فایل ورد کامل مقاله کنترل برداری و کنترل مستقیم گشتاور؛ بررسی علمی الگوریتم‌های پیشرفته و کاربردهای صنعتی در ماشین‌های الکتریکی

توجه : به همراه فایل word این محصول فایل پاورپوینت (PowerPoint) و اسلاید های آن به صورت هدیه ارائه خواهد شد

 فایل ورد کامل مقاله کنترل برداری و کنترل مستقیم گشتاور؛ بررسی علمی الگوریتم‌های پیشرفته و کاربردهای صنعتی در ماشین‌های الکتریکی دارای ۴۲ صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است

فایل ورد فایل ورد کامل مقاله کنترل برداری و کنترل مستقیم گشتاور؛ بررسی علمی الگوریتم‌های پیشرفته و کاربردهای صنعتی در ماشین‌های الکتریکی  کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه  و مراکز دولتی می باشد.

توجه : در صورت  مشاهده  بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی فایل ورد کامل مقاله کنترل برداری و کنترل مستقیم گشتاور؛ بررسی علمی الگوریتم‌های پیشرفته و کاربردهای صنعتی در ماشین‌های الکتریکی،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد

بخشی از متن فایل ورد کامل مقاله کنترل برداری و کنترل مستقیم گشتاور؛ بررسی علمی الگوریتم‌های پیشرفته و کاربردهای صنعتی در ماشین‌های الکتریکی :

۱-۱ مروری بر کنترل برداری و کنترل مستقیم گشتاور
در گذشته ، موتورهای جریان مستقیم (DC ) ، بیشترین کاربرد را در سیستمهای کنترل سرعت و موقعیت داشتند . دلیل اصلی مهندسان طراح محرکه های الکتریکی برای استفاده از این موتورها ، سادگی کنترل شار و گشتاور بوده است . به خصوص استفاده از موتورهای جریان مستقیم با تحریک جداگانه بسیار معمول بوده است چراکه با ثابت نگه داشتن شار و کنترل جریان آرمیچر به سادگی کنترل گشتاور امکان پذیر است .

بر خلاف ساده بودن کنترل ، این موتورها معایبی نیز دارند که از وجود کموتاتورها و جاروبکها در این موتورها ناشی می شود . به دلیل وجود جرقه جاروبکهای موتورهای جریان مستقیم هرچند مدت یک بار نیاز به بازبینی دارند ودر محیطهایی که احتمال انفجار وجود دارد قابل استفاده نمی باشند . علاوه بر این موتورهای جریان مستقیم در سرعتهای بالا نمی توانند کار کنند چرا که با بالا رفتن سرعت ، زمان کموتاسیون پیچکها کم شده و ولتاژ القایی درآنها بالا می رود ، در نتیجه جرقه های شدیدی درموتور ایجاد می شود .
استفاده از موتورهای جریان متناوب ،مسائل و مشکلات مذکور برای موتورهای جریان مستقیم را ندارند . ساختمان این موتورها نسبت به موتورهای DC ساده تر بوده و نگهداری آنها نیز راحت تر می باشد . بدلیل داشتن حجم کوچکتر در توان برابر در مقایسه با موتورهای DC ،موتورهای جریان متناوب می توانند در توانهای بالا با جرم کمتر استفاده شوند .
دو عامل هزینه انرژی و پیشرفت سریع ادوات الکترونیک قدرت باعث شده تا استفاده از موتورهای جریان متناوب روزافزون شود . موتورهای جریان متناوب بدلیل داشتن راندمان بالا ، تلفات انرژی را کاهش می دهند. از سوی دیگر پایین آمدن قیمت ادوات الکترونیک قدرت باعث شده تا استفاده از آنها در کنترل موتورهای جریان متناوب مقرون به صرفه باشد
علاوه بر اینها استفاده از میکروکنترلها و پروسسورهای بسیار سریع باعث شده تا در کاربردهایی که فقط موتورهای جریان مستقیم استفاده می شدند نیز بتوان از موتورهای جریان متناوب باعملکرد مطلوب استفاده کرد .در سالهای اخیر ،شرکتهای بزرگ سازنده محرکه های الکتریکی از کشورهای مختلف دنیا کمک های زیادی به توسعه محرکه های AC کرده و محصولات فراوان تا رنجهای توان بسیار زیاد برای انواع موتورهای AC ( سنکرون وآسنکرون) به بازار عرضه داشته اند .
دو روش اصلی برای کنترل موتورهای جریان متناوب وجود دارد که در کاربردهای با دقت زیاد وعملکرد سریع استفاده می شوند :
۱- روش کنترل برداری (FOC )
۲- روش کنترل مستقیم گشتاور( DTC )
محرکه هایی که بر اساس روش کنترل برداری کار می کنند نخستین بار در آلمان در سه دهه قبل توسط blashke,hasse,Leonard معرفی شدند .شکل (۱-۱) بلوک دیاگرام کنترل برداری با فرمان شارو گشتاور را نشان می دهد . محور d ماشین روی بردار شار روتور قرار داده می شود که خود این بردار با سرعتی برابر فرکانس استاتور می چرخد .مقادیر خطای شار و گشتاور به ترتیب فرمانهای را تولید می کنند که این مقادیر به صورت مجزا قادر به کنترل شار و گشتاور هستند .

همانطور که از بلوک دیاگرام مشخص است ،موقعیت بردار شار جهت تبدیل دستگاه چرخان سه فاز به دستگاه چرخان d-p موردنیاز است لذا از سنسور سرعت استفاده شده است .
روش کنترل مستقیم گشتاور که به طور خاص در این پایان نامه مورد بررسی قرار می گیرد ، حدودا ۱۵ سال است که از ابداع آن می گذرد. این روش در ابتدا در ژاپن توسط آقای ناکاهاشی ودر آلمان توسط آقای دپنبرگ معرفی شد . هر چند که تا به حال شرکتهای صنعتی معدودی محصول تجاری این روش را به بازار عرضه کرده اند ولی پیش بینی می شود که شرکت های بیشتری در آینده محرکه های صنعتی را که بر اساس روش کنترل مستقیم گشتاور کار می کنند ، به بازار عرضه نمایند .
مهمترین مزایای روش کنترل مستقیم گشتاور را می توان به شرح ذیل بر شمرد :
– عدم نیاز به تبدیل دستگاه سه فاز abc به دستگاه چرخان :
این خصوصیت درصورتیکه فقط کنترل گشتاور و شار مد نظر باشد منجر به حذف سنسور سرعت خواهد شد. این درحالی است که اکثر محرکه هایی که با روش کنترل برداری کار می کنند نیاز به سیگنال سرعت یا موقعیت دارند .
– عدم نیاز به کنترلر PWM :
بر خلاف روش کنترل برداری ، این روش نیاز به کنترلر PWM ندارد و لذا از جهت سخت افزاری پیاده سازی آن ساده تر است .
– عدم نیاز به کنترل کننده های PI :
در صورتیکه کنترل گشتاور و شار مدنظر باشد فقط به دو کنترل کننده هیسترزیس نیاز خواهیم داشت . این در حالیست که در کنترل برداری حداقل به دو کنترل کننده PI نیاز داریم که تنظیم کردن ضرائب آن خالی از مشکل نیست .
– عدم نیاز به بلوک مجزا کننده ( دیکوپلینگ ) ولتاژهای q,d :
در کنترل برداری با اینوتر منبع ولتاژ نیاز داریم که ولتاژهای q,d ازهم مجزا شوند لیکن در DTC با مولفه های ولتاژ سرو کار نداریم لذا نیازی به بلوک دیکوپلینگ نمی باشد .
– مقاوم بودن سیستم کنترل به تغییر پارامترهای ماشین به جز مقاومت استاتور :
تنها پارامتر مورد نیاز ماشین در این روش مقاومت استاتور است .
در بررسی انجام شده بر روی روش کنترل مستقیم گشتاور به معایب آن نیز اشاره شده است از جمله اینکه :
مشکل داشتن در سرعتهای پایین ودر هنگام راه اندازی :
به خاطر بالا بودن جریان راه اندازی و در نتیحه زیاد بودن افت ولتاژ روی مقاومت استاتور ،تخمین شار دقیق نخواهد بود .
تخمین شار و گشتاور : این مشکل در مورد کنترل برداری نیز وجود دارد .
دانستن مقدار دقیق مقاومت استاتور : خطا در مقاومت استاتور می تواند منجر به ناپایدار شدن سیستم کنترل گردد .
ضربان گشتاور و شار : وجود کنترل کننده های هیسترزیس موجب بروز ضربان در گشتاور و شار ماشین می شود . روش های مختلفی برای رفع این مشکل پیشنهاد شده است .
مواد عنوان شده در بندهای قبلی در فصل سوم ، درتوضیح اصول کنترل مستقیم گشتاور به طور تفصیلی نشان داده شده اند . در جدول (۱-۱) دو روش به صورت مقایسه ای نشان داده شده اند.

جدول (۱-۱):مقایسه دو روش کنترل برداری و کنترل مستقیم گشتاور
کنترل برداری (FOC ) کنترل مستقیم گشتاور(DTC )
دستگاه مرجع دستگاه چرخانq-d دستگاه ساکن q-d
متغیرهای کنترل شونده گشتاورو شار روتور یا استاتور گشتاور وشار استاتور
ورودیهای کنترل جریانهای استاتور بردارهای ولتاژ استاتور
کمیتهای اندازه گیری شده جریانهای استاتور و سرعت روتور ولتاژها و جریانهای استاتور
کمیتهای تخمین زده شده دو یا سه تنظیم کننده جریان گشتاور و استاتور
تنظیم کننده ها دو یا سه تنظیم کننده جریان تنظیم کننده هیسترزیس گشتاور وشار
کنترل گشتاور – کنترل غیر مستقیم گشتاور به وسیله جریانهای استاتور
– دینامیک بالا – کنترل مستقیم گشتاور
– دینامیک بالا
– ضربان گشتاور کنترل شده
کنترل شار – کنترل غیر مستقیم بوسیله جریانهای استاتور
– دینامیک کند – کنترل مستقیم شار
– دینامیک سریع
حساسیت نسبت به تغییر ثایت زمانی روتور حساس می باشد . تنها به تغییر مقاومت استاتور حساس است .
پیچیدگی سخت افزاری – پیچیدگی سخت افزاری زیاد
– حجم محاسبات بالا پیچیدگی و حجم محاسبات متوسط

۱-۲- هدفهای اصلی تحقیق
در سالهای اخیر مقالات متعددی برای بهبود عملکرد موتورها تحت روش کنترل مستقیم گشتاور چاپ شده اند . گروهی از محققان تلاش گسترده ای برای حذف سنسور سرعت انجام داده اند جمعی دیگر از آنها روشهایی برای کاهش ضربان گشتاور ارائه کرده اند از جمله باندهای هیسترزیس با دامنه متغیر برای کاهش ضربان شار و گشتاور استفاده شده است .
برای اولین بار رفتار موتورهای آهنربای دائم سنکرون تحت کنترل مستقیم گشتاور در سال ۱۹۹۷ تشریح شد . در مرجع مذکور نشان داده شده که با افزایش دامنه فرمان شار ، گشتاور ماکزیمم ماشین بزرگتر شده لیکن رفتار آن در لحظات اولیه راه اندازی خطی نبوده ودینامیک کندتری خواهد داشت . از اینرو به انتخاب مرجع شار متناسب با گشتاور فرمان اشاره شده ولی راه حلی بر آن ارائه نشده است .اخیرا نحوه انتخاب فرمان شار ماشین آهنربای دائم سنکرون در دو حالت یکی حداقل کردن تلفات درحالت کاردائمی ماشین و دیگری حداقل کردن جریان راه اندازی پیشنهاد شده است. لیکن در حالات گذرای ماشین ( راه اندازی و فرمان پله گشتاور) روش خاصی برای انتخاب مرجع شار ارائه نشده است .
در این پایان نامه یک هدف اصلی آن بوده است که پس از بررسی روش های مختلف کلید زنی اینورتر در کنترل مستقیم گشتاور موتورهای AC روش جدیدی پیشنهاد شودکه سریع ترین پاسخ را در موتورهای آهنربای دائم سنکرون نتیجه بدهد . برای این منظور اصول کار و طراحی روش پیشنهاد شده ورفتار ماشین تحت آنها مشروحا مورد بررسی قرار گرفته است.
هدف دیگر این پایان نامه پیاده سازی سیستم کنترل مستقیم گشتاور موتور آهنربای دائم سنکرون در مقیاس آزمایشگاهی و با استفاده از پردازشگرDSP بوده است . این هدف با ایجاد یک سیستم کامل کنترلی در آزمایشگاه پژوهشی سیستم های حرکت پیشرفته عملی گردیده است .
۱-۳-راهنمای پایان نامه
در این پایان نامه پس از استنتاج معادلات موتور آهنربای دائم سنکرون قطب صاف و قطب برجسته در دستگاههای چرخان مرجع شار روتور و شار استاتور روابط ریاضی آن ها در فصل دوم ارایه و اصول روش کنترل مستقیم گشتاور درمورتورهای آهنربای دائم سنکرون در فصل سوم تشریح شده است در پایان بر اساس مدل سازی معادلات ماشین PMSM بلوکهای مربوط به شبیه سازی آن آمده است.

فصل دوم:
موتورهای آهنربای دائم سنکرون (PMSM )

۲-۱-ساختار آهنربای دائم سنکرون ،انواع و کاربردهای آن
موتورهای سنکرون معمولی دارای سیم پیچی سه فاز بر روی استاتور و سیم پیچی تحریک روی روتور می باشند که سیم پیچی تحریک حامل جریان مستقیم است . سیم پیچی استاتور موتور سنکرون همانند موتور القایی است . موتور سنکرون ، یک موتور با سرعت ثابت بوده که این سرعت بستگی به تعداد قطبها و فرکانس منبع تغذیه موتور دارد . در این موتورها می توان سیم پیچی تحریک را با قطب های آهنربای دائم جایگزین نمود . با استفاده از آهنربای دائم ، جاروبکها ، حلقه های انتهایی و تلفات مسی روتور حذف خواهند شد که منجر به بالا رفتن بازده موتور می شود. از سوی دیگر چون تلفات عمده ماشین در استاتور متمرکزمی شود ،خنک کردن موتور ساده تر خواهد بود . همچنین تلفات کمتر منجر به کوچک شدن ابعاد موتور می شود .
موتورهای آهنربای دائم سنکرون با توان پایین درسرو موتور نظیر کنترل موقعیت ، رباتیک و غیره کاربرد فراوانی دارند . البته موتورهای آهنربای دائم سنکرون بزرگ نیز ساخته شده اند. بطور مثال یک ماشین یک مگاوات برای محرکه کشتی ساخته شده است . ولی مهمترین استفاده از آنها در ربات های صنعتی و سروها است چراکه این کاربردها نیازهای خاصی دارند که به بعضی از آنها اشاره می کنیم :
• چکالی شار زیاد در فاصله هوایی
• نسبت توان به جرم موتور زیاد
• نسبت گشتاور به اینرسی زیاد ( قابلیت شتابگیری سریع )
• داشتن گشتاور نرم ( ضربان کم ) حتی در سرعتهای پایین ( برای داشتن دقت بالا در کنترل موقعیت )
• قابلیت کنترل گشتاور درسرعت صفر
• سرعت زیاد
• قابلیت تولید گشتاور زیاد ( برای لحظه های کوتاه جهت شتابگیری و ترمز سریع )
• راندمان و ضریب توان زیاد
• قابلیت طراحی موتور به صورت بسته
تمامی نیازهای مطرح شده فوق ، تا حد زیادی با بکار بردن موتور آهنربای دائم سنکرون قابل برآورده شدن می باشند . به طور مثال در این موتورها می توان نسبت طول به قطر ماشین را بزرگ کرد . نتیجتا ثابت زمانی مکانیکی ماشین کوچک می شود .
روشهای مختلفی برای جا گذاری ماده مغناطیسی روی هسته روتور وجود دارد . به طور مثال ، مواد مغناطیسی جدید نظیر نئودیمیوم – آهن – برن که حاصلضرب انرژی
( سطح زیر زمینی تعریف شده در منحنی B-H که معیاری برای انرژی داخلی آهنرباست ) آنها بالا می باشد روی سطح روتور توسط چسبهای قوی چسبانده می شود . برای داشتن استحکام بالا به خصوص در سرعتهای بالا که امکان جدا ماده مغناطیسی وجود دارد ، فضای موجود بین مواد مغناطیسی توسط مواد غیر مغناطیسی پر شده و روتور توسط مواد محکم بسته می شود . بعضی مواقع نیز جهت بهبود شکل توزیع شار از قطب های مواد مغناطیسی دائم با گوشه های سائیده شده ( به شکل ذوزنقه) استفاده می شود .
در حال حاضر ، عیب مواد مغناطیسی جدید ، بالا بودن قیمت آنها می باشد که این نیز با پیشرفتهای جدید در زمینه مواد برطرف خواهد شد . از سوی دیگر تحقیقاتی نیز برای مقاوم کردن این مواد انجام می شود چراکه با بالا رفتن درجه حرارت ماده مغناطیسی ، شدت میدان آن کاهش پیدا می کند .
در نوع دیگر این ماشین ها ماده مغناطیسی درون روتور دفن می شود که به آنها آهنربای دائم داخلی گفته می شود .که به طور کلی ساختار این نوع از ماشین ها را در اشکال زیر
می توان ترسیم نمود:

وقتیکه قطعات آهنربا داخل روتور قرار داده می شود ( موتور آهنربای دائم سنکرون با قطب صاف ) چون ضریب نفوذ آهنربا خیلی نزدیک ضریب نفوذمغناطیسی هوامی باشد (۰۲/۱ تا ۲/۱ برابر ضریب نفوذ هوا ) ، فاصله هوایی در این موتورها بزرگ خواهد شد و همینطور اثر برجستگی مغناطیسی قطبها را نیز نخواهیم داشت . نتیجتا اندوکتانسهای مغناطیسی محورهای q,d تقریبا برابر خواهند بود . از سوی دیگر بخاطر بزرگ بودن فاصله هوایی اندکتانس سنکرون کوچک بوده وعکس العمل آرمیچر نیز ناچیز خواهد بود . علاوه بر اینها ثابت زمانی الکتریکی سیم پیچی استاتور نیز کوچک خواهد شد . وقتیکه ماده مغناطیسی درون روتور دفن می شود ( موتور آهنربای دائم سنکرون با قطب برجسته ) حد بالای سرعت ، نسبت به موتور آهنربای دائم سنکرون با قطب صاف زیادتر می شود چرا که امکان جدا شدن آهنربا ازروتور درسرعتهای زیاد پایین می آید . بدلیل نزدیک بودن ضریب نفوذ آهنربا به ضریب نفوذ هوا ، اندوکتانسهای محور q,d برابر نبوده و روتور همانند روتور با قطب های برجسته عمل خواهد کرد . بنابراین گشتاور موتور شامل مولفه گشتاور رلوکتانسی نیز خواهد بود .
در موتور های سنکرون قطب برجسته چه با سیم پیچی تحریک و چه با آهن ربای دائم توان مصرفی موتور سنکرون قطب برجسته شامل ۲ مولفه خواهد بود . یک مولفه آن توان اکتیو است که هنگام بارداری موتور مصرف می شود . و مولفه دیگر توان رلوکتانسی نام دارد .
این مولفه باعث می شود حتی اگر موتور بی بار کار کند توانی به نام توان رلوکتانسی مصرف کند .
بر خلاف موتورهای سنکرون معمولی که در انها راکتانس محور d بزرگتر از راکتانس محور q است ، در موتورهای آهنربای دائم سنکرون قطب برجسته (با آهنربای دائم داخلی ) راکتانس محور q بزرگتر می باشد .
موتور سنکرون معمولی با قطب برجسته :
موتور سنکرون آهن ربای دائم :
موتور سنکرون معمولی با قطب صاف :
۲-۲- معادلات موتور آهنربای دائم سنکرون
مقدمه :
دراین بخش ، ابتدا معادلات ماشین را در سیستم سه فازه abc نشان داده سپس با استفاده از تبدیل پارک معادلات ماشین در سیستم چرخان d-q بدست می آید . در ادامه با استفاده از دستگاه مرجع شار استاتور ، معادله گشتاور بر حسب زاویه بار را بدست خواهیم آورد.درIPMSM ازدیدگاه استاتور طول شکاف هوایی دایمادر حال تغییر است بنابراین شار متغیر واندوکتانسهای متغیری نیز در این دیدگاه وجود دارداما اگر روی روتور بایستیم طول شکاف هوایی یکنواخت خواهد بودبنابراین شار شکاف هوایی از دیدگاه روتور یکسان خواهد بود.

۲-۳-معادلات موتور در سیستم سه فازه abc
رابطه ولتاژ جریان برای ماشین در دستگاه سه فازه را می توان به صورت زیر بیان کرد :
(۲-۱)
(۲-۲)

که در رابطه فوق :
موقعیت روتور بر حسب زاویه الکتریکی :
اندوکتانسهای خودی سیم پیچهای
اندوکتانسهای متقابل سیم پیچها :
شار دور ماده مغناطیسی :
می باشند .
با توجه به وابسته بودن اندوکتانس های ماشین به موقعیت روتور طبق رابطه زیر ، حل معادلات ولتاژ – جریان بسیار پیچیده و وقت گیر بوده واستفاده از تبدیل پارک جهت رسیدن به اندوکتانس های ثابت و ارائه مدار معادلی که مستقل از موقعیت روتور باشد سودمند خواهند بود.

۲-۴- معادلات موتور در سیستم دو فازه چرخان d-q
محورهای چرخان d,q را برای ماشین در نظر می گیریم که محور d در راستای شار آهنربای دائم قرار داده شده است ( شکل ۲-۱) و ماتریس تبدیل A-1,A به ترتیب برای تبدیل پارامترها از سیستم سه فازه به سیستم چرخان و بالعکس استفاده می شود . در این صورت روابط کلی زیر را برای تبدیل پارامترها خواهیم داشت :
(۲-۳)
(۲-۴)
که ماتریس A به صورت زیر تعریف می شود :

و ماتریس معکوس آن به صورت زیر است :

معادله (۲-۱) را می توان به صورت زیر بازنویسی کرد :
(۲-۵)
که p نماد مشتقگیری است .

شکل (۲-۱)دیاگرام برداری

اگر طرفین معادله فوق را در ماتریس A ضرب کنیم با استفاده از رابطه (۲-۳) ، رابطه
(۲-۵) به صورت زیر خواهد شد .
(۲-۶)
با استفاده از رابطه (۲-۶) مدار معادل محورهای d,q برای ماشین طبق شکلهای (۲-۲) و (۲-۳) خواهدشد .

روابط گشتاور وتوان را نیز می توان در سیستم دو فازه چرخان d,q بدست آورد . رابطه گشتاور بصورت کلی درهر دستگاهی به صورت زیر می باشد :
(۲-۷)
علامت ضرب نشان دهنده ضرب خارجی می باشد و p تعداد جفت قطبهای ماشین است . اگر این رابطه را در سیستم چرخان d-q بنویسیم روابط زیر بدست می آید :
(۲-۸)
(۲-۹)
توان ورودی به ماشین را نیز می توان به صورت زیر نشان داد :
(۲-۱۰)
که ضریب به خاطر تعریف ماتریس تبدیل A ظاهر شده است .
۲-۵-معادلات ماشین در دستگاه مرجع X-Y ] 17[
اگر دستگاه X-Y را که در آن محور X بر روی بردار شار استاتور قرار داده شده است در نظر بگیریم در این دستگاه کمیتهای مختلف را می توان توسط ماتریس دوران از کمیتهای موجود در دستگاه d-q بدست آورد :