تحليل خوارزمية التحكم التنبؤية للمحرك الكهربائي المتزامن

الهدف من تحليل خوارزمية التحكم التنبؤية للمحرك الكهربائي المتزامن

يتم استخدام المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSM) في مجالات أجهزة التيار المتردد، بحيث تتمتع (PMSM) بالعديد من المزايا، بما في ذلك الأحجام الصغيرة والهياكل البسيطة وكثافة الطاقة العالية وتموجات عزم الدوران الصغيرة والكفاءات التشغيلية الممتازة التي تعمل على ضوابط عالية الدقة، ومع ذلك (PMSMs) هي أنظمة اقتران قوية متعددة المتغيرات وأنظمة متغيرة غير خطية متغيرة بمرور الوقت.

كما يطبق التحكم في اتجاه المجال المغناطيسي التقليدي وحدة تحكم (PI) على حلقة سرعة الحلقة الخارجية وحلقة التيار الداخلي، ومع ذلك؛ فإن جهاز التحكم (PI) لديه متانة ضعيفة وقدرة غير كافية على التكيف عند اضطراب الحمل الكهربائي، لذلك ينخفض استقرار حلقة تيار عزم الدوران، ونظراً للزيادة في عدد مستويات جهد الخرج؛ فإن العاكس ثلاثي المستويات يجعل شكل الموجة الناتج يتمتع بطيف توافقي أفضل ويمكن أن يحقق الغرض من تحسين شكل الموجة الناتج.

ومع زيادة أداء المعالجات الدقيقة التجارية، يمكن استخدام خوارزميات أكثر تعقيداً في دورات التحكم الحالية، كما تعد إضافة التحكم في النبضات (DBC) إلى حلقات تيار المحرك موضوع بحث ساخن حالياً، كذلك تستخدم وحدة التحكم (Deadbeat) الأوامر الحالية وأخذ العينات من معلومات تيار المحرك والموضع لحساب متجه الجهد الذي يجب تطبيقه في فترة التحكم التالية بدقة.

وبالتالي، يمكن أن يتبع تيار المحرك بدقة القيمة الحالية للأمر بعد تطبيق دورة واحدة من متجه الجهد كما يمكن أن تقلل وحدة التحكم (Deadbeat) من توافقات عزم الدوران وتحسن دقة الحالة المستقرة أثناء العمليات الديناميكية.

كذلك يمكن التنبؤ بتيار دورة التحكم التالية باستخدام سبعة مخرجات متجه جهد متميزة في العاكس وتحديد متجه جهد الخرج عبر دالة التقييم، حيث أن التردد الكهربائي الحالي لهذه الطريقة سريع، لكن التموج الحالي كبير، بحيث اقترحت الدراسات المختلفة خوارزمية للتحكم في الضربات مع قيود انحراف تيار واسع وفلطية خرج سلسة.

كما يطبق بعض العلماء التحكم في التنبؤ الحالي عن طريق إدخال عوامل الترجيح وتعويض زوايا موضع الدوار، كما أن هناك خوارزمية للتحكم في الضربات على أساس التحكم المتكرر، والتي يمكن أن تقضي على التداخل الدوري، كما أنه يحسن متانة التحكم في الضربات الميتة من خلال تقديم مراقب متكيف مع السرعة.

أيضاً يقترح هذا الطرح مخطط (DBC) محسن لمحرك مغناطيسي دائم متزامن يعتمد على ثلاثة مستويات محولات، كما يتم استبدال وحدة التحكم (PI) بجهاز التحكم (deadbeat) لتحسين أوجه القصور في عملية تعديل التجاوز والتذبذب والتأخير بخطوة واحدة في نظام التحكم في القوة الموجهة، بحيث يعتمد المخطط على النظرية الثانية لاستقرار (Lyapunov) وظيفة (Lyapunov) هي أداة قوية لدراسة الاستقرار والمتانة، بحيث تظهر المحاكاة والنتائج التجريبية أن الطريقة المحسنة لها أداء ديناميكي وثابت ممتاز.

نظام التحكم الكهربائي في ناقلات PMSM

النموذج الرياضي لـ (PMSM): لتحليل والتحكم في محرك المغناطيس الدائم المتزامن (PMSM)، كما أن هناك حاجة إلى نموذج رياضي بسيط وعملي، وخاصةً في نظام إحداثيات الدوران المتزامن وكذلك وصلة التدفق لمحرك المغناطيس الدائم المتزامن، بحيث تكون معادلة الجهد الكهربائي:

حيث أن:

(ψd = Ldid + ψf): هو ارتباط تدفق المحور الرأسي (ψq = Lqiq) هو ارتباط التدفق عبر المحور.

(uq ، id ، iq): هي الجهد والتيار للمحور المتعامد.

(ωe): هي السرعة الزاوية الكهربائية.

(ψf ، R ، Ld ، Lq): هي تدفق المغناطيس الدائم ومقاومة الجزء الثابت ومحاثة المحور المتقاطع.

يتم التعبير عن معادلة عزم الدوران (PMSM) على النحو التالي:

حيث أن (np) هو زوج عمود المحرك، كما أن الشكل التالي (1) هو مخطط كتلة لنظام التحكم في النواقل في (PMSM) بحلقة خارجية تعتمد على السرعة وحلقة داخلية قائمة على التيار الكهربائي.

التحكم في ناقل مساحة الجهد الكهربائي: يوضح الشكل التالي (2) طوبولوجيا المخطط العاكس ثلاثي المستويات المثبت بالديود في نظام (PMSM)، كما أن هناك ثلاثة تعريفات للحالة لجهد الخرج لكل ساق، وهي (Sa ، Sb ، Sc)، بحيث تمثل حالات أذرع الجسر الثلاثة على التوالي.

حيث أن (x = a)، (b ، c ؛ 1) تعني “تشغيل” و (0) تعني “إيقاف”.

كما يتأثر أداء العاكس بشكل كبير بطريقة التحكم في (PWM)، كذلك طرق التحكم ثلاثية المستويات الشائعة الاستخدام هي تعديل عرض النبضة الجيبية (SPWM) وتعديل عرض النبضة المتجهية الفراغية (SVPWM) وتعديل عرض النبضة الإلغاء التوافقي المحدد (SHEPWM).

ونظراً لأن (SVPWM)، بحيث يتمتع بمزايا التحكم المريح في الحواسيب الصغيرة وتموج التحويل الصغير واستخدام الجهد العالي للتيار المستمر والتنفيذ الرقمي السهل وجودة شكل موجة الإخراج الجيدة، وذلك بالقرب من الضوضاء الجيبية والمنخفضة.

وبالنسبة للنظام المتماثل ثلاثي الأطوار؛ فإنه يمكن دمج إجمالي (33) حالة تبديل، بحيث تتوافق كل حالة تبديل مع متجه جهد فضاء واحد، لذلك يحتوي العاكس ثلاثي المستويات على ما مجموعه (27) متجهاً للجهد الفراغي، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (3)، كما يمكن أن يتوافق متجه الجهد نفسه مع حالات التبديل المختلفة.

وبالتالي، كلما زادت الطبقة الداخلية؛ زادت حالة التبديل الزائدة المقابلة، كما أن ذلك من السداسيات الخارجية إلى داخل كل طبقة، وبالتالي؛ فإن المتجهات المقابلة لتكرار حالة التبديل تزيد بمقدار (1)، لذلك؛ فإن حالات التبديل الـ (27) على المستوى (α −)، بحيث تتوافق مع (19) متجهاً فضاءً فقط، وهي ناقلات فضاء أساسية.

ووفقاً لاختلاف سعة المتجه الأساسية؛ فإنه يمكن تقسيم (19) متجهاً أساسياً وحالات التبديل المقابلة لها إلى أربع فئات، كما أن متجه كبير ومتجه متوسط ​​ومتجه صغير ومتجه صفري، حيث أن الفرضية الأساسية لخوارزمية (SVPWM) هي تحديد ثلاثة متجهات أساسية متجاورة وفقاً للقطاع الكبير والقطاع الصغير حيث يوجد متجه الجهد المرجعي، ثم حساب وقت العمل لكل متجه أساسي باستخدام مبدأ توازن الفولت الثاني.

كما أن الغرض الرئيسي من الحكم الإقليمي هو تحديد ثلاثة نواقل أساسية لمتجه الجهد المرجعي المركب، بحيث تقسم الخوارزمية التقليدية مساحة المتجه بأكملها إلى ستة قطاعات كبيرة وفقاً لخريطة متجه أساسية ثلاثية المستويات، بحيث يحتل كل قطاع مساحة (60) درجة ثم ينقسم كل قطاع كبير إلى (4) قطاعات صغيرة، ومع ذلك ونظراً لأن المتجه القصير في متجه الفضاء الأساسي يظهر بشكل متكرر في كل فترة أخذ عينات؛ فإن هذه الورقة تقسم كل منطقة كبيرة إلى (6) مناطق صغيرة، والتي يمكن أن تلعب دوراً في التوازن المحتمل المحايد.

وبأخذ أول قطاع كبير كمثال، وكما هو موضح في الشكل التالي (4)؛ فإن إسقاط متجه الجهد المرجعي (Vref) على المحور (α) والمحور هو (Vα و Vβ) والوسيطة هي (θ)، لذلك إذا قمنا بتعيين الدائرة الرئيسية لـ (DC bus Voltage Vdc) على أكبر سعة متجه لجهد الفضاء (V)، ثم (V = 2 ∗ Vdc / 3).

وبعد تحليل المنطقة، نجد ثلاثة متجهات أساسية (V1 ، V2 ، V3) من نواقل الجهد المرجعي المركبة من خلال تطبيق قاعدة متجهات المثلث الأقرب (NTV)، ثم يؤدي استبدال النتيجة في معادلة توازن الفولت بالثانية إلى: