة؛ فقد تم اقتراح مقدر (Luenberger) الممتد وفلتر “كالمان” الممتد للآلات الكهربائية، حيث أن العيب الرئيسي لهؤلاء المراقبين هو الحسابات المعقدة للنظام التي لا يمكن توفيرها بواسطة جميع المعالجات الدقيقة.

كما يستخدم نموذج المراقب التكيفي المرجعي (MRAO) على نطاق واسع لغرض تقدير السرعة، ومع ذلك؛ فإن (MRAO) جزء حساس لتغير المعطيات خاصة عند الترددات المنخفضة التي تحتاج إلى تحديد دقيق لنماذج الآلات الكهربائية في ظروف التشغيل.

التقنيات الهندسية الخاصة بالوضع المنزلق للمحركات الحثية

يتم أيضاً تطبيق تقنيات (MRAS) (النظام المرجعي للتكيف) لتقدير سرعة المحرك التعريفي، بينما تُظهر هذه الطريقة أخطاء السرعة في نطاق السرعة المنخفضة وتتسبب في قيمة غير صحيحة للحالة الثابتة.

ولتحقيق غرض التحكم عالي الدقة؛ فإنه يجب أن نحصل على معلومات تدفق وسرعة الدوار، ولسوء الحظ؛ فإن المستشعرات ذات الصلة (مثل مستشعر التدفق ومستشعر السرعة) ستزيد التكلفة الإجمالية لنظام (LIM) وتقلل من موثوقية النظام غير الخطي، ونظراً لهذه الأسباب جذبت تقنية “بدون مجسات” التطبيقات الصناعية والبحوث ذات الصلة، مثل مراقب الوضع المنزلق والمراقب الضبابي وإجمالي المربعات الصغرى.

إلى جانب ذلك، تم تطبيق هياكل متنوعة من “التغذية الراجعة” للمخرجات والتقدير باستخدام طرق الوضع المنزلق للأنظمة غير الخطية، كما تم اقتراح وحدة تحكم في التغذية المرتدة للخرج تعتمد على مراقب الوضع المنزلق المتسلسل لنظام متعدد المدخلات ومخرجات متعددة (MIMO)، والتي يمكن أن توفر تقديرات دقيقة للحالات ويمكن استخدامها لغرض التحكم في تتبع المخرجات.

فيما بعد؛ فقد تم تقديم نقدم نهجاً موحداً لملاحظة (LIM)، وذلك استناداً إلى مفهوم الملاحظة المحلية الضعيفة، بحيث يمكن إثبات أن كلا من تقدير الحالة ومعطيات الآلة (السرعة والمعطيات المعتمدة على السرعة)، كما يمكن تقييمها بواسطة الأداة المقترحة.

وبعد ذلك؛ فإنه يتم تقديم مراقب وضع منزلق معدل لأنظمة محرك الحث الخطي بدون مستشعر السرعة، مع الأخذ في الاعتبار تأثير تأثيرات النهاية الديناميكية، بحيث يمكن أن يقدر (SMO) المعدل المقترح تدفق الدوار وسرعة المحرك والمعامل المعتمد على السرعة (w) في وقت واحد بطريقة قوية وفعالة، وعلاوة على ذلك؛ فإن هناك حاجة إلى كسب مراقب واحد فقط في تصميم (SMO).

المساهمات الرئيسية لهذه الدراسة تتلخص على النحو التالي:

• يتم تطبيق طريقة تستند إلى نظرية ملاحظة حالة النظام الديناميكي غير الخطي لتحليل إمكانية ملاحظة حالة محرك (LIM)، وذلك جنباً إلى جنب مع الظروف التي تسمح بتقدير موثوق لسرعة المحرك.

• تقدر (SMO) المقترحة سرعة المحرك وتدفق الجزء المتحرك والموضع الزاوي لتدفق الجزء المتحرك والمعطيات المعتمدة على السرعة، فقط باستخدام الفولتية المقاسة للجزء الثابت وتيارات الجزء الثابت لـ (LIM)، ولا تستخدم مكاسب مراقبة معقدة وقوية اختلاف المعلمة على نطاق السرعة الكاملة.

• تم التحقق من جدوى وفعالية تقنية وحدة التحكم المعتمدة على (SMO) لنظام (LIM) من خلال اختبار Hardware-in-the-loop) (HIL)).

النموذج الخاص بالوضع المنزلق للمحركات الحثية

النموذج (T) من الوضع المنزلق للمحركات الحثية

يختلف هيكل (LIM) بالكامل عن (RIM)، بحيث يتكون الجزء الثانوي منه من لوح من الألمنيوم مع قلب خلفي من الحديد، وفي (LIM)؛ فإنه يمكن أن تسبب الحركة النسبية بين الجزء الأساسي والجزء الثانوي ما يسمى بتأثيرات النهاية الديناميكية.

وعندما يتحرك الجزء الأساسي، تظهر تيارات إيدي جديدة مستمرة عند مدخل الجزء الأساسي وستختفي عند جزء الخروج، كما تختلف التيارات الدوامة في المدخل بشكل سريع بما يتوافق مع التيارات المغنطة، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1).

كما يظهر في الشكل التالي (2) دائرة مكافئة متجه الفضاء لـ (LIM)، كما ويمكن ملاحظة أن كلا من الحث الممغنط ومقاومة تيار الدوامة موجودان في الفرع المستعرض.

نموذج استثنائي مبسط لـ (LIM)

لتبسيط العمليات الحسابية عبر الإنترنت في مخطط (SMO-STC) المصمم، كما يتم تطبيق بعض الافتراضات المعقولة على نموذج الفضاء الخاص بالولاية لـ (LIM)، أولاً يُفترض أن محاثة التسرب الثانوية هي (Lσr = 0)، وذلك لأن تأثير الجلد يساوي صفراً تقريباً لـ (LIM) مع ورقة ثانوية رفيعة عند التردد المقنن ثانياً مشتق السرعة الخطية للمحرك يساوي صفراً تقريباً (dv / dt≅0).

حيث أن:

(v): هي سرعة المحرك.

(usα ،usβ): هما الفولتية الساكنة.

(isα ،isβ): هما تيارات الجزء الثابت.

(ψrα ،ψrβ): هما تدفقات الدوار.

(w): هو المعطى الذي تعتمد عليه السرعة.

(D): هو الاحتكاك اللزج.

(M): هي الكتلة الحركية.

(TL): هو عزم الحمل.

وأخيراً؛ فإنه تم اقتراح مخطط (SMO) للمحرك الحثي الخطي، وذلك مع مراعاة التأثيرات النهائية الديناميكية، كما يتم تطبيق طريقة تستند إلى نظرية ملاحظة حالة النظام الديناميكي غير الخطي لتحليل إمكانية ملاحظة حالة محرك الأقراص (LIM)، وذلك جنباً إلى جنب مع الظروف التي تسمح بتقدير موثوق لسرعة المحرك.

كما تم التحقق من جدوى وفعالية تقنية (SMO) المقترحة لنظام (LIM) من خلال اختبار (HIL)، بحيث أظهرت النتائج أن التيارات المقدرة للجزء الثابت وتدفق الدوار والسرعة تتقارب مع القيمة الفعلية بأداء تتبع رائع، كما يتم الحصول على أداء تقدير السرعة الكبير في إشارات سرعة مختلفة (إشارة سرعة ثابتة وإشارات سرعة مختلفة).

علاوة على ذلك، يُظهر (SMO) المصمم خاصية متانة أفضل من (LO) و (MRAS) في كل من الحالة الاسمية والحالة المضطربة، وباختصار؛ فإن نتائج الاختبار الرياضي واختبار (HIL) لها ما يبررها بما يكفي لأن مخطط (SMO) المقترح هو طريق واعد يجب اتباعه.