مقدمه
امروزه موتورهای بدون جاروبک جریان مستقیم (BLDC) به دلیل ویژگیهای منحصر به فرد کاربردهای گسترده ای در ابزارآلات صنعتی، تجهیزات پزشکی، محرکهای الکترومغناطیسی، سیستمهای راه انداز خودروهای برقی، صنعت رباتیک، سخت افزارهای کامپیوتری، صنایع نظامی (مثل پهپادها) و صنایع زیردریایی دارند. مواردی چون بازده زیاد، پروسه ساخت و تعمیر و نگهداری ساده، سهولت در کنترل و عملکرد دینامیکی خوب از مزایای این موتورها هستند، در حالیکه ریپل گشتاور، محدودیت تضعیف میدان و احتمال مغناطیس زدایی آهنرباها از عیبهای آن محسوب می شوند.
موتور بدون جاروبک جریان مستقیم از نظر ساختار یک موتور سنکرون است که به لطف سیستم کموتاسیون استاتیک قادر است با تغذیه DC کار کند. عملکرد آن شبیه عملکرد یک موتور DC جاروبک دار است، با این تفاوت که در روتور آن سیم پیچی وجود ندارد و از آهنرباهای دائم استفاده می شود، ضمن اینکه بجای جارویک ها و مبدل مکانیکی (کموتاتور) که در موتور DC بکار گرفته می شود، از سنسور موقعیت و سرپیچ های مبدل (مدارات الکترونیکی) در آن استفاده می شود. این موتورها چون توانایی کار با تغذیه DC را دارا هستند، به طور گسترده در مکان هایی که امکان استفاده از تغذیه AC در آنها فراهم نیست، استفاده می شوند.
در موتور بدون جاروبک جریان مستقیم، سیم پیچی آرمیچر به صورت توزیع شده در شیارهای استاتور قرار دارد. این سیم پیچی مشابه سیم پیچی موتورهای چند فاز است، اما معمولاً به صورت سه فاز طراحی می شود. با توجه به نحوه سیم بندی استاتور، دو نوع موتور BLDC بوجود می آید: موتور BLDC سینوسی و موتور BLDC ذوزنقه ای.
تفاوت این دو نوع در نحوه اتصال کلافهای سیم پیچی استاتور و شکل موج ولتاژ اعمالی به سیم پیچی های استاتور می باشد که در نتیجه آن دو نوع ولتاژ ضد محرکه (back-EMF) بوجود می آید.
موتور بدون جاروبک جریان مستقیم با تغذیه ولتاژ سینوسی (BLAC)
در نوع تغذیه سینوسی که در واقع همان ماشین سنکرون مغناطیس دائم (PMSM) می باشد، برای ایجاد شار سینوسی علاوه بر اینکه توزیع سیم پیچی فازهای استاتور سینوسی است، ولتاژ اعمالی به فازهای استاتور نیز سینوسی می باشد. لذا دانستن مقدار لحظه ای موقعیت روتور الزامی بوده و در نتیجه باید از اینکدرهای موقعیت دقیق استفاده نمود.
موتور بدون جاروبک جریان مستقیم با تغذیه ولتاژ ذورنقه ای (BLDC)
در این نوع، سیم پیچی فازهای استاتور به صورت ذوزنقه ای بوده و ولتاژ اعمالی به فازها نیز ذورنقه ای یا مربعی می باشد. در این ساختار نیازی به دانستن مقدار لحظه ای موقعیت روتور نبوده و می توان از سه سنسور وضعیت از نوع اثر هال که در فواصل 120 درجه نسبت به یکدیگر قرار گرفته اند، استفاده نمود. محاسبات و عمل کنترلی در این نوع موتور نسبت به نوع سینوسی بسیار ساده تر است. از طرف دیگر، به دلیل همپوشانی کموتاسیون فازها، ضربان گشتاور در این نوع موتور بیشتر از نوع سینوسی می باشد.
برخلاف موتورهای DC معمولی، کموتاسیون موتورهای بدون جاروبک جریان مستقیم از طریق کلیدهای الکترونیک قدرت انجام می شود. برای چرخاندن موتور، هر سیم پیچ استاتور باید به ترتیب به منبع DC متصل شود. پس دانستن موقعیت روتور برای درک این مطلب که کدام سیم پیچ باید به منبع وصل شود، لازم است. حسگرها، موقعیت مغناطیس های دائم گردان را آشکار ساخته و کدهای منطقی را به یک رمزگشای کموتاسیون ارسال می کنند. رمزگشا پس از پردازش این کد، مدارهای آتش کلیدهای نیمه هادی که تأمین کننده توان سیم پیچی استاتور هستند را به کار می اندازد. از طریق تأثیر متقابل بین مغناطیس های دائم و جریانهای جاری شده در سیم پیچی، گشتاوری ایجاد می شود.
بررسی پروژه شبیه سازی شده
بعد از آشنایی مختصر با موتور BLDC به پروژه انجام شده در این قسمت می پردازیم. در این پروژه سیستم درایو یک موتور BLDC شبیه سازی شده که از کنترل کننده سرعت تناسبی – انتگرالی (PI) برای کنترل سرعت و تولید گشتاور مرجع استفاده می کند. در سیستم فوق در شکل 1 نشان داده شده است، سرعت مرجع و سرعت واقعی موتور در کنترل کننده سرعت با یکدیگر مقایسه شده و خطای مربوطه وارد یک کنترل کننده PI می شود. این کنترل کننده دو وظیفه دارد: 1) حفظ سرعت در مقدار پایدار خود 2)تولید سیگنال گشتاور مرجع
سیگنال گشتاور مرجع بعد از تولید وارد یک کنترل کننده جریان می شود، به صورتیکه ابتدا مقدار آن به جریان های مرجع تبدیل شده و سپس این جریان ها با خروجی سیگنالهای حاصل از سنسورهای هال همگام می شوند. در مرحله بعد سیگنالهای جریان مرجع همگام شده با جریانهای سه فاز واقعی موتور مقایسه شده و حاصل آن وارد محدودکننده های جریان می شود. در نهایت خروجی حاصل از محدودکننده های جریان به صورت سیگنال تحریک درآمده و به کلیدهای یک اینورتر تمام پل سه فاز که با یک منبع مستقیم تغذیه شده، اعمال می شود. اینورتر فوق نیز با تحریک مناسب کلیدهای آن، انرژی سیم پیچی های موتور بدون جاروبک جریان مستقیم را در زمان مناسب فراهم می کند.
شکل 1) سیستم درایو موتور بدون جاروبک جریان مستقیم
شبیه سازی موردنظر در سیمولینک متلب برای مدت زمان 1.5 ثانیه انجام شده است. توجه می کنیم که برای ارزیابی عملکرد سیستم درایو فوق، در زمان 0.5 ثانیه مقدار سرعت مرجع از 50 به 300 دور بر دقیقه و در زمان 1 ثانیه مقدار گشتاور بار از 0 به 11 نیوتن بر متر تغییر داده می شود. نتایج حاصل از خروجی شبیه سازی در شکل 2 ارائه شده است.
شکل 2) جریان فاز a ، سرعت و گشتاور خروجی موتور BLDC
—————————————————————————————
توجه: پروژه شبیه سازی کنترل سرعت PI موتور بدون جاروبک جریان مستقیم که در بالا نتایج آن ارائه شد، در محیط سیمولینک متلب 2017 انجام شده است. این پروژه را می توان به عنوان بیس برای انجام تحقیقات دیگر نیز در نظر گرفت که می توانید از لینک زیر آنرا خریداری کرده و مورد استفاده قرار دهید. پیشنهاد می شود برای بررسی موارد بیشتر پست مربوط به شبیه سازی کنترل سرعت مد لغزشی موتور BLDC را نیز ملاحظه کنید. در انتها لطفاً نظرات خود را با ما در میان بگذارید.
