شبیه سازی روش های اساسی درایو موتورهای جریان مستقیم بدون جاروبک و بهینه سازی روش کنترلی بدون سنسور در آن ها

چکیده موتورهای جریان مستقیم بدون جاروبک (bldc) و درایوهای آن در محدوده وسیعی از کاربردها به طور افزایشی به علت ویژگی های اساسی شان مورد توجه فراوان قرار گرفته اند. تحقق پذیری این مهم در این نوع موتورها از یکسو مرهون پیشرفت های روزافزون تکنولوژی pm است که امکان دستیابی به بازده، چگالی توان و گشتاور بالا را برای این موتورها به ارمغان آورده است. از سوی دیگر ساختار و مشخصات ویژه این نوع از موتورها بستری را برای کنترل ساده تر و سایز کوچکتر در مقایسه با موتورهای هم توان ایجاد کرده است. در این پایان نامه: فصل اول یک بازبینی تخصصی از روش های بدون سنسور سرعت و موقعیت برای کنترل درایو موتورهای bldc که شامل پیشین? تجزیه و تحلیل استفاده از سنسور ها و محدودیت و ویژگی های آن ها نیز می شود فراهم می سازد. به طور کلی، عملکرد یک موتور bldc نیازمند اطلاعات موقعیت است که به منظور کنترل فرکانس و زاوی? فاز جریان سیم پیچی های ماشین استفاده می شود. این مطالعه یک بازبینی عمیق از روش های بر مبنای ولتاژ ضدمحرکه (back-emf)، روش تخمین شار پیوندی استاتور، روش استفاده از تغییرات اندوکتانس، روش استفاده از توابعی مناسب از ولتاژ back-emf، روش های مبتنی بر تئوری های کنترلی و روش های بر مبنای استراتژی های pwm را پوشش می دهد. در فصل دوم، یک بازبینی از درایوهای اساسی موتورهای bldc به منظور فراهم ساختن یک مرجع مفید برای تحقیقات اولیه در روش های متداول این نوع از موتورها به عمل آمده است. به منظور فراهم کردن یک بینش و درک درست از تکنیک های متفاوت درایو در این نوع موتورها یک طبقه بندی از استراتژی های کنترلی به همراه اصول اساسی از این تکنیک ها به صورت سیستماتیک آورده شده است. همچنین برای دستیابی به یک ارزیابی دقیق تر و امکان بررسی مقایسه ای از بین استراتژی های متفاوت و تاکید بر محدودیت ها و ویژگی های هر روش کنترلی از شبیه سازی کامپیوتری برای رسیدن به این مهم استفاده شده است. علاوه بر مقایسه روش های گوناگون هر استراتژی یک مقایسه کلی بین روش های متفاوت استراتژی های مختلف بر مبنای ریپل گشتاور، تجزیه و تحلیل فرکانسی و تلفات درایو موتور bldc به همراه کاربرد های گوناگون روش های مختلف کنترلی آورده شده است. علاوه بر این ها، با توجه به اهمیت خودرو های الکتریکی در صنعت، انتخاب بهترین روش های کنترلی برای این نوع از کاربردها به همراه قابلیت برگشت انرژی به بحث گذاشته شده است. در فصل سوم، در مورد پرفرمانس عملکرد بهین? یک سیستم پمپاژ آب که از یک موتور bldc کوپل شده به یک پمپ سانتریفیوژی و یک zsi تغذیه شده از طریق آرای? pv تشکیل شده است، بحث می شود. بر خلاف مبدل های توان دو طبقه، در این فصل به منظور استخراج ماکزیمم توان آرای? pv و تغذی? موتور bldc به طور همزمان بهره وری از یک zsi تک طبقه پیشنهاد داده شده است. استفاده از zsi به علت توانایی ارزشمند باک-بوست ولتاژ، مزیت های ذاتی مانند بازد? بالا و هزین? پائین که مصالح? خوبی با سیستم های pv ایجاد می کند، را به ارمغان می آورد. بعلاوه، به منظور انجام دقیق mppt آرای? pv، طرح کنترلی fl-ic mppt پیشنهاد شده است. این روش fl-ic mppt پیشنهاد شده به قدر کافی روش ic متداول را بهبود می بخشد تا این که کلیدزنی zsi از یک سیگنال کنترلی mppt با مقدار پل? متغیر لذت ببرد. علاوه بر این ها، روش dtc یک راه حل موثرتری را در مقایسه با روش کنترل هیسترزیس با شکل دهند? جریان هیسترزیس برای درایو موتور bldc به دلیل مزایایی آن مانند پاسخ سریع گشتاور، ریپل گشتاور کوچک، حساسیت کمتر به تغییر پارامتر ها و پیاده سازی ساده ارائه می دهد. ضمناً به دلیل تغیرات مکرر تولید توان pv؛ توان مکانیکی تحویلی به پمپ سانتریفیوژی متغیر است. بنابراین، موتور bldc باید با سرعت مرجع متغیر درایو شود. به منظور بهبود بخشیدن به پاسخ گذرای سرعت موتور bldc و افزایش سطح کیفیت جنب? ذخیر? انرژی، سیستم باید از یک مشخص? پاسخ دینامیکی سرعت کیفیت بالا باید بهره مند شود. بنابراین، به منظور تحقق بخشیدن به این جنبه از سیستم، الگوریتم بهینه سازی pso برای تنظیم پارامتر های کنترل کنند? سرعت pid موتور bldc پیشنهاد شده است. ساختار سیستم به همراه اصول عملکرد هر یک از این روش های کنترلی ذکر شده با جزئیات ارائه شده است. در پایان، سیستم پیشنهاد شده در شرایط مختلف از عملکرد آرای? pv توسط شبیه سازی کامپیوتری شبیه سازی شده و تأثیرات استراتژی کنترلی پیشنهاد شده با مطالع? مقایسه ای و نتایج شبیه سازی صحه گذاری شده است. در فصل چهارم، بخش اول تجزیه و تحلیل و طراحی یک طرح کنترلی پرفرمانس بالا بدون سنسور سرعت را برای درایو موتور bldc سه فاز با استفاده از مشاهده گر مقاوم تصادفی پیک به پیک با هدف کاهش ریپل گشتاور و افزایش مقاومت سیستم ارائه می دهد. مشاهده گر پیشنهاد شده به منظور تخمین back-emf ذوزنقه ای فاز به فاز برای موتور bldc تنها با بهره گیری از ولتاژ ها و جریان های اندازه گیری شده خط به کار برده می شود به طوری که با تخمین back-emf به راحتی موقعیت و سرعت روتور از آن بدست می آید. این استراتژی درایو استفاده شده بر خلاف روش های متداول سنس back-emf نیازمند هیچ فیلترینگی از جریان و ولتاژ نیست و بعلاوه از حساسیت به نویز های کلیدزنی دیگر رنج نمی برد. با توجه به این که عملکرد سرعت بالا برای یک موتور حیاتی است، اما به دلیل این که در این مد به شدت پرفرمانس درایو تنزل می یابد از روش ولتاژ ورودی متغیر برای تحقق بخشیدن به مینیمم سازی ریپل گشتاور کموتاسیونی به صورت موازی با روش پیشنهاد شده بهره برده شده است. علاوه بر بررسی تحلیلی روش پیشنهاد شده دو نوع دیگر از مشاهده گرها یعنی مشاهده گر مد لغزشی و فیلتر کالمن به منظور تعیین دقت حالت دائم، پرفرمانس دینامیکی، حساسیت به پارمتر و نویز و پرفرمانس عملکرد سرعت پائین آنها به صورت مقایسه ای با روش پیشنهاد شده مورد بررسی قرار گرفته است. در پایان، سیستم پیشنهاد شده در شرایط مختلف کاری از موتور bldc به وسیل? شبیه سازی کامپیوتری شبیه سازی شده است و تأثیرات روش کنترلی بدون سنسور پیشنهاد شده توسط مطالع? مقایسه ای و نتایج شبیه سازی مورد ارزیابی قرار گرقته شده است. نتایج شبیه سازی تأیید می کند که روش پیشنهاد شده در مقایسه با روش های مد لغزشی و فیلتر کالمن تحت شرایط کاری مختلف با وجود نویز اندازه گیری و عدم قطعیت پارامتر های الکتریکی از مقاومت خیلی خوب و دقت تخمین back-emf و سرعت بالایی برخوردار است. بنابراین، روش پیشنهاد شده با مقاومت قوی خود این امکان را برای درایو به وجود می آورد که بدون روبرو شدن با هیچ مشکلی در سرعت های بالا و پائین، موتور بتواند یک عملکرد پایدار و بدون تنشی را تجربه کند. بخش دوم تجزیه و تحلیل و طراحی یک طرح کنترلی پرفرمانس بالا بدون سنسور سرعت را برای درایو موتور bldc سه فاز با استفاده از فیلتر مقاوم تصادفی دکانولوشن ارائه می دهد. فیلتر پیشنهاد شده به منظور تخمین back-emf ذوزنقه ای فاز به فاز برای موتور bldc تنها با بهره گیری از ولتاژ ها و جریان های اندازه گیری شده خط به کار برده می شود به طوری که با تخمین back-emf به راحتی موقعیت و سرعت روتور از آن بدست می آید. در این روش بدون سنسور پیشنهاد شده، بر خلاف روش های متداول مبتنی بر مشاهده گر، back-emf به عنوان ورودی ناشناخته در نظر گرفته می شود و نیازی به فرض ثابت بودن سرعت ماشین در یک فاصل? زمانی کوتاه در مدلسازی موتور bldc که منجر به نادیده گرفتن دینامیک back-emf در سرعت متغیر می گردد، نیست. بعلاوه، با توجه به این که عملکرد سرعت بالا برای یک موتور حیاتی است، اما به دلیل این که در این مد به شدت پرفرمانس درایو تنزل می یابد، یک رهیافت بهبود بخشیده شده برای کاهش ریپل گشتاور کموتاسیونی در سرعت های بالا برای استراتژی کنترل مستقیم گشتاور موتور bldc سه فاز با مد هدایت 120 درجه ای الکتریکی به صورت موازی با روش بدون سنسور پیشنهادی، نیز پیشنهاد شده است. با استفاده از این رهیافت بهبود بخشیده شده، بدون این که هیچ نیازی به محاسب? دقیق مدت زمان کنترل کنند? کمکی تأثیر گذار ولتاژ ورودی متغیر باشد، گشتاور الکترومغناطیسی ثابت می ماند و ریپل گشتاور کموتاسیونی که نشأت گرفته شده از هدایت غیرقابل کنترل دیودهای هرزگرد در سرعت های بالا است، مینیمم می شود. در پایان، سیستم پیشنهاد شده در شرایط مختلف کاری از موتور bldc به وسیل? شبیه سازی کامپیوتری شبیه سازی شده است و تأثیرات روش کنترلی بدون سنسور پیشنهاد شده از چهار جنبه شامل دقت حالت دائم، پرفرمانس دینامیکی، حساسیت به پارمتر و نویز و پرفرمانس عملکرد سرعت پائین توسط نتایج شبیه سازی مورد ارزیابی قرار گرفته شده است. نتایج شبیه سازی تأیید می کند که سیستم پیشنهاد شده تحت شرایط کاری مختلف با وجود نویز اندازه گیری و عدم قطعیت پارامتر های الکتریکی از مقاومت خیلی خوب و دقت تخمین بالایی برخوردار است. بنابراین، استراتژی پیشنهاد شده با مقاومت قوی خود این امکان را برای درایو به وجود می آورد که بدون روبرو شدن با هیچ مشکلی در سرعت های بالا و پائین و رژیم ترمزی، موتور بتواند یک عملکرد پایدار و بدون تنشی را تجربه کند.