• مقدمه[1]

موتورهای dc بدون جاروبک (BLDC) با توجه به ساختار ساده، بازده بالا و طول عمر زیاد به‌طور گسترده در کاربردهای روزمره و تولیدات صنعتی استفاده می‌شوند
[3-1]. این موتورها در کاربردهای پیوسته دارای ریپل گشتاورند؛ به‌خصوص در زمان‌های کموتاسیون این ریپل ایجاد می‌شود. ریپل گشتاور نقطه ضعف اصلی است که محدودۀ قابل استفاده این موتور را محدود می‌کند. یک موتور BLDC ایدئال باید دارای شکل موج ذوزنقه‌ای برای ولتاژ ضد محرکه باشد و بنابراین، می‌تواند با جریان‌های استاتور در حالت شبه‌مربعی شش‌مرحله‌ای تغذیه شود. از آنجایی که سیم‌پیچ‌های موتور القایی هستند، کنترل‌کننده نمی‌تواند جریان شبه‌مربعی ایدئال را در طول دورۀ کموتاسیون تولید کند و ریپل گشتاور توسط ریپل جریان در طول کموتاسیون القا می‌شود. این نوع گشتاور، ریپل گشتاور کموتاسیون شناخته می‌شود. ریپل گشتاور حاصل بر سرعت و دقت کنترل موقعیت تأثیر می‌گذارد. این موضوع بر حرکت نرم موتور تأثیر می‌‌گذارد. در چنین شرایطی نویز و ارتعاشات مکانیکی در عملکرد موتور به وجود می‌آید و در شرایط کاربردهای دقیق، عملکرد موتور را با مشکل مواجه می‌سازد [4]؛ بنابراین، کاهش ریپل گشتاور برای بهبود عملکرد موتور BLDC از موارد مهم و حیاتی است. بسیاری از مطالعات و روش‌های کنترلی در سال‌های اخیر با تمرکز بر کاهش ریپل گشتاور کموتاسیون توسعه یافته‌اند. کیم و همکاران [5] روشی را با اندازه‌گیری زمان کموتاسیون با استفاده از ولتاژ پایانۀ موتور و محاسبه دورۀ کاری مدولاسیون عرض پالس (PWM) برای کاهش ریپل گشتاور خروجی، بدون استفاده از حسگر جریان معرفی کردند. نویسندگان در [8-6] روش‌هایی را برای کاهش ریپل گشتاور کموتاسیون با استفاده از تکنیک مدولاسیون عرض پالس سه فاز ارائه کردند؛ با این حال، روش‌هایی که از تکنیک PWM استفاده می‌کنند، می‌توانند به‌طور چشمگیری ریپل گشتاور کموتاسیون را تنها در سرعت‌های پایین کاهش دهند. یک مبدل dc-dc برای جبران ولتاژ پایین گذرگاه dc در طول بازۀ کموتاسیون در [10و9] استفاده شده است که می‌تواند به‌طور چشمگیری ریپل گشتاور را در سرعت‌های بالا کاهش دهد. یک مدار مبدل سلف اولیه تک سر (SEPIC) برای تنظیم ولتاژ گذرگاه dc در طول کموتاسیون در [11] معرفی شده است. مدار SEPIC می‌تواند ریپل گشتاور کموتاسیون را در سرعت‌های بالا و پایین کاهش دهد. در واقع مدار SEPIC بیشتر اوقات در حالت بوست کار می‌کند. یک مدار کاهش ریپل گشتاور در [12] استفاده شده که اینورتر سه سطحی ^[1]NPC، مبدل SEPIC و مدار انتخابگر ولتاژ باس dc را ترکیب کرده است. این روش به کاهش چشمگیری در ریپل گشتاور کموتاسیون در سرعت پایین و بالا دست یافته است؛ اما به فرکانس کلیدزنی بالا نیاز دارد. علاوه بر این، نویسندگان در [16-13] یک رویکرد کنترل پیش‌بین مدل با مجموعه کنترلی محدود (FCS-MPC^[2]) ارائه کردند که پاسخ گشتاور سریع و عملکرد حالت پایدار خوب را ارائه می‌کرد. این مقاله علل ریپل گشتاور را در موتور BLDC تجزیه‌وتحلیل می‌کند و یک الگوریتم جدید PWM-MPC را در حالت حلقه بستۀ سرعت پیشنهاد می‌کند که دورۀ کاری کلیدهای قدرت را در سرعت‌های پایین با استفاده از مدل پیش‌بین در طول فاصلۀ کموتاسیون محاسبه می‌کند. از مبدل شبه‌منبع امپدانسی که مزیت بهره زیاد و قابلیت اطمینان بالا دارد [17]، برای مقابله با ریپل گشتاور در سرعت‌های بالا و زمانی استفاده می‌شود که منبع تغذیه نمی‌تواند ولتاژ گذرگاه dc کافی را در فاصلۀ کموتاسیون فراهم کند. در سرعت‌های پایین، ریپل با استفاده از روش مدولاسیون پهنای پالس -پیش‌بین کاهش می‌یابد. با این روش، میزان دورۀ کاری کلیدی که در کموتاسیون مؤثر است، پیش‌بینی می‌شود و در زمان‌های کموتاسیون به کلید اعمال می‌شود. در سرعت‌های بالا با استفاده از مبدل شبه‌منبع امپدانسی و مدار انتخابگر این کاهش انجام می‌گیرد. مبدل شبه‌منبع امپدانسی و مدار انتخابگر، ولتاژ ورودی اینورتر را در زمان‌های کموتاسیون افزایش می‌دهند و مقدار آن را به چهار برابر ولتاژ ضد‌ محرکۀ موتور می‌رسانند و از این طریق ریپل گشتاور را در سرعت‌های بالا کاهش می‌دهند. نتایج تئوری و تحلیلی با استفاده از شبیه‌سازی‌های انجام‌شده در نرم‌افزار PLECS تأیید می‌شود.

 

2- کاهش ریپل گشتاور

2-1- تحلیل ریپل گشتاور

دلایل زیادی برای ریپل گشتاور موتور BLDC وجود دارد. عمدتاً ریپل گشتاور دندانه‌ای، ریپل گشتاور ناشی از واکنش آرمیچر، ریپل گشتاور ناشی از نقص‌های مکانیکی و ریپل گشتاور کموتاسیون از دلایل آن است. ریپل گشتاور دندانه‌ای و ریپل گشتاور به‌دلیل نقص مکانیکی کاملاً با ساختار موتور ارتباط دارند؛ بنابراین، می‌توان آنها را با بهبود ساختار موتور از بین برد. علاوه بر این، می‌توان با طراحی مدار مغناطیسی، تأثیر واکنش آرمیچر را تضعیف کرد. در این چهار نوع ریپل، ریپل گشتاور کموتاسیون یک موضوع برجسته است که بر عملکرد موتور در حالت راه‌اندازی شش کلیده تأثیر می‌گذارد. در روش کموتاسیون شش‌مرحله‌ای، میزان نرخ کاهش جریان در حال قطع با نرخ افزایش جریان در حال وصل یکی نیست. دلیل این امر وجود خاصیت اندوکتانس در سیم‌پیچ استاتور و ولتاژ dc است. این امر موجب نوسان گشتاور در طول بازۀ کموتاسیون خواهد شد [18]؛ برای مثال، فرایند تغییر جریان از فاز AC به فاز BC برای تجزیه‌وتحلیل در زمان کموتاسیون در نظر گرفته شده است. در طول جابه‌جایی جریان‌ها، جریان فعلی ازطریق دیود هرزگرد D4 هدایت می‌شود؛ زیرا  خاموش و  روشن می‌شود؛ همان‌طور که در شکل‌ (1) نشان داده شده است.

ولتاژ سیم‌پیچ سه فاز استاتور را به‌صورت (1) نوشته می‌شود.

(1)

 

جایی که ، و  ولتاژهای فاز هستند، R و L به‌ترتیب مقاومت فاز و اندوکتانس فاز هستند.   ، و جریان‌های فازA ، B و C هستند.   ، و  ولتاژهای ضد محرکه (EMF) هستند. ولتاژ گذرگاه dc است و ولتاژ نقطه خنثی است. هنگامی که سیم‌پیچ‌های استاتور فاز متقارن باشند و به شکل Y متصل می‌شوند، جریان‌های استاتور سه فاز را می‌توان به‌صورت (2) نشان داد:

(2)

 

از (1)، روابط به‌صورت (3) نوشته می‌شود.

(3)

 

 

شکل‌ (1): فرآیند تغییر جریان از فاز AC به فاز BC در زمان کموتاسیون در موتور BLDC

 

با جمع طرفین (3) و با توجه به اینکه در لحظۀ کموتاسیون فاز AC به فاز BC، مقادیر ،  و  هستند (که در آن E بیشینه دامنۀ ولتاژ ضد محرکۀ ذوزنقه‌ای است)، داریم:

(4)

با توجه به (2) رابطۀ (5) به دست می‌آید.

(5)

 

اگر دورۀ تناوب کلیدزنی از ثابت زمانی ( ) کوچک‌تر باشد، می‌توان از مقاومت R برای ساده‌سازی محاسبات و معادلات صرفنظر کرد. با فرض صفر‌بودن مقاومت فاز، با قراردادن (5) در (3) میزان شیب جریان‌های سه فاز را می‌توان به‌صورت (6) نوشت.

(6)

 

با توجه به میزان شیب جریان، ریپل گشتاور در هنگام کموتاسیون، به سه نوع مختلف تقسیم می‌شود؛ همان‌طور که در شکل (2) نشان داده شده است.

با توجه به شکل 2 (الف)، زمان  که جریان فاز خروجی به صفر می‌رسد، برابر با زمان  است که جریان فاز جاری  به مقدار اشباع می‌رسد. در این وضعیت، نرخ شیب  صفر است؛ بنابراین، ولتاژ گذرگاه dc باید چهار برابر ولتاژ ضد محرکه باشد.

در شکل 2 (ب)، نرخ کاهش  کمتر از نرخ افزایش  است. عمدتاً زمانی این اتفاق می‌افتد که موتور با سرعت کمتری کار می‌کند. در این حالت،  و نرخ شیب با (7) بیان می‌شود.

 

 

شکل (2)- مشخصۀ جریان در طول دورۀ کموتاسیون. جریان غیرکموتاسیون به‌صورت الف) ثابت ب) محدب و ج) مقعر است.

(7)

 

برعکس، هنگامی که موتور با سرعت بیشتری حرکت می‌کند، میزان شیب  از   بزرگ‌تر است؛ همان‌طور که در شکل (2-ج) نشان داده شده است. هنگامی که  است، میزان شیب را می‌توان به‌صورت زیر بیان کرد.

(8)

 

در دو حالت فوق، نوسان جریان غیرکموتاسیون منجر به گشتاور خروجی ناپایدار می‌شود؛ بنابراین، برای از بین بردن ریپل گشتاور، نرخ شیب  باید صفر باشد که می‌توان با کنترل زمان  یا  و برابرکردن آنها این کار را انجام داد.

 

2-2- استفاده از روش PWM-MPC در سرعت‌های کم

در سرعت‌های کم، هنگامی که  است، میزان نرخ کاهش جریان فاز خروجی کوچک‌تر از نرخ افزایش جریان فاز ورودی است که منجر به نوسان جریان فاز غیرکموتاسون و افزایش گشتاور خروجی می‌شود. کاهش سرعت افزایش جریان فاز با تنظیم دورۀ کاری کلید مربوطه به ‌دست می‌آید؛ بنابراین، می‌توان با تنظیم نرخ افزایش جریان فاز ورودی، ریپل را کاهش داد؛ برای مثال، فرآیند تغییر جریان از فاز AC به فاز BC را در نظر بگیرید.  دورۀ کاری کلید قدرت B تعریف می‌شود. ولتاژ سه فاز را می‌توان به‌صورت (9) بیان کرد:

(9)

 

با جمع طرفین (9) و با توجه به اینکه در لحظۀ کموتاسیون فاز AC به فاز BC، مقادیر ، و است، داریم:

(10)

برای  می‌توان نوشت:

(11)

 

 با کم‌کردن  از  و با توجه به (11) برای می‌توان نوشت:

(12)

 

با ضرب طرفین (12) در عدد 3، رابطۀ (13) به دست می‌آید.

(13)

 

رابطۀ (13) براساس جریان غیرکموتاسیون نوشته شده است. با استفاده از رابطۀ فوروارد اویلر و تعریف  عنوان دورۀ کار‌ی کلید مربوط به جریان فاز ورودی به موتور، رابطۀ (13) براساس دورۀ کاری و به‌صورت گسسته به‌صورت زیر بیان می‌شود.

(14)

 

در (14)،  دورۀ نمونه‌برداری، i(k) جریان غیرکموتاسیون در لحظۀ k و i(k+1) جریان در لحظۀ k+1 است. E(k) مقدار بیشینۀ ولتاژ ضد محرکه است که از (15) به دست می‌آید.

(15)

 

در (15)،  ثابت ولتاژ ضد محرکه و n دور واقعی روتور است. فرض می‌شود جریان غیر کموتاسیون در طول بازۀ کموتاسیون، ثابت و جریان مرجع با جریان پیش‌بینی‌شده برابر باشد؛ یعنی  که در آن  برابر با خروجی حلقه‌بستۀ سرعت در لحظه k است.

 

2-3- استفاده از روش افزایش ولتاژ ورودی در سرعت‌های بالا با استفاده از مدار انتخابگر ولتاژ

در سرعت‌های بالاتر که‌  است، ویژگی‌های جریان و گشتاور متفاوت است. با توجه به (6)، افزایش ولتاژ گذرگاه dc در زمان کموتاسیون می‌تواند باعث تغییر در نرخ جریان فاز ورودی در حال کموتاسیون شود. در این روش، در شروع زمان کموتاسیون از یک مدار انتخابگر استفاده می‌شود و ولتاژ ورودی به اینورتر از ولتاژ گذرگاه dc قطع می‌شود و به خروجی یک مبدل افزایندۀ شبه‌منبع امپدانسی متصل می‌شود.

 

3- پیاده‌سازی کنترل سرعت موتور BLDC با کاهش ریپل گشتاور

با توجه به مدل موتور BLDC که در شکل (1) نشان داده شده است، گشتاور الکترومغناطیسی لحظه‌ای از رابطۀ زیر به دست می‌آید.

(16)

در (16)،  سرعت زاویه‌ای روتور است.

معادلۀ دینامیکی روتور به‌صورت زیر بیان می‌شود.

(17)

 

در (17)، J ممان اینرسی، B ضریب میرایی و  گشتاور بار است.

با توجه به رابطۀ گشتاور الکترومغناطیسی، مجموع مقادیر ،  و  باید ثابت باشند تا گشتاور الکترومغناطیسی ثابت به‌ دست آید. برای ولتاژ ضد محرکۀ ذوزنقه‌ای ایدئال 120 درجه، جریان‌های فاز شبه‌مربعی می‌تواند گشتاور الکترومغناطیسی را برای هر فاز نتیجه دهد. جریان‌ها، ولتاژ ضد محرکه و نیز سیگنال حسگرهای اثر هال که در زوایای 120 درجه در اطراف روتور قرار گرفته‌اند، در شکل (3) نشان داده شده‌اند.

 

 

شکل (3) : جریان‌ها، ولتاژ ضد محرکه و سیگنال حسگرهای اثر هال در حالت ایدئال در موتور BLDC

 

در شکل 3، ،  و  مربوط به جریان‌ و ولتاژ ضد محرکه مربوط به فاز A، B و C و ،  و  سیگنال‌ حسگرهای اثر هال مربوط به این فازها است. در این شکل ϴ، زاویۀ الکتریکی روتور است.

بلوک دیاگرام کنترل سرعت موتور BLDC همراه با کاهش ریپل گشتاور در شکل (4) نشان داده شده است. این شکل شامل اینورتر و موتور BLDC است. پارامترهای حسگر اثر هال، سرعت و زاویۀ روتور اندازه‌گیری می‌شود. با توجه به سرعت مرجع، سرعت واقعی موتور و زاویۀ روتور، جریان‌های پایه و مرجع و نیز i(k+1) محاسبه می‌شوند. از روی پارامترهای حسگر اثر هال و جریان‌های موتور، زمان‌های کموتاسیون و جریان غیرکموتاسیون آشکار می‌شود و سپس با توجه به (14)، محاسبه می‌شود تا در زمان‌های کموتاسیون و در سرعت‌های کم به‌عنوان دورۀ کاری به اینورتر اعمال شود. با توجه به جریان‌های مرجع، پایه، جریان‌های ‌واقعی موتور،  و سیگنال commutation کلید‌زنی اینورتر با توجه به شکل‌های (6) و (7) انجام می‌شود. مبدل شبه‌منبع امپدانسی و مدارهای کنترلی آن، ولتاژ خروجی مبدل را به 4 برابر ولتاژ ضد محرکۀ موتور، تبدیل و در سرعت‌های بالا و در زمان‌های کموتاسیون، کلید K را فعال می‌کنند تا از این طریق باعث کاهش ریپل گشتاور شوند. در ادامه هریک از بلوک‌های سازندۀ درایو موتور BLDC در شکل (4) بیان می‌شوند و توضیحات لازم ارائه می‌شود.

 

 

 

شکل (4):  بلوک دیاگرام درایو موتور BLDC به همراه سیستم نوین کاهش ریپل گشتاور

 

 

3-1- نحوۀ ایجاد جریان مرجع فازهای موتور

جریان مرجع برای فازهای موتور، با توجه به حلقۀ کنترل سرعت و زاویۀ ϴ به دست می‌آید. شکل (5) نحوۀ ایجاد جریان‌های مرجع برای فازهای موتور را نشان می‌دهد. اختلاف بین سرعت مرجع و سرعت واقعی موتور، بعد از عبور از کنترلر PI به سه ضرب‌کننده وارد می‌شود. ورودی دیگر ضرب‌کننده‌ها از بلوک شکل‌دهی جریان ایجاد می‌شود. این بلوک با استفاده از زاویۀ الکتریکی روتور، جریان‌های پایۀ موتور را به وجود می‌آورد. درواقع این بلوک، جریان‌های شبه‌مربعی را با توجه به زاویۀ الکتریکی روتور ایجاد می‌کند. جدول (1) نحوۀ ایجاد جریان‌های پایه را با توجه به زاویۀ الکتریکی روتور نشان می‌دهد.

 

 

شکل (5): نحوۀ ایجاد جریان‌های مرجع برای فازهای موتور BLDC در حلقۀ کنترل سرعت

جدول (1): نحوۀ ایجاد جریان‌های پایه با استفاده از بلوک شکل‌دهی جریان

ic_base	ib_base	ia_base	i_base ϴ
1	1-	0	0~30
0	1-	1	30~90
1-	0	1	90~150
1-	1	0	150~210
0	1	1-	210~270
1	0	1-	270~330
1	1-	0	330~360

 

 

3-2- ایجاد سیگنال مدولاسیون پهنای پالس^[3] در زمان‌های کموتاسیون و غیر کموتاسیون

روش برش pwm استفاده‌شده در این مقاله، برای تنظیم سرعت موتور BLDC، طرح pwm-on است که می‌تواند ریپل گشتاور کموتاسیون را در مقایسه با سایر حالت‌های کلیدزنی به حداقل برساند [19]. در این روش ترانزیستورهای پایین، ، و ، در هر بخش 60 درجه به‌صورت روشن و خاموش کنترل می‌شوند و هر یک از ترانزیستورهای بالا، ، و ، با روش مدولاسیون پهنای پالس کنترل می‌شوند. شکل (6) نحوۀ ایجاد پالس pwm را با استفاده از این روش نشان می‌دهد. در شکل (6)، جریان‌های مرجع هر فاز با جریان‌های واقعی استاتور، مقایسه و پس از عبور از کنترلر PI وارد بلوک saturation می‌شوند. در این بلوک سیگنال بین عدد 1 و 1- محدود می‌شود. در بلوک selector، انتخاب سیگنال در زمان کموتاسیون و غیر کموتاسیون انجام می‌شود. سیگنال commutation در زمان‌های کموتاسیون فعال می‌شود و بنابراین،  به‌عنوان سیگنال انتخاب می‌شود. در زمان‌های غیر کموتاسیون خروجی بلوک saturation به مرحلۀ بعد وارد می‌شود. در مرحلۀ comparator، سیگنال ورودی با موج دندان‌اره‌ای با فرکانس kHz10 مقایسه‌ می‌شود و سیگنال pwm را برای کلید‌های اینورتر ایجاد می‌کند.

نحوۀ ایجاد سیگنال commutation در بخش‌های بعدی توضیح داده خواهد شد. برای کلید‌زنی ترانزیستورهای اینورتر همانند شکل (7) عمل می‌شود. در شکل (7)، جریان‌های پایۀ موتور که از صفر بزرگ‌ترند، با سیگنال‌ pwm حاصل از شکل (6)، AND منطقی و به کلید‌های ، و  اعمال می‌شوند. زمان‌هایی که جریان‌های پایه از صفر کوچک‌ترند (یا منفی آنها از صفر بزرگ‌تر است)، کلید‌های ، و روشن می‌شوند و به این ترتیب روش pwm-on به اینورتر موتور BLDC اعمال می‌شود.

 

شکل (6):: نحوۀ ایجاد پالس pwm

 

 

شکل (7) : نحوۀ کلید‌زنی ترانزیستورهای اینورتر

 

• محاسبۀ زمان‌های کموتاسیون

اطلاعات موقعیت موتور با استفاده از حسگرهای اثر هال به دست می‌آید. بدین ترتیب، سیگنال‌های ،  و  به دست می‌آیند. برای به دست آوردن زمان‌های کموتاسیون باید 6 زمان کموتاسیون را در نظر گرفت که با نماد  تا مشخص می‌شوند. با توجه به اینکه سرعت مرجع مثبت (ساعتگرد) یا منفی (پادساعتگرد) باشد، حالت‌های مختلفی به وجود می‌آید که باید بررسی شوند؛ برای مثال، در حالت سرعت مثبت و برای به دست آوردن به این صورت عمل می‌شود: لبۀ بالاروندۀ ، شروع زمان کموتاسیون است و با صفرشدن جریان  زمان کموتاسیون پایان می‌یابد. در سرعت‌های منفی، لبۀ بالاروندۀ ، شروع زمان کموتاسیون است و با صفرشدن جریان  زمان کموتاسیون پایان می‌یابد. این موضوع در شکل (8) نشان داده شده است.

در شکل (8)، ابتدا سرعت مثبت (ساعتگرد) یا منفی (پادساعتگرد) با استفاده از مقایسه‌کننده مشخص می‌شود. اگر سرعت مثبت باشد، حالت 2 انتخاب می‌شود. در این حالت، زمان کموتاسیون با لبۀ بالاروندۀ آغاز می‌شود و با صفرشدن جریان  پایان می‌پذیرد؛ به این ترتیب که با لبۀ بالاروندۀ فلیب‌فلاپ یک می‌شود و با صفرشدن جریان ، فلیپ‌فلاپ صفر می‌شود. در سرعت‌های منفی، حالت 1 انتخاب می‌شود. برای 5 زمان دیگر کموتاسیون نیز بدین ترتیب تصمیم‌گیری صورت می‌گیرد. جدول (2) نحوۀ محاسبۀ زمان‌های کموتاسیون را نشان می‌دهد. برای محاسبۀ زمان‌ کلی کموتاسیون  کافی است هر یک از زمان‌های کموتاسیون تا  با هم OR منطقی شوند. این موضوع در شکل (9-الف) نشان داده شده است. نحوۀ ایجاد سیگنال commutation در نرم‌افزار PLECS نیز در شکل (9-ب) مشاهده می‌شود. در شکل (9-ب)،  با سیگنال پله، AND منطقی می‌شود. دلیل این موضوع این است که الگوریتم کاهش ریپل گشتاور را که با سیگنال commutation در زمان‌های کموتاسیون و در سرعت‌های کم انجام می‌شود، در زمان دلخواه به سیستم کنترلی اعمال شود. در این شبیه‌سازی، سیگنال کنترلی کاهش ریپل گشتاور در سرعت‌های پایین، در زمان 6/0 ثانیه به سیستم کنترلی اعمال می‌شود. اگر (زمان‌های ‌کموتاسیون) و سیگنال پله یک شود، سیگنال commutation عدد 2 می‌شود و بنابراین، در شکل (6)،  به‌عنوان اندیس مدولاسیون انتخاب می‌شود و باعث اعمال الگوریتم کاهش ریپل گشتاور خواهد شد؛ زیرا حالت 2 سلکتور انتخاب خواهد شد.

 

 

 

جدول (2): نحوۀ محاسبۀ زمان‌های کموتاسیون با توجه به سیگنال‌های اثر هال و جریان‌های استاتور

						شروع کموتاسیون	سرعت ساعت گرد
						پایان کموتاسیون
						شروع کموتاسیون	سرعت پاد ساعت گرد
						پایان کموتاسیون

 

 

شکل (8) : به‌دست آوردن یکی از شش زمان کموتاسیون-

 

 

شکل (9): الف) نحوۀ محاسبۀ زمان‌ کموتاسیون کلی ب)محاسبۀ سیگنال commutation

 

 

• محاسبۀ جریان غیرکموتاسیون در زمان‌های کموتاسیون

با توجه به اینکه تغییر فاز در زمان کموتاسیون بین کدام‌ جریان‌ها اتفاق می‌افتد، می‌توان جریان غیرکموتاسیون را تشخیص داد. جدول (3) نحوۀ تشخیص جریان غیر کموتاسیون را بیان می‌دارد. مقدار قدر مطلق جریان غیر کموتاسیون در (14) به‌عنوان i(k) به کار می‌رود.

 

 

 

 

جدول (3): نحوۀ تشخیص جریان غیر کموتاسیون

تغییر وضعیت حسگرهای اثر هال	جریان غیر کموتاسیون	تغییر فاز در لحظۀ کموتاسیون

 

شکل(10) نحوۀ به دست آوردن جریان غیر کموتاسیون را در نرم‌افزار PLECS نشان می‌دهد. در شکل (10) با توجه به زمان‌های کموتاسیون، جریان غیر کموتاسیون به دست می‌آید؛ برای مثال، اگر حاصل OR منطقی زمان‌های کموتاسیون  و  یک شود، با توجه به جداول (2) و (3) جریان غیر کموتاسیون برابر  در نظر گرفته می‌شود. به همین ترتیب برای سایر زمان‌های کموتاسیون نیز جریان غیر کموتاسیون محاسبه خواهد شد. بلوک C-Script در شکل (10) برنامه‌ای است که جدول (3) را پیاده‌سازی می‌کند و i_nc خروجی قدر مطلق جریان غیر کموتاسیون است.

 

شکل (10): محاسبۀ جریان غیر کموتاسیون با توجه به منطق زمان‌های کموتاسیون و با استناد به جدول (3)

 

• محاسبۀ دورۀ کاری در زمان‌های کموتاسیون -

جدول (4) مشخصات موتور شبیه‌سازی‌شده در نرم‌افزار PLECS را نشان می‌دهد. با توجه به (14)، شکل (5) و (6)، جداول (2)، (3) و (4) مقدار  به‌صورت شکل (11) محاسبه می‌شود. در شکل (11) مقدار i(k+1) از حلقۀ کنترل سرعت به دست می‌آید که در شکل (5) نشان داده شده است. i_nc قدر مطلق جریان غیر کموتاسیون در طول زمان کموتاسیون است که در شکل (10) و با توجه به جدول (3) محاسبه شده است. عدد 120 برابر 3 است که با توجه به مقدار اندوکتانس فاز و زمان نمونه‌برداری جدول (4) محاسبه شده است. عدد 5/1 برابر R3 است که با توجه به مقاومت فاز جدول (4) محاسبه شده است. همچنین، عدد 021/0، چهار برابر ضریب ولتاژ ضد محرکه است. مقدار Udc هم برابر 27 ولت در نظر گرفته شده است.

جدول (4): پارامترهای موتور شبیه‌سازی‌شده در نرم‌افزار PLECS

پارامتر	مقدار
ولتاژ نامی	V27
دور نامی	Rpm2000
مقاومت فاز	Ω 5/0
اندوکتانس فاز	mH 1
تعداد قطب‌ها	2 عدد (یک جفت)
گشتاور نامی	N.m 2/0
ضریب ولتاژ ضد محرکه	V/rpm 00525/0
زمان نمونه‌برداری	µ sec 25
پلۀ زمانی شبیه‌سازی	µ sec 5/2

 

 

شکل (11): محاسبۀ اندیس مدولاسیون  در زمان‌های کموتاسیون برای کاهش ریپل گشتاور در سرعت‌های کم

 

• مبدل شبه‌منبع امپدانسی

در سرعت‌های بالا، یک شبکه شبه‌منبع امپدانسی برای ایجاد ولتاژ بالاتر از ولتاژ منبع تغذیه dc استفاده می‌شود و ولتاژ گذرگاه dc بلافاصله در ابتدای هر بازه کموتاسیون با استفاده از مدار انتخابگر تغییر می‌کند تا ولتاژ ورودی اینورتر 4 برابر ولتاژ ضد محرکۀ موتور شود تا تغییرات شیب جریان غیرکموتاسیون صفر شود و بنابراین، ریپل گشتاور کاهش یابد. مدار معادل مبدل شبه‌امپدانسی در شکل (12) نشان داده شده است [20]. Udc ولتاژ منبع dc و RL بار معادل سیستم است. شبکه شبه‌منبع امپدانسی می‌تواند ولتاژ خروجی Vo را با کنترل دورۀ کاری کلید Q (pulse_qzs) افزایش دهد. دو حالت کلیدزنی مبدل شبه‌منبع امپدانسی شامل حالت وصل ^[4]Q و حالت قطع ^[5]Q است. هنگامی که Q قطع است، دیود D1 وصل می‌شود و مدار معادل خروجی همانند یک منبع جریان عمل می‌کند؛ همان‌طور که در شکل (13) نشان داده شده است. هنگامی که Q وصل است، دیود D1 قطع می‌شود؛ همان‌طور که در شکل (14) نشان داده شده است.

 

 

شکل (12): مدار معادل مبدل شبه‌امپدانسی

 

 

شکل (13): مدار معادل مبدل شبه‌امپدانسی در زمان قطع Q

 

 

شکل (14): مدار معادل مبدل شبه‌امپدانسی در زمان وصل Q

 

در حالت کار مدار باز ساق، کلید Q خاموش می‌شود و جریان توسط سلف‌های L1 و L2 و منبع تغذیه Udc تأمین می‌شود. خازن C2 انرژی را ذخیره می‌کند و بار انرژی را مصرف می‌کند. در این حالت، دیود D1، در شرایط ایدئال، مانند یک سیم عمل می‌کند. هنگامی که کلید Q روشن می‌شود، مدار در حالت اتصال کوتاه ساق کار می‌کند. دیود D1 قطع می‌شود. سلف L1 در نیمه سمت چپ مدار توسط انرژی آزادشده از خازن C1 و منبع تغذیه Udc شارژ می‌شود و جریان سلف L1 افزایش می‌یابد. در این‌ حالت، خازن C2، سلف L2 را شارژ می‌کند. هنگامی که کل چرخه کلیدزنی کامل شد، جریان سلف‌های L1 و L2 دوباره کاهش می‌یابد تا انرژی بار را تأمین کند. درنهایت، Vo بزرگ‌تر از Udc خواهد شد و ولتاژ افزایش می‌یابد. میانگین ولتاژ خروجی شبکه شبه‌منبع امپدانسی را می‌توان به‌صورت (18) بیان کرد [21]:

(18)

 

که در آن، D دورۀ کار‌ی کلید Q است.

اگر ولتاژ خروجی مبدل شبه‌امپدانسی 4 برابر ولتاژ ضد محرکه شود تا ریپل گشتاور از بین برود، می‌توان مقدار دورۀ کاری Q را به‌صورت زیر محاسبه کرد.

(19)

 

مبدل شبه‌منبع امپدانسی به همراه مدار انتخاب ولتاژ dc در شکل (15) نشان داده شده است. در شکل (15) کلید K به همراه دیود D3 نقش مدار انتخاب ولتاژ dc را ایفا می‌کند. در سرعت‌های کم که ولتاژ ورودی از 4 برابر ولتاژ ضد محرکه بیشتر است، ولتاژ Udc ازطریق دیود D3 به ورودی اینورتر اعمال می‌شود.

 

 

شکل (15): مبدل شبه‌منبع امپدانسی به همراه مدار انتخاب ولتاژ dc در زمان کموتاسیون

 

سیگنال‌های v+ و v- به ورودی اینورتر متصل می‌شوند. در سرعت‌های بالا که ولتاژ dc ورودی از 4 برابر ولتاژ ضد محرکه کمتر است، سیکل کار‌ی کلید Q طبق (19) تنظیم می‌شود و خروجی مبدل شبه‌امپدانسی 4 برابر ولتاژ ضد محرکه خواهد شد. شکل (16) نحوۀ ایجاد دورۀ کاری برای مبدل شبه‌منبع امپدانسی را نشان می‌دهد. در این شکل دورۀ کاری با موج مثلثی با فرکانس kHz 10 مقایسه و پالس‌های کلید Q برای مبدل شبه‌منبع امپدانسی ایجاد می‌شود.

در سرعت‌های بالا، ولتاژ dc از 4 برابر ولتاژ ضد محرکه کمتر است. در زمان‌های کموتاسیون کلید K با p_select فعال می‌شود و خروجی مبدل شبه‌منبع امپدانسی را به اینورتر اعمال می‌کند. از آنجا که ولتاژ خروجی مبدل شبه‌منبع امپدانسی بیشتر از Udc است، D3 در این هنگام قطع می‌شود و از تداخل ولتاژها جلوگیری می‌شود. برای فعال‌شدن کلید K به‌صورت شکل (17) تصمیم‌گیری می‌شود. در شکل (17) اگر ولتاژ ورودی از 4 برابر ولتاژ ضد محرکه کمتر باشد (سرعت بالا) و زمان‌های کموتاسیون نیز فعال باشد (  یک شود) و زمانی که سیگنال کنترلی برای کاهش ریپل گشتاور توسط پله واحد در زمان دلخواه فعال شود، (در این شبیه‌سازی زمان 7/1 ثانیه در نظر گرفته شده است)، در آن صورت، سیگنال p_select، یک و بنابراین، کلید K فعال می‌شود و خروجی مبدل شبه‌منبع امپدانسی به ورودی اینورتر متصل می‌شود تا ریپل گشتاور کاهش یابد.

 

شکل (16): نحوۀ ایجاد سیکل کاری برای مبدل شبه‌امپدانسی

 

شکل (17): تصمیم‌گیری برای فعال‌کردن کلید K توسط p_select

 

• اینورتر و موتور BLDC و حسگرهای سرعت و موقعیت

برای پیاده‌سازی اینورتر در نرم‌افزار PLECS از VSI آماده در این نرم‌افزار و نوع MOSFET استفاده می‌شود. همچنین، از موتور BLDC در این نرم‌افزار استفاده شده است و مقادیر جدول (4) به‌عنوان پارامترهای موتور اعمال شده‌اند. شکل (18) اینورتر، موتور و حسگرهای استفاده‌شده از جمله حسگر جریان استاتور، حسگرموقعیت و حسگر دور را نشان می‌دهد. در شکل (18)، پایه‌های v+ و v- به برچسب‌های مشابه در شکل (15) متصل شده است. اینورتر و موتور به یکدیگر متصل شده‌اند و حسگرها جریان‌های استاتور را اندازه‌گیری می‌کنند. ازطریق یک تابع پله گشتاور نامی موتور به مقدار N.m2/0 به قسمت‌ مکانیکی موتور اعمال می‌شود. زاویۀ روتور ازطریق حسگر موقعیت اندازه‌گیری می‌شود و با برچسب ϴ نام‌گذاری شده است. از ϴ برای یافتن جریان‌های پایۀ موتور و نیز محاسبۀ جریان‌های مرجع استفاده می‌شود. علاوه بر آن، حسگر دور برای اندازه‌گیری سرعت زاویه‌ای استفاده می‌شود. سرعت بر حسب rad/sec است و با ضریب pi/30 به rpm^[6] تبدیل می‌شود. در بخش Probe گشتاور موتور، سرعت و نیز ولتاژهای‌ ضد محرکۀ موتور، ،  و ، قابل اندازه‌گیری و مشاهده هستند.

 

 

شکل(18): اینورتر، موتور BLDC و حسگرهای استفاده‌شده در نرم‌افزار PLECS

 

 

• نتایج شبیه‌سازی

شبیه‌سازی موتور برای دو سرعت rpm1000 و rpm2000 در نرم‌افزار PLECS انجام شده است. در سرعت rpm1000، ولتاژ v27=Udc از 4 برابر ولتاژ ضد محرکه بیشتر است و بنابراین، سیستم کنترلی از روش کنترل دورۀ کار‌ی  استفاده می‌کند. برای نشان‌دادن اینکه این روش کارایی مناسبی دارد، روش کنترلی کاهش ریپل گشتاور از زمان 6/0 ثانیه اعمال می‌شود. در شکل (19)، نتایج شبیه‌سازی جریان‌های استاتور و گشتاورموتور نشان داده شده‌اند.

 

شکل (19:جریان‌های استاتور و گشتاور الکترومغناطیسی موتور BLDC در سرعت rpm1000 قبل و بعد از اعمال روش کنترلی - زمان 6/0 ثانیه

 

 در شکل (19) قبل از زمان 6/0 ثانیه، روش کنترلی کاهش ریپل اعمال نشده است. پس از این زمان و اعمال روش کنترلی، ریپل جریان و به تبع آن ریپل گشتاور کاهش یافته است. مشاهده می‌شود میزان ریپل گشتاور از مقدار N.m11/0 (تفاوت بین بیشینه N.m27/0 و کمینه N.m16/0 گشتاور) به مقدار N.m05/0 (تفاوت بین بیشینه N.m23/0 و کمینه N.m18/0 گشتاور) رسیده است. این موضوع نشان می‌دهد در گشتاور نامی N.m2/0، میزان ریپل گشتاور از حدود 55 درصد مقدار نامی به 25 درصد کاهش یافته است. مقدار ولتاژ ضد محرکه حدود 25/5 ولت است که 4 برابر آن، 21 ولت خواهد بود و بنابراین، مقدار Udc از این مقدار بیشتر است. شکل (20) شیب جریان‌های خروجی و ورودی، جریان غیرکموتاسیون و نیز گشتاور را قبل (شکل (20-الف)) و بعد از اعمال سیستم کنترلی (شکل (20-ب)) کاهش ریپل نشان می‌دهد. قبل از اعمال روش کنترلی، شیب جریان‌های ورودی و خروجی متفاوت است و جریان غیرکموتاسیون نیز نوسان دارد و ریپل گشتاور از مقدار 16/0 تا 27/0 نیوتن-متر (N.m11/0) است. بعد از اعمال روش کنترلی، شیب جریان‌های ورودی و خروجی برابر شده و نوسان جریان غیرکموتاسیون و نیز ریپل گشتاور به مقدار N.m05/0 (ریپل بین 18/0 تا 23/0 نیوتن-متر) کاهش یافته است.

 

 

شکل (20): الف- ریپل گشتاور بدون اعمال سیستم کنترلی و ب) بعد از اعمال سیگنال کنترلی - سرعت rpm1000- شیب جریان‌های ورودی و خروجی (رنگ سبز و آبی) برابر شده و ریپل جریان غیرکموتاسیون (رنگ قرمز) و ریپل گشتاور کاهش یافته است.

این موضوع نشان می‌دهد میزان ریپل گشتاور در سرعت rpm1000 از حدود 55 درصد مقدار نامی به 25 درصد مقدار نامی کاهش یافته است. عملکرد کاهش ریپل گشتاور بر نوسان دور نیز تأثیرگذار است. شکل (21) دور مرجع و دور واقعی موتور را قبل و بعد از اعمال روش کنترلی نشان می‌دهد. در شکل (21)، با اعمال روش کنترلی در زمان s6/0، نوسان دور از مقدار rpm05/0 به کمتر از rpm01/0 کاهش یافته است. در این شکل، رنگ سبز، دور مرجع و رنگ قرمز دور واقعی موتور را نشان می‌دهد. شکل(22)، جریان ‌  را به‌تنهایی نشان می‌دهد. ملاحظه می‌شود ریپل جریان استاتور در زمان s6/0 با اعمال روش کنترلی، کاهش یافته است.

در سرعت rpm2000، ولتاژ v27=Udc از 4 برابر ولتاژ ضد محرکه کمتر است و بنابراین، سیستم کنترلی از روش اعمال ولتاژ dc بالاتر در زمان‌های کموتاسیون استفاده می‌کند. این کار با تنظیم ولتاژ خروجی مبدل شبه‌منبع امپدانسی و اعمال آن در زمان‌های کموتاسیون به ورودی اینورتر انجام می‌شود. برای نشان‌دادن اینکه این روش کارایی مناسبی دارد، روش کنترلی کاهش ریپل گشتاور از زمان 7/1 ثانیه اعمال می‌شود. در شکل (23)، نتایج شبیه‌سازی جریان استاتور و گشتاور موتور نشان داده شده است.

 

 

شکل (21): دور مرجع (سبز) و دور واقعی (قرمز) موتور قبل و بعد از اعمال روش کنترلی در سرعت rpm1000

 

 

شکل (22): جریان‌ استاتو  قبل و بعد از اعمال روش کنترلی در سرعت 1000 rpm

در این شکل، قبل از زمان 7/1 ثانیه، روش کنترلی کاهش ریپل اعمال نشده است. پس از این زمان و اعمال روش کنترلی، ریپل جریان و به تبع آن، ریپل گشتاور کاهش یافته است. مشاهده می‌شود میزان ریپل گشتاور از مقدار N.m13/0 (تفاوت بین 14/0 تا 27/0 نیوتن-متر) به مقدار N.m02/0 (تفاوت بین 19/0 تا 21/0 نیوتن-متر) رسیده است. این موضوع نشان می‌دهد در دورrpm  2000 مقدار ریپل گشتاور از حدود 65 درصد مقدار نامی به 10 درصد مقدار نامی کاهش یافته است. مقدار ولتاژ ضد محرکه حدود 5/10 ولت است که 4 برابر آن 42 ولت خواهد بود و بنابراین، مقدار Udc از این مقدار کمتر است.

شکل (24) شیب جریان‌های خروجی و ورودی، جریان غیر کموتاسیون و نیز گشتاور را قبل (شکل (24-الف)) و بعد از اعمال سیستم کنترلی (شکل (24-ب)) کاهش ریپل نشان می‌دهد.

 

 

شکل (23): جریان استاتور و گشتاور الکترومغناطیسی موتور BLDC در سرعت rpm2000 قبل و بعد از اعمال روش کنترلی - زمان 7/1 ثانیه

 

شکل (24): الف) ریپل گشتاور بدون اعمال سیستم کنترلی و ب) بعد از اعمال سیگنال کنترلی - سرعت rpm2000 -شیب جریان‌های ورودی و خروجی (رنگ سبز و آبی) برابر شده و ریپل جریان غیرکموتاسیون (رنگ قرمز) و ریپل گشتاور کاهش یافته است.

عملکرد کاهش ریپل گشتاور بر نوسان دور نیز تأثیرگذار است. شکل (25) دور مرجع و دور واقعی موتور را قبل و بعد از اعمال روش کنترلی در سرعت بالا نشان می‌دهد. در شکل (25)، با اعمال روش کنترلی در زمان s7/1، نوسان دور از مقدار rpm09/0 به کمتر از rpm01/0 کاهش یافته است. در این شکل، رنگ سبز، دور مرجع و رنگ قرمز دور واقعی موتور را نشان می‌دهد.

شکل (26)، جریان ‌  را به‌تنهایی نشان می‌دهد. ملاحظه می‌شود نوسان جریان استاتور در زمان sec7/1 با اعمال روش کنترلی، کاهش یافته است.

خروجی مبدل شبه‌منبع امپدانسی (سبز) و 4 برابر ولتاژ ضد محرکه (قرمز) (E4) در شکل (27) نشان داده شده است.

 

 

شکل (25): دور مرجع (سبز) و دور واقعی (قرمز) موتور قبل و بعد از اعمال روش کنترلی در سرعت rpm2000

 

شکل (26): جریان‌ استاتور  قبل و بعد از اعمال روش کنترلی در سرعت rpm2000

 

شکل (27): خروجی مبدل شبه‌منبع امپدانسی (رنگ سبز) و 4 برابر ولتاژ ضد محرکه (E4) (رنگ قرمز) در دور مرجع rpm1000 (قبل از زمان s1) و در دور مرجع rpm2000 (بعد از زمان s1)

در زمان‌های کمتر از s1 دور موتور rpm1000 است و E4 برابر 21 ولت است که از ولتاژ Udc کمتر است؛ بنابراین، ولتاژ خروجی مبدل شبه‌امپدانسی 27 ولت باقی می‌ماند و به اینورتر اعمال می‌شود. در زمان s1، دور مرجع rpm2000 می‌شود. دور موتور در s3/1 به مقدار rpm2000 می‌رسد و E4 به 42 ولت رسیده است که از Udc بیشتر است. مشاهده می‌شود ولتاژ مبدل شبه‌منبع امپدانسی افزایش یافته و به مقدار حدود 42 ولت رسیده است. با توجه به افزایش ولتاژ ضد محرکه با یک شیب مشخص (به دلیل افزایش دور موتور با شیب مشخص) در فاصلۀ زمانی 1 تا 3/1 ثانیه، خروجی مبدل شبه‌منبع امپدانسی افزایش یافته و به مقدار 4 برابر ولتاژ ضد محرکه (42 ولت) رسیده است. در زمان s7/1 سیستم کنترلی به موتور اعمال شده است. با وصل‌کردن کلید K در زمان‌های کموتاسیون، ولتاژ ورودی اینورتر برابر خروجی مبدل شبه‌منبع امپدانسی خواهد شد؛ بنابراین، در زمان‌های بزرگ‌تر از s7/1 و در زمان‌های کموتاسیون، ولتاژ ورودی اینورتر به مقدار حدودی 42 ولت خواهد رسید. این موضوع در شکل (28) نشان داده شده است.

عملکرد روش کنترلی در تغییرات گشتاور بار (تغییر از 1/0 به 25/0 نیوتن-متر) در سرعت rpm1000 در شکل (29) نشان داده شده است. در این شکل، روش کنترلی در زمان 4/0 ثانیه اعمال شده است. در زمان 5/0 ثانیه گشتاور بار از مقدار 1/0 به 25/0 نیوتن-متر تغییر کرده است. عملکرد روش کنترلی در کاهش ریپل در هر دو سطح گشتاور مشهود است.

عملکرد روش کنترلی در تغییرات گشتاور بار (تغییر از 2/0 به 3/0 نیوتن-متر) در سرعت rpm2000 در شکل (30) نشان داده شده است. در این شکل، روش کنترلی در زمان 7/0 ثانیه اعمال شده است. در زمان 8/0 ثانیه گشتاور بار از مقدار 2/0 به 3/0 نیوتن-متر تغییر کرده است. عملکرد روش کنترلی در کاهش ریپل در هر دو سطح گشتاور مشاهده می‌شود.

عملکرد روش کنترلی در دو دور مختلف در سرعت‌های پایین (شامل rpm1000 و rpm1200) و گشتاور بار N.m2/0 نیز بررسی شد و نتایج آن در شکل

شکل (28): ولتاژ ورودی اینورتر در دور rpm2000 و با فعال‌کردن سیستم کنترلی در زمان s7/1 برابر ولتاژ خروجی مبدل شبه‌منبع امپدانسی (42 ولت) می‌شود.

 

 

شکل (29): عملکرد روش کنترلی در تغییرات گشتاور بار از 1/0 به 25/0 نیوتن-متر در دور rpm1000

 

 

شکل (30): عملکرد روش کنترلی در تغییرات گشتاور بار از 2/0 به 3/0 نیوتن-متر در دور rpm2000

 

(31) آورده شده‌اند. در این شکل، روش کنترلی در زمان 2/1 ثانیه و فرمان افزایش دور در زمان 3/1 ثانیه اعمال شده است.در این زمان، گشتاور اعمالی به موتور افزایش یافته و در زمان 52/1 ثانیه، دور به مقدار rpm1200 افزایش یافته و گشتاور اعمالی به موتور نیز با گشتاور بار برابر شده است. مشاهده می‌شود در هر یک از دورهای rpm1000 و rpm1200، ریپل گشتاور کاهش یافته است.

در ادامه، عملکرد روش کنترلی فوق در دو دور مختلف در سرعت‌های بالا (شامل rpm2000 و rpm2300) و گشتاور بار N.m2/0 نیز بررسی شد و نتایج آن در شکل (32) ارائه شده‌اند. در این شکل، روش کنترلی در زمان 6/2 ثانیه و فرمان افزایش دور در زمان 9/2 ثانیه اعمال شده است. در این زمان، گشتاور اعمالی به موتور افزایش یافته و در زمان 48/3 ثانیه دور به مقدار rpm2300 افزایش یافته و همچنین، گشتاور اعمالی به موتور با گشتاور بار برابر شده است. ملاحظه می‌شود در هر یک از دورهای rpm2000 و rpm2300، ریپل گشتاور کاهش یافته است.

 

 

شکل (31): عملکرد روش کنترلی در تغییر سرعت rpm1000 به rpm1200 و گشتاور بار N.m2/0

 

 

شکل (32): عملکرد روش کنترلی در تغییر سرعت rpm2000 به rpm2300 و گشتاور بار N.m2/0

 

 

نتیجه‌گیری

در این مقاله یک روش ترکیبی جدید برای کاهش ریپل گشتاور موتور BLDC با ولتاژ ضد محرکۀ ذوزنقه‌ای و با کموتاسیون شبه‌مربعی ارائه شد. این روش ترکیبی در سرعت‌های پایین و بالا قابلیت کاهش ریپل گشتاور حاصل از کموتاسیون شبه‌مربعی را دارد. علل کاهش ریپل گشتاور، بررسی و در سرعت‌های پایین، روش کنترلی با استفاده از دورۀ کار‌ی جدید در زمان کموتاسیون اعمال شده است. با این روش، شیب جریان‌ قطع‌شونده از موتور و شیب جریان وصل‌شونده به موتور برابر شده و درنتیجه، با کاهش نوسان جریان غیر کموتاسیون، ریپل گشتاور موتور کاهش یافته است. در سرعت‌های بالا روش کنترلیِ افزایش ولتاژ ورودی اینورتر در زمان کموتاسیون، با استفاده از مبدل افزایندۀ شبه‌منبع امپدانسی بررسی و تحلیل شد. نتایج تئوری بیان‌شده نیز با نرم‌افزار PLECS شبیه‌سازی شدند. نتایج حاصل از شبیه‌سازی نشان می‌دهند استفاده از روش تغییر دورۀ کاری در زمان‌های کموتاسیون و در سرعت‌های پایین (سرعت‌هایی که 4 برابر ولتاژ ضد محرکه از ولتاژ گذرگاه dc کمتر است)، ریپل گشتاور را از مقدار 55 درصد مقدار نامی تا 25 درصد مقدار نامی کاهش می‌دهد. همچنین، مقدار ریپل گشتاور در سرعت‌های بالا (سرعت‌هایی که 4 برابر ولتاژ ضد محرکه از ولتاژ گذرگاه dc بیشتر است)، از مقدار 65 درصد مقدار نامی به 10 درصد مقدار نامی کاهش می‌یابد؛ بنابراین، نتایج شبیه‌سازی، صحت روش‌‌های ارائه شده را تأیید می‌کنند.

 

[1] تاریخ ارسال مقاله: 16/12/1401

تاریخ پذیرش مقاله: 19/06/1402

نام نویسندۀ مسئول: آرش دهستانی کلاگر

نشانی نویسندۀ مسئول: ایران، تهران، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، مجتمع دانشگاهی برق و کامپیوتر

 

[1] Neutral Point Clamped

[2] Finite Control Set Model Predictive Control

[3]  Pulse Width Modulation

[4] Shoot-through

[5] Non Shoot-through

[6] Revolution per minute

 

تعداد مشاهده مقاله: 29

تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 30